Появление современной медицинской помощи в сочетании с политикой здравоохранения и повышением уровня жизни привело к "эпидемиологическому переходу" в отношении факторов смертности (1). Увеличение продолжительности жизни привело к росту распространенности хронических заболеваний, приводящих к инвалидности (2), что имеет серьезные последствия для общества с растущей долей пожилых людей (3). Остеоартрит (ОА) - одно из многих возрастных заболеваний, имеющее все большую распространенность и оказывающее значительное влияние на качество жизни (2, 4). Кроме того, из-за отсутствия препаратов, модифицирующих ОА, пациенты могут подвергаться повышенному риску сопутствующих заболеваний, связанных со снижением активности (сердечно-сосудистые заболевания, диабет и др.) (5, 6), а ОА ассоциирует с повышенным уровнем смертности от всех причин (7). Важность ОА для здорового старения подчеркивает необходимость разработки новых терапевтических подходов.

Для улучшения лечения и профилактики ОА важно понимать его биологические основы. Суставной хрящ, выстилающий кости в синовиальных суставах, состоит из хондроцитов, заключенных в плотный внеклеточный матрикс, состоящий из коллагенов и протеогликанов (8). Мениски, связки, синовиальная капсула и поддерживающие мышцы обеспечивают стабильность сустава, а синовиальная жидкость омывает сочленение, способствуя движению с низким коэффициентом трения (9). Хотя деструкция суставного хряща, безусловно, является определяющим признаком ОА, прогрессирование заболевания включает воспаление и дисфункцию всех тканей в суставе (10, 11). Кроме того, преобладающим клиническим признаком является боль, поэтому считается, что нервная система играет ключевую роль в проявлении ОА (12). Выявление механизмов, с помощью которых факторы риска ОА способствуют развитию заболевания, может позволить более точно классифицировать фенотипы ОА и подобрать индивидуальную терапию ОА, направленную на его модификацию (13).

В рамках данного обзора мы рассмотрим генетические механизмы, лежащие в основе риска и прогрессирования ОА, чтобы пролить свет на лечение и профилактику. Действительно, лекарственные мишени, подтвержденные генетическими данными, имеют больше шансов на успешную разработку (14, 15), что подчеркивает потенциальную полезность использования генетического риска в качестве показателя для определения приоритетности лекарственных мишеней и вариантов лечения. Однако в этом уравнении обычно не учитывается важность эпигенетического контекста генетических сигналов для опосредования риска (16). Динамический характер эпигенетической регуляции означает, что даже если генетические сигналы - т.е. однонуклеотидные варианты (SNVs), влияющие на риск заболевания, - не меняются в течение жизни, способность этих SNVs влиять на экспрессию генов и клеточные функции не является фиксированной. Например, вариант риска, увеличивающий связывание транскрипционного фактора с энхансером гена катаболизма, может влиять на экспрессию гена только в том случае, если этот энхансер эпигенетически активен (17). Важно отметить, что динамические возможности эпигенома сочетаются с существенными механизмами поддержания, в результате чего эпигенетические изменения, однажды возникнув, могут сохраняться в течение очень длительного времени и на протяжении всех клеточных делений (18, 19). Таким образом, центральная тема данного обзора заключается в том, что для понимания причин развития ОА и, как следствие, других возрастных заболеваний необходимо правильно рассмотреть эпигенетический контекст, который опосредует действие генетических факторов риска. Здесь мы сосредоточимся на потенциальном влиянии эпигенетических сдвигов, происходящих на четырех важнейших этапах функционирования хряща: развитие, гомеостаз, старение и прогрессирование ОА.

На сегодняшний день крупномасштабные работы по секвенированию генома в виде широко-геномных исследований ассоциаций (GWAS) стали основой для раскрытия механизмов развития сложных полигенных заболеваний (20). Хотя мутации, кодирующие белки, позволяют сделать наиболее четкие биологические выводы из этих исследований, подавляющее большинство мутаций, ассоциированных с аномальными признаками, приходится на не-кодирующие области генома (21, 22), что значительно усложняет их интерпретацию. Так, в недавнем обзоре было выявлено всего ~300 не-кодирующих вариантов по 130 заболеваниям с экспериментальным подтверждением механической связи между SNV и риском заболевания (23). Для многих вариантов в не-кодирующей части генома одной из проблем, препятствующих выявлению такой механической связи, является концепция неравновесия связей (LD) (24). LD означает, что причинный и непричинный варианты часто наследуются вместе в одном и том же гаплотипе, что приводит к практически одинаковой силе ассоциации с заболеванием. Другая проблема связана с неоднозначностью генов-мишеней, представляющей собой возможность того, что такие элементы, как энхансеры, оказывают влияние на экспрессию генов, которые находятся далеко в линейном геноме, но близко в трехмерном (3-D) пространстве (25). Развитие технологий геномики позволило решить эти проблемы и создать проверяемые гипотезы о причинном варианте (вариантах) и механизме их влияния на риск возникновения заболевания. Например, комбинация гистоновых меток (например, с помощью ChIP-seq или CUT&RUN для H3K27ac) и доступности хроматина (например, с помощью DNaseI-seq или ATAC-seq) позволяет выявлять энхансеры и другие типы регуляторных последовательностей (репрессоры, инсуляторы и т.д.) (17). Захват хроматина (например, методом Hi-C) позволяет выявить петли ДНК, соединяющие эти энхансеры с промоторами вероятных генов-мишеней (25). Другие подходы к раскрытию потенциальных механизмов действия SNV включают в себя аллельный дисбаланс экспрессии (AEI) и локусы количественных признаков экспрессии (eQTLs), оба из которых направлены на выявление значимых связей между генетическими вариантами и экспрессией конкретных генов (16). Еще один класс подходов связан с высокопроизводительным тестированием большого количества последовательностей одновременно в выбранных соответствующих типах клеток. Например, развитие массовых параллельных репортерных анализов (MPRA) позволяет одновременно оценивать транскрипционные эффекты вариантов, не относящихся к группе риска, в сравнении с вариантами риска на тысячах SNV (26-28). В следующих разделах мы прокомментируем, как эти технологии уже используются или, возможно, должны быть использованы для ускорения поиска вариантов заболевания ОА.

