M.E.(cvs)-wetenschap

april 15, 2016

Mitochondriale DNA varianten correleren met symptomen van M.E.(cvs)

Filed under: Genetica — mewetenschap @ 6:49 am
Tags: , , ,

Maureen R. Hanson staat aan het hoofd van het Hanson Laboratorium, van de Afdeling Molekulaire Biologie en Genetica van de Cornell Universiteit. Een team onder haar leiding voerde onderstaande studie uit. Dit werk werd hoofdzakelijk ondersteund door het ‘Chronic Fatigue Initiative’.

Mitochondrieën zijn de sub-cellulaire organellen verantwoordelijk voor de aanmaak van ATP, de energie-bron van cellen. Mitochondrieën zijn opgebouwd uit molekulen die worden gecodeerd door het nucleair genoom (DNA dat zich in de nucleus, kern bevindt) alsook door het mitochondriaal genoom (een kleinere hoveelheid DNA aanwezig in elk van dit organel). Defekten in het mitochondriaal DNA kunnen leiden tot genetische aandoeningen. Het mitochondriaal genoom van gezonde mensen vertoont ook wat natuurlijke variatie – componenten van het mitochondriaal DNA verschillen soms tussen individuen – dat noemt men een SNP (‘single nucleotide polymorphism’, één enkel nucleotide verschilt). Dikwijls verschilt meer dan één SNP tussen een populatie van mensen en een andere. Deze verschillende types mitochondriale genomen, gebaseerd op een specifieke set SNPs, noemt men haplogroepen. Zelfs mensen wiens mitochondriaal DNA tot dezelfde haplogroep behoort, kunnen van elkaar omwille van variatie in bijkomende SNPs. Sommige mitochondriale SNPs bleken verband te houden met verscheidene kenmerken (bv. vatbaarheid voor diabetes of inflammatoire ziekten).

Wat het nog ingewikkelder maakt is dat er veel individuele mitochondrieën in dezelfde cel zijn en dus veel copieën van mitochondriaal DNA in elke cel. Soms ontstaan nieuwe mutaties zodat sommige copieën van het DNA in dezelfde cel (en dus bij dezelfde persoon) van elkaar verschillen. Dit wordt ‘heteroplasmie’ genoemd. Wanneer cellen groeien en vermenigvuldigen, kan er per toeval een ongelijkmatige verdeling van normaal tegenover abnormaal DNA in verschillende cellen ontstaan. Als mitochondriaal DNA met een schadelijke mutatie het overheersend type wordt in een bepaald weefsel, zullen ernstige symptomen ontstaan.

In de studie worden de volgende vragen gesteld: Waren er bij door 6 erkende experten geïdentificeerde M.E.(cvs)-patiënten mensen die een verkeerde diagnose kregen en eigenlijk aan een mitochondriale genetische ziekte leden? /// Dragen mensen met M.E.(cvs) meer copieën mitochondriaal DNA met schadelijke mutaties dan gezonde mensen (heteroplasmie)? /// Lijden mensen behorende tot één bepaalde haplogroep meer waarschijnlijk aan M.E.(cvs)? /// Ervaren mensen met bepaalde SNPs meer waarschijnlijk bepaalde symptomen of hebben ze ernstiger symptomen?

Er was bij geen enkele van de patiënten een aanwijzing voor mitochondriale ziekte. Men vond bovendien geen verschil in de mate van heteroplasmie, ook geen verhoogde vatbaarheid voor M.E.(cvs) bij individuen die tot bepaalde haplogroepen behoren of bepaalde SNPs vertoonden binnen een haplogroep. Er werden wel verbanden gevonden tussen bepaalde SNPs en een aantal symptomen en de ernst ervan. Dit betekent niet dat als je één van die SNPs in je mitochondriaal DNA hebt, dat je dan onvermijdelijk een bepaalt symptoom zult ervaren of dat dit bepaalde symptomen ernstiger zouden zijn. Individuen die drager zijn van dat SNP hebben wel een groter risico voor bepaalde types symptomen eens ze ziek worden.

De vraag is nu: hoeveel van de variatie in symptomen is het resultaat van hun verschillend nucleair en/of mitochondriaal materiaal, in plaats van de variatie qua uitlokkende oorzaak? Hanson heeft het op haar website over het raadselachtige van de diversiteit qua symptomen en variatie van de ernst ervan. Die verschillen zouden niet als bewijs mogen worden genomen voor het feit dat meer dan één aanval de ziekte kan initiëren, noch dat patiënten verschillende onderliggende problemen hebben. Het blijft mogelijk dat de diversiteit van de ziekte het resultaat is van genetische diversiteit eerder dan van het bestaan van meerdere fundamentele oorzaken.

Of mitochondrieën verstoord zijn bij M.E.(cvs) is nog niet definitief vastgesteld. Mitochondrieën kunnen direct of indirect aangestast zijn. Een stoornis in het metabolisme of de regulering van genen kan bv. verhinderen dat mitochondrieën behoorlijk werken. Theoretisch kunnen mitochondrieën aangetast zijn via een onbekend auto-immuun mechanisme.

Voor nog wat meer achtergrond: lees o.m. ook ‘M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte’, alsook ‘Verhoogde aanwezigheid van 2 mitochondriale DNA polymorfismen bij CVS’, alwaar Prof. Kerr en collega’s rapporteren dat 2 mtDNA-polymorfismen waarschijnlijk het risico op het ontwikkelen van meerdere “funktionele syndromen” bepaalt…

————————-

Journal of Translational Medicine (2016) 14: 19

Mitochondrial DNA variants correlate with symptoms in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome

Billing-Ross P, Germain A, Ye K, Keinan A, Gu Z, Hanson MR

Cornell University, Ithaca, NY, USA

Samenvatting

Achtergrond We stellen als hypothe dat mitochondriale dysfunktie voorkomt bij Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS), een ziekte gekenmerkt door vermoeidheid, cognitieve problemen, pijn, malaise en inspanning-intolerantie. We onderzochten of het type haplogroep, ‘single nucleotide’ polymorfismen (SNPs) of heteroplasmie van mitochondriaal DNA (mtDNA) geassocieerd waren met gezondheid-status en/of symptomen.

Methodes Er werd sequentie-bepaling van (via PCR vermeervuldigd) mtDNA uitgevoerd om de sequentie en mate van heteroplasmie te analyseren van mtDNAs van 193 patiënten en 196 voor leeftijd en geslacht gematchte controles (DNA-stalen verzameld in het kader van het ‘Chronic Fatigue Initiative’). Er werd getest op mogelijke correlaties van mitochondriale sequenties en symptomen/ernst (gerapporteerd via de ‘Short Form-36’ en ‘DePaul Symptom Questionnaire’).

Resultaten Er waren geen individuen met M.E./CVS die gekende ziekte-veroorzakende mtDNA-mutaties vertoonden. De mate van heteroplasmie was laag bij alle individuen. Hoewel er geen associatie tussen mtDNA SNPs en M.E./CVS vs. gezonde status werd geobserveerd, waren de haplogroepen J, U en H alsook 8 SNPs bij M.E./CVS-patiënten significant geassocieerd met individuele symptomen, symptoom-clusters of symptoom-ernst.

Conclusies Analyse van mitochondriale genomen bij M.E./CVS-patiënten geeft aan dat individuen van een bepaalde haplogroep of drager van specifieke SNPs meer waarschijnlijk bepaalde neurologische, inflammatoire en/of gastro-intestinale symptomen vertonen. Er werd geen toegenomen vatbaarheid voor M.E./CVS geobserveerd bij mensen met bepaalde mitochondriale genomen of SNPs.

