Untersuchung der Rolle und des Mechanismus von Methionin bei verschiedenen Formen der Skelettfluorose auf der Grundlage der Siglec-15-Methylierung.

Einführung

Zu den Hauptquellen der Fluoridaufnahme beim Menschen zählen der tägliche Trinkwasserkonsum, die Nahrungsaufnahme, das Einatmen von Fluorid und die Zubereitung von Tee (Kabir et al., 2020). Längerfristige Exposition gegenüber erhöhten Fluoridkonzentrationen kann zu einer Reihe von Gesundheitsschäden führen, wobei die schwerwiegendste Folge eine Schädigung des Knochengewebes ist, einschließlich Skelett- und Zahnfluorose (Phipps, 1995). Pathologische Veränderungen bei Skelettfluorose sind durch ein komplexes und vielfältiges Spektrum an Phänotypen gekennzeichnet, darunter Osteosklerose, Osteoporose und Osteomalazie (osteoporotische Manifestationen treten in der Regel zusammen mit Osteomalazie auf) (Boivin et al., 1990; Guan, 2021; Wei et al., 2019). Wissenschaftler sind sich einig, dass Unterschiede im Ernährungsstatus der fluoridexponierten Bevölkerungsgruppen wesentlich für das Auftreten verschiedener Phänotypen der Skelettfluorose sind. Laut Bevölkerungsstudien trägt die Fluoridexposition unter Mangelernährung wahrscheinlich zu einer Skelettfluorose bei, die durch einen osteoporotischen oder osteomalazischen Phänotyp gekennzeichnet ist, im Gegensatz dazu begünstigt die Fluoridexposition unter normaler Ernährung eine Skelettfluorose, die durch einen osteosklerotischen Phänotyp gekennzeichnet ist (Guan, 2021; Krishnamachari und Krishnaswamy, 1973; Mithal et al., 1993).

Skelettfluorose ist typischerweise durch einen gestörten Knochenumbau gekennzeichnet, der auf einem Ungleichgewicht zwischen der durch mesenchymale Stammzellen des Knochenmarks differenzierten Osteoblasten und dem durch aus Monozyten des Knochenmarks differenzierte Osteoklasten vermittelten Knochenabbau beruht (Qiao et al., 2021). Unter verschiedenen Ernährungsbedingungen führt Fluoridexposition daher zu unterschiedlichen Knochenumbauprozessen und somit wahrscheinlich zu verschiedenen Phänotypen der Skelettfluorose. Studien haben gezeigt, dass Nährstoffe wie Kalzium, Protein, Vitamin D, Cholin und Methionin in Kombination mit Vitamin E den durch Fluorid verursachten Knochenschäden entgegenwirken können (Báaszczyk et al., 2012; Hu et al., 2024; Reddy und Srikantia, 1971; Zhao et al., 2017). Die spezifischen Nährstoffe, die an verschiedenen Formen der Skelettfluorose beteiligt sind, sowie die logischen Zusammenhänge zwischen Ernährungsfaktoren und Anomalien im fluoridbedingten Knochenstoffwechsel sind jedoch weiterhin unbekannt. Daher sind Antworten auf diese Fragen entscheidend für die Entwicklung geeigneter Strategien zur Prävention und Behandlung fluoridbedingter Knochenschäden und bedürfen weiterer Untersuchungen.

Laut den Forschungsergebnissen unserer Gruppe und anderer Forschungsteams durch epidemiologische Untersuchungen, Tierversuche und in vitro Studien belegen, dass die DNA-Methylierung einen wichtigen Einfluss auf die Entstehung und das Fortschreiten der Skelettfluorose hat (Chen et al., 2022; Daiwile et al., 2019; Gao et al., 2020; Ma et al., 2020; Pan et al., 2020; Wu et al., 2019). Gleichzeitig eröffnet die zunehmende Erforschung der Auswirkungen von Nährstoffen auf die DNA-Methylierung die Möglichkeit, den zugrundeliegenden Zusammenhang zwischen Ernährungsfaktoren und fluoridinduzierten Knochenstoffwechselstörungen aus der Perspektive der DNA-Methylierung zu untersuchen. Bei der DNA-Methylierung, einem chemischen Modifikationsprozess, wird unter Katalyse der DNA-Methyltransferase eine Methylgruppe von S-Adenosylmethionin (SAM) auf das fünfte Kohlenstoffatom von Cytosin übertragen, wodurch 5-Methylcytosin (5mC) entsteht (Martin und Fry, 2018). Die Anlagerung von Methylierungsmarkierungen in diesem Prozess hängt von der katalytischen Aktivität von DNA-Methyltransferasen (DNMTs) wie DNMT3A, DNMT3B und DNMT1 ab, während die aktive Entfernung von Methylierungsmarkierungen von der Aktivität von Ten-Eleven-Translokations-Methylcytosin-Dioxygenasen (TETs) wie TET1, TET2 und TET3 abhängt (Lyko, 2018; Wu und Zhang, 2017). Es gilt als allgemein anerkannt, dass die Methylierung von Genpromotoren mit der Genstilllegung zusammenhängt (Greenberg und Bourc'his, 2019). Da genomweite DNA-Methylierungsprofile zunehmend erforscht werden, konzentrieren sich neuere Untersuchungen nicht nur auf den Zusammenhang zwischen Promotormethylierung und Transkription, sondern betonen auch die große Bedeutung der Assoziation zwischen Genkörpermethylierung und Transkription (Wang et al., 2022).