Развитие сочленяющихся суставов, таких как коленный, начинается с того, что хрящевой зачаток конечностей уплотняется вокруг суставных площадок, образуя клетки промежуточного пространства, которые в конечном итоге становятся суставными предшественниками (29). Эти суставные предшественники, часто отмеченные экспрессией Gdf5, в дальнейшем формируют суставные структуры, содержащие отдельные ткани, в том числе мениск, суставной хрящ и эпифиз (29). Выбор линии и другие особенности этой сложной программы развития диктуются на уровне экспрессии генов, которая контролируется связыванием транскрипционных факторов на энхансерах и промоторах, а также другими формами регуляции. Активность этих регуляторов также контролируется эпигенетическими механизмами, включающими метилирование ДНК и пост-трансляционные модификации гистоновых белков. Не-кодирующие РНК, вероятно, также играют определенную роль, учитывая их критическую функцию в дифференцировке мезенхимных стволовых клеток и аберрантную активность при ОА, как показано в работе Ali et al. (30), однако для понимания того, как эти виды РНК взаимодействуют с генетическими факторами риска, потребуются дальнейшие работы. В данном разделе основное внимание будет уделено тому, как контекстно-специфическая функция регуляторных элементов, таких как энхансеры, в процессе развития диктует то, каким образом генетические факторы способствуют развитию ОА.

Большинство исследований генетических основ развития скелета исторически было сосредоточено на мутациях в кодирующих частях генов, поскольку их легче обнаружить и они могут приводить к драматическим фенотипам. Например, аминокислотная замена Gly380Arg в рецепторе фактора роста фибробластов 3 (FGFR3) является причиной почти всех ахондродисплазий (31). Другие редкие варианты также могут действовать в процессе развития, но они более тонкие и предрасполагают к ОА на поздних этапах жизни, а не инициируют нарушение развития. Например, Chondroadherin (CHADL) - относительно малоизвестный матриксный белок, присутствующий в перицеллюлярном матриксе хряща, который может изменять скорость хондрогенеза через контроль формирования фибрилл коллагена (32). При гомозиготном состоянии (1 на 1000 человек в 10 расовых и этнических группах) наличие 8-битной инсерционной мутации в кодирующей области CHADL приводит к высокой частоте тотального замещения бедра (сустава), которое наступает на несколько лет раньше, чем в контрольных популяциях (33). Большинство генетических вариантов, влияющих на ОА на популяционном уровне, встречаются чаще и имеют низкий размер эффекта, как показано в табл. 1 Reynard and Barter (34) и табл. 2 Boer et al. (35). Из 100 сигналов, выявленных в недавнем мета-анализе GWAS (35), 90 имели среднюю частоту аллелей более 5%, что привело к коэффициентам вероятности 0,83-1,22. Как и в случае других заболеваний (21), 94 из этих 100 сигналов, индуцирующих ОА расположены в не-кодирующих областях и, следовательно, могут приводить к ОА путем нарушения экспрессии генов путем изменения регуляторного контроля.

