Epigenetyka w mukowiscydozie: co może regulować CFTR, mucyny i zapalenie w drogach oddechowych

Mukowiscydoza jest chorobą genetyczną wywołaną patogennymi wariantami genu CFTR, jednak sama sekwencja DNA nie wyjaśnia całej zmienności fenotypu ani wszystkich procesów zachodzących w drogach oddechowych. Autorzy przeglądu opublikowanego w Journal of Cystic Fibrosis analizują, w jaki sposób metylacja DNA, modyfikacje histonów i trójwymiarowa organizacja chromatyny mogą uczestniczyć w regulacji CFTR, genów mucyn oraz przewlekłego zapalenia. Zebrane dane wskazują na rozbudowaną warstwę regulacyjną, która może mieć znaczenie zwłaszcza w epoce wysoce skutecznych modulatorów CFTR, ale większość omawianych strategii terapeutycznych pozostaje na etapie badań komórkowych, tkankowych lub przedklinicznych.

Autorzy, ośrodki i charakter publikacji

Publikację Epigenetic regulation and chromatin organization in Cystic Fibrosis airways przygotowali Agustín De Ganzó, Brian Chan, Michael Rubinstein, Kenichi Okuda oraz Carla MP Ribeiro. Praca została opublikowana online 15 września 2026 roku w Journal of Cystic Fibrosis. W PubMed została sklasyfikowana jako praca przeglądowa – Review.

Autorzy reprezentują następujące jednostki:

• Marsico Lung Institute and Cystic Fibrosis Center, University of North Carolina at Chapel Hill, NC, USA,
• Thomas Lord Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University, Durham, NC, USA,
• Departments of Biomedical Engineering, Chemistry, and Physics, Duke University, Durham, NC, USA,
• Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD), Hokkaido University, Sapporo, Japan,
• Department of Medicine, University of North Carolina at Chapel Hill, NC, USA,
• Department of Cell Biology and Physiology, University of North Carolina at Chapel Hill, NC, USA.

Agustín De Ganzó jest afiliowany przy Marsico Lung Institute and Cystic Fibrosis Center. Brian Chan reprezentuje Thomas Lord Department of Mechanical Engineering and Materials Science. Michael Rubinstein ma afiliacje w University of North Carolina at Chapel Hill, Duke University oraz WPI-ICReDD, Hokkaido University. Kenichi Okuda jest związany z Marsico Lung Institute and Cystic Fibrosis Center oraz Department of Medicine, a Carla MP Ribeiro dodatkowo z Department of Cell Biology and Physiology.

Dlaczego w mukowiscydozie znaczenie może mieć coś więcej niż sekwencja CFTR?

Mukowiscydoza jest autosomalną recesywną chorobą uwarunkowaną patogennymi wariantami genu CFTR znajdującego się na chromosomie 7. Gen koduje białko CFTR będące regulowanym przez cAMP kanałem chlorkowym i wodorowęglanowym, odgrywającym zasadniczą rolę w homeostazie nabłonka.

W prawidłowych drogach oddechowych CFTR uczestniczy w transepitelialnym transporcie chlorków i wodorowęglanów, a jednocześnie negatywnie reguluje nabłonkowy kanał sodowy ENaC. Dysfunkcja CFTR ogranicza wydzielanie anionów i sprzyja względnie zwiększonej absorpcji sodu. Za transportem jonów podąża woda, co prowadzi do odwodnienia i zwiększenia stężenia śluzu. Konsekwencją jest upośledzenie transportu śluzowo-rzęskowego, a następnie rozwój przewlekłego cyklu obturacji, zakażenia i zapalenia.

Autorzy zwracają jednak uwagę, że warianty sekwencji CFTR nie muszą w pełni wyjaśniać zróżnicowania fenotypowego choroby. Jednocześnie osoby z mukowiscydozą leczone modulatorami CFTR mogą nadal wykazywać bardziej skoncentrowany śluz i nasilone zapalenie w porównaniu z osobami bez mukowiscydozy. To właśnie ten problem stanowi uzasadnienie dla poszukiwania dodatkowych warstw regulacji.