Achtergrond

[…] Mitochondriale dysfunktie bleek betrokken bij M.E./CVS in meerdere studies. Een onderzoeksteam publiceerde 3 studies over M.E./CVS die rapporteerden over verstoorde mitochondriale aktiviteit in neutrofielen (via een indirecte test voor oxidatieve fosforylatie d.m.v. ATP-meting) [Myhill S et al. Targeting mitochondrial dysfunction in the treatment of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS) – a clinical audit. Int J Clin Exp Med. (2013) 6: 1-15]. Interpretatie van neutrofiel-studies is moeilijk omwille van het feit dat neutrofielen minder mitochondrieën hebben dan spiercellen of andere types bloedcellen. In tegenstelling tot de neutrofiel-analyses, rapporteerden 2 research-groepen er geen detekteerbare verschillen waren tussen de aktiviteiten van mitochondriale complexen die ze testten in perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) van M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles [Vermeulen RC et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. J Transl Med. (2010) 8: 93; zie ‘Oxidatieve fosforylatie na herhaalde inspanning bij CVS]. Er werden geen ultrastrukturele abnormaliteiten geobserveerd in mitochondrieën van spieren van M.E./CVS-patiënten (via elektronen-microscopie) [Plioplys AV, Plioplys S. Electron-microscopic investigation of muscle mitochondria in Chronic Fatigue Syndrome. Neuropsychobiology (1995) 32: 175-81]. Een andere groep maakte echter melding van normale mitochondriale aktiviteit maar gedaalde mitochondriale inhoud in skelet-spieren van M.E./CVS-patiënten [Smits B et al. Mitochondrial enzymes discriminate between mitochondrial disorders and Chronic Fatigue Syndrome. Mitochondrion (2011) 11: 735-8]. Bovendien noteerden 2 studies een lagere coenzyme-Q inhoud in bloedcellen of plasma van M.E./CVS-patiënten [bv. Castro-Marrero J et al. Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia? Antiox. Redox Sig. (2013) 19: 1855-60; zie ‘Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?].

De literatuur betreffende bio-energetische funktie van hart- en/of skelet-spier (geanalyseerd via magnetische resonantie spectroscopie) bij M.E./CVS is ook tegenstrijdig: sommigen rapporteren abnormaliteiten bij M.E./CVS-patiënten, terwijl anderen een normale werking aangeven [Hollingsworth KG, Newton JL et al. Impaired cardiovascular response to standing in Chronic Fatigue Syndrome. Eur J Clin Invest. (2010) 40: 608-15 zie ‘Verstoorde cardiovasculaire respons op staan bij CVS’ /// Lane RJ et al. Heterogeneity in Chronic Fatigue Syndrome: evidence from magnetic resonance spectroscopy of muscle. Neuromuscul Dis. (1998) 8: 204-9 /// Wong R et al. Skeletal muscle metabolism in the Chronic Fatigue Syndrome. In vivo assessment by 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy. Chest (1992) 102: 1716-22 /// McCully KK, Natelson BH et al. Blood flow and muscle metabolism in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Sci. (2003) 104: 641-7 /// McCully KK, Natelson BH et al. Muscle metabolism with blood flow restriction in Chronic Fatigue Syndrome. J Appl Phys. (2004) 96: 871-8]. Het kan zijn dat slechts een deel van de gevallen abnormaliteiten vertonen, die daardoor niet opgepikt worden wanneer de grootte van het staal beperkt is. Ofwel kunnen mitochondriale defekten of problemen qua bloeddoorstroming in de spieren resulteren in abnormale bevindingen in spectroscopische studies.

Er is weinig informatie beschikbaar betreffende de mitochondriale genomen van individuen met M.E./CVS. Bepaalde variaties in menselijke mitochondriale genomen bleken geassocieerd met verschillende fenotypes zoals klimaat-aanpassing, tolerantie voor grote hoogte en obesitas, of verhoogde of verminderde vatbaarheid of ernst van medische problemen zoals (o.a.) diabetes, sepsis, beroerte, Alzheimer’s & Parkinson’s, en hypertensie.

Menselijke populaties hebben overgeërfde polymorfismen die verschillende mitochondriale DNA (mtDNA) haplogroepen vertegenwoordigen. Het effekt van een nucleotide-polymorfisme kan variëren afhankelijk van het mitochondriaal genoom waarin het ontstaat. Het testen van de verbanden met het type haplogroep is daarom waardevol bij het analyseren van de rol van mtDNA-polymorfismen bij metabole ziekten. Bijvoorbeeld: een dergelijke aanpak werd gebruikt bij de ontdekking dat mitochondriale haplogroep-N9 bijdraagt tot resistentie tegen type-II diabetes bij Aziaten. Een studie bij individuen met Europese haplotypes bepaalde of 2 SNPs in een patiënten-groep al dan niet geassocieerd waren met symptomen en rapporteerde een verband van 1 SNP met pijn, chronische vermoeidheid en abnormale gastro-intestinale motiliteit [Boles RG et al. Hurt, tired and queasy: specific variants in the ATPase domain of the TRAP1 mitochondrial chaperone are associated with common, chronic “functional” symptomatology including pain, fatigue and gastro-intestinal dysmotility. Mitochondrion (2015) 23:64-70]. Een andere studie van mitochondriale genomen bij 162 M.E./CVS-patiënten met haplogroep-H rapporteerde een verband tussen ziekte met een SNP [Boles RG et al. Increased prevalence of two mitochondrial DNA polymorphisms in functional disease: are we describing different parts of an energy-depleted elephant? Mitochondrion (2015) 23:1-6; zie ‘Verhoogde aanwezigheid van 2 mitochondriale DNA polymorfismen bij CVS].

Er zijn geen onderzoeken aangaande de heteroplasmie (aanwezigheid van meer dan één type mitochondriaal genoom) bij M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. Er kunnen somatische mutaties [somatische of lichaam-cellen; hun erfelijk materiaal wordt niet aan de volgende generatie doorgegeven] in mitochondriale genomen voorkomen en het is geweten dat de effekten bij het ouder-worden zich opstapelen of vermeerderen. Door het verkrijgen van volledige mitochondriale genoom-sequenties uit cellen van M.E./CVS-patiënten en een voor leeftijd gematchte groep, is het mogelijk om te bepalen of patiënten meer somatische mutaties (dan verwacht) hebben in mitochondriaal DNA. Een onderzoek naar heteroplasmie in mitochondriaal DNA van 1.085 [gezonde] individuen vond dat 90 % ten minste één variant genoom droeg en 20 % had sequentie-varianten die bekend staan als pathogeen. De frequentie van pathogene genomen in een individu kan worden onderzocht via sequentie-bepaling van mitochondriaal DNA, om zo te bepalen of een drempel werd bereikt waarbij ziekte duidelijk wordt.

Heteroplasmische pathogene mutaties kunnen ook worden doorgegeven via de kiemlijn [kiem- of geslacht-cellen bevatten de helft van de chromosomen van een somatische cel], wat leidt tot mitochondriale ziekte als het aandeel mutante genomen voldoende groot is geworden om de werking te verstoren. Bijvoorbeeld: de m.3243A>G mutatie kan mitochondriale encefalopathie met lactaat-acidose en beroerte (MELAS) veroorzaken wanneer de frequentie hoger is dan 59 %.

We ondernamen een studie van de mitochondriale genomen in een groep van voor geslacht en leeftijd gematchte M.E./CVS-patiënten en controles van overwegend Europese origine. We voerden ‘next-generation’ sequentie-bepaling uit om de mtDNAs van de individuen te karakteriseren wat betreft haplotype, SNPs en heteroplasmie. We deden associatie-testen om te bekijken of SNPs significant verband hielden met de M.E./CVS-status of met bepaalde symptomen en hun ernst in de patiënten-groep.

Methodes

[…]

Resultaten

Alle individuen kwamen uit een grote studie ondersteund door het ‘Chronic Fatigue Initiative’ (CFI) [Klimas NG et al. Findings from a clinical and laboratory database developed for discovery of pathogenic mechanisms in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Fatigue (2015) 3: 75-96]. De individuen kregen een diagnose via artsen gespecialiseerd in M.E./CVS en voldeden aan de Fukuda criteria en/of de Canadese consensus criteria. […]

Causale mitochondriale ziekte varianten

Gemiddeld waren er 23,2 ± 11,3 SNPs bij de patiënten en 25,8 ± 12,4 bij controles t.o.v. de Cambridge referentie-sequentie. Polymorfismen die werden gezien in de consensus-sequenties van alle individuen werden vergeleken met de MITOMAP database (gerapporteerde, met ziekte geassocieerde mutaties) om te bepalen of er individuen waren met ziekte-veroorzakende mtDNA SNPs. Er werd slechts één bekende mitochondriale ziekte-veroorzakende substitutie geobserveerd bij de patiënten en controles. Er werd een T14484C substitutie [omwisseling van een nucleotide] gevonden bij een gezonde controle (wordt gezien bij individuen die ‘Leber’s erfelijke optische neuropathie’ [LHON; mitochondriale neurodegeneratieve ziekte die de oogzenuw aantast] ontwikkelen). Er werden geen andere ziekte-veroorzakende mtDNA-varianten gezien.

