تحلیل اپی ژنتیکی بیماری سل: مشارکت متیلاسیون DNA، تغییرات هیستونی، و ماده تاریک ژنوم در مقاومت داروئی

تحلیل اپی ژنتیکی بیماری سل: مشارکت متیلاسیون DNA، تغییرات هیستونی، و ماده تاریک ژنوم در مقاومت داروئی

فتحیه صابر ماهانی^1* و رشید علیجانی اردشیر²

¹ ایران، قم، دانشگاه علوم پزشکی قم، بیمارستان کامکار عرب نیا.

² ایران، آمل، دانشگاه تخصصی فناوری های نوین آمل، دانشکده زیست فناوری.

تاریخ دریافت: 15/02/1403          تاریخ پذیرش: 04/05/1403

چکیده

بیماری سل که در اثر باکتری مایکوباکتریوم توبرکلوزیس (Mtb) ایجاد میشود به خصوص با ظهور سویه‌های مقاوم به دارو همچنان یک چالش جهانی است.  این مطالعه به تحلیل اپی‌ژنتیکی مقاومت داروئی در بیماری سل و مهمترین عوامل موثر در آن شامل متیلاسیون DNA، تغییرات هیستونی و ماده تاریک ژنوم می پردازد.  این مطالعه به تجزیه و تحلیل مروری مقالات منتشر شده در 10 سال گذشته  می پردازد. این مطالعه نشان می‌دهد که متیلاسیون DNA سلول های ایمنی می‌تواند باعث خاموش یا فعال شدن ژن‌های مرتبط با سیستم ایمنی شوند و بر روی بقای Mtb تاثیر بگذارد. علاوه براین، تغییرات هیستونی در ماکروفاژها و لنفوسیت ها در پاسخ به Mtb تاثیر زیادی در بیماری دارد. در حالیکه miRNA از طریق تنظیم پس از رونویسی اکثرا منجر به مهار پاسخ ایمنی به Mtb و مقاومت به داروهای ضد سل میشوند lncRNA و circRNAها نقش دوگانه دارند و در این میان circRNAها میتوانند از طریق تنظیم بیان ژن و جذب میکرو RNA ها بر پاسخ ایمنی به بیماری سل تاثیر بگذارند.  شناسایی این مکانیسم‌ها اپی ژنتیکی مربوط به بیماری سل می‌تواند منجر به توسعه روش‌های جدید تشخیصی و درمان‌های هدفمند و بهبود نتایج درمان بیماری سل شود.

واژگان کلیدی:  اپی ژنتیک، مقاومت داروئی، RNA های غیر کدکننده، بیماری سل

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: fathiyehsabermahani@gmail.com

مقدمه

بیماری سل یا Tuberculosis (TB) یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های بهداشتی جهانی است که سالانه میلیون‌ها نفر را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این بیماری عفونی، عمدتاً توسط باکتری مایکوباکتریوم توبرکلوزیس (Mycobacterium tuberculosis)  (MT)  ایجاد می‌شود و می‌تواند به بافت‌های مختلف بدن، به ویژه ریه‌ها، آسیب برساند. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در زمینه درمان و پیشگیری، ظهور مقاومت به داروهای ضد میکروبی به شدت این بیماری را پیچیده‌تر کرده است  (1) . همه‌گیری سل در سال 1993 سازمان بهداشت جهانی  را بر آن داشت تا سل را یک وضعیت اضطراری سلامت جهانی اعلام کند (1).  امروزه با ظهور سویه‌های مقاوم به داروهای MT، درمان سل چالش‌برانگیزتر شده است (2).  بر اساس گزارش سازمان بهداشت جهانی (WHO)، سل مقاوم به چند دارو (MDR-TB) و سل فوق‌مقاوم (XDR-TB)  به یک معضل جدی تبدیل شده‌اند و نیاز به درک عمیق‌تری از مکانیسم‌های زیستی را ضروری می‌سازند.