Czym jest regulacja epigenetyczna?

Epigenetyka obejmuje mechanizmy zdolne do wpływania na aktywność genów bez zmiany samej sekwencji nukleotydów DNA. W omawianym przeglądzie autorzy koncentrują się na mechanizmach związanych bezpośrednio z DNA i chromatyną: metylacji DNA, modyfikacjach histonów oraz organizacji chromatyny w przestrzeni.

Mechanizmy te nie działają niezależnie. Metylacja DNA i modyfikacje histonów zmieniają lokalne właściwości chromatyny, w tym sposób upakowania nukleosomów. Z kolei architektura przestrzenna chromatyny decyduje m.in. o tym, które odległe elementy regulatorowe mogą znaleźć się w fizycznym sąsiedztwie promotora genu.

Autorzy zaznaczają przy tym, że zaliczanie trójwymiarowej organizacji chromatyny do epigenetyki nie jest powszechnie przyjętym stanowiskiem. Niezależnie od terminologii przestrzenna konformacja chromatyny może regulować ekspresję genów.

Metylacja DNA a CFTR, mucyny i zapalenie

Metylacja DNA polega na przyłączeniu grupy metylowej do cytozyny, najczęściej w dinukleotydach CpG. W przypadku promotorów genów zwiększona metylacja jest na ogół związana z osłabieniem transkrypcji, chociaż zależność ta nie jest uniwersalna dla każdego elementu regulatorowego.

Autorzy przeglądu wskazują, że promotor CFTR pozostaje w dużej mierze niezmetylowany w komórkach nabłonka dróg oddechowych – zarówno w liniach komórkowych i hodowlach tkankowych, jak i w pierwotnych komórkach nabłonka nosa pochodzących od osób zdrowych oraz osób z mukowiscydozą. Nie oznacza to jednak braku nieprawidłowości metylacji w mukowiscydozie.

Różnice występują poza samym promotorem CFTR

W próbkach z dróg oddechowych oraz krwi osób z mukowiscydozą opisywano różnice metylacji w loci niezwiązanych bezpośrednio z CFTR oraz w ich elementach regulatorowych. Autorzy podkreślają, że potrzebne są dalsze badania pozwalające powiązać te zmiany z konkretnymi wynikami klinicznymi.

Szczególnie interesujące wyniki przyniosło badanie podłużne metylacji DNA w próbkach plwociny. Autorzy omawianego przeglądu podają, że profil metylacji korelował z czynnością płuc i mógł przewidywać zaostrzenia płucne, a najbardziej znaczące miejsca CpG były powiązane z genami uczestniczącymi w zapaleniu.^[1]

Różnice metylacji wykazywano również w genach modyfikujących ciężkość choroby oraz w komórkach nabłonka nosa. W analizach epigenomowych stopień metylacji części genów zmieniał się wraz z ciężkością choroby, a wśród genów różnicowo metylowanych znajdowały się geny związane m.in. z adhezją, ruchem komórek i morfogenezą. Także komórki uzyskane z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego, wzbogacone w makrofagi, wykazywały różnice metylacji genów związanych z zapaleniem i migracją komórek.

Metylacja może również wpływać na mucyny

Autorzy zwracają szczególną uwagę na MUC5AC i MUC5B, kodujące dwie wydzielnicze mucyny tworzące żel w ludzkich drogach oddechowych. Dostępne są epigenomowe mapy metylacji plwociny, komórek nabłonka nosa i komórek z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego u osób z mukowiscydozą, jednak szczegółowa analiza metylacji samych loci MUC5AC i MUC5B oraz ich elementów regulatorowych wymaga dalszych badań.

Autorzy przywołują dane z innych układów biologicznych wskazujące, że ekspresja obu mucyn może być związana z metylacją DNA. Przykładowo zwiększona metylacja wzmacniacza znajdującego się około 3 kb przed MUC5B korelowała ze zwiększoną ekspresją tego genu w komórkach nabłonka ludzkich dróg oddechowych. Jest to dobry przykład pokazujący, dlaczego proste utożsamianie „większej metylacji” z „wyłączeniem genu” może prowadzić do błędnych wniosków – znaczenie zależy od tego, jaki fragment genomu podlega modyfikacji.