Zeldzame varianten associate-analyse

Om het effekt te bepalen van de totaal-mtDNA variatie inclusief courante en zeldzame varianten, vergeleken we de cumulatieve pathogeniciteit [ziekteverwekkend vermogen] tussen controles en M.E./CVS-individuen. Voor elke mtDNA-variant in een individu werd een ruwe pathogeniciteit-score verkregen uit de vrij beschikbare CADD-database [‘comined annotation dependent depletion’, CADD; score voor de schadelijkheid van ‘single nucleotide’ varianten of insertie/deletie varianten in het menselijk genoom]. Er werd een gemiddelde CADD-score berekend voor elk individu door de cumulatieve CADD-score van een individu te delen door hun aantal variant-plaatsen. De verdeling van de gemiddelde CADD-scores werd vergeleken tussen patiënten en controles […]. Er was geen significant verschil in de verdeling van gemiddelde CADD-scores tussen patiënten en controles.

Analyse van haplogroep met ziekte-status

De grote meerderheid van de individuen in de studie (90,1 %) droeg mtDNA-haplogroepen die courant voorkomen in nakomelingen van Europese afkomst, zoals werd verwacht gezien de groep > 96 % blank was. De sterkst vertegenwoordigde haplogroepen waren H (39,1 %), U (15,4 %), T (10,6 %), K (9,1 %) & J (5,6 %). De rest van de haplogroepen vertegenwoordigt nakomelingen verspreid over Azië en Amerika (5,5 %) en deze die courant zijn in Afrika (4,3 %).

Vergelijking van de verdeling van de haplogroepen toonde geen significant verschil tussen patiënten en controles. Daarnaast deden we afzonderlijke [statistische] testen bij elke individuele belangrijke haplogroep-categorie. Dit onthulde een nominaal-significante aanrijking van haplogroep-T (HgT) bij controles versus patiënten; wat een mogelijks beschermend effekt van HgT tegen M.E./CVS zou kunnen suggereren. [De nominale significantie is niet hetzelfde als de eigenlijke significantie maar uitleg zou een cursus statistiek vergen…].

We analyseerden ook de haplogroep-verdelingen in vrouwen en mannen afzonderlijk. We zagen een nominaal-significante aanrijking van HgT bij de vrouwelijke controles maar geen verbanden bij mannen.

Analyse van haplogroep en symptomen

Na geen belangrijk verband met ziekte te hebben gezien, testten we voor haplogroep-associatie met 270 verschillende symptoom-scores uit SF-36 [Medical Outcomes Survey Short Form-36’; zelf-rapportering vragenlijst over de algemene gezondheid] en DSQ [DePaul Symptom Questionnaire’; zelf-rapportering vragenlijst over de frequentie en ernst van 54 symptomen specifiek voor CVS] bevragingen. Omdat veel van de symptomen gerelateerd zijn met of afhankelijk van elkaar, pastten we geen multipele-test correctie […] toe. Er waren enkel Europese haplogroepen aanwezig met een frequentie groot genoeg om opgenomen te worden in deze analyse, en HgJ, HgU & HgH vertoonden allemaal significante verbanden […]. Als we individuele associatie-testen uitvoerden […], vonden we 6 significante associaties tussen mitochondriale haplogroepen en klinische fenotypes vastgesteld via de ‘DePaul Questionnaire’. Alle significante associaties waren met symptomen gerelateerd met gewricht-pijn, opgeblazen gevoel of “zich op voelen” na inspanning. Haplogroep-J vertoonde een beschermend effekt tegen alle metingen voor gewricht-pijn en individuen behorend tot haplogroep-U rapporteerden minder ernstig opgeblazen gevoel […]. Anderzijds hadden M.E./CVS-individuen met haplogroep-H de neiging meer vatbaar te zijn voor “zich op voelen” na inspanning dan andere haplogroepen.

Analyse van het verband tussen enkelvoudige merkers en ziekte

De meerderheid van variabele mtDNA-plaatsen (SNPs) in onze data-set waren ‘enkelingen’ – slechts één individu droeg de variante allelen, deze werden niet opgenomen in de associatie-analyse. 70 mtDNA-SNPs voldeden aan onze minimum ‘minor’ [minst voorkomend] allel frequentie-drempel van 5 % [geeft informatie over courante en zeldzame varianten in een populatie] en werden opgenomen in de associatie-testen met demografische en symptomatische variabelen geassocieerd met M.E./CVS.

Er werd ‘single marker association testing’ [vergelijkt frequenties van bepaalde allelen of genotypes] toegepast voor het bepalen van SNP-associaties met de aandoening van individuen (gezonde controles of M.E./CVS-patiënten). Van de 70 SNPs, bleken er 10 nominaal significant maar geen enkele bleken significant na multipele test correctie. Bij de M.E./CVS-patiënten, bekeken we ook SNP-associaties met acute of graduele aanvang van de ziekte en vonden geen significante verbanden. In een poging om rekening te houden met mtDNA genetische achtergrond en de individuele SNP-effekten meer accuraat te meten, werden SNP-associaties gemeten in de subgroep individuen met haplogroep-H (HgH). Idealiter zouden SNP-associaties moeten worden gemeten voor alle haplogroepen maar gezien de [beperkte] grootte van ons staal was HgH echter de enige haplogroep waar associatie-analyse doenbaar was. Van de 151 HgH-individuen waarvan klinische gegevens beschikbaar waren, vertoonden geen van de 18 SNPs die voldeden significante verbanden met M.E./CVS t.o.v. gezonde status.

De prevalentie van M.E./CVS en met vermoeidheid gerelateerde syndromen is hoger bij vrouwen. Daarnaast zijn – omwille van het maternaal overerving-patroon van mtDNA – mitochondriale varianten onderhevig aan geslacht-specifieke selektie, wat kan leiden tot een verschillende fitness bij vrouwen en mannen. Om rekening te houden met mogelijke geslacht-verschillen, werden onafhankelijke SNP-associatie testen op basis van geslacht uitgevoerd maar dit toonde geen verbanden.

Analyse van het verband tussen enkelvoudige merkers en symptomen

Er werd dan ‘single-marker association testing’ toegepast op symptoom-scores zoals voor de haplogroep-associatie analyse. Er bleken 8 mtDNA-SNPs geassocieerd met 16 symptoom-categorieën. De significante SNPs lagen op mtDNA-posities 150, 930, 1719, 3010, 5147, 16093, 16223 & 16519. SNPs 930 & 5147 delen één associatie terwijl 3010, 16093 & 16223 elk geassocieerd waren met 2 verschillende symptomen. 5 symptomen beleken geassocieerd met 16519, 150 was geassocieerd met 4 symptomen en 1719 met 7 symptomen. […].

Allel 150T was geassocieerd met lagere gezondheid-scores met betrekking tot emotionele beperkingen, werk-geschiktheid en -prestaties (SF-36 vragenlijst M.E./CVS-patiënten). Allelen 930G & 5147G waren geassocieerd met grotere moeilijkheden bij het uitvoeren van werk. Het 1719A allel was geassocieerd met hogere symptoom-scores in 7 categorieën (inflammatie & neuro-inflammatie; DSQ vragenlijst M.E./CVS-patiënten). De 2 significante verbanden van 16223T met neuro-inflammatoir lijden en frequentie van gevoeligheid voor helder licht overlapten met dezelfde symptomen die geassocieerd waren met 1719A. Patiënten met 3010A vertooden meer frequent een slaap-aandoening. Lichamelijke aktiviteiten waren meer beperkt bij patiënten met 16093T. De aanwezigheid van 16519C was geassocieerd met ernstiger gastro-intestinale symptomen (opgeblazen gevoel en abdominale pijn). […]

Heteroplasmie-analysis

Een mitochondriale heteroplasmie komt voor wanneer een individu mtDNA-copieën met verschillende allelen draagt. Heteroplasmieën kunnen voorkomen door somatische mutatie of maternale overerving […]. Er wordt gedacht dat mitochondrieën door een kiemlijn ‘flessehals’ gaan die de frequentie reduceert van heteroplasmieën overgedragen van moeder naar kind. Als heteroplasmieën echter een kritieke frequentie binnen een weefsel of individu bereiken, kunnen ze potentieel pathogene effekten hebben. De accumulatie van heteroplasmieën tijdens het ouder-worden kan ook bijdragen tot de variabele aanvang-leeftijd die wordt gezien bij verscheidene energie-ziekten.