Сложная взаимосвязь между регуляцией развития скелета и риском развития ОА иллюстрируется тем, что один локус, GDF5, генетически ассоциирован с дисплазией развития бедра (DDH) (36), ростом (37) и является одним из наиболее последовательно воспроизводимых сигналов GWAS для ОА (35). Обширный анализ с использованием генетики человека, мышиных моделей и эволюционного моделирования позволил выяснить, каким образом GDF5 регулирует эти плейотропные эффекты (38-42). В частности, было обнаружено, что различные регуляторные варианты в пределах одного гаплотипа GDF5 могут независимо контролировать DDH и ОА коленного сустава благодаря разной активности энхансеров в тазобедренном и коленном суставах (40), что подчеркивает, что именно эпигенетический контекст обусловливает проявление генетических вариаций. Более того, в данном конкретном примере причинный вариант, лежащий в основе DDH, находится в энхансере хондроцитов пластинки роста, влияющем на форму головки/шейки бедра и вертлужной впадины, а причинный вариант, лежащий в основе ОА коленного сустава, находится в энхансере суставных хондроцитов, влияющем на форму мыщелка бедра. Кроме того, GDF5 и шесть других локусов риска развития ОА были недавно проанализированы на предмет метилирования и доступности ДНК в фетальном хряще и всех тканях конечности, а также в хряще взрослого человека, взятом при операции по замене сустава (43). По крайней мере для двух из этих локусов (области, содержащие COLGALT2 и GNL3/SPCS1) в хряще плода наблюдались более сильные QTL метилирования и более доступный хроматин по сравнению с хрящом взрослого человека, что подтверждает предположение о том, что генетические вариации в этих участках, вероятно, накладывают функциональные эффекты во время развития, которые предрасполагают носителей аллелей риска к развитию ОА в более позднем возрасте (43).

Влияние дифференциального использования энхансеров на развитие ОА коленного и тазобедренного суставов, а также других заболеваний хондроцитов скелета иллюстрируют исследования, в которых изучается, как риск развития нескольких заболеваний передается c одним локусом. Определяя доступность геномных энхансеров для различных участков суставов развивающейся задней конечности человека (тазобедренного, коленного и голеностопного), Muthuirulan et al. (40) впервые смогли установить, что при GWAS некоторые локусы заболеваний скелета демонстрируют незначительную вариабельность в доступности для различных участков суставов (немодульные), в то время как другие демонстрируют очень вариабельные сигналы для различных суставов (модульные). Другими словами, в немодульных локусах геномные позиции с открытым хроматином были постоянными для всех суставных участков, в то время как в модульных локусах открытый хроматин более специфичен и отличен для разных суставов. Интересно, что 75% локусов, содержащих ассоциации с несколькими заболеваниями скелета, являются модульными по своей природе. Таким образом, маловероятно, что локус вносит вклад в риск развития нескольких скелетных заболеваний благодаря одному причинному регуляторному варианту с плейотропными эффектами. Напротив, более вероятно, что эти эффекты опосредованы независимыми причинными вариантами, расположенными в отдельных регуляторных последовательностях. Этот вывод подчеркивает важность понимания эпигенетического контекста даже в отдельном локусе, не говоря уже о локусах, обусловливающих полигенный риск развития ОА или других заболеваний скелета.

Помимо роли генов развития и их регуляции в развитии ОА, существует возможность влияния экологических и эволюционных факторов на развитие суставов и повышение риска ОА на поздних этапах жизни. Что касается первого, то согласно концепции происхождения здоровья и болезни в процессе развития, воздействие одного набора сигналов в период внутриутробного развития плода (например, внутриутробное ограничение роста), несоответствующего последующей среде (например, избыток питательных веществ в современном обществе), может неадекватно стимулировать пути, способствующие развитию заболеваний в зрелом возрасте (например, сердечно-сосудистых заболеваний) (44, 45). Хотя эта концепция не нашла широкого применения в отношении ОА, пренатальное воздействие этанола предрасполагало крыс к ОА, инициируя субоптимальную сигнализацию IGF-1 (46). Аналогичным образом, Harasymowicz et al. (47) использовали родительское питание с высоким содержанием жиров для демонстрации влияния предыдущих поколений на метаболизм и тяжесть ОА в ответ на дестабилизацию медиального мениска. Важность экологической регуляции развития суставов также прослеживается при ОА кисти: более высокое соотношение безымянного и указательного пальцев (что свидетельствует о более высоком воздействии андрогенов в определенные периоды беременности) ассоциируется с увеличением частоты ОА (48). Эти примеры подчеркивают, что определенные генетические факторы риска развития ОА могут оказывать более сильное воздействие в сочетании с определенным набором сигналов развития, которые приводят к тому, что суставы оказываются неспособными отвечать требованиям последующей жизни.