Modyfikacje histonów i dostępność chromatyny

DNA w jądrze komórkowym nie występuje jako swobodna nić. Jest nawinięte na białka histonowe, tworząc nukleosomy. Chemiczne modyfikacje histonów – m.in. acetylacja, metylacja, fosforylacja czy ubikwitynacja – zmieniają stopień upakowania chromatyny i jej dostępność dla aparatu transkrypcyjnego.

W uproszczeniu acetylacja histonów może osłabiać oddziaływanie histon-DNA i sprzyjać bardziej otwartej, dostępnej dla czynników transkrypcyjnych konfiguracji chromatyny. Deacetylacja może działać odwrotnie. Nie oznacza to jednak, że każda modyfikacja histonu ma taki sam skutek – znaczenie zależy od rodzaju znacznika i jego lokalizacji.

Aktywne znaczniki chromatyny wokół CFTR

Ekspresja CFTR jest związana zarówno z lokalnymi modyfikacjami histonów, jak i dalekozasięgowymi interakcjami wzmacniacz-promotor. Dwa elementy wzmacniające położone około 35 kb i 44 kb przed CFTR są w liniach komórek nabłonka dróg oddechowych wykazujących ekspresję CFTR związane z aktywnym znacznikiem acetylacji H3K27Ac.

W komórkach krwi, które nie wykazują ekspresji CFTR, okolica genu ma natomiast cechy chromatyny represyjnej: obserwowano m.in. słabszą acetylację elementów regulatorowych, H3K27me3 w promotorze oraz brak H3K4me3 w miejscu rozpoczęcia transkrypcji.

HDAC2, IL-8 i prozapalny stan nabłonka

W komórkach nabłonka dróg oddechowych z dysfunkcją CFTR opisywano przebudowę epigenetyczną loci związanych z zapaleniem. Badania przywołane przez autorów wykazały mniejszą ilość i aktywność deacetylazy histonowej 2 (HDAC2) w liniach komórkowych z niedoborem CFTR. Towarzyszyła temu hiperacetylacja promotora IL8 oraz wzrost transkrypcji tego genu.^[2]

Zmniejszoną ilość HDAC2 obserwowano także w komórkach pobranych ze zeskrobin błony śluzowej nosa osób z mukowiscydozą w porównaniu z osobami zdrowymi. Autorzy omawianego przeglądu wskazują, że zmiany te wiązano ze stresem oksydacyjnym wynikającym z nieprawidłowego działania CFTR i wpływającym na samo białko HDAC2.

Organizacja chromatyny 3D i pętle regulujące ekspresję genów

Jednym z najbardziej złożonych zagadnień omawianych w publikacji jest trójwymiarowa organizacja chromatyny. Element regulatorowy nie musi znajdować się bezpośrednio obok genu, który kontroluje. Wzmacniacze i wyciszacze mogą być oddalone od promotora nawet o ponad 100 kb, a odpowiednie pofałdowanie chromatyny umożliwia ich przestrzenne zbliżenie.

Takie kontakty bada się m.in. metodami 3C i Hi-C oraz ich wariantami. Metody te pozwalają określać częstość przestrzennych kontaktów pomiędzy różnymi fragmentami genomu.

CTCF, kohezyna i domeny TAD

Jednym z mechanizmów organizujących genom jest ekstruzja pętli przez kompleks kohezyny. Białko CTCF może wyznaczać granice obszarów nazywanych domenami topologicznie asocjującymi – TAD. W obrębie takiej domeny odległe od siebie fragmenty DNA mogą znacznie częściej wchodzić w kontakt przestrzenny.

Gen CFTR znajduje się w pojedynczej domenie TAD ograniczonej miejscami wiązania CTCF. Większość interakcji pomiędzy promotorem CFTR i jego elementami cis-regulatorowymi zachodzi w obrębie tej domeny.