Om de rol van heteroplasmie bij M.E./CVS te onderzoeken, voerden we een omvangrijke sequente-bepaling uit om heteroplasmieën aanwezig bij M.E./CVS-patiënten te identificeren en te analyseren. Er werd een gemiddelde van 1,42 heteroplasmieën per individu gezien (t.o.v. slechts 1,28 bij controles). Om rekening te houden met het feit dat het aantal plaatsen dat voldeed aan onze criteria om het een heteroplasmie te noemen varieerde tussen de stalen, berekenden we echter hat aantal heteroplasmieën per bruikbare plaats per individu (HPUI) en gebruikten dat bij de vergelijking. […] Er werd een statistische test gebruikt om de verdeling van HPUI te vergelijken tussen patiënten met acute aanvang van M.E./CVS versus geleidelijke aanvang, en er was geen significant verschil (p = 0.30). Aangezien cytokine-profielen van M.E./CVS-patiënten bleken te verschillen met het verloop van de ziekte [Hornig M, Montoya JG, Klimas NG et al. Distinct plasma immune signatures in ME/CFS are present early in the course of illness. Sci Adv. (2015) 1: e1400121; zie ‘Afzonderlijke immuun-signaturen bij vroege & late M.E.(cvs)], werd HPUI ook vergeleken tussen individuen met M.E./CVS van langer dan 3 jaar of minder en meer dan 3 jaar. Er was geen significant verschil.

Een vergelijking van de frequentie van heteroplasmische allelen onthulde dat zeer weinig heteroplasmieën voorkomen bij patiënten of controles. Van de 406 verschillende heteroplasmieën die werden geobserveerd bij patiënten en controles, was de gemiddelde heteroplasmie aanwezig bij slechts 1,23 ± 0,85 individuen en 353 heteroplasmieën werden slechts gevonden bij één enkel individu. De meest courante heteroplasmie was aanwezig bij 7 individuen.

Bespreking

Onze sequentie-bepaling van het compleet mitochondriaal genoom van patiënten onthulde dat er geen individuen in deze groep waren met genetische mitochondriale ziekte te wijten aan gekende mtDNA-mutaties, die de diagnose M.E./CVS verkeerdelijk zouden hebben gekregen. De specialisten die de patiënten selekteerden hebben dus geen patiënten met een gekende mitochondriale ziekte verkeerdelijk toegelaten.

Onze studie onderzocht associaties tussen mtDNA-variatie en demografische variabelen zoals M.E./CVS-status, acute aanvang en ziekte-duur. We vonden een correlatie tussen haplogroep en sommige symptomen gerelateerd met gewricht-pijn, opgeblazen gevoel en uitputting na inspanning. De meeste studies van mitochondriaal DNA en ziekte hebben betrekking tot de verhoogde of verlaagde vatbaarheid met de ziekte afhankelijk van de haplogroep of variant, eerder dan met verschillen qua type symptomen of hun ernst. Er zijn echter enkele ziekten waarbij haplogroep geassocieerd bleek niet om de kans van de ziekte op te lopen maar in plaats daarvan de uitkomst te bepalen als iemand de diagnose heeft gekregen. Bijvoorbeeld: het type haplogroep beïnvloedt de overleving van ernstige sepsis en de progressie van AIDS.

Het meten van mtDNA-SNP associaties met M.E./CVS-status toonde geen significante verbanden, hoewel 10 SNPs nominale significantie bereikten. Bij onderzoek van deze 10 SNPs bleken er 9 merker-polymorfismen voor HgT te zijn en de tiende een merker voor 5 andere erkende sub-haplogroepen binnen T. De bevinding is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat haplogroep-associatie analyse vond dat meer controles dan M.E./CVS-individuen dragen waren van HgT in onze groep. Er is een grotere groep nodig om te bepalen of dit haplotype ietwat beschermt tegen M.E./CVS. Met betrekking tot HgT: een molekulaire analyse van cybride cellen [cytoplasmische hybride, een cel-lijn ontstaan na fusie van een volledige cel met een cytoplast (binnenste van een cel zonder de celwand cel-kern en plasma-membraan); de nucleaire genen van de ene cel worden gemengd met de mitochondriale genen van de andere – zo wordt het mogelijk de bijdrage van de mitochondriale genen en de nucleaire genen te onderscheiden] met identieke nucleaire achtergronden en verschillende mtDNA-populaties gaven aan dat HgT cybriden een hogere overleving vertoonden en toleranter waren voor oxidatieve stress, t.o.v. de meer courante Europese haplogroep-H.

Een studie onderzocht mitochondriale DNA SNPs op positie 3010 & 16519 bij 162 M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. [Boles RG et al. (hierboven)] Men vond een aanrijking van 16519T bij M.E./CVS-gevallen. In onze studie zagen we echter geen significante associatie van 16519T of enig ander polymorfisme met M.E./CVS t.o.v. controle. In de plaats daarvan zagen we, bij individuen met M.E./CVS, een significante associatie van 16519C met gastro-intestinale symptomen. Verder vonden we dat de allelen 16519C & 3010A geassocieerd waren met ernstiger M.E./CVS-symptomen.

De variatie qua symptomen voorkomend bij M.E./CVS zou te wijten kunnen zijn aan genetische variatie bij de individuen, eerder dan verschillen qua onderliggende oorzaak van de ziekte. Meting van verbanden tussen haplogroepen of mtDNA-SNPs en symptoom-scores van M.E./CVS-patiënten (SF-36 & DSQ), toonde 24 significante associaties. Hoewel we deze studie ondernamen omdat enkele van de belangrijke M.E./CVS-symptomen theoretisch zouden kunnen te wijten zijn aan mitochondriale dysfunktie, detekteerden we geen mitochondriale DNA SNP associaties met de belangrijke symptoom-clusters vermoeidheid/post-exertionele malaise, cognitieve problemen, autonome dysfunktie, endocriene abnormaliteiten en pijn. In de plaats daarvan zagen we associaties met neurologische, inflammatoire en gastro-intestinale symptomen en/of hun ernst, alsook correlaties met de mogelijkheid van de patiënten om te werken. Het zal belangrijk zijn om een volledig onafhankelijke groep te gebruiken om te bepalen of de door ons gedetekteerde correlaties kunnen worden herhaald.

Onze studie geeft hints dat minstens enkele van de klaarblijkelijke M.E./CVS-subtypes te wijten kunnen zijn aan verschillen in DNA-sequenties bij de patiënten, zelfs als is er geen bewijs dat bepaalde mitochondriale genomen leiden tot verhoogde vatbaarheid voor de ziekte zelf. Hoewel de groep behoorlijk groot was (389) in vergelijking met de meeste M.E./CVS-studies, zal verdere analyse van de mitochondriale en nucleaire genomen bij een veel grotere patiënten-populatie nodig zijn om te ontdekken hoe genetische variatie ziekte-ernst, progressie en symptoom-clusters beïnvloedt.

Besluiten

We vonden geen significant verband tussen mitochondriaal DNA genoom variatie en vatbaarheid voor of resistentie tegen M.E./CVS. We detekteerden geen enkel significant verschil qua heteroplasmie tussen patiënten en controles. Op basis van een groep van 193 M.E./CVS-patiënten en 196 controles, zagen we 8 mtDNA SNPs die geassocieerd waren met 16 symptoom-categorieën en 3 haplogroen geassocieerd met 6 symptoom-categorieën, wat suggereert dat het mitochondriaal genoom van een individu met M.E./CVS het type en de ernst van bepaalde symptomen kan beïnvloeden.

april 1, 2016

MicroRNAs: Potentiële diagnostische biomerkers in NK-cellen bij M.E.(cvs)

Filed under: Diagnostiek,Immunologie — mewetenschap @ 2:47 pm
Tags: , , , , , ,

Na het bestuderen van gen-expressie en SNPs bij M.E.(cvs) (‘Verhoogde aanwezigheid van 2 mitochondriale DNA polymorfismen bij CVS’ / ‘Gebruik van SNPs om gen-expressie te onderscheiden bij M.E.(cvs)-subtypes’), bekijkt Prof. Jonathan Kerr hier afwijkende gen-expressie van microRNAs in bloedcellen. Andere (Australische) onderzoekers bekeken dit al in het plasma (‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.’) en zelfs in NK-cellen (‘Cytotoxische lymfocyten microRNAs – merkers voor M.E.(cvs)?’). Kerr et al. breiden dit laatste uit…

Eerst werd de miRNA gen-expressie geanalyseerd: 34 miRNAs bleken een afwijkende expressie te hebben. 4 konden via een andere techniek worden bevestigd. Daarna werd gekeken in welke immuun-cellen deze afwijkende gen-expressie voorkwam. Tenslotte werd nagegaan in welke effekten deze gewijzigde gen-expressie had bij NK-cellen. Er werden aanwijzingen gevonden voor een immuun-dysfunktie.