یکی از جنبه‌های کلیدی در فهم بهتر بیماری سل، مطالعه اپی‌ژنتیک است. اپی‌ژنتیک به تغییرات وراثتی در بیان ژن‌ها اشاره دارد که بدون تغییر در توالی DNA رخ می‌دهد. این تغییرات می‌توانند ناشی از عوامل محیطی، عفونت‌ها و حتی درمان‌های دارویی باشند. در زمینه بیماری سل، تغییرات اپی‌ژنتیکی می‌توانند بر روی توانایی باکتری مایکوباکتریوم توبرکلوزیس برای ایجاد مقاومت نسبت به داروها تأثیر بگذارند. مکانیسم‌های اپی‌ژنتیکی شامل متیلاسیون DNA و تغییرات هیستونی هستند که می‌توانند بر روی بیان ژن‌ها تأثیر بگذارند. برای مثال، متیلاسیون پروموترهای ژن‌هایی که در پاسخ ایمنی نقش دارند، ممکن است منجر به کاهش کارایی سیستم ایمنی در شناسایی و مقابله با باکتری شود. همچنین، تغییرات هیستونی می‌توانند منجر به باز شدن یا بسته شدن نواحی خاصی از ژنوم شوند که بر روی بیان ژن‌های مرتبط با پاسخ ایمنی تأثیرگذار است(3) .علاوه بر این، ماده تاریک ژنوم نیز در این تحلیل اهمیت ویژه‌ای دارد. ماده تاریک ژنوم شامل بخش‌های غیر کدکننده DNA است که قبلاً غیر ضروری تلقی می‌شدند. اما تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که این نواحی نقش حیاتی در تنظیم فعالیت ژن‌ها و پاسخ‌های ایمنی دارند. تغییرات اپی‌ژنتیکی در نواحی غیر کدکننده می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر روی توانایی باکتری‌ها برای مقابله با درمان‌های دارویی داشته باشند. اگرچه ژنوم انسان به طور گسترده رونویسی می‌شود، بیش از ۸۰ درصد از ژن‌های رونویسی شده به پروتئین ترجمه نمی‌شوند. در عوض، آن‌ها منجر به مجموعه‌ای متنوع از RNAهای غیر کدکننده (ncRNAs) می‌شوند که از فعالیت‌های سلولی مختلف که هنوز به طور کامل درک نشده‌اند، پشتیبانی می‌کنند (4).  ریز RNAها (miRNA)، که ncRNAهای کوتاهی 22–25 نوکلئوتیدی هستند، RNAهای بلند غیرکدکننده (lncRNA)، که بزرگترین کلاس ncRNAها هستند و حدود 55000 ژن در مواد ژنتیکی انسان دارند و RNAهای حلقوی (circRNA)   قسمت عمده RNAهای غیر کدکننده (ncRNAs) را تشکیل می­دهند (5). از آنجا که ncRNAها الگوهای بیان بافت‌محور را نشان می‌دهند که در سل به طور قابل توجهی دچار اختلال می‌شوند، آنها اهداف تشخیصی، پیش‌آگهی و درمانی جذابی به شمار می­آیند. در نتیجه، روشن کردن نقش RNAهای غیرکدکننده در سل در زیست‌شناسی مدرن یک کار دشوار است (6).

این مقاله قصد دارد تا تحلیل جامعی از اپی‌ژنتیک بیماری سل ارائه دهد. تحقیقات اپی‌ژنتیکی نه تنها به فهم بهتر مکانیسم‌های بروز بیماری سل کمک می‌کند بلکه می‌تواند راهکارهای جدیدی برای درمان و پیشگیری ارائه دهد. شناسایی تغییرات اپی‌ژنتیکی مرتبط با مقاومت دارویی می‌تواند به توسعه تست‌های تشخیصی جدید و همچنین درمان‌های هدفمند کمک کند.

روش ها

مرحله اول

در این مرحله جستجوی مقالات و داده های برون تنی (In vitro)، درون تنی (In vivo) و مطالعات درون کامپیوتری (In silico) مربوط به موضوع منتشر شده طی 10 سال تا 1 سپتامبر 2024 انجام شد.  اطلاعات با جستجو در  پایگاه­های داده ای شامل گوگل اسکالر، پاب مد/مدلاین، اسکوپوس و دایره المعارف معتبر  جمع آوری شد.  کلمات کلیدی شاملEpigenetic analysis ،Tuberculosis ، Dark DNA، در ترکیب با LncRNA، MicroRNA، CircRNA Methylation, histone alterations,  بوده و نقش این عوامل در بروز عفونت مورد جست و جو قرار گرفت.

مرحله دوم

مقالات جمع آوری شده پس از بررسی عنوان، از نظر ارتباط چکیده با هدف مورد ارزیابی قرار گرفتند و موارد منتخب به طور کامل مطالعه و نهایی شدند.

نتایج

تحلیل اپی‌ژنتیکی در بیماری سل

در بیماری سل، تغییرات اپی‌ژنتیکی می‌توانند نقش مهمی در پاسخ ایمنی میزبان، پایداری مایکوباکتریوم توبرکلوزیس (Mtb) در بدن، و مقاومت دارویی ایفا کنند. این تغییرات شامل متیلاسیون DNA، تغییرات هیستونی، و تنظیم ncRNAs هستند که می‌توانند تعاملات پیچیده‌ای بین میزبان و پاتوژن را تحت تأثیر قرار دهند.

متیلاسیون DNA

یکی از رایج‌ترین تغییرات اپی‌ژنتیکی است که باعث خاموش یا فعال شدن ژن‌ها می‌شود. متیلاسیون DNA یک تغییر اپی‌ژنتیکی است که طی آن گروه‌های متیل (-CH₃) به نوکلئوتید سیتوزین در نواحی CpG DNA اضافه می‌شوند(7). این تغییر باعث سرکوب یا تنظیم بیان ژن‌ها می‌شود بدون اینکه توالی DNA تغییر کند. Mtb برای فرار از سیستم ایمنی میزبان، تغییراتی را در الگوی متیلاسیون DNA سلول‌های ایمنی میزبان ایجاد می‌کند. در بیماری سل، متیلاسیون DNA می‌تواند بر پاسخ ایمنی میزبان، بقای  Mtb در بدن، و مقاومت دارویی باکتری تأثیر بگذارد.(8)

شکل 1. طرح کلی تحلیل اپی ژنتیکی بیماری سل

سیستم ایمنی بدن برای مقابله با  Mtb از سیتوکین‌ها استفاده می‌کند که شامل اینترفرون‌ها (IFNs) و اینترلوکین‌ها (ILs)  هستند. مطالعات نشان داده‌اند که متیلاسیون در نواحی پروموتری ژن‌های ایمنی مانند  اینترفرون گاما (IFN-γ)، اینترلوکین 12  (IL-12)، و گیرنده های تشخیص الگو  (TLRs) می‌تواند پاسخ ایمنی را کاهش دهد و منجر به پایداری طولانی‌مدت Mtb در بدن میزبان شود. این مولکول‌ها نقش مهمی در فعال‌سازی ماکروفاژها، تنظیم التهاب، و کنترل عفونت دارند(9).