Скелет и его суставные площадки также отражают характер изменения их анатомических конфигураций в течение эволюционного времени, включая переход к двуногости. Таким образом, крайне важно изучить влияние эволюционных факторов на развитие суставов и то, как это обусловливает риск развития ОА как на генетическом, так и на эпигенетическом уровне. Хотя общепризнано, что эволюционное давление на признаки, развивающиеся в процессе старения, слабое (т.е. признаки, участвующие в старении, часто функционируют после размножения и поэтому не способствуют репродуктивному успеху) (49), обратное справедливо для развивающихся структур, таких как суставы, где любые изменения могут существенно повлиять на приспособленность организма. Это отражает концепцию отрицательного или очищающего отбора, в соответствии с которой вредные варианты (т.е. варианты, нарушающие нормальное развитие) будут очищаться или удаляться из-за снижения пригодности (39, 50). Во время перехода hominin к двуногости от четвероногих африканских предков колени наших предков подверглись интенсивному отбору, который длился несколько миллионов лет. Результатом отбора стало то, что сегодня коленные суставы человека способны выдерживать повышенные нагрузки при ходьбе на двух ногах и характеризуются меньшей морфологической вариативностью по сравнению с другими суставными поверхностями. Такая высокая степень морфологических ограничений сопровождается генетическими ограничениями против вариантов, нарушающих развитие правильной формы сустава, особенно тех, которые возникают в специфических для колен энхансерах (39). Например, набор дистальных энхансеров бедра и проксимальных энхансеров голени, регулирующих развитие коленного сустава человека, имеет сниженную генетическую вариабельность; этот уровень ограничений даже выше, чем хорошо известные ограниченные последовательности, представленные промоторами и сайтами начала транскрипции. На основе данных, полученных в ходе исследований GWAS, было дополнительно обнаружено, что эти же регуляторные последовательности обогащены вариантами риска развития ОА коленного сустава у человека (39).

На первый взгляд это кажется парадоксом: как набор регуляторных последовательностей, важных для развития колена и, следовательно, подвергающихся интенсивному отрицательному отбору, может содержать варианты, вызывающие заболевания? Ответ заключается в том, каким образом генетические варианты могут избегать действия отрицательного отбора и, следовательно, сохраняться в популяции, а это может происходить, по крайней мере, двумя механизмами. Во-первых, не все варианты в этих ограниченных энхансерах должны быть откровенно пагубными, некоторые из них могут вызывать тонкие изменения формы, которые терпимы в процессе развития до ранней взрослости или вообще не вызывают никаких изменений в развитии. Эти варианты, избежавшие очистки (т.е. не нарушающие пре- или постнатальное развитие и, следовательно, оказывающие минимальное влияние на приспособленность), свидетельствуют о генетическом дрейфе, когда частоты аллелей случайным образом перемещаются из одной популяции в другую. Однако в совокупности эти же варианты, по-видимому, кумулятивно влияют на риск развития ОА коленного сустава либо через тонкие изменения формы сустава, проявляющиеся в позднем возрасте, либо через участие в возрастных гомеостатических механизмах (о чем будет сказано далее). Так, у пациентов с ОА в рамках Инициативы по остеоартриту была выявлена более высокая нагрузка генетических вариантов в дистальной части бедра и проксимальной части голени, специфичных для энхансерных областей, по сравнению с общей популяцией (39), что не было выявлено на регуляторных последовательностях, полученных из клеток крови как контрольного типа клеток, не связанных с ОА.

Во-вторых, помимо генетического дрейфа, существует также доказательство действия другого эволюционного процесса, позволяющего вариантам сохраняться и, следовательно, избегать очистки отрицательным отбором: антагонистической плейотропии. В этом процессе благоприятный отбор по одному признаку (родственному или неродственному) перекрывает негативные последствия влияния варианта на другой (пагубный) признак. Например, в локусе GDF5 естественный отбор на генетический вариант, снижающий рост, который был полезен в древности, так как повышал репродуктивную пригодность в более холодном, энергетически ограниченном климате, привел к тому, что большой гаплотип размером 130 кб вырос до очень высоких частот аллелей у европейцев и азиатов (38). Этот гаплотип содержит ряд генетических вариантов риска развития DDH, а также ОА коленного сустава, последний из которых находится в специфическом для коленного сустава энхансерном элементе, находящемся в условиях ограничения развития. Вариант в этом энхансере "R4" тонко изменяет форму колена в раннем возрасте и повышает риск развития ОА в более позднем возрасте (38-40). Действительно, у измененных с помощью генной инженерии мышей с заменой одной пары оснований на вариант "Т", представляющий риск развития ОА, частота раннего развития ОА коленного сустава выше по сравнению с контрольной группой (40). В этом примере антагонистического плейотропизма преимущество более низкого роста в холодном климате было достаточно сильным, чтобы преодолеть интенсивный очищающий отбор на регуляторный элемент коленного сустава человека, но за это пришлось заплатить более высоким риском развития ОА на более поздних этапах жизни. В соответствии с темой данного обзора, именно новые данные о регуляции генетических вариантов (в данном случае о важности доступности ДНК в энхансерах, специфичных для колена, для контроля правильного развития сустава) позволили понять, как и почему ОА развивается с высокой скоростью у взрослых.

Основной функцией хондроцитов у взрослых является поддержание хрящевого матрикса посредством координированных процессов деградации и синтеза (51). Анализы с использованием атмосферных уровней 14С (так называемый метод "бомбового (взрывного) импульса"), обнаружения неферментативного деамидирования белков или включения стабильных изотипов в питьевую воду показали, что синтез коллагена после достижения скелетом зрелости практически незначителен, но протеогликаны и гликопротеины постоянно пополняются (52-54). Скорость деления хондроцитов в этот период также невелика (55). В отсутствие серьезной реорганизации или пролиферации ткани паттерны экспрессии генов, которые устанавливаются при вхождении хондроцитов в гомеостаз, вероятно, играют критическую роль в определении того, насколько эффективно сустав может избежать начала заболевания. В связи с этим одним из способов, с помощью которого генетика способствует развитию ОА во взрослом возрасте, может быть контроль "гомеостатической точки" хондроцитов в плане их реакции на анаболические и катаболические сигналы. Даже незначительные изменения в реакции хондроцитов на стрессовые сигналы могут в течение десятилетий привести к развитию заболевания сустава, проявляющегося в виде ОА в более позднем возрасте.