De lezer kan elders op deze paginas ook reeds één en ander bestuderen over bevindingen omtrent NK-cellen bij M.E.(cvs)…

 

“MicroRNA (of miRNA) hebben anders dan bv. mRNA (boodschapper-RNA, die een ‘positieve’ rol hebben bij het ontstaan van proteïnen) de neiging om mRNA-molekulen het ‘zwijgen’ op te leggen door ze te splitsen, ze te destabiliseren of er mee te interfereren. Ze bleken al betrokken bij verscheidene ziekten bij mensen (bv. een rol bij kanker) en bij het reguleren van de vorming van bloedcellen en het beïnvloeden van de immuniteit. Aangezien miRNAs ‘beschermd’ zijn en stabiel blijven in verscheidene lichaamsvochten en weefsels zijn ze erg in trek als mogelijke biomerkers (bij kanker maar ook epilepsie, malaria & Multipele Sclerose).” – Dr Neil Abbot; ‘ME Research UK’

————————-

PLoS One Vol 11, #3, e0150904 (maart 2016)

MicroRNAs hsa-miR-99b, hsa-miR-330, hsa-miR-126 and hsa-miR-30c: Potential Diagnostic Biomarkers in Natural Killer (NK) Cells of Patients with Chronic Fatigue Syndrome (CFS)/ Myalgic Encephalomyelitis (M.E.)

Robert D. Petty (1,2), Neil E. McCarthy (3), Rifca Le Dieu (2), Jonathan R. Kerr (1,4)

1 CFS Group, St George’s University of London, Cranmer Terrace, London, United Kingdom

2 Centre for Haemato-Oncology, Bart’s cancer institute, Queen Mary University of London, London, United Kingdom

3 Centre for Immunobiology, The Blizzard institute, Queen Mary University of London, London, United Kingdom

4 Grupo de Salud Publica, Escuela de Medicine y Ciencias de la Salud, Universidad del Rosario, Quinta de Mutis, Bogotá 111221, Colombia

Samenvatting

Achtergrond Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS/M.E.) is een complexe multisysteem ziekte met een onbekende etiologie die invaliderende symptomen veroorzaakt bij 1% van de globale bevolking. Hoewel een grote groep genen gewijzigde expressie bleek te vertonen bij CVS/M.E.-patiënten, is het nog niet geweten microRNA (miRNA) molekulen die gen-translatie reguleren, bijdragen tot de pathogenese van de ziekte. We hypothiseerden dat veranderingen qua microRNA-expressie in leukocyten van patiënten bijdragen tot de CVS/M.E.-pathogoloie, en daarom bruikbare diagnostische biomerkers kunnen zijn die kunnen worden gedetekteerd in het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten.

Methodes miRNA-expressie in mononucleaire cellen uit perifeer bloed (PBMC) van CVS/M.E.-patiënten en gezonde controles werd geanalyseerd gebruikmakend van de Ambion Bioarray V1. miRNA die differentiële expressie bleken te vertonen werden gevalideerd d.m.v. qRT-PCR [kwalitatieve Reverse Transcriptase PCR; techniek om kleine hoeveelheden mRNA te detekteren] en daarna gerepliceerd in subgroepen bloed-leukocyten van een onafhankelijke patiënten-groep. De via deze experimenten geïdentificeerde, met CVS/M.E. geassocieerde miRNA werden dan getransfecteerd in primaire NK-cellen en er werden gen-expressie analyses uitgevoerd om hun gen-doelwitten te identificeren.

Resultaten Micro-array [‘gen-chips’] analyse identificeerde differentiële expressie van 34 miRNA, die allemaal ge-upreguleerd waren. Van 4 op de 34 miRNA werden expressie-wijzigingen bevestigd via qRT-PCR. Het fractioneren van PBMC-stalen (van een onafhankelijke patiënten-groep) in verschillende cel-types, identificeerde veranderingen qua miRNA-expressie in NK-cellen, B-cellen en monocyten waarbij de meest significante abnormaliteiten voorkwamen bij NK-cellen. Transfectie [inbrengen van DNA of RNA in cellen] van primaire NK-cellen met hsa-miR-99b of hsa-miR-330-3p, resulteerde in gen-expressie wijzigingen consistent met NK-cel aktivatie maar verminderde cytotoxiciteit, wat suggereert dat gebrekkige NK-cel funkie bijdraagt tot CVS/M.E.-pathologie.

Besluit Deze studie toont gewijzigde microRNA-expressie aan in de perifeer bloed mononucleaire cellen van CVS/M.E.-patiënten, die potentiële diagnostische biomerkers zijn. De grootste miRNA-ontregeling werd geïdentificeerd in NK-cellen, met doelwitten die verband houden met cellulaire aktivatie en gewijzigde effector-funktie [een effector-cel pakt daadwerkelijk zijn doelwit-cel aan (herkenning en eliminatie)].

Inleiding

[…] Er is een echte klinische noodzaak om een diagnostische biomerker voor CVS/M.E. te identificeren. Een aantal studies hebben naar biomerkers voor CVS/M.E. gezocht in het mRNA [Frampton D, Kerr J et al. Assessment of a 44 gene classifier for the evaluation of Chronic Fatigue Syndrome from peripheral blood mononuclear cell gene expression. PLoS One (2011) 6: e16872 /// Kaushik N et al. Gene expression in peripheral blood mononuclear cells from patients with Chronic Fatigue Syndrome. J Clin Pathol. (2005) 58: 826-32 /// Vernon SD et al. Utility of the blood for gene expression profiling and biomarker discovery in Chronic Fatigue Syndrome. Dis Markers. (2002) 18: 193-9] of serum [Fletcher MA et al. Plasma neuropeptide Y: a biomarker for symptom severity in Chronic Fatigue Syndrome. Behav Brain Funct. (2010) 6: 76] van CVS/M.E.-patiënten, echter met beperkt succes. Research focust zich op het karakteriseren van immuniteit-defekten aangezien de aanvang van de symptomen dikwijls wordt voorafgegaan door een aanval op de immuniteit. Wijzigingen in populaties en aantallen leukocyten in het perifeer bloed van patiënten werden bevestigd. Onderzoek identificeerde significante immune ontregeling bij CVS/M.E.; met gewijzigde cytokine-expressie en vermindering van de dodende capaciteit van cytotoxische cellen als meest consistente bevinding. Veranderingen in mRNA-expressie in het perifeer bloed zijn goed gedocumenteerd bij CVS/M.E., met overwegend genen betrokken bij: immuun-funktie, apoptose, transcriptie, translatie en virus-infektie. mRNA gen-expressie studies waren ook succesvol bij het definiëren van CVS/M.E.-subtypes, elk met een afzonderlijk symptoom-profiel [Kerr JR et al. Gene expression subtypes in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Infect Dis. (2008) 197: 1171-84]. Een groep molekulen die een rol spelen bij het reguleren van de translatie van mRNA en die nog systematisch dienen te worden onderzocht in bloedcellen van CVS/M.E.-individuen zijn microRNAs (miRNAs).

miRNA zijn een groep kleine, niet-coderende RNAs (~23 nucleotiden) met als funktie het reguleren van de translatie van mRNA post-transcriptie via directe afbraak van mRNA-transcripten of onderdrukking van de translatie. miRNAs zijn cruciaal voor het behouden van een normale haematopoïese [vorming van bloedcellen] en als bemiddelaars bij immuun-signalisering cascades, wat hun nut als biomerkers voor deze ziekte suggereert.

