Diagnostik och behandling av multipel skleros i Europa

D-vitamin omprogrammerar T-celler transkriptionellt och epigenetiskt i en MS-djurmodell

Manuel Zeitelhofer, | Jan 2019 | Multipel skleros |

Manuel Zeitelhofer,
fil.dr, senior forskare,
Institutionen för
medicinsk biokemi och biofysik,
Vaskulär biologi,
Karolinska institutet

Milena Z. Adzemovic
med.dr, fil.dr, specialistläkare
i psykiatri, forskare,
Institutionen för klinisk neurove­tenskap,
Centrum för molekylär medicin,
Karolinska institutet

Maja Jagodic
fil.dr, docent, senior forskare,
Institutionen för
klinisk neurovetenskap,
Centrum för molekylär medicin,
Karolinska institutet

D-vitaminbrist är en av de miljöfaktorer som förhöjer risken att drabbas av multipel skleros (MS). Höga nivåer av D-vitamin1,2 korrelerar med minskad risk för MS-återfall och minskad uppkomst av nya hjärnskador samt medföljande funktionshinder.3,4 Dessutom har man visat att höga nivåer av D-vitamin i serum minskar närvaron av den patogena markören IL-17 hos patienter med MS.5 

Ökad risk för att utveckla MS har observerats hos bärare av både sällsynta och vanliga varianter av CYP27B-genen6,7 som kodar för det enzym som katalyserar det sista steget vid omvandling av D-vitamin till dess aktiva form (från 25 (OH) D3 till 1,25 (OH) 2D3).

Vi har tidigare visat i djurmodell av MS (experimentell autoimmun encefalomyelit, EAE) att kost med högt D-vitamininnehåll i juvenila råttor leder till nedreglering av Th1/Th17-relaterade cytokiner och transkriptionsfaktorer samt minskar mängden av sjukdomsrelaterade T-celler, vilket leder till förbättring av EAE-symtomen.8 Därför har vi använt en funktionell genomisk metod för att studera effekten av diet med högt D-vitamininnehåll i juvenila råttor på CD4-T-celler in vivo med EAE.

D-vitamintillskott inducerar signifikanta förändringar i transkriptomet hos CD4-T-celler, och nedreglerar multipla signalvägar
Tack vare mikroarray-teknik lyckades vi identifiera skillnader i regleringen av 1 598 gener i CD4-T-celler med ursprung i inguinala lymfknutor, isolerade ifrån djur matade med vanlig diet eller diet innehållande höga D-vitaminnivåer. Vi kunde också visa att denna specifika effekt är beroende av D-vitamintillskott. Detta på grund av att endast sex differentiellt uttryckta gener kunde identifieras hos djur som fick diet utan tillskott. Med hjälp av signalvägs- och gen-klusteranalys kunde vi även visa att multipla molekyler (tillhörande TCR-, CD28-, RhoA-, Erik/Mapk-, Pi3K/Akt/mTOR- och Jak/Stat-signaleringsvägar) som är involverade i aktivering och differentiering av T-celler var nedreglerade hos de djur som fått D-vitamintillskott.

D-vitamintillskott ökar uttrycket av noncoding RNA (ncRNA), inklusive mikro-RNA(miRNA)-gener och minskar genom bred metylering av DNA
Vi har även visat att snRNA, miRNA och ribosomala RNA-gener är signifikant högre uttryckta i djur matade med D-vitamin (figur 1). Den bäst beskrivna funktionen av miRNA är dess roll vid minskning av mängden av ”target”-mRNA på posttransskriptionell nivå. Target scan-analys kunde intressant nog förutspå att de gener som inhiberas av de 30 specifika miRNA som uttrycks högre vid D-vitamintillskott är samma gener som är viktiga för TCR-, IL2-, Pi3k/Akt/mTor-, Erk/Mapk- och Jak/Stat-signaleringsvägar. 

Detta indikerar att miRNA, åtminstone delvis, kan förmedla effekten av D-vitamintillskott på de signalvägar i CD4-T-celler som är påverkade vid EAE. Dessutom minskade uttrycket av de enzymer som är delaktiga i att upprätta och upprätthålla DNA-metyleringsmärken, inklusive alla tre aktiva metyltransferaser: Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b, Hdac1 och Hdac2. Detta bidrar till omfattande reduktion av DNA-metylering, vilket vi har observerat i djur matade med D-vitamintillskott (figur 1).

D-vitamin modulerar signaleringsvägar i CD4-T-celler på både epigenetisk och transkriptionell nivå och påverkar både funktion och encefalitogen potential av CD4-T-celler
Analysering av signalvägar avslöjade att medlemmar av de multipla signalvägar som tidigare visade sig vara transkriptionellt nedreglerade även hade förändringar i metyleringsnivåer. Flera medlemmar av TCR-, Jak/Stat- och Erk/Mapk-vägar som är viktiga både för aktivering och differentiering av T-celler, men även för Pi3k/Akt /mTor-signalering, påverkades genom både uttryck och metylering (figur 2).