Для иллюстрации этой концепции мы остановимся на примерах, в которых генетические факторы риска ОА, вероятно, функционируют либо для снижения анаболической активности, либо для повышения катаболической активности хондроцитов в процессе гомеостаза. Первый из них связан с важной ролью трансформирующего фактора роста β1 (TGF-β1), который необходим для поддержания хряща (56), но также играет сложную роль в других тканях сустава и при прогрессировании ОА (57, 58). В норме наличие аллеля "G" в однонуклеотидном полиморфизме (SNP) rs75621460 способствует усилению активности TGF-β1 (59). Однако при наличии аллеля "А" (аллель риска развития ОА, выявленный с помощью GWAS) энхансер становится менее эффективным для активации экспрессии TGF-β1 (59). Более того, белковый комплекс, связывающий аллель "А", подвергается метилированию ДНК в близлежащих CpG-сайтах, что еще больше снижает экспрессию TGF-β1 (59). Учитывая многочисленные пути, лежащие ниже передачи сигналов TGF-β и контролирующие качество хрящевого матрикса, можно предположить, что субоптимальная генетика в этом регионе способствует повышению риска развития ОА с течением времени.

Второй пример показывает, как генетический фактор риска развития ОА, вероятно, усиливает воспалительный ответ на катаболический стимул. SNP, расположенный в интроне CRADD, rs7953280, встроен в регуляторную область, которая, как недавно было показано, образует петлю на промотор супрессора suppressor of cytokine stimulation 2 (SOCS2) под действием Hi-C в хондроцитах C-28I/2 (60). В других типах клеток SOCS2 инициирует отрицательную обратную связь, сдерживающую воспаление (61, 62), а при ОА уровень SOCS2 снижен, что может препятствовать его способности ограничивать воспаление в этих условиях (63). Используя метод редактирования генома, разработанный для получения одноклеточных популяций с гомозиготным нокаутом генов из первичных хондроцитов (64), Thulson et al. (60) показали, что делеция SOCS2 усиливает экспрессию про-воспалительных генов интерлейкина 6 (IL-6) и C-C-мотива хемокинового лиганда 2 (CCL2) в ответ на биоактивный матричный стимул, вызывающий изменения экспрессии генов, способствующих ОА. Поскольку аллель риска rs7953280 упраздняет сайт связывания фактора транскрипции JUN в энхансере, петля которого связана с промотором SOCS2, предполагаемый механизм заключается в том, что снижение активации SOCS2 неадекватно усиливает воспалительный ответ на любое количество мелких вызовов в ходе гомеостаза (рис. 1).



Figure 1. Working model of osteoarthritis (OA) risk with "C" at rs7953280. There is a DNA loop connecting an OA risk locus with the promoter of Suppressor of cytokine stimulation 2 (SOCS2). The protected "G" allele is able to bind JUN transcription factors to increase SOCS2 expression and therefore moderate the inflammatory response. The risk "C" allele is unable to bind JUN transcription factors and therefore SOCS2 expression remains low and the inflammatory response is higher in magnitude and/or duration. Figure created with BioRender.com.

Для OA, отсутствие геномных данных по тканям здоровых суставов очевидно. Это препятствует пониманию взаимосвязи между генетическим риском развития ОА и гомеостазом в зрелом возрасте (см. раздел "НАПРАВЛЕНИЯ БУДУЩЕГО"). Такие депо существуют и для других тканей, а в недавнем проекте, объединив методы молекулярной эволюции, данные о доступности хроматина и GWAS по ряду возрастных заболеваний, было показано, что гомеостатическая точка отсчета, вероятно, играет важную роль в определении генетического риска (50). Наборы данных о доступности хроматина (DNaseI-seq) из ENCODE по пяти тканям (мозг, сердце, легкие, желудок и мышцы) сравнивались у молодых взрослых (менее 50 лет) и пожилых взрослых (более 50 лет). При GWAS регионы дифференциальной активности пересекались с локусами для набора из 129 заболеваний, связанных с возрастом (50). "Молодые" регионы, доступные только в клетках молодых взрослых, оказались еще более обогащенными, что подчеркивает важность установления благоприятных точек, задающих траекторию, которая снижает вероятность последующего развития возрастных заболеваний.