متیلاسیون  ژن اینترفرون ها

 IFNs سیتوکین‌هایی هستند که نقش مهمی در پاسخ ایمنی به عفونت‌ها دارند و به‌ویژه در کنترل بیماری‌هایی مانند سل مؤثر هستند. متیلاسیون DNAمی‌تواند موجب تنظیم بیان ژن‌های اینترفرون‌ها شود. این تغییرات اپی‌ژنتیکی می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر پاسخ ایمنی به  Mtb داشته باشند و در پیشرفت یا کنترل بیماری سل نقش ایفا کنند. IFN-γ  یک سایتوکاین کلیدی در پاسخ ایمنی به عفونت‌های داخل‌سلولی مانند سل است. IFN-γ  مهم‌ترین سیتوکین ضد سل بوده و منجر به فعال‌سازی ماکروفاژها می گردد. IFN-γ  که عمدتاً توسط لنفوسیت‌ها  (CD4⁺, CD8⁺) T و سلول‌های NK تولید می‌شود، ماکروفاژها را تحریک می‌کند تا Mtb را از بین ببرند. این تحریک باعث افزایش تولید نیتریک اکسید (NO) و گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) می‌شود که برای کشتن Mtb ضروری هستند(10).  همچنینIFN-γ  بیان گیرنده‌های TLR2 و TLR4 را در سطح ماکروفاژها افزایش می‌دهد که باعث بهبود شناسایی و تخریب باکتری می‌شود(11). برخلاف IFN-γ، اینترفرون بتا اثر ضدالتهابی دارد و می‌تواند فعال‌سازی ماکروفاژها را مهار کند. در سل فعال، افزایش بیش از حد IFN-β باعث سرکوب ایمنی و بقای بیشتر باکتری در بدن می‌شود. در افراد مبتلا به سل فعال، پروموتر ژن IFN-γ دچار متیلاسیون بیش ‌ازحد می‌شود که باعث کاهش تولید آن و کاهش پاسخ ایمنی سلولی می‌شود(12). سل فعال (ATB) یک بیماری عفونی مزمن است که با پاسخ ایمنی سلولی ناقص یا ناکارآمد همراه است. IFN-γ تولیدشده توسط سلول‌های T و NK (Natural killer cells) برای فعال‌سازی ماکروفاژها و کنترل باکتری ضروری است. مطالعات نشان می‌دهند که این متیلاسیون معکوس با سطح بیان mRNA و پروتئین IFN-γ  مرتبط است، که بیانگر نقش سرکوب‌گرانه آن در مسیر ایمنی علیه M. tuberculosis می‌باشد. درک نقش متیلاسیون ژن IFN-γ می‌تواند به توسعه نشانگرهای زیستی برای تشخیص و پایش درمان کمک کند. همچنین، داروهای تنظیم‌کننده اپی‌ژنتیک مانند مهارکننده‌های DNA methyltransferase (DNMTi)  ممکن است در بهبود پاسخ ایمنی در بیماران خاص مفید واقع شوند. بنابراین، مطالعه این فرآیند می‌تواند بینشی نوین در تشخیص، پیش‌آگهی و درمان سل فعال فراهم آورد (12).