In deze studie screenden we bloedstalen van patiënten met een vastgestelde klinische diagnose van CVS/M.E. t.o.v. gematchte gezonde controles, en identificeerden we ontregeling van miRNAs die funkties hebben overéénkomend met gepubliceerde veranderingen qua mRNA-expressie bij CVS/M.E. Om te bepalen in welk cel-type deze miRNA-expressie veranderingen optreden, werd de ontregeling bevestigd in gefractioneerde perifere bloedcellen van een onafhankelijke patiënten-groep. De expressie van hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p in ‘natural killer’ cellen vertoonde de meeste over-expressie. In NK-cellen bleken deze (door miRNA beïvloedde) genen betrokken bij aktivatie, effector-funktie, actine-cytoskeleton [actine is een proteïne, onderdeel van het cytoskelet dat bestaat uit verschillende soorten proteïne-polymeren in cellen, die samen zorgen voor stevigheid, vorm en beweeglijkheid] en beweeglijkheid. Dit werk is ondersteuning en uitbreiding van de concepten van immuniteit-ontregeling bij CVS/M.E. en identificeert vermeende biomerkers voor ziekte-diagnose.

Resultaten

34 miRNA met verhoogde expressie in CVS/M.E. perifeer bloed

Om miRNA met differentiële expressie bij CVS/M.E. te identificeren, werd RNA gehaald uit perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMC) en gescreend m.b.v. Ambion Bioarray micro-arrays (385 miRNA-sequenties). 15 stalen van CVS/M.E.-individuen (Fukuda diagnostische criteria) en 30 van voor leeftijd en geslacht gematchte controles werden geanalyseerd. Een vergelijking identificeerde 34 miRNAs met differentiële expressie (verandering > 1,5 maal) […].

Ongecontroleerde cluster-analyse van de micro-array gegevens groepeerde de stalen in 2 clusters. Deze analyse kon de CVS/M.E.- en controle-stalen niet volledig in afzonderlijke clusters opdelen. Ongeveer de helft van de controle-stalen (n = 14) en 4 CVS/M.E.-stalen vormen een groep met lage globale miRNA-expressie. De overblijvende controles clusterden met de meerderheid van de CVS/M.E.-individuen, die hogere miRNA-expressie bij de meerderheid van de geanalyseerde miRNAs vertoonden. Het niveau van homogeniteit tussen de stalen is hoog (gemiddelde correlatie-coëfficient of 0.922 +/- 0.068), wat kan bijdragen tot de onvolledige klassificatie van de stalen.

Onderzoek van deze gegevens per miRNA toonde de deugdelijkheid van de expressie-gegevens […]. We bekeken de correlatie tussen miRNA gen-expressie gegevens en scores van klinische vragenlijsten (5 vragenlijsten over algemene gezondheid) maar vonden er echter geen. Deze gegevens tonen aan dat miRNAs ontregeld waren in het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten en dat de waarden van deze miRNAs onafhankelijk waren van de symptoom-ernst.

Significante upregulering van de microRNAs hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126 & hsa-miR-30c in CVS/M.E.-bloedstalen

De veranderingen qua miRNA-expressie van 29 op 34 miRNAs werden in hetzelfde staal gevalideerd in d.m.v. Taqman kwantitatieve PCR. 5 miRNAs (ambi-miR-7058, hsa-miR-331, mmu-miR-140-AS, mmu-miR-409, rno-miR-151-AS) werden niet opgenomen aangezien de testen niet beschikbaar waren. 4 op 29 miRNAs (hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-30c & hsa-miR-126) vertoonden significante differentiële expressie (≥ 1,5 maal, CVS vs. Controle, p ≤ 0.05 […]).

4 miRNAs hebben het potentieel als doeltreffende biomerkers bij CVS/M.E. op basis van ROC-analyse

Om te weten te komen of de 4 met differentiële expressie bevestigde miRNAs (hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126, hsa-miR-30c) zouden kunnen dienen als biomerkers bij de diagnose van CVS/M.E., werd ‘Receiver Operating Characteristics’ (ROC) [statistische analyse waarbij men in een grafiek de gevoeligheid (sensitiviteit) in funktie van de specificiteit uitzet; gebruikt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument] uitgevoerd voor elke relatieve hoeveelheid van elk miRNA. Deze statistiek beschrijft de mogelijkheid van een variabele om een bepaald staal te klassificeren in 2 groepen en werd eerder al gebruikt om serum-biomerkers bij CVS/M.E.te definiëren. […] De 4 geteste miRNAs vertoonden statistische significante verschillen t.o.v. het de hypothese van toevalligheid. Hsa-miR-330-3p werd via deze analyse geïdentificeerd als de variabele die ‘t meest waarschijnlijk CVS/M.E.-patiënten van controles differentieert […]. Deze gegevens tonen aan dat (binnen de grenzen van deze studie) deze 4 miRNAs diagnostische biomerkers voor CVS/M.E. zouden kunnen zijn.

Hsa-miR-99b is significant ge-upreguleerd in NK-cellen van in CVS/M.E.-patiënten

Om te onderzoeken of de miRNA-veranderingen gezien in vol-bloed stalen specifiek waren voor een bepaalde PBMC-populatie, werden 20 patiënten en 20 voor leeftijd en geslacht gematchte gezonde vrijwilligers gerecruteerd (dezelfde klinische diagnostische criteria als de eerdere studie). Er werden bloedstalen genomen en PBMCs geïsoleerd. De cellen werden gefractioneerd via positieve selektie op basis van CD14+ (monocyten), CD19+ (B-cellen), CD56+ (NK-cellen) en CD3+ (T-cellen) microparels. Flow-cytometrie van de gefractioneerde populaties gaf een zuiverheid aan van 96,9% (+/- 2,1%) voor monocyten, 88,9% (+/- 7,6% SD) voor NK-cellen, 84,4% (+/- 8,8%) voor B-cellen en 91,2% (+/- 5,3%) voor T-cellen. Absolute cel-tellingen na fractionatie kon geen statistisch significante verschillen aantonen tussen de populatie-groepen voor de 4 onderzochte leukocyt-subgroepen.

De 4 miRNAs waarvan differentiële expressie werd bevestigd – via array & qRT-PCR – (hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126, hsa-miR-30c) werden onderzocht in RNA uit deze 4 belangrijkste bloed-leukocyten populaties. 3 van de geteste miRNAs (hsa-miR-99b, hsa-miR-126 & hsa-miR-330-3p) vertoonden significante ge-upreguleerde expressie in één of meer PBMC-subsets bij de CVS/M.E.-populatie. Hsa-miR-30c vertoonde geen significant expressie-verschil. het grootste verschil in expressie was de expressie van hsamiR-99b in NK-cellen (2-voudige toename in CVS/M.E.-stalen). Dit miRNA was ook 1,6 maal ge-upreguleerd in B-cellen maar niet gewijzigd in T-cellen en monocyten. Hsa-miR-330-3p was ook significant ge-upreguleerd in NK-cellen maar in veel mindere mate (1,3-voudige toename). Hsa-miR-126 was 1,45-voudig ge-upreguleerd in monocyten in de CVS/M.E.-groep. Deze gegevens toonden dat de ontregeling van miRNAs bij CVS/M.E. specifiek is per leukocyten-populatie en suggereren dat de dysfunktie van B-cellen, NK-cellen en monocyten bijdragen tot de ziekte-pathologie.

Hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p reguleren mechanismen die bijdragen tot NK-cel aktivatie en effector-funktie

Om de gen-doelwitten van hsa-miR-99b en hsa-miR-330-3p in NK-cellen identificeren, werd precursor miRNA [enkelstrengige (ss) miRNAs komen van ‘pri-miRNAs’; de twee strengen worden enzymatisch gesplitst, resulterend in voorloper miRNA of ‘pre-miRNA’] getransfecteerd in NK-cellen (die werden geïsoleerd uit PBMCs). De NK-cel zuiverheid na de aanrijking was 89,6% (bepaald via flow-cytometrie).