Старение является самым значительным фактором риска развития ОА (65). Хотя оценки распространенности заболевания варьируются в зависимости от сустава и определения ОА, 45% лиц в продольной когорте, сформированной на базе сообщества, имели симптоматический ОА коленного сустава к 85 годам [66]. Такое большое бремя обусловлено резкой тенденцией к росту заболеваемости, которая начинается в возрасте 50 лет, а возраст первой диагностики достигает максимума, когда пациенты достигают 70-летнего возраста (67). Многочисленные биологические и механические факторы, обусловливающие риск развития ОА в период старения, были рассмотрены в других публикациях (65). В данном разделе основное внимание будет уделено возможности возрастных изменений эпигенетического ландшафта служить медиатором генетического риска. Например, потеря эпигенетической пластичности может препятствовать эффективному регенеративному ответу на деградацию матрикса, а потеря эпигенетической сдержанности может способствовать возникновению воспалительных программ экспрессии генов, способствующих распространению патологии суставов.

Наиболее хорошо изученным эпигенетическим изменением при старении является усиленное метилирование CpG-сайтов. Конкретные CpG-сайты, которые становятся метилированными, достаточно постоянны, поэтому ряд "часов" был признан репрезентативным для определения "биологического возраста" ткани (68). С помощью 353 CpG часов было показано, что хрящ при ОА "старше" на 3,7 года, чем ткань из контрольной группы (69). Насколько нам известно, степень изменения различных эпигенетических часов в процессе старения в хряще и других тканях суставов вне контекста ОА остается неясной. Эти данные могут дать важные отправные точки для понимания механизмов риска развития возрастного ОА, поскольку генетические варианты, коррелирующие с уровнем метилирования на определенных CpG-динуклеотидах (локусы количественных признаков метилирования, mQTLs), совпадают с сигналами OA GWAS (70). Одним из примеров mQTL, который также влияет на экспрессию гена, имеющего отношение к ОА, является аллель риска G в rs10948172, который ограничивает степень метилирования и обеспечивает более высокую экспрессию патогенного RUNX2 (71).

На уровне хроматина старение инициирует общее уменьшение и перераспределение как конститутивного, так и факультативного гетерохроматина (72-75). Это связано как со снижением экспрессии гистонов, так и с изменением баланса модификаций гистонов, таких как ацетилирование и метилирование (76). Ограниченные эпигенетические данные по первичным типам клеток человека от молодых и пожилых доноров свидетельствуют о том, что с возрастом реорганизация хроматина приводит к увеличению числа активных энхансеров (77-82). Например, по сравнению с мышцами молодых людей, в мышцах пожилых людей увеличилось количество H3K27ac на 11% геномных бинов (резервуаров). Такое изменение эпигенетической среды имеет прямые функциональные последствия: участки измененной энхансерной активности тесно связаны с профилем экспрессии воспалительных генов, возникающим при старении в различных тканях и видах (83). После проведения необходимых исследований будет интересно выяснить, не увеличивается ли доступность генов воспаления и в тех типах клеток, которые имеют непосредственное отношение к ОА. Эти данные также могут быть сопоставлены с локусами GWAS для выявления подмножества вариантов риска ОА, расположенных в энхансерах, которые недоступны и поэтому "маскируются" в период развития и зрелого возраста и играют причинную роль в возникновении или прогрессировании ОА только после того, как эпигенетические изменения в старых хондроцитах позволяют их "демаскировать".

Рамки понимания того, почему и как старение способствует развитию заболевания, могут дать представление о том, как этот фундаментальный процесс обеспечивает важный контекст для рассмотрения взаимодействия эпигенетики и генетической предрасположенности. Как было показано ранее в контексте локуса GDF5, антагонистическая плейотропия является полезной всеобъемлющей концепцией, которая может объяснить причины старения и возрастных патологий. Gems (49) обобщил две конкурирующие школы взглядов на то, как антагонистическая плейотропия проявляется в виде заболеваний в конце жизни. Одна из них - теория "одноразовой сомы", которая подчеркивает распределение биологических ресурсов в пользу сохранения "бессмертной зародышевой линии" в ущерб восстановлению повреждений и поддержанию соматических тканей, что в конечном итоге приводит к дисфункции тканей и заболеваниям (84). Противоположной схемой является родственный набор теорий - гиперфункции (85), развития (86) и онтогенеза (87), - который Gems (49) рассматривает как программную теорию старения. Здесь неспособность выключить биологические программы после выполнения ими важной роли в период роста и развития приводит к патологии, а их роль в период старения называют "квази-программами", чтобы обозначить, что пути ведут себя так, как ожидалось, но это уже не приносит пользы организму. Одним из примеров является путь mechanistic target of rapamycin (mTOR). Этот путь контролирует поступление питательных веществ и способствует правильному росту тканей, однако многочисленные исследования показали, что ограничение калорийности, рапамицин, метформин и другие меры, направленные на сдерживание mTOR после развития, могут смягчить основные признаки старения у различных организмов (88). Имеются положительные данные о применении метформина как в мышиных моделях ОА, так и в моделях не-человеко-образных приматов (89), а растущие клинические данные свидетельствуют о том, что некоторым группам пациентов метформин может быть полезен (90). Следует отметить, что общетканевые эффекты и отличный профиль безопасности метформина при лечении диабета привели к тому, что он стал первым препаратом, получившим одобрение FDA для лечения старения как такового, а не конкретного возрастного заболевания (91). Хотя основными исходами данного исследования являются сердечно-сосудистые заболевания, рак, когнитивные нарушения и смертность, можно ожидать, что вмешательства, успешно подавляющие основные пути старения, также снизят риск развития ОА.