متیلاسیون ژن اینترلوکین ها

ILs خانواده‌ای از سیتوکین‌ها هستند که نقش مهمی در تنظیم پاسخ ایمنی به عفونت‌ها ایفا می‌کنند. در بیماری سل، اینترلوکین‌ها به‌ویژه در تنظیم پاسخ ایمنی و تعیین شدت و نوع پاسخ به Mtb نقش دارند. اینترلوکین‌ها یا باعث تقویت پاسخ ایمنی علیه باکتری میشوند یا منجر به مهار پاسخ ایمنی و ایجاد محیطی مناسب برای بقای باکتری می گردند. در میان انواع اینترلوکین ها، IL-12 مهمترین نقش را در پاسخ ایمنی علیه باکتری سل دارد. این سایتوکین از سلول‌های دندریتیک و ماکروفاژها ترشح می‌شود و به‌ویژه در تحریک سلول‌های T و سلول‌های NK (نکروز توموری طبیعی) برای تولید  IFN-γ اهمیت دارد و منجر به پاسخ ایمنی سلولی علیه Mtb  میگردد(13).  IL-18 به همراه IL-12 باعث فعال‌سازی IFN-γ می‌شود و در تقویت پاسخ ایمنی نوع Th1 نقش دارد. در بیماری سل، تغییرات اپی‌ژنتیکی مانند متیلاسیون در ژن‌های مختلف اینترلوکین‌ها می‌تواند نقش کلیدی در تنظیم پاسخ ایمنی و پیشرفت یا کنترل عفونت داشته باشد.  این تغییرات متیلاسیونی در ژن‌های اینترلوکین‌ها می‌توانند باعث کاهش یا افزایش تولید این سیتوکین‌ها شوند و در نتیجه بر شدت و نوع پاسخ ایمنی به  Mtb تأثیر بگذارند.  در بیماری سل، متیلاسیون در ژن IL-12 باعث کاهش تولید آن می‌شود، که به نوبه خود موجب کاهش فعال‌سازی پاسخ ایمنی نوع Th1 و ضعف سیستم ایمنی در مقابله با عفونت می‌شود. کاهش IL-12 در سلول‌های دندریتیک و ماکروفاژها باعث کاهش تولید IFN-γ  و فعال‌سازی ناقص ماکروفاژها می‌شود، که این امر به بقای مایکوباکتریوم در داخل سلول‌های ایمنی و پیشرفت عفونت منجر می‌شود(9). در برخی از بیماران مبتلا به سل، متیلاسیون در ناحیه پروموتری ژن IL-18 باعث کاهش تولید IL-18 می‌شود، که این امر ممکن است منجر به کاهش تولید IFN-γ  و کاهش توانایی سیستم ایمنی در مقابله با عفونت گردد. کاهش IL-18 منجر به ضعف در پاسخ ایمنی سلولی و افزایش توانایی مایکوباکتریوم برای فرار از سیستم ایمنی می شود(14). مطالعه قبلی که با روش  PCR کمی آنزیم محدودکننده حساس به متیلاسیون (MSRE-qPCR) انجام شد نشان داد که چندین ژن از مسیر سیگنالینگ IL-12/IFN-γ شامل IL12B،  IL12RB2، TYK2، IFNGR1، JAK1 و JAK2 در بیماران مبتلا به سل هیپرمتیله میشوند. در هیپرمتیلاسیون DNA این مسیرها با کاهش پاسخ‌دهی ایمنی همراه با کاهش تنظیم افزایشی IFN-γ، TNF، IL-6، CXCL9، CXCL10 و IL-1β القا شده توسط میتوژن همراه بود. در طی هیپرمتیلاسیون DNA مسیر IL-12/IFN-γ ، کاهش بیان ژن القا شده توسط IFN-γ و کاهش تنظیم افزایشی القا شده توسط IL-12 IFN-γ مشاهده شد (9). تجزیه و تحلیل‌های اپی‌ژنتیکی نشان میدهد که عفونت سل منجر به متیلاسیون بیش از حد IL6R، IL4R و IL17R در ماکروفاژهای آلوده میشود. اعتبارسنجی توالی متیله شده IL6R تأیید کرد که عفونت Mtb باعث متیلاسیون DNA ناحیه CpG67 در پروموتر IL6R می‌شود. علاوه بر این، مطالعات روی پروفایل‌های متیلاسیون ماکروفاژ انسانی از گروه‌های بیمار نشان داد که میزان متیلاسیون اعضای خانواده IL17 و ژن‌های مرتبط در بیماران مبتلا به عفونت‌های فعال Mtb به طور قابل توجهی تغییر کرده است(15).

متیلاسیون ژن TLR

TLRs جزء سیستم ایمنی ذاتی هستند و نقش کلیدی در شناسایی پاتوژن‌ها و فعال‌سازی پاسخ ایمنی ایفا می‌کنند. این گیرنده‌ها به‌ویژه در شناسایی Mtb و فعال‌سازی ماکروفاژها و سلول‌های ایمنی در مواجهه با عفونت سل نقش دارند. متیلاسیون DNA می‌تواند بر بیان ژن‌های مربوط به گیرنده‌های TLR تأثیر بگذارد و باعث تغییر در پاسخ ایمنی به بیماری سل شود(16). در حالیکه TLR2 در شناسایی پپتیدوگلیکان و لیپومانوپپتیدهای مایکوباکتریوم مؤثر است(17) TLR4 در شناسایی لیپوپلی ساکارید (LPS) از باکتری‌های گرم منفی و برخی از مولکول‌های موجود در سلول‌های مایکوباکتریوم نقش دارد(18). TLR9 در شناسایی DNA از جنس مایکوباکتریوم و فعال‌سازی پاسخ‌های ایمنی دخیل است. این گیرنده‌ها پس از شناسایی الگوهای مولکولی مرتبط با میکروب‌ها (PAMPs)، سیگنال‌دهی به داخل سلول را شروع می‌کنند و باعث تحریک پاسخ‌های ایمنی از جمله فعال‌سازی ماکروفاژها، سلول‌های دندریتیک و سایر سلول‌های ایمنی می‌شوند(19).