Transfectie van primaire NK-cellen met pre-miR-99b identificeerde (vergeleken met transfectie van een ‘non-sense’ controle [mRNA dat leidt tot een afgebroken, onvolledig, niet-funktioneel proteïne]) 37 genen met differentiële expressie (volgens de inclusie-criteria; p ≤ 0.05, verandering ≥ 1,5 maal). 21 genen vertoonden downregulering tussen 1,5 en 1,8 maal. 16 genen vertoonden verhoogde expressie tussen 1,5 en 2,6 maal. Interferon-gamma (IFN-γ), een belangrijke mediator van NK-cel aktivatie, was het sterkst geïnduceerde gen (2,6 maal). Granzyme-B (GZMB), dat codeert voor een component van de cytotoxische granules die door NK-cellen worden afgegeven na herkenning van doelwit-cellen, was 1,6 maal meer geïnduceerd. Genen betrokken bij cellulaire aktivatie, vesikel-vorming [vesikels = kleine membraan-blaasjes die kunnen versmelten met het cel-membraan zodat de stof die ze bevatten kan vrijkomen], beweeglijkheid en modulatie van het actine-cytoskeleton waren ook ge-upreguleerd […]. Cathepsine-L (CTSL) [enzyme betrokken bij proteïne-afbraak] was het meest ge-downreguleerde gen door hsa-miR-99b. Dit proteïne is vereist voor splitsing en aktivatie van perforine & granzyme-B in de lytische vesikels [bevatten cel-afbrekende stoffen]. CD6 & IL-8 (interleukine-8) waren ook ge-downreguleerd (1,6 & 1,5 maal, respectievelijk). Verminderde expressie van deze genen is geassocieerd met NK-cel rijping na aktivatie. Er werd ook verminderde expressie geïdentificeerd bij genen betrokken bij autofagie [strikt geregeld proces waarbij de cel eigen cel-produkten verteert in de zogenaamde lysomen; maakt deel uit van normale cel-groei, ontwikkeling en homeostase, en helpt het evenwicht behouden tussen synthese, afbraak en recyclage van cellulaire produkten] en bepaalde signalisering-mechanismen […].

Om te bepalen of de genen die worden gereguleerd door hsa-miR-99b konden worden gegroepeerd in een specifieke funktionele klasse, voerden we een ‘over-representatie analyse’ uit [bekijkt de eventuele aanrijking van bepaalde mechanismen, molekulaire funkties en biologische processen]: dit identificeerde een significante aanrijking voor genen betrokken bij processen en mechanismen van de NK-cel funktie, inclusief cel-aktivatie, immuunsysteem-processen en cellulaire respons op een stimulus.

Transfectie van primaire NK-cellen met pre-miR-330-3p leverde (vergeleken met transfectie van een ‘non-sense’ controle) slechts 2 wijzigingen op: voor SOD2 [codeert voor mitochondriaal superoxide-dismutase-2] en MMP9 [codeert voor matrix-metallopeptidase 9] -expressie; ze waren allebei 1,6 maal gedownreguleerd. SOD2-expressie verstoort de normale T-cel differentiatie en cellulaire aktivatie, en verminderde expressie is geassocieerd met verstoorde neutrofiel effector-funktie. MMP9 reguleert NK-cel cytotoxiciteit en lymfocyten-beweeglijkheid.

Deze resultaten toonden aan dat verhoogde miRNAs expressie in NK-cellen van CVS/M.E.-patiënten gen-expressie wijzigingen bevordert die consistent zijn met cellulaire aktivatie maar verminderde effector-funktie.

Bespreking

De klinische diagnose van CVS/M.E. is gebaseerd op goed omschreven klinische criteria maar de diagnose omvat echter ook de uitsluiting van andere oorzaken voor vermoeidheid, wat kan leiden tot een langere diagnose-tijd. Zodoende is er een echte klinische noodzaak om diagnostische biomerkers voor CVS/M.E. te identificeren. We wilden de rol van miRNA bij patiënten met een vastgestelde diagnose of CVS/M.E. bestuderen, om te bepalen of deze regulerende molekulen bijdragen tot de ziekte-pathogenese en of het kandidaat diagnostische biomerkers zijn.

We identificeerden over-expressie van 34 miRNA die niet eerder werden beschreven bij CVS/M.E. [Brenu EW et al. High-throughput sequencing of plasma microRNA in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. PLoS One (2014) 9: e102783; zie ‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.’ /// Brenu EW et al. Cytotoxic lymphocyte microRNAs as prospective biomarkers for Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Affect Disord. (2012) 141: 261-9; zie ‘Cytotoxische lymfocyten microRNAs – merkers voor M.E.(cvs)?] in stalen perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten. De micro-array analyse groepeert op een robuste manier de miRNAs met gecoördineerde expressie (hsa-miR-107 & hsa-miR-103) en levert zeer homogene resultaten. Wat gemeenschappelijk is met andere CVS/M.E.-studies is dat gen-expressie het miRNA-profiel CVS/M.E.-patiënten niet van controles onderscheidde Een studie van Brenu et al. [zie eerder] analyseerde plasma-stalen van CVS/M.E.-patiënten en identificeerde ontregeling van 19 menselijke miRNAs. Van deze 19, zaten er slechts 12 in onze array. Daarvan waren er 8 met een verschil van ≥ 1,5 maal (CVS/M.E. vs. normaal) maar allemaal met insignificante p-waarden; die werden niet verder onderzocht. Het feit dat de 2 studies niet overéénstemmen is niet verrassend, aangezien cellulaire en plasma miRNA-profielen van hetzelfde individu beperkt overlappen. Er werd voorgesteld dat deze beperkte overlap het resultaat is van het feit dat miRNAs opgeslagen zijn in vesikels die worden gesecreteerd met verschillende doeltreffendheid, of van de variabele stabiliteit van de verschillende miRNAs in het extracellulair milieu. De CVS/M.E.-populatie vertoonde een brede waaier aan klinische symptoom scores wijzend op subgroepen van de ziekte, die ook elders worden beschreven en kunnen bijdragen tot het niet volledig onderscheiden van de stalen in deze analyse. Deze observatie kan ook de slechte correlatie tussen klinische symptoom score en miRNA-expressie verklaren, en suggereert dat validatie in een meer uitgebreide patiënten-groep wenselijk is.

Bevestiging van de array-bevindingen d.m.v. qRT-PCR ondersteunde de upregulering van hsa-miR- 99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126 & hsa-miR-30c in CVS/M.E. PBMCs. De mate van overéénkomst tussen de 2 methodes is bescheiden wat betreft het vergelijken van mRNA-expressie studies bij CVS/M.E. Er werd gesuggereerd dat deze discrepantie ten dele te wijten is aan de verschillen in methodologie: veranderingen onder +/- 2 maal en lagere transcriptie zouden kunnen gelinkt zijn met een slechtere overéénstemming tussen de methodes. Dit onderstreept een consistent probleem bij miRNA-studies aangezien de ‘cut-off’ die gewoonlijk wordt gehanteerd voor miRNA gen-expressie experimenten een verandering van 1,5 maal is, wat kan leiden tot uitsluiting van positieve gegevens.

De miRNAs met verhoogde expressie bij CVS/M.E. zouden mogelijks kunnen dienen als biomerkers voor de ziekte, die dan kunnen worden gebruikt om de diagnose te verbeteren en te bespoedigen. Dit werd eerder al geprobeerd in een aantal studies die potentiële biomerkers in het serum, cytokine-expressie, dipeptidyl-peptidase-4 (CD26) [Fletcher MA et al. Biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome: evaluation of natural killer cell function and dipeptidyl peptidase IV/CD26. PLoS One (2010) 5: e10817; zie ‘Natural Killer Cel Funktie & Dipeptidyl Peptidase IV/CD26 – biomerkers voor CVS?] en lymfocyten gen-expressie [Steinau M, Unger ER et al. Differential-display PCR of peripheral blood for biomarker discovery in Chronic Fatigue Syndrome. J Mol Med (2004) 82: 750-5 /// Light AR et al. Moderate exercise increases expression for sensory, adrenergic and immune genes in Chronic Fatigue Syndrome patients but not in normal subjects. J Pain. (2009) 10: 1099-112; zie ‘Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS] identificeerden. Om te bepalen of de 4 ge-upreguleerde miRNAs geschikte merkers zijn om CVS/M.E.-individuen te onderscheiden van een gematchte controle-groep, werd een ROC-analyse uitgevoerd. Deze toonde aan dat alle 4 de merkers patiënten van controles konden onderscheiden, met een specificiteit vergelijkbaar met die van gepubliceerde studies. Deze miRNAs zouden specifiek voor CVS/M.E.-patiënten kunnen zijn […]. Validering bij grotere geblindeerde groepen patiënten is echter nodig vooraleer de diagnostische buikbaarheid van de in deze studie geïdentificeerde miRNAs volledig kan worden benut.