Эпигенетические сдвиги, происходящие в процессе старения, могут соответствовать как одной, так и обеим вышеупомянутым парадигмам. В соответствии с теорией "одноразовой сомы" возрастающая гетерогенность экспрессии генов в процессе старения (92, 93) может быть интерпретирована как недостаточные затраты энергии на эпигенетические регуляторные механизмы, сохраняющиеся после репродуктивного возраста. В пользу программной теории говорит и тот факт, что генетические факторы риска возрастных заболеваний преимущественно локализуются в локусах, доступных в раннем взрослом возрасте; гомеостатические точки определяются без учета заболеваний в позднем возрасте, а "программы", обеспечивающие функционирование тканей в зрелом возрасте, продолжают действовать в качестве "квази-программ", способствующих развитию заболеваний. По мере выяснения детальных механизмов действия конкретных генетических факторов риска ОА интерпретация этих примеров может помочь в определении наиболее простых основ старения и патофизиологии ОА.

Одной из проблем при проведении клинических испытаний потенциальных методов лечения ОА является медленное и непостоянное прогрессирование заболевания (94). Это прогрессирование часто оценивается по рентгенограммам, однако МРТ может обеспечить более чувствительную оценку структурных изменений и состава ткани (95). Биомаркеры, такие как CTXII в моче, являющийся показателем деградации коллагена II типа, могут служить средством прогнозирования лиц, у которых наиболее вероятно прогрессирование заболевания с точки зрения боли или полной замены сустава (96, 97). Совершенствование полигенных шкал риска показывает, что генетический фон теперь также может быть использован для прогнозирования вероятности прогрессирования заболевания до полной замены сустава (98, 99). Однако, несмотря на очевидную важность понимания прогрессирования ОА, GWAS, как правило, не предназначены для анализа того, влияет ли тот или иной вариант на возникновение ОА, его прогрессирование или и то, и другое. В одном из GWAS минимальная ширина суставного пространства использовалась в качестве меры толщины хряща с целью выявления генетической основы ранней потери хряща в отличие от более поздней стадии ОА (100). Этот подход позволил выявить несколько новых ассоциаций в скромной по размеру когорте, которые впоследствии были подтверждены (100). В недавнем исследовании сравнивалась генетика пациентов с ОА, прошедших хирургическое и нехирургическое лечение, исходя из принципа, что хирургическое вмешательство дает суррогат дальнейшего прогрессирования ОА (101). В то время как большинство локусов при GWAS были сильнее выражены у пациентов, перенесших хирургическое вмешательство, в когорте нехирургических пациентов были выявлены специфические варианты, связанные с показателями боли в суставах (101). В совокупности эти примеры подчеркивают возможность использования различных конечных точек для получения представления о том, когда (с точки зрения прогрессирования заболевания) генетические варианты способствуют развитию ОА.

Список дифференциально метилированных участков в ткани ОА постоянно увеличивается по мере совершенствования технологий и применения геномного анализа к более крупным когортам (102-104). Недавно Kreitmaier et al. (105) использовали высокоплотные массивы метилирования для трех различных образцов (синовия, хряща с высокой степенью ОА вблизи поражения и хряща с низкой степенью ОА дистальнее поражения) у 98 пациентов, перенесших тотальное эндопротезирование коленного сустава. Многие пары mQTL-вариант/CpG-сайт демонстрировали устойчивые генетические/эпигенетические связи, причем во всех трех исследованных тканях. Однако 18 сайтов метилирования были связаны с генетическими вариантами только в хряще высокой или низкой степени, что свидетельствует о том, что процесс дегенерации, связанный с ОА, изменяет взаимосвязь между генетикой и эпигенетикой (105). Используя тот же набор тканей, эта группа ранее провела QTL-анализ хряща при ОА как низкой, так и высокой степени тяжести (106). Интересно, что некоторые из "дифференциальных eQTL" присутствовали только в хряще высокой степени, а другие - только в хряще низкой степени, что позволяет предположить, что прогрессирование ОА может усиливать регуляторные эффекты одних генетических факторов риска при минимизации влияния других SNV.