متیلاسیون در نواحی پروموتری ژن TLR2 می‌تواند موجب کاهش بیان این گیرنده شود. کاهش فعالیت TLR2 در ماکروفاژها و سلول‌های دندریتیک ممکن است منجر به کاهش شناسایی Mtb و به‌دنبال آن کاهش فعال‌سازی پاسخ‌های ایمنی مناسب شود. این وضعیت می‌تواند به بقای باکتری در بدن کمک کند و عفونت را مزمن کند. متیلاسیون در ژن TLR4 می‌تواند موجب کاهش یا افزایش فعالیت این گیرنده شود. کاهش بیان TLR4 می‌تواند باعث سرکوب پاسخ ایمنی در برابر سل شود، زیرا این گیرنده نقش مهمی در شناسایی مایکوباکتریوم و فعال‌سازی پاسخ‌های ایمنی دارد. در برخی مطالعات، افزایش بیان TLR4 در مراحل اولیه عفونت سل مشاهده شده است که می‌تواند به تقویت پاسخ ایمنی در مواجهه با این باکتری کمک کند(20). بیماران مبتلا به سل، پس از تعدیل عوامل مخدوش‌کننده، سطح متیلاسیون بالاتری در پنج جایگاه CpG (3، 7، 9، 13 و 18)، بیان ژن TLR2 پایین‌تر، بیان TLR2 پایین‌تر در مونوسیت، بیان TLR2 بالاتر در سلول NK و سطح سرمی TNF-α/IFN-γ بالاتری نسبت به کنترل داشتند. بیماران مبتلا به سل مقاوم به دارو، سطح متیلاسیون CpG-18 بالاتر و بیان TLR2 پایین‌تری در سلول NK داشتند. بیمارانی که ضایعه بسیار پیشرفته‌ای در رادیوگرافی قفسه سینه داشتند، سطح سرمی TNF-α بالاتر و بیان TLR2 بالاتری در سلول NK داشتند. بیمارانی که بیان TLR2 بالایی در سلول NK داشتند، بقای یک ساله کمتری داشتند. سطح متیلاسیون CpG-18، بیان TLR2 در سلول‌های مونوسیت/NK و سطح TNF-α/IFN-γ پس از 6 ماه درمان ضد سل، همگی به حالت عادی بازگشتند(16).

متیلاسیون ژنهایی که منجر به مقاومت داروئی می شوند

در سل مقاوم به دارو (DR-TB)، باکتری به درمان‌های رایج مانند ایزونیازید، ریفامپیسین یا سایر داروهای ضد باکتری مقاوم می‌شود. یکی از مکانیسم‌هایی که باعث این مقاومت می‌شود، تغییرات اپی‌ژنتیکی است که شامل متیلاسیون DNA در ژن‌های خاص می‌باشد. مقاومت به دارو در Mtb معمولاً از طریق جهش‌های ژنتیکی پمپ‌های خروج دارو یا تغییرات در هدف دارو به وجود می‌آید. در عین حال، متیلاسیون ژن‌های خاص در باکتری می‌تواند در تنظیم این مقاومت نقش داشته باشد. این تغییرات می‌توانند فعال‌سازی یا سرکوب ژن‌های مقاومت را کنترل کنند، به‌ویژه ژن‌هایی که در پاسخ به دارو و تنظیم استرس‌های ناشی از آن دخیل هستند. پمپ‌های خروج دارو در باکتری‌ها نقش مهمی در مقاومت به دارو دارند. این پمپ‌ها داروها را از داخل سلول باکتری به بیرون می‌رانند و در نتیجه میزان اثر بخشی دارو را کاهش می‌دهند(21). متیلاسیون ژن‌های پمپ‌های خروج دارو مانند MmpL و AcrAB-TolC در Mtb می‌تواند منجر به افزایش فعالیت این پمپ‌ها و مقاومت باکتری به داروهای ضد سل شود(22). ژن‌هایی که در پاسخ به استرس اکسیداتیو و ضدباکتری مانند katG و ahpC دخیل هستند، می‌توانند با متیلاسیون تحت تأثیر قرار گیرند. katG ژنی است که مسئول تولید آنزیم کاتالاز-پراکسیداز است که در فرآیند اکسیداسیون داروهای ضد باکتری مانند ایزونیازید نقش دارد. متیلاسیون در katG می‌تواند منجر به کاهش بیان این ژن و مقاومت به ایزونیازید شود(23).

شکل 2. نقش متیلاسیون DNA به عنوان یکی از مکانیسم های اپی ژنتیکی در پاسخ ایمنی به عامل بیماری سل

ژن‌هایی که در سنتز دیواره سلولی باکتری دخیل هستند، مانند embB (که در سنتز arabinogalactan نقش دارد)، می‌توانند به‌واسطه متیلاسیون، مقاومت به داروهای ضد باکتری را تنظیم کنند. متیلاسیون ژن embB می‌تواند باعث تغییر در ساختار دیواره سلولی و مقاومت به داروهایی مانند اتیونامید شود. تغییرات در متابولیسم باکتری می‌تواند بر مقاومت به دارو تأثیر بگذارد(24). ژن‌هایی مانند rpsL و rrs که به ساختارهای ریبوزومی مرتبط هستند، می‌توانند تحت تأثیر متیلاسیون قرار گیرند و باعث مقاومت به آمیکاسین شوند. در سل مقاوم به چند دارو، باکتری به چندین دارو مقاوم می‌شود و متیلاسیون می‌تواند یکی از عواملی باشد که بر این مقاومت تأثیر می‌گذارد. در چنین شرایطی، متیلاسیون ژن‌های مرتبط با مسیرهای مهم مانند استرس اکسیداتیو و سنتز دیواره سلولی می‌تواند به ادامه بقای باکتری در برابر درمان‌های مختلف منجر شود(25).