Lymfocyten uit perifeer bloed werden reeds intensief onderzocht bij CVS/M.E.-patiënten en dit identificeerde wijzigingen qua cytokine-secretie, en veranderingen in cellulaire populaties en aktiviteit [Brenu EW et al. Longitudinal investigation of natural killer cells and cytokines in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Transl Med. (2012) 10: 88]. De cellulaire mechanismen en processen die worden gereguleerd door miRNAs zijn dikwijls cel-specifiek. Om te proberen de leucocyten-populatie die bijdraagt tot gewijzigde miRNA-expressie bij CVS/M.E. te identificeren, werden de 4 miRNAs met verhoogde expressie gekwantificeerd in PBMC-fracties van een nieuwe patiënten-groep. Hsa-miR-126 vertoonde verhoogde expressie in monocyten. Hoewel er tot op heden nog geen specifiek defekt in monocyten-aktiviteit werd aangetoond bij CVS/M.E., bleek hsamiR-126 CRK-proteïne expressie te downreguleren. Dit proteïne inhibeert cel-invasie en -migratie en bleek proliferatie in dendritische cellen te controleren, wat suggereert dat verhoogde monocyten-aktiviteit gemedieerd door miRNA kan bijdragen tot de pathogenese van CVS/M.E.

Hsa-miR-330-3p & hsa-miR-99b wijzen op verhoogde expressie in B-cel en NK-cel populaties. Deze miRNAs bleken geassocieerd met kanker, endometriose, beslissingen aangaande het lot van cellen en angiogenese. Hsa-miR-99b bleek gericht te zijn op componenten van NF-κB, mTOR en AKT signalisering-mechanismen. mTOR signalisering is cruciaal voor normale proliferatie, cytotoxische en cytokine-effector funkties in gezonde NK-cellen, en normale BCR (B-cel receptor) signalisering en proliferatie in B-cellen. Verhoogde hsa-miR-99b expressie die mTOR reguleert, ondersteunt de vermindering qua effector-funktie die wordt geobserveerd in NK-cellen van CVS/M.E.-patiënten die wordt gerapporteerd in de literatuur, en ondersteunt de ontregeling van genen betrokken bij B-cel rijping en ontwikkeling die werd geïdentificeerd via gen-expressie studies [Vernon SD, Broderick G et al. Evidence of inflammatory immune signaling in Chronic Fatigue Syndrome: A pilot study of gene expression in peripheral blood. Behav Brain Funct. (2008) 4: 44; zie ‘Bewijs voor inflammatoire immuun-signalisering bij CVS]. Hsa-miR-330-3p bleek cellulaire beweeglijkheid te reguleren […] in prostaatkanker-celllen en proliferatie […] bij colorectale kanker.

Hsa-miR-30c vertoont geen veranderde expressie in de cellulaire fracties: dit suggereert dat de geobserveerde over-expressie in de oorspronkelijke PBMC-groep wellicht specifiek is voor die groep. Dit toont de noodzaak aan voor validering van de bevindingen bij afzonderlijke niet-gerelateerde groepen of patiënten.

Om de effekten van de gewijzigde miRNA-expressie geïdentificeerd bij CVS/M.E op cellulair mRNA te bestuderen, verkozen we transfectie van de miRNAs met de grootste over expressie (hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p) in gezonde NK-cellen (het meest consistent geïdentificeerd als zijnde funktioneel verstoord bij CVS/M.E.-patiënten). Interferon-gamma (IFN-γ) vertoonde de grootste expressie-wijziging in respons op introductie van hsa-miR-99b: een toename qua expressie van 2,6 maal. Dit gen codeert voor een cytokine gesecreteerd door NK-cellen met een cruciale rol in anti-virale, anti-tumor en immuun-regulerende effekten gecombineerd met het bevorderen van NK-cel aktiviteit. Meting van IFN-γ gaf in een aantal CVS/M.E.-studies variabele resultaten. Er werd verhoogd mRNA in NK-cellen van CVS/M.E.-patiënten aangetoond, ondersteund door een verhoging qua circulerende IFN-γ secreterende CD3 CD56+ NK-cellen beschreven bij CVS/M.E.-patiënten [Brenu EW et al. Role of adaptive and innate immune cells in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. Int Immunol. (2014) 26: 233-42; zie ‘Rol van adaptieve en aangeboren immuun-cellen bij M.E.(cvs)]. Plasma-concentraties van IFN-γ bleven echter onveranderd bij 40 vrouwelijke CVS/M.E.-patiënten t.o.v. gematchte controles [Fletcher MA et al. Plasma cytokines in women with Chronic Fatigue Syndrome. J Transl Med. (2009) 7: 96; zie ‘Cytokinen in plasma bij vrouwen met CVS].

Eén consistente bevinding bij CVS/M.E.-patiënten is de vermindering qua cytotoxische aktiviteit van NK-cellen, dikwijls geassocieerd met een verandering qua niveau van componenten van cytotoxische granules – granzyme & perforine. In deze studie was Granzyme-B (GZMB) significant ge-upreguleerd door hsa-miR-99b, wat een versterkte cytotoxische capaciteit suggereert. CTSL (Cathepsine-L) vertoonde echter de grootste downregulering door hsa-miR-99b. Dit enzyme is nodig voor het verwerken (van precursor tot aktieve vormen) van componenten uit lytische granules (granzyme & perforine), wat een verklaring suggereert voor het verhoogd GZMB mRNA – dat hier en in de literatuur wordt gemeld – leidend tot verminderde effector-funktie. Dit mechanisme suggereert een opéénstapeling van precursor-proteïnen voor GZMB en perforine in lytische vesikels met verminderde cytotoxische werking, wat wordt ondersteund door gegevens die gedaalde NK-cel cytotoxiciteit identificeerden bij CVS/M.E.-patiënten zonder een geassocieerde verstoring van de degranulatie. Over-expressie van hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p induceerde een gen-expressie patroon dat consistent is met NK-cel aktivatie verhogende IFN-γ expressie en genen betrokken bij cellulaire beweeglijkheid, vesikel-vorming en modulatie van het actine-cytoskeleton (KLRF1, STOM, S100A4, FEZ1, ARPC3 & TPM3P5). Er werd gepostuleerd dat geaktiveerde NK-cellen in het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten het resultaat kunnen zijn van een onvolledig verdwijnen van virale infektie, wat de meest geciteerde trigger is als aanvang van CVS/M.E.-symptomen. Deze gegevens tonen ook een molekulaire basis voor de vermindering qua NK-cytotoxiciteit, die wordt gezien bij CVS/M.E.-patiënten, gemedieerd door miRNA, via directe downregulering van enzymen die vereist zijn voor het verwerken van componenten van cytotoxische vesikels, en downregulering van genen in autofagie-, WNT- en AKT-mechanismen [bepaalde signaal-traansductie mechanismen] (ULK1, ATG2A, PMEPA1, DKK3, PDCD4) vereist voor normale proliferatie en rijping van geaktiveerde NK-cellen. Bijkomende validering van de proteïne-doelwitten die worden gereguleerd door de geïdentificeerde miRNAs is wenselijk om de miRNA-gemedieerde NK-cel dysfunktie bij in CVS/M.E. volledig te definiëren.

De voorgestelde gegevens identificeren ontregeling van miRNA-expressie in cellen van het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten, bevestigd in 2 patiënten-groepen, in PBMCs en cellulaire subgroepen, en identificeert 4 mogelijke diagnostische biomerkers. ‘Natural killer’ cellen vertoonden de grootste veranderingen qua miRNA-expressie met upregulering van hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p. Deze bevindingen zijn funktioneel consistent met het begrip van de pathogenese van CVS/M.E. Het werk dat hier wordt gepresenteerd levert nieuw bewijsmateriaal voor een gewijzigde NK-cel aktivatie-mechanisme bij CVS/M.E. waarbij hsa-miR-99b is betrokken en suggereert een mechanisme voor de verminderde effector-funktie die wordt gezien bij CVS/M.E., wat eerder nog niet werd aangetoond.

Blog op WordPress.com.