Модельные системы in vitro, провоцирующие сильные фенотипические изменения в клетках с одинаковой генетикой, могут быть полезны для изучения того, как доступность хроматина изменяет связь между генетикой и экспрессией генов. Хотя этот метод еще не нашел полного применения к клеткам сустава, примеры активации моноцитов/макрофагов иллюстрируют возможности этого подхода. Fairfax et al. (107) показали, что более половины всех eQTLs проявляются только после стимуляции интерфероном-γ, а не в исходном состоянии клеток. Аналогичная работа с макрофагами в ответ на активирующие стимулы показала, что расположение таких "ответных eQTL" ко-локализуется с QTL доступности хроматина, это является доказательством того, что одни и те же генетические изменения позволяют изменять связывание транскрипционных факторов и вызывать более сильный ответ на экспрессию генов (108). Хотя фенотипическое переключение не столь драматично, как активация моноцитов, хондроциты реагируют на такие триггеры, как фрагменты фибронектина, и претерпевают изменения экспрессии генов, напоминающие таковые из хондроцитов суставов при ОА (109). Этот стимул был использован в сочетании со структурой хроматина (методом Hi-C), H3K27ac (методом CUT&RUN) и генетическим риском развития ОА (методом GWAS) для определения приоритетности набора локусов и вероятных генов-мишеней, вовлеченных в развитие ОА (60). Дальнейшие исследования могут выиграть от проведения исследований eQTL при наличии и отсутствии триггеров ОА, что может послужить суррогатом для понимания того, как прогрессирование ОА изменяет влияние генетики на экспрессию генов.

Существующие наборы эпигенетических данных по хондроцитам в основном сфокусированы на изменениях, происходящих вблизи или дистальнее явных поражений хряща, что является логичной отправной точкой, учитывая доступ к тканям при тотальном эндопротезировании суставов. Однако даже ткани, расположенные дистальнее очагов поражения, подвергаются воздействию среды ОА. Таким образом, в будущих исследованиях может потребоваться использование трупных тканей для профилирования взаимосвязи между генетикой и эпигенетикой в суставах, не затронутых ОА. Кроме того, учитывая важность возраста как модулятора эпигенетической регуляции в суставе, необходимо проводить тщательный геномный анализ образцов на протяжении всей жизни человека. Сочетание образцов плодных и трупных тканей позволит получить полное представление о том, как изменяется эпигеном клеток, имеющих отношение к суставам, в процессе развития, гомеостаза в раннем взрослом возрасте и последующей деградации в конце жизни. Включение клеток разного возраста в модели "OA in a dish" позволит получить дополнительное представление о взаимодействии внутренних (возраст) и внешних (болезнь/окружение) модуляторов эпигенетики.

Увеличение объема выборки в GWAS приведет к расширению списка вариантов, ассоциированных с ОА и другими распространенными заболеваниями. К сожалению, функциональные исследования, необходимые для установления биологических механизмов, не поспевают за этим (110). Экспериментальные инновации, такие как эффективное редактирование генома и эпигенома (59, 64) и усовершенствованная визуализация для скрининга генетически сконструированных мышей на предмет аномалий суставов и деградации хряща (111), безусловно, ускорят прогресс, однако эти подходы не смогут стать по-настоящему высокопроизводительными. Напротив, массовые параллельные репортерные анализы (MPRA) сделали возможным тестирование функций тысяч вариантов в рамках одного эксперимента (26-28). MPRA напрямую проверяют наличие экспрессионно-модулирующих вариантов (emVars), которые проявляют различную регуляторную активность в случае рискованного и защищенного аллеля. Например, Klein et al. (26) использовали клеточную линию остеосаркомы для тестирования 1605 SNV по 35 сигналам OA GWAS и выявили три SNV с надежным влиянием на экспрессию репортерного гена и c предсказанным влиянием на связывание белков. Последние достижения позволили перейти от типовых клеточных линий к первичным клеткам для тестирования функции вариантов в соответствующих заболеванию типах клеток (112, 113). Как уже говорилось ранее в отношении исследований eQTL, проведение такого анализа в различных клеточных контекстах (например, в клетках молодых и старых или ОА и нормальных) позволит использовать парадигму "ответного MPRA", которая может выявить конкретные состояния клеток, в которых регуляторный вариант изменяет экспрессию генов (114).

Другим перспективным направлением является определение наилучших способов использования податливости эпигенома для понимания механизмов и даже терапевтических целей. Например, подходы "частичного перепрограммирования" направлены на использование временной экспрессии факторов плюрипотентности для сброса стареющего эпигенома, предотвращая при этом потерю идентичности клеток или опухолевый генез (115). В клетках человека временная экспрессия факторов "Yamanaka" приводила к возврату к более молодому эпигеному, определяемому с помощью эпигенетических часов на основе метилирования (116). У мышей определенной тканью ограниченная экспрессия этих факторов в течение 6 дней способствовала восстановлению клеточного цикла и улучшению регенерации сердца (117). Для хондроцитов Sarkar et al. (118) показали, что трансфекция мРНК коктейля из шести факторов способна снизить уровень маркеров окислительного стресса и воспаления без ущерба для экспрессии специфических для хондроцитов генов. Будущие работы в этой области могут быть направлены на более целенаправленные эпигенетические изменения и включать оценку эпигенетических изменений, выходящих за рамки метилирования.