تغییرات در هیستون‌ها

تغییرات هیستونی یکی از اصلی‌ترین مکانیسم‌های اپی‌ژنتیکی در تنظیم بیان ژن‌ها هستند که می‌توانند بر پاسخ‌های ایمنی و پیشرفت بیماری‌های عفونی مانند سل تأثیر بگذارند. تغییرات شیمیایی در هیستون‌ها می‌تواند موجب تنظیم بیان ژن‌ها، از جمله ژن‌های دخیل در پاسخ ایمنی و مقاومت به عفونت‌ها شود. این تغییرات می‌توانند باعث فشرده یا باز شدن کروماتین شوند و از این طریق دسترسی فاکتورهای رونویسی به DNA را تنظیم کنند.

در بیماری سل، Mtb می‌تواند از تغییرات هیستونی برای تنظیم پاسخ‌های ایمنی و پیشبرد عفونت استفاده کند. در عین حال، میزبان (انسان) نیز ممکن است با استفاده از تغییرات هیستونی، پاسخ‌های ایمنی خود را تنظیم کند. تغییرات شیمیایی که بر هیستون‌ها انجام می‌شود، به‌ویژه استیلاسیون، متیلاسیون، فسفریلاسیون و یوبیکوییتیناسیون، می‌تواند ساختار کروماتین را تغییر دهد و در نتیجه بیان ژن‌ها را تنظیم کند. در حالیکه استیلاسیون هیستونی (استیل‌گروپ‌ها به گروه‌های آمینی هیستون اضافه می‌شوند) معمولاً باعث افزایش بیان ژن‌ها می‌شود متیلاسیون هیستونی (متیل‌گروپ‌ها به گروه‌های آمینی هیستون اضافه می‌شوند) معمولاً باعث خاموش شدن ژن‌ها یا سرکوب بیان آن‌ها می‌شود. فسفریلاسیون هیستونی نیز در فرآیندهای مختلف سلولی از جمله پاسخ‌های ایمنی و التهابی نقش دارد. این تغییرات هیستونی در پاسخ به عوامل خارجی مانند Mtb یا داروهای ضد باکتری می‌تواند تأثیر زیادی بر بیان ژن‌های ایمنی و پیشرفت عفونت داشته باشد. افزایش H3K9ac و H4K16ac (استیلاسیون هیستون‌ها) در برخی نواحی ژنی مرتبط با ایمنی مانند TNF-α باعث افزایش تولید سیتوکین‌های التهابی و پاسخ قوی‌تر میزبان می‌شود(26). Mtb می‌تواند با تغییر در هیستون‌های سلول‌های ایمنی، بقای خود را افزایش دهد. به عنوان مثال، پروتئین‌های باکتریایی ممکن است HDACها (هیستون داستیلازها) و HATها (هیستون استیل‌ترانسفرازها) را تغییر داده و مانع از فعال شدن مناسب ژن‌های التهابی شوند. افزایش H3K27me3 (تری‌متیلاسیون لیزین ۲۷ هیستون H3) در ژن‌های ایمنی باعث سرکوب پاسخ التهابی میزبان به Mtb می‌شود(26).

تغییرات هیستونی در ماکروفاژها می‌تواند باعث تنظیم پاسخ ایمنی به این باکتری شود. به‌ویژه، تغییرات در هیستون‌ها می‌تواند بر ترشح سیتوکین‌ها و فعال‌سازی مکانیسم‌های دفاعی تأثیر بگذارد. استیلاسیون هیستونی در ماکروفاژها می‌تواند باعث افزایش بیان ژن‌های مرتبط با پاسخ‌های ایمنی مانند TNF-α و IL-12 شود. در مقابل، متیلاسیون هیستونی می‌تواند منجر به سرکوب پاسخ‌های ایمنی در برابر باکتری‌ها و کمک به بقا و گسترش Mtb در بدن شود. سلول‌های T کمک کننده Th1)) و لنفوسیت های T سیتوتوکسیک (CTLs) برای مقابله با عفونت سل مهم هستند. این سلول‌ها به‌طور خاص با Mtb درگیر می‌شوند و پاسخ ایمنی سلول‌های T نقش کلیدی در از بین بردن باکتری دارند. متیلاسیون هیستونی در ژن‌های خاص می‌تواند باعث سرکوب پاسخ‌های Th1 و در نتیجه کاهش تولید IFN-γ و سایر سیتوکین‌های مهم شود. استیلاسیون هیستونی در این سلول‌ها می‌تواند باعث افزایش پاسخ‌های ایمنی و تسریع پاک‌سازی باکتری‌ها شود(27).

در بیماری سل، Mtb قادر است از تغییرات هیستونی برای تغییر پاسخ ایمنی میزبان بهره ببرد و این تغییرات می‌توانند به پیشرفت عفونت و تبدیل آن به سل مزمن یا سل مقاوم به دارو منجر شوند.  Mtb با استفاده از تغییرات هیستونی می‌تواند برخی از مسیرهای ایمنی را تحت تأثیر قرار دهد و فعالیت ماکروفاژها و سایر سلول‌های ایمنی را کاهش دهد. این تغییرات می‌تواند به باکتری کمک کند تا در بدن باقی بماند و از پاسخ ایمنی فرار کند.