Methionin ist eine essentielle Aminosäure und die einzige direkte Vorstufe von SAM. Schwankungen der Methioninzufuhr über die Nahrung stehen in direktem Zusammenhang mit Veränderungen der DNA-Methylierung. Diese Schwankungen beeinflussen den SAM-Spiegel und regulieren wichtige Enzyme, die an der DNA-Methylierung beteiligt sind, wodurch die DNA-Methylierung reguliert wird (Gou et al., 2021; Ponnaluri et al., 2018; Poomipark et al., 2016; Soda, 2018; Takumi et al., 2015). Die Methioninzufuhr über die Nahrung ist zudem essenziell für die Knochengesundheit. Studien haben gezeigt, dass eine Methioninrestriktion die Knochenmasse durch Hemmung der Osteoblastendifferenzierung verringert und somit die Knochengesundheit beeinträchtigt (Navik et al., 2021). Umgekehrt konnte durch die Supplementierung von Methionin die Knochendichte bei ovariektomierten Ratten durch Verringerung der Osteoklastenaktivität verbessert werden (Vijayan et al., 2014). Bevölkerungsstudien zufolge stehen Ernährungsweisen, die reich an Nährstoffen des Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsels sind, wie Methionin, Betain, Cholin, Vitamin B6 und Folsäure, mit einer geringeren Fluoroseprävalenz in Zusammenhang (Chen et al., 2021). Daher ist die Frage, ob Methionin durch die Modulation der Methylierung wichtiger Gene während des Knochenumbaus mit der Entwicklung von Skelettfluorose assoziiert ist, eine wissenschaftliche Frage, die es zu klären gilt.

In der vorangegangenen Studie etablierten wir erfolgreich Rattenmodelle mit osteosklerotischer und osteoporotischer/osteomalazischer Skelettfluorose. Darüber hinaus führten wir eine mRNA-Sequenzierung sowie eine gezielte Bisulfit-Sequenzierung (TBS) zur Identifizierung der 8 Gene durch (Ostn, Siglec-15, Cthrc1, Slc9b2, Mühle1, Serpinh1, Dhh und Atp6v0a4) mit signifikant unterschiedlichen Methylierungsgraden bei Ratten mit verschiedenen Formen der Skelettfluorose (Ding et al., 2023). Darunter: Siglec-15SIGLEC-15, das den zweithöchsten differentiellen Methylierungsgrad aufweist, wurde als Schlüsselregulator im Knochenstoffwechsel und potenzielles therapeutisches Ziel für damit verbundene Erkrankungen identifiziert (Huang et al., 2023; Kang et al., 2020). Derzeit wird SIGLEC-15 weithin als Mediator des durch Osteoarthritis (Shimizu et al., 2015), Östrogenmangel (Kameda et al., 2015) und Glukokortikoid-induzierte Osteoporose (Sato et al., 2020) verursachten Knochenverlusts angesehen, vorwiegend durch Beeinflussung der Osteoklastendifferenzierung. Bislang wurden jedoch nur wenige Studien durchgeführt, um seinen Einfluss auf Osteoblasten zu untersuchen. Aus den oben genannten Gründen haben wir uns daher entschieden, die Rolle und den Mechanismus von Methionin bei verschiedenen Formen der Skelettfluorose zu untersuchen. Siglec-15 Gen.

Zusammenfassend befasste sich diese Studie mit folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen: 1) Spielt Methionin eine Rolle bei der Entwicklung verschiedener Formen der Skelettfluorose? 2) Beeinflusst Methionin den Methylierungsgrad wichtiger Gene während des Knochenumbaus bei verschiedenen Formen der Skelettfluorose? Um diese Fragen zu beantworten, wurden folgende Untersuchungen durchgeführt: 1) die Wirkung von Methionin auf den abnormalen Knochenumbau bei Ratten mit verschiedenen Formen der Skelettfluorose; 2) der Methylierungsgrad von Siglec-15 in fluoridexponierten Osteoblasten und Osteoklasten unter verschiedenen Ernährungsbedingungen und die regulatorische Rolle von Methionin in Siglec-15 Methylierung; 3) der Regulationsmechanismus von Methionin in Siglec-15 Methylierung. Die vorliegende Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung logischer Zusammenhänge zwischen Nährstoffen, DNA-Methylierung und verschiedenen Formen der Skelettfluorose und lieferte damit die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung von Ernährungsinterventionsstrategien bei Skelettfluorose.