Granice TAD obejmującego CFTR nie są wyraźnie zależne od typu komórki, ale konkretne interakcje pomiędzy promotorem i elementami regulatorowymi już takie są. W komórkach wykazujących ekspresję CFTR wzmacniacz położony około 108 kb za miejscem rozpoczęcia transkrypcji tworzy kontakt z promotorem, podczas gdy w komórkach niewykazujących ekspresji genu takiego kontaktu nie obserwowano. Interakcje promotora z elementami położonymi około 35 i 44 kb przed genem występują przede wszystkim w komórkach nabłonka dróg oddechowych.

Globalne zaburzenie pętli i precyzyjne usunięcie miejsca CTCF dają różne efekty

Autorzy przywołują doświadczenia w komórkach Caco-2 – nie były to komórki nabłonka dróg oddechowych. Zmniejszenie ilości CTCF lub podjednostki kohezyny RAD21 z użyciem siRNA ograniczało tworzenie pętli w obrębie TAD, a jednocześnie umiarkowanie zwiększało ekspresję CFTR.

Inny efekt uzyskano po precyzyjnym usunięciu metodą CRISPR/Cas9 miejsca wiązania CTCF położonego około 80 kb przed CFTR, stanowiącego granicę TAD. Wówczas ekspresja CFTR zmalała, a układ kontaktów przestrzennych promotora z elementami regulatorowymi uległ przebudowie.

Autorzy wykorzystują te wyniki jako przykład pokazujący, że globalne zaburzenie architektury chromatyny i miejscowa ingerencja w konkretny element regulatorowy mogą prowadzić do odmiennych konsekwencji. Podkreślają potrzebę dalszych badań w komórkach nabłonka dróg oddechowych i materiale pochodzącym od osób z mukowiscydozą.

MUC5AC i MUC5B również znajdują się w przestrzennej sieci regulacyjnej

Geny MUC5B, MUC5AC, MUC2 oraz MUC6 tworzą na ludzkim chromosomie 11 klaster obejmujący około 400 kb. W jego obrębie występuje wiele miejsc wiązania CTCF, a ich zajęcie zależy od typu komórki.

W komórkach Calu-3 lipopolisacharyd pochodzący z Pseudomonas aeruginosa zmniejszał zajęcie przez CTCF obszaru pomiędzy MUC5AC i MUC5B. Towarzyszył temu wzrost ekspresji MUC5AC oraz spadek ekspresji MUC5B. Autorzy zaznaczają jednak, że relacje pomiędzy CTCF, elementami regulatorowymi i ekspresją mucyn są złożone, a wyniki uzyskiwane w różnych liniach komórkowych nie są w pełni zgodne.

Szczególnie istotnym ograniczeniem obecnego stanu wiedzy jest fakt, że według autorów nie przeprowadzono dotąd badań bezpośrednio oceniających rolę organizacji genomu w zapaleniu dróg oddechowych w mukowiscydozie. Dane z innych układów immunologicznych wskazują, że CTCF, kohezyna i pętle chromatyny uczestniczą w indukowanej ekspresji takich genów jak IL6 i TNF, ale przeniesienie tych obserwacji na mukowiscydozę wymaga bezpośredniej weryfikacji.

Czy mechanizmy epigenetyczne mogą stać się celem terapii?

Autorzy omawiają kilka prób eksperymentalnego wykorzystania mechanizmów epigenetycznych do modyfikowania procesów związanych z mukowiscydozą. Jednocześnie wyraźnie zaznaczają, że liczba takich prac jest nadal ograniczona.

Edycja epigenomu w locus CFTR

Kabadi i wsp. zastosowali system edycji epigenomu oparty na CRISPR/dCas9 w celu identyfikacji i modyfikacji potencjalnych elementów cis-regulatorowych CFTR. Aktywacja dCas9-P300 w obrębie wzmacniacza położonego około 44 kb przed promotorem CFTR, sprzyjająca acetylacji histonów, istotnie zwiększała ilość mRNA i białka CFTR w ludzkich komórkach nabłonka oskrzelowego pochodzących od pacjentów z genotypem F508del/F508del.^[3]

Zwiększenie ekspresji CFTR uzyskane w wyniku edycji epigenomu wzmacniało w tym modelu efekt korektora CFTR VX-809 – lumakaftoru. Autorzy przeglądu wskazują na możliwość wykorzystania podobnej strategii jako swoistego „wzmacniacza CFTR” działającego razem z farmakologicznymi modulatorami, ale jest to koncepcja wynikająca z badań komórkowych.