در بیماری سل مقاوم به دارو (MDR-TB) و سل مقاوم به چند دارو (XDR-TB)، تغییرات هیستونی در سلول های ایمنی میتوانند میزان بیان پروتئین های غشایی و کانال های انتقالی را تغییر دهند. در نتیجه ممکن است داروهای ضد سل مانند ایزونیازید، ریفامپیسین و آمیکاسین نتوانند به مقدار کافی به درون ماکروفاژها نفوذ کنند تا باکتری را از بین ببرند. درک دقیق از تنظیمات هیستونی می‌تواند به استراتژی‌های درمانی جدید منجر شود که پاسخ‌های ایمنی میزبان را تقویت کند یا مقاومت باکتری‌ها به دارو را کاهش دهد. مهارکننده‌های هیستون دی استیلاز (HDACs) می‌توانند برای افزایش پاسخ‌های ایمنی و تقویت پاسخ‌های دفاعی میزبان در برابر Mtb استفاده شوند. مهارکننده‌های هیستون متیل‌ترانسفراز (HMTs) می‌توانند برای تنظیم ژن‌های خاص مقاومت به دارو و تقویت اثر داروهای ضد باکتری استفاده شوند(28).

شکل 3. نقش تغییرات هیستونی به عنوان یکی از مکانیسم های اپی ژنتیکی در پاسخ ایمنی به عامل بیماری سل

نقش RNAهای غیرکدکننده (ncRNAs) در تنظیم اپی‌ژنتیکی سل

میکرو RNA ها (miRNA)

miRNA ‌ها تنظیم‌کننده‌های مهم پس از رونویسی ژن هستند و نقش آن‌ها در پاتوژنز بیماری‌های عفونی به خوبی درک شده است و ممکن است از آنها به عنوان عامل تشخیص استفاده شود (29, 30). بسیاری از مطالعات  اخیر نشان می‌دهند که تغییرات در بیان miRNA میزبان، نشانه رایج عفونت باکتریایی در سطح سلولی و ارگانیسمی در انسان‌ها، از جمله عفونت‌های ناشی از  MT است (31). مطالعات متعدد ارتباط بین اختلال عملکرد miRNA و سل را نشان داده‌اند. تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که کنترل miRNA در سل تنها با اختلالات ژنتیکی یا اپی‌ژنتیکی در سیستم پردازش آن قابل توضیح است (31).  تحقیقات آزمایشگاهی و بالینی نشان داده‌اند که  miR-29پاسخ‌های ایمنی به Mtb  را کاهش می‌دهد (32, 33)  و نقش مهمی در تنظیم مسیر آپوپتوزی در سلول‌های ایمنی دارد (34).  براساس نتایج مطالعات پیشین،miR-21  بیان سیتوکین‌های پیش التهابی را مهار می‌کند و تولید یک سیتوکین ضد التهابی، IL-10  را تقویت می‌کند. در نتیجه، miR-21  ممکن است یک روش مفید برای مایکوباکتریا برای دور زدن پاسخ ایمنی میزبان و ایجاد عفونت مزمن باشد و با کاهش پاسخ التهابی، مانع از حذف کارآمد Mtb توسط ماکروفاژها می‌شود و در عفونت مزمن نقش دارد.  یافته‌ها نشان می‌دهند که miR-99b نقش مهمی در رشد  Mtb در سلول­های ایمنی، با سرکوب تولید TNF-a، که به باکتری اجازه می‌دهد تا از پاسخ‌های ایمنی محافظتی میزبان فرار کند و در فاگوسیت‌های میزبان زنده بماند، ایفا می‌کند. تحقیقات قبلی نشان داد که  miR-155  نقش مهمی در تنظیم پاسخ‌های وابسته به سلول T دارد و باعث افزایش بیان TNF-α و IL-6 شده و نقش کلیدی در پاسخ ایمنی به Mtb دارد (35).  

miRNAs ممکن است در مقاومت به داروهای ضد سل نیز نقش داشته باشند. به‌عنوان مثال، miR-27a و miR-125b در مقاومت به داروهایی مانند ایزونیازید و ریفامپیسین دخیل هستند. این میکروRNAها می‌توانند از طریق تنظیم ژن‌های مربوط به پمپ‌های خروج دارو و مسیرهای ترمیم DNA به مقاومت باکتری در برابر داروها کمک کنند (36).

RNA های غیرکدکننده بلند (lncRNA)

