Комплексний аналіз циклу метилювання

Що таке метилювання?

Метилювання це біохімічний процес, в якому метильна група (-CH3) переноситься між молекулами. В результаті молекули змінюють свою структуру  та набувають різноманітних властивостей. Реакція метилювання відбувається міліарди разів в секунду в кожній клітині організму (Barić et al., 2017).

Передумовою для оптимального метилювання  є  баланс між різними біохімічними метаболічними процесами. Нестача вітамінів, мінералів, як кофакторів, також  окислювального стресу можуть впливати на функцію ряду ферментів. Це може привести до порушення всього процесу метилювання (Anderson et al., 2012; Schalinske and Smazal, 2012).

Так званий “Цикл метилювання” розуміється  як взаємодія між метаболізмом  фолатів, метаболізмом метіоніну та транссульфурацією  гомоцистеїну. Організмпостійно регулює ці взаємопов’язані шляхи для підтримки гомеостазу.

Переніс метильної групи на цільову молекулу є вирішальним кроком в циклі метилювання  та забезпечує  подальші  процеси в організмі. Більше ніж 100 реакцій метилювання  залежать від наявності S-аденозил метіоніну (SAM) (Bottiglieri, 2002).

Біологічні процеси, в яких метилювання грає певну роль:

Синтез ДНК та РНК

Регуляція генів (епігенетика)

Гормональна регуляція та детоксикація

Продукція енергії

Обмін жирів

Продукція та метаболізм нейротрансмітерів

Процес метилювання грає важливу роль в більш ніж 100 метаболічних шляхах в організмі людини, включаючи синтез ДНК, регуляцію генів та продукцію енергії. S-аденозилметіонін (SAM) слугує постачальником метильної групи в циклі метилювання. Дефіцит SAM або мікроелементів, які діють як кофактори, може порушити процес метилювання та  мати  наслідки для всього метаболізму.

За  допомогою передової лабораторної діагностики можна проаналізувати здатність організму переносити метильні групи в достатньому ступені і, таким чином, оцінити здатність до метилювання. З профілактичної точки зору обстеження особливо рекомендується пацієнтам з підвищеним ризиком метаболічного синдрому, захворювань печінки, нирок, серцево-судинних та нейродегенеративних захворюваннях, а також дефіциту гормонів та мікроелементів.

S-аденозилметіонін – постачальник метильної групи

SAM, який є в кожній клітині організму, утворюється з метіоніну та АТФ. SAM регулює цикл метилювання по механізму зворотного зв’язку (Mato et al., 2013). Бетаїн- гомоцистеїн-метилтрансфераза (BHMT) регулюється в сторону зменшення, а цистатіонін-β-синтаза (CBS) – в сторону збільшення (Ducker and Rabinowitz, 2017). Продуктом всіх SAM- індукованих метилювань є S- аденозилгомоцистеїн (SAH), який відразу гідралізується до гомоцистеїну. Кожна молекула гомоцистеїну в організмі утворюється з SAH, однак реакція оборотна і баланс на стороні SAH (Selhub, 1999). Тому збільшення кількості гомоцистеїну приводить до збільшення SAH у клітині, що приводить до інгібування реакції метилювання.

Видалення гомоцистеїну із клітки має велике значення для SAM-залежного метилювання  і продукції гомоцистеїну (Yi et al., 2000). Окрім того SAM є попередником для транссульфурації,  яка приводить до синтезу  глутатіону  та продукції енергії (Bottiglieri 2002).

Гомоцистеїн: зв’язок між реметилюванням та транссульфурацією

Гомоцистеїн або необоротно метаболізується до цистатіоніну, або реметилюється до метіоніну. Метаболізм гомоцистеїну тісно пов’язано з концентрацією метіоніну. Якщо концентрація метіонінунизька, гомоцистеїн реметилюється, в іншому випадку він транссульфурується (Bottiglieri, 2002). У звичайнихумовах гомоцистеїн реметилюється декілька разів, перед тим як необоротно переходить в (Selhub,1999).транссульфуризації Надлишок гомоцистеїну виходить у кров, щоб підтримувати внутриклітинний рівень постійним.

Підвищений рівень гомоцистеїну в плазмі може бути маркером ожиріння, гіподинамії або дефіциту вітамінів групи B 6, 9 та 12 (Castro et al., 2006).

Знизити підвищений рівень гомоцистеїну можна за допомогою прийому дієтичних добавок таких як фолати, вітамін B12 та SAM.

