Cukrzyca (DM) to poważny i narastający problem zdrowotny, który powoduje skrócenie oczekiwanej długości życia z powodu specyficznych dla choroby powikłań mikronaczyniowych (retinopatia, nefropatia, neuropatia, zaburzenia gojenia się ran) i makronaczyniowych (choroby serca i udar mózgu) 1. Raz rozpoczęte powikłania cukrzycowe postępują nieprzerwanie, nawet jeśli osiągnięta jest kontrola glikemii 2,3, a zjawisko to zostało nazwane pamięcią metaboliczną lub efektem dziedzictwa. Obecność tego zjawiska została rozpoznana klinicznie na początku lat 90. XX wieku, gdy "The Diabetes Control and Complications Trial (DCCT)" postępowało i od tego czasu zostało poparte wieloma dodatkowymi badaniami klinicznymi 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. Zwierzęce modele cukrzycy miały kluczowe znaczenie dla odkryć związanych z patofizjologią powikłań cukrzycowych i pamięcią metaboliczną. W rzeczywistości utrzymywanie się powikłań cukrzycowych zostało po raz pierwszy udokumentowane w psim modelu retinopatii cukrzycowej, który od tego czasu został poparty kilkoma liniami dowodów eksperymentalnych przy użyciu różnych systemów hodowli in vitro i modeli zwierzęcych 15,16,17,18,19,20,21. Badania te wyraźnie pokazują, że początkowy okres hiperglikemii powoduje trwałe nieprawidłowości (w tym nieprawidłową ekspresję genów) docelowych narządów/komórek i mechanistycznie sugeruje zaangażowanie epigenomu.
Epigenomy składają się ze wszystkich modyfikacji chromatyny dla danego typu komórki i są odpowiedzialne za unikalny profil ekspresji genów komórki. Modyfikacje chromosomów są dynamiczne podczas rozwoju, wspomagają różnicowanie komórek, reagują na bodźce zewnętrzne, są mitotycznie stabilnie dziedziczone 22,23 i mogą być zmieniane w chorobie 24,25,26. Te mechanizmy epigenetyczne obejmują: potranslacyjne modyfikacje histonów, włączenie niekanonicznego wariantu histonu do oktomerów, zmiany dostępu do chromatyny poprzez metylację DNA oraz kontrolę ekspresji genów poprzez niekodujące mikro RNA 27,28,29,30. Ogólnie rzecz biorąc, procesy epigenetyczne pozwalają komórkom/organizmom szybko reagować na zmieniające się bodźce środowiskowe 31,32,33 , nadają również komórce zdolność do "zapamiętywania" tych spotkań po usunięciu bodźca 23,22. W związku z tym, ponieważ zmienione profile ekspresji genów wynikające z procesów epigenetycznych są stabilne przy braku sygnału, który je zainicjował, i są dziedziczne poprzez podział komórki, zyskały one duże zainteresowanie jako mechanizmy molekularne leżące u podstaw patologii człowieka, w tym pamięci metabolicznej. Wyniki, które pojawiają się w kontekście DM i epigenetyki, są równoległe do postępów w innych chorobach, ponieważ mnóstwo zmian epigenetycznych wywołanych przez hiperglikemię powoduje niezwykłe, trwałe zmiany w sieciach transkrypcyjnych komórek (przegląd w 34,35,36,37,38).
Danio pręgowany od dawna jest głównym modelowym organizmem do badania rozwoju kręgowców, jednak w ciągu ostatnich 15 lat nastąpił gwałtowny wzrost wykorzystania tego organizmu do badań nad ludzkimi chorobami. 39. Ustalono modele chorób człowieka dla danio pręgowanego, obejmujące szeroki zakres patologii człowieka, w tym zaburzenia genetyczne i choroby nabyte 40,41,42. Do wielu zalet danio pręgowanego w porównaniu z innymi modelowymi organizmami kręgowców należą: wysoka płodność, krótki czas generacji, przejrzystość do wczesnej dorosłości, zmniejszone koszty utrzymania oraz szereg narzędzi do manipulacji genami. Co więcej, ze względu na rozległą ochronę szlaków genetycznych i fizjologii komórkowej wśród kręgowców oraz zdolność do wykonywania wysokoprzepustowych badań przesiewowych leków, danio pręgowany został z powodzeniem wykorzystany do odkryć farmaceutycznych.
Opracowaliśmy model dorosłego danio pręgowanego z cukrzycą typu I, używając leku przeciwcukrzycowego, streptozocyny. Scharakteryzowaliśmy ten model, aby pokazać, że danio pręgowany z cukrzycą nie tylko wykazuje znane ludzkie wtórne powikłania, ale ponadto wykazuje upośledzoną regenerację kończyn (regenerację płetwy ogonowej) w wyniku środowiska hiperglikemicznego. Ponadto donieśmy również, że danio pręgowany z hiperglikemią powraca do normalnej glikemii w ciągu 2 tygodni od odstawienia leku w wyniku regeneracji endogennych komórek beta trzustki, co skutkuje fizjologicznie normalnym stanem glikemicznym. Jednak w przeciwieństwie do tego, regeneracja kończyn u tych ryb pozostaje upośledzona w takim samym stopniu, jak w ostrym stanie cukrzycowym, co wskazuje, że to powikłanie utrzymuje się i jest podatne na pamięć metaboliczną. Głównym impulsem do stworzenia tego modelu było zapewnienie systemu do badania mitotycznie stabilnych składników epigenetycznych, które wspierają zjawisko pamięci metabolicznej przy braku szumu tła poprzedniego środowiska hiperglikemicznego. Po zakończeniu dostarczonego tutaj protokołu danio pręgowany i/lub selektywne tkanki mogą być przetwarzane za pomocą dowolnego testu odpowiedniego do potrzeb badaczy. Z powodzeniem zastosowaliśmy tę procedurę do identyfikacji utrzymujących się w całym genomie zmian w metylacji DNA wywołanych hiperglikemią, które są utrzymywane w stanie pamięci metabolicznej 21.
Uważamy, że ten model zebrywanego cukrzycy typu I ma kilka innowacyjnych zalet w porównaniu z innymi systemami modelowymi do badania pamięci metabolicznej. 1) Wszystkie nasze badania mogą być prowadzone in vivo, a ponieważ poprzednie ryby hiperglikemiczne powracają do euglikemii poprzez regenerację endogennej produkcji insuliny, nie wymagają egzogennych zastrzyków insuliny. W związku z tym pozwala to uniknąć komplikujących skoków i dolin w kontroli glikemii, które mogą wystąpić u zwierząt wymagających egzogennej insuliny. 2) Jak opisano powyżej, stymulacja tła z poprzedniego stanu cukrzycowego (tj. ciągła obecność końcowych produktów zaawansowanej glikacji i markerów reaktywnych form tlenu) jest eliminowana, a zatem można badać czysto epigenetyczne czynniki pamięci metabolicznej. 3) Eksperymenty można przeprowadzić szybko, ponieważ od indukcji cukrzycy do badania pamięci metabolicznej mija około 80 dni. 4) Regeneracja płetwy ogonowej jest eksperymentalnie bardzo przystępna i pozwala na łatwą manipulację genetyczną i eksperymentalną, do której istnieje szeroki wachlarz narzędzi. 5) Regeneracja płetwy ogonowej stanowi bardzo prostą i wymierną metodę oceny pamięci metabolicznej, a zatem pozwoli na odkrycie leków w przyszłości.