Intressant nog fanns indikationer på en lägre metylering i de regioner som kodar för de 30 tidigare nämnda miRNA, som var uppreglerade i den D-vitaminkompletterade gruppen. Det betyder alltså att uppreglering av dessa miRNA, som vid senare tillfälle nedreglerar de gener som spelar en essentiell roll i signalvägar viktiga för aktivering och differentiering av T-celler, skedde på grund av förlust av metyleringsmarkeringar. 

För att utvärdera effekten av D-vitamin på CD4-T-cellfunktion och deras encefalitogena potential genomförde vi adoptiva transplantationsexperiment i råttor med MBP63-88-specifika T-cellinjer behandlade med aktiv form av vitamin D (1,25 (OH) 2D3). Vid transplantation av dessa celler till naiva råttor förorsakade de MBP63-88-specifika T-cellerna mildare EAE med signifikant lägre kumulativ sjukdomspoäng och viktminskning jämfört med de råttor som fick obehandlade MBP63-88-specifika T-cellinjer. Dessutom var majoriteten av nyckelgener i Jak/Stat-, Erk/Mapk- och Pi3k/Akt/mTor-signalvägar samt enzymer som är viktiga för att upprätta och bibehålla DNA-metylationsmärken nedreglerade i vitamin D-behandlade MBP63-88-specifika T-celler.

Slutsats

Vi har kunnat visa att den skyddande effekten av D-vitamin innefattar epigenetiska mekanismer, i synnerhet DNA-metylering, och att detta kan ge en molekylär grund för cellulärt minne. Detta kan i sin tur ge långsiktiga effekter9-11 och visar potential för framtida kombinationsterapier.

Intressekonflikter: Författarna har inga intressekonflikter relaterade till denna artikel att rapportera.

Referenser

1. Munger KL, Levin LI, Hollis BW, Howard NS, Ascherio A Serum 25-hydroxy- vitamin D levels and risk of multiple sclerosis. JAMA 2006;296(23):2832-2838.  2. Salzer J, Hallmans G, Nyström M, Stenlund H, Wadell G, Sundström P. Vitamin D as a protective factor in multiple sclerosis. Neurology 2012;79(21):2140-2145.  3. Simpson S, Jr, Taylor B, Blizzard L, Ponsonby AL, Pittas F, Tremlett H, Dwyer T, Gies P, van der Mei I. Higher 25-hydroxyvitamin D is associated with lower relapse risk in multiple sclerosis. Ann Neurol 2010;68(2):193-203.  4. Mowry EM, Waubant E, McCulloch CE, Okuda DT, Evangelista AA, Lincoln RR, Gourraud PA, Brenneman D, Owen MC, Qualley P, Bucci M, Hauser SL, Pelletier D. Vitamin D status predicts new brain magnetic resonance imaging activity in multiple sclerosis. Ann Neurol 2012;72(2):234-240.  5. Toghianifar N, Ashtari F, Zarkesh-Esfahani SH, Mansourian M Effect of high dose vitamin D intake on interleukin-17 levels in multiple sclerosis: A randomized, double-blind, placebo-controlled clinical trial. J Neuroimmunol 2015;285:125-128.  6. Ramagopalan SV, Dyment DA, Cader MZ, Morrison KM, Disanto G, Morahan JM, Berlanga-Taylor AJ, Handel A, De Luca GC, Sadovnick AD, Lepage P, Montpetit A, Ebers GC. Rare variants in the CYP27B1 gene are associated with multiple sclerosis. Ann Neurol 2011;70(6):881-886.  7. Australia and New Zealand Multiple Sclerosis Genetics Consortium (ANZgene) Genome-wide association study identifies new multiple sclerosis susceptibility loci on chromosomes 12 and 20 . Nat Genet 2009;41(7):824-828.  8. Adzemovic MZ, Zeitelhofer M, Hochmeister S, Gustafsson SA, Jagodic M. Efficacy of vitamin D in treating multiple sclerosis-like neuroinflammation depends on developmental stage. Exp Neurol 2013;249:39-48. 9. Munger KL, Chitnis T, Frazier AL, Giovannucci E, Spiegelman D, Ascherio A. Dietary intake of vitamin D during adolescence and risk of multiple sclerosis. J Neurol 2011;258(3):479-485. 10. Mowry EM, Krupp LB, Milazzo M, Chabas D, Strober JB, Belman AL, McDonald JC, Oksenberg JR, Bacchetti P, Waubant E. Vitamin D status is associated with relapse rate in pediatric- onset multiple sclerosis. Ann Neurol 2010;67(5):618-624. 11. Munger KL, Åivo J, Hongell K, Soilu-Hänninen M, Surcel HM, Ascherio A. Vitamin D status during pregnancy and risk of multiple sclerosis in offspring of women in the Finnish maternity cohort. JAMA Neurol 2016;73(5):515-519.