Досі не зрозуміло, який вплив на організм виявляє дуже низький рівень гомоцистеїну (Castro et al., 2006).

Реметилювання відбувається в усіх клітинах та залежить від фолату та вітаміну B12, тоді як транссульфурація відбувається лише в печінці та нирках (Williams and Schalinske, 2007). В печінці та нирках гомоцистеїнтакож може бути реметильованим за допомогоюбетаїну. Це є альтернативний шлях відновленняметіоніну (Melse-Boonstra et al., 2005).

Реметилювання до метіоніну

Відновлення метіоніну гарантує наявність достатньої кількості метіоніну для частого процесу метилювання. В кожній клітині організму реметилювання відбувається паралельно з метаболізмом фолатів.

Тому доступність фолатів, вітамінів B6 та B12 має велике значення для метилювання (Lyon et al., 2020). У випадку порушення обміну фолатів, наприклад, через недоїдання, в печінці та нирках існує альтернативний шлях реметилювання гомоцистеїну. Важливу роль у цьому процесі відіграють поживні речовини холін та бетаїн. Холін є попередником важливого нейротрансмітера ацетилхоліну та деяких мембранних фосфоліпідів, а також бетаїну. Поряд із здатністю постачати метильні групи для реметилювання, бетаїн також діє як осмоліт у клітині. Під час переносу метильної групи на гомоцистеїн, який каталізується бетаїн-гомоцистеїн-метилтрансферазою (BHMT), виникає диметилгліцин (DMG). DMG слугує маркером підвищеного навантаження альтернативного шляху реметилювання (Ueland, 2011).

Окрім їх важливості для реметилювання, рівні холіну та бетаїну в плазмі крові зв’язані та є маркерами ключових компонентів метаболічного синдрому, таких як дисглікемія, дисліпідемія та підвищений ІМТ. При наявності будь-якого з цих порушень рівень холіну в плазмі підвищується, а рівень бетаїну знижується (Ueland,2011).

Гіпергомоцистеїнемія є підвищеним фактором ризику розвитку різних атеросклеротичних захворювань:

Підвищена схильність до тромбоутворення(тромбофілія)

Ішемічна хвороба серця

Інсульт

Фолатний цикл грає центральну роль в клітинному метаболізмі. Його важливі функції включають доставку моновуглецевих одиниць в цикл метіоніну для використання в реакціях метилювання, а такожсинтезу піримідинів та пуринів (Nijhout et al., 2004).

SAM/SAH-співвідношення: індекс метилювання

Співвідношення між холіном та бетаїном показує, що молекули взаємопов’язані в рамках метаболічних шляхів. Їх варто інтерпретувати у зв’язку один з одним, наприклад, з допомогою рівноваги.

Для оцінки метилювання можна розглянути співвідношення SAM та SAH. SAM/SAH-співвідношення також називаютьпотенціал або здатністю до метилювання. Реакціяметилювання відбувається внутрішньоклітинно, але вимірювання вмісту SAM та SAH відбувається у плазмі крові. Інтерпретація внутрішньоклітинного співвідношення SAM/SAH можлива, оскільки концентрації корелюють (Duncan et al., 2013; Melnyk et al., 2000).

SAM/SAH-співвідношення, швидше за все буде залежати від коливань концентрації SAH, оскільки рівень SAMрегулюється печінкою (Guerra-Shinohara et al., 2007). Гомеостаз цієї системи має велике значення так як низьке SAM/SAH-співвідношення вказує на більш низький потенціал метилювання; підвищення, однак, вказує на потенційне надлишкове метилювання і як наслідок, на передозування SAM або підвищений ІМТ (Bottiglieri, 2002).

Прийом вітамінів групи B (6, 9 та 12) і цинку може покращити низький потенціал метилювання. Підвищене співвідношення, яке зустрічається доволі рідко, потебує подльших уточнень у відношенні генетичної схильності.

SAM/SAH-співвідношення є стабільною системою, стійкої до коливань, і тому не може вказувати на невеликі та повільні зміни. Спостереження за іншими метаболітами в процесіметилювання дає потенційну можливість виявити зміни ще до того, як змінюється SAM/SAH-співвідношення. Врозширеному лабораторному профілі наступні метаболіти циклу метилювання представлені:

SAM,метіонін та бетаїн як метильовані метаболіти і SAH,гомоцистеїн та диметилгліцин (DMG) як продукти переносу метильної групи (неметильовані метаболіти).

Інтерпретація балансу метилювання аналогічна SAM/SAH-співвідношенню.