Epigenetyczne oddziaływanie na ENaC

W innym badaniu S-adenozylometionina i kurkumina prowadziły do hipermetylacji genu SCNN1B, kodującego podjednostkę beta nabłonkowego kanału sodowego ENaC. Obie substancje, stosowane osobno i łącznie, zmniejszały ekspresję SCNN1B i ograniczały absorpcję płynu w pierwotnych komórkach nabłonka oskrzelowego F508del/F508del oraz w komórkach CFBE.^[4]

Inhibitory deacetylaz histonowych – wyniki nie są jednoznaczne

Badano także inhibitory deacetylaz histonowych (HDAC). Zmniejszenie aktywności HDAC7 za pomocą kwasu suberoiloanilidowo-hydroksamowego (SAHA) lub siRNA prowadziło w jednej z prac do poprawy fałdowania, transportu wewnątrzkomórkowego i aktywności kanału chlorkowego F508del-CFTR w pierwotnym nabłonku ludzkich dróg oddechowych.^[5]

Autorzy przeglądu wskazują jednak również na pracę, w której leczenie SAHA nie poprawiło ekspresji CFTR w błonie komórkowej.^[6] Z tego względu nie przedstawiają inhibitorów HDAC jako ustalonej strategii terapeutycznej i podkreślają potrzebę dalszych badań nad ich skutecznością.

Szlak BET – IL-17

Kolejnym kierunkiem jest regulacja odpowiedzi związanej z interleukiną 17. Białka BET rozpoznają m.in. acetylowane histony. W przywołanym przez autorów badaniu farmakologiczne hamowanie BET ograniczało odpowiedź komórek pamięci Th17 w eksplantowanych tkankach pochodzących od osób z mukowiscydozą oraz produkcję IL-17 w komórkach nabłonka oskrzelowego.^[7]

W mysim modelu zakażenia płuc Pseudomonas aeruginosa obserwowano ponadto zmniejszenie zapalenia neutrofilowego bez zwiększenia obciążenia zakażeniem. Jest to jednak wynik modelu zwierzęcego, a inhibitory BET – podobnie jak szeroko działające inhibitory HDAC – nie są ukierunkowane na pojedynczy gen.

Jak autorzy podsumowują obecny stan wiedzy?

Zdaniem autorów patogeneza mukowiscydozy nie jest determinowana wyłącznie przez patogenne warianty CFTR. Metylacja DNA i modyfikacje histonów są powiązane z regulacją genów modyfikujących przebieg choroby, genów uczestniczących w zapaleniu oraz genów mucyn.

Gen CFTR znajduje się w pojedynczej domenie TAD, natomiast geny kodujące wydzielnicze mucyny dróg oddechowych tworzą klaster zawierający liczne miejsca wiązania CTCF. Jednocześnie przestrzenna organizacja chromatyny w regulacji genów odpowiedzi zapalnej jest dobrze udokumentowana w innych układach biologicznych, ale nie została kompleksowo scharakteryzowana w mukowiscydozie.

Autorzy wskazują, że nadal brakuje zintegrowanego obrazu łączącego regulację CFTR, nadprodukcję i właściwości mucyn oraz utrzymujące się zapalenie. Dalsza charakterystyka krajobrazu epigenetycznego i organizacji chromatyny może, ich zdaniem, otworzyć nowe kierunki badań nad leczeniem i kontrolą choroby, szczególnie w okresie powszechniejszego stosowania modulatorów CFTR.

Słownik trudniejszych pojęć

Finansowanie i konflikty interesów

Źródła i bibliografia

Poniższe pozycje są wybranymi pracami szczegółowo przywołanymi i omówionymi przez autorów publikacji przeglądowej. Podstawą niniejszego opracowania redakcyjnego pozostaje przegląd De Ganzó i wsp.; poniższych prac nie traktowano jako niezależnie analizowanych źródeł redakcyjnych.