Хемотранскриптомный анализ синергизма D-хироинозитола и миоинозитола в контексте постгеномной фармакологии

Актуальность: Воздействие миоинозитола (МИ) и D-хироинозитола (ДХИ) на транскрипцию генов исключительно важно для оценки молекулярных механизмов синергизма этих микронутриентов, необходимых для профилактики инсулинорезистентности, проявлений синдрома поликистозных яичников, врожденных аномалий развития и макросомии плода, особенно у беременных с инсулинорезистентностью, дислипидемией, избыточной массой тела.
Материалы и методы: В работе представлены результаты хемотранскриптомного исследования эффектов МИ и ДХИ, оценены дозозависимые эффекты воздействия МИ и ДХИ на транскрипцию 12 716 аннотированных генов человека в эндотелиальных клетках пупочной вены человека (линия HUVEC, стимуляция клеток МИ/ДХИ в 6 различных концентрациях в течение 24 ч).
Результаты: Установлено, что МИ вызывал достоверные изменения транскрипции (в среднем более 50% на 10 мкмоль) 6516 генов, так что экспрессия 4085 генов повысилась, а экспрессия 2431 генов снизилась. ДХИ стимулировал изменения транскрипции 6087 генов (экспрессия 4364 генов повысилась, экспрессия 1723 генов снизилась). ДХИ является важным синергистом МИ в 6 функциональных группах генов: (1) обмен жиров, (2) углеводный обмен, (3) функция щитовидной железы, (4) морфо­генез, дифференцировка и выживание клеток, (5) нейропротекция и нейротрофичность, (6) структура и функция сосудов. МИ и ДХИ изменяли экспрессию генов, вовлеченных в отклик организма на 49 лекарственных препаратов.
Заключение: Проведенный анализ позволил установить индивидуальный паттерн действия ДХИ и МИ и выделить молекулярные механизмы синергизма этих двух форм инозитолов на уровне транскриптома человека.

Профилактика врожденных пороков развития (ВПР) только фолатами не всегда эффективна, так как фолаты – далеко не единственный микронутриент, необходимый для поддержания клеточного гомеостаза [1]. ВПР возникают как результат нарушения процессов размножения, миграции, дифференциации и апоптоза клеток во время роста эмбриона. Инозитолы (витамин В8), в т.ч. миоинозитол (МИ) и D-хироинозитол (ДХИ), оказывают существенное воздействие на функционирование клеток и тканей всего организма посредством участия во внутриклеточной передаче сигнала от рецепторов инсулина, катехоламинов и других нейромедиаторов, факторов роста, в расщеплении жиров и снижении уровня холестерина в крови и др. [2].

МИ и ДХИ также важны для профилактики макросомии плода (масса тела ребенка более 4000 г или превышение 90-го перцентиля по размерам), которая ассоциирована с повышенным риском мертворождения [3]. Факторы риска макросомии включают повышенный уровень глюкозы и триглицеридов в крови матери, ожирение у матери, нарушения менструального цикла, раннее или позднее менархе, ранние потери беременности [4]. Использование комбинации МИ+ДХИ способствует восстановлению овуляторного менструального цикла, повышению качества ооцитов, снижению избыточной массы тела у женщин репродуктивного возраста, профилактике гестационного диабета у беременных [5]. В целом инозитолзависимые белки вовлечены в поддержку функционирования сердечно-сосудистой системы, иммунитета, структуры соединительной ткани, функционирования центральной нервной системы и в процессы роста и развития эмбриона.

МИ и ДХИ отличаются по биологическим свойствам и фармакологическим эффектам. Важным отличием ДХИ от МИ является наличие ДХИ в составе инозитоловых фосфогликанов, опосредующих действие инсулина на клетки. ДХИ более эффективен, чем МИ, в снижении риска фолатрезистентных дефектов нервной трубки [5]. Хемореактомный анализ взаимодействия стереоизомеров инозитола с белками протеома человека указал на различные профили фармакологического действия МИ и ДХИ, включая отличия в воздействии на процессы метаболизма аминокислот с разветвленной цепью, метаболизм фолатов, витаминов РР, В5 и магния, активацию рецептора инсулиноподобного фактора роста-1 (ИФР-1), ингибирование провоспалительных эффектов интерлейкина-1 [6].

Однако фармакологические эффекты лекарств и нутрицевтиков зависят не только от воздей­ствия на активность белков протеома, но и от их влияния на процессы транскрипции генов, т.е. на транскриптом (совокупность всех мРНК транскриптов, синтезируемых в ходе экспрессии генома). Транскриптомные исследования важны для расширения понимания временны́х рамок действия лекарств и нутрицевтиков: ведь воздействие на транскрипцию генов обуславливает более долговременные эффекты веществ (несколько суток) [7].

Хотя транскриптомные исследования молекул in vitro требуют комплекса специального оборудования для анализа экспрессии генов, с использованием новейших методов искусственного интеллекта для анализа «сверхбольших данных» (big data) в Институте фармакоинформатики при ФИЦ ИУ РАН был разработан метод хемотранскриптомного анализа эффектов молекул, основанный на современных методах машинного обучения [8–10].

В настоящей работе представлены результаты хемотранскриптомного исследования дозозависимых эффектов воздействия МИ и ДХИ на транскрипцию 12 716 аннотированных генов человека в эндотелиальных клетках пупочной вены человека (линия HUVEC, стимуляция клеток МИ/ДХИ в 6 различных концентрациях в течение 24 ч). Клетки линии HUVEC – модельная система изучения функции эндотелия, который составляет внутреннюю клеточную выстилку артерий, вен и капилляров и поэтому находится в непосредственном контакте с компонентами и клетками крови. Заметим, что эндотелий является не только барьером между кровью и тканями, но и эндокринным органом. Настоящее исследование позволило установить индивидуальный паттерн транскриптомного действия ДХИ и МИ и выделить молекулярные механизмы синергизма эти двух форм инозитолов.

Материалы и методы

Исходные данные. Результаты транскриптомных экспериментов (например, в базе данных Gene Expression Omnibus, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/) представлены в виде таблиц, столбцам которых соответствуют гены, а строкам – соответствующие воздействия на клетку (например, те или иные молекулы). Элементами таблицы являются изменения экспрессии гена при соответствующем воздействии. Каждой такой «таблице транскриптомного эксперимента» соответствуют (1) тип клеток, для которых изучались изменения экспрессии, (2) интенсивность воздействия (прежде всего концентрации воздействующих молекул) и (3) время воздействия (6, 12, 24 ч и др.). Изменения экспрессии оцениваются относительно контроля (как правило, диметилсульфоксид).

Метод хемотранскриптомного анализа таких таблиц, основанный на топологической теории хемографов и позволяющий получать высокоточные алгоритмы для оценки изменений транскрипции, был детальнейшим образом описан ранее и протестирован боле...

Торшин И.Ю., Громова О.А., Тетруашвили Н.К.