این RNAهای غیر کدکننده بلند عملکرد ضروری در تنظیم برهمکنش میزبان و پاتوژن دارند. آن‌ها در میزبان منشأ می‌گیرند یا توسط عوامل پاتوژن رمزگذاری می‌شوند (37). آن‌ها می‌توانند در نتیجه رشد و تکثیر پاتوژن یا به عنوان نتیجه مکانیسم‌های دفاع ضد میکروبی فعال شوند.  مطالعه گذشته نشان داد که کاهش بیان lncRNA MEG3 در سل منجر به افزایش تکثیر سلولی، جلوگیری از آپوپتوز و تحریک اتوفاژی شد (38). برای حل این مشکل، یک مطالعه با استفاده از روش‌های مختلف برای تعیین دخالت lncRNA MEG3 در اتوفاژی ماکروفاژ آلوده کشف کرد که خاموش کردن بیان lncRNA MEG3 اتوفاژی را در ماکروفاژهای آلوده به مایکوباکتریوم افزایش می‌دهد.  در مطالعه دیگری نشان داده شد که  lncRNA CD244  و مولکول‌های مرتبط با سیگنالینگ آن در عفونت سل افزایش یافت، پاسخ‌های ایمنی وابسته به سلول T را مهار می‌کند و تولید TNF را کاهش داد  (39). فرض شده است که lncRNACD244  ممکن است یک هدف قابل توجه برای روش‌های درمان عفونت سل باشد. سلول‌های CD4⁺ T نقش مهمی در دفاع میزبان در برابر مایکوباکتریوم TB، با تعدیل هموستاز ایمنی و تنظیم رشد پاتوژن داخل سلولی، ایفا می‌کنند (39, 40). lncRNA NEAT1 باعث فعال شدن کمپلکس‌های ایمنی مانند PARP1 و تحریک تولید سیتوکین‌های ضد میکروبی می‌شود. lncRNA MEG3 باعث سرکوب فعالیت ماکروفاژها شده و مانع از حذف Mtb توسط سیستم ایمنی می‌شود.  lncRNA هایی مانند NEAT1 و TUG1 می‌توانند بر تنظیم پاسخ ایمنی در برابر Mtb تأثیر بگذارند. این RNAها با تنظیم فرآیندهای ایمنی از جمله پاسخ‌های ماکروفاژها و سلول‌های T در بیماری سل دخیل هستند. NEAT1که در ماکروفاژها بیان می‌شود، در تولید سیتوکین‌ها مانند IL-6 و TNF-α دخیل است و به تنظیم پاسخ التهابی در طول عفونت سل کمک می‌کند. TUG1می‌تواند در تنظیم ژن‌هایی که در پاسخ به استرس‌های سلولی و پاسخ‌های ایمنی دخیل هستند، نقش داشته باشد و از این طریق به پیشرفت یا کنترل عفونت کمک کند(41).

lncRNAs می‌توانند از طریق تعامل با پروتئین‌های هیستونی و کروماتین، فرآیندهای اپی‌ژنتیکی نظیر متیلاسیون DNA و تغییرات هیستونی را تنظیم کنند و بر بیان ژن‌هایی که در پاسخ ایمنی و متابولیسم باکتری‌ها دخیل هستند، تأثیر بگذارند. lncRNA HOTAIR به‌طور خاص می‌تواند با وضعیت کروماتین در ماکروفاژها تعامل داشته باشد و ژن‌های خاصی را که در کنترل پاسخ ایمنی دخیل هستند، تنظیم کند. lncRNA MALAT1می‌تواند با تنظیم مسیرهای سیگنال‌دهی NF-κB در پاسخ‌های التهابی، پاسخ‌های ایمنی و به‌ویژه پاسخ به Mtb را تحت تأثیر قرار دهد(42).

‌ RNA های حلقوی (circRNA)

 circRNAها نقش‌های مهمی از جمله اصلاح بیان ژن، تنظیم رونویسی ژن، اتصال به پروتئین را انجام می‌دهند (43).  در حالی که بخش عمده circRNAها به سیتوپلاسم مبادله می‌شوند، زیرمجموعه‌ای از circRNAهای حامل اینترون به هسته منتقل می‌شوند (44). اخیرا مطالعه ایی نشان داد  circRNA 051239 در بیماران مبتلا به سل مقاوم به دارو به شدت افزایش یافته است، این نشان می‌دهد که circRNA 051239 ممکن است به عنوان اسفنج‌های miR-320a عمل کند و نقش مهمی در ایجاد مقاومت دارویی سل داشته باشد (45).  circRNA 051239  در تنظیم تولید سیتوکین دخیل است و کاهش بیان miR-320a ممکن است با فعال‌سازی مجدد مهاجرت سلولی و تکثیر در بافت ریه، پیشرفت سل را تقویت کند (46).  تحقیقات قبلی نشان می‌دهند که hsa-circRNA-100237 ممکن است با تغییر فعالیت‌های ماکروفاژ، در پاتوژنز سل نقش داشته باشد (47).  با توجه به اینکه سطح hsa-circRNA-100237 در طول ATBI کاهش یافت، ممکن است hsa-circRNA-100237 پایین آمده به عنوان یک اسفنج miR-33 عمل کند و با کاهش اکسیداسیون اسید چرب میتوکندری، ذخیره چربی را تقویت کند (48).  circAGFG1 با هدف قرار دادن miRNA1257 برای کنترل سیگنالینگ Notch، اتوفاژی را در ماکروفاژهای آلوده به مایکوباکتریوم TB تقویت می‌کند و آپوپتوز را مهار می‌کند. علاوه بر این، عمل circAGFG1 می‌تواند با سرکوب miRNA-1257 در سلول‌های طبیعی تقلید شود (49). Notch 2  یک جزء حیاتی مسیر سیگنالینگ Notch است و کشف شده است که در بیماران مبتلا به سل افزایش یافته است. تحقیقات اخیر نشان می‌دهند که با مهار سیستم سیگنالینگ Notch، می‌توان عدم تعادل Th1/Th2 در بیماران مبتلا به سل را اصلاح کرد (50).  با هدف قرار دادن microRNA-874-3p،CircTRAPPC6B رشد داخل سلولی MT را مهار می‌کند، در حالی که اتوفاژی را در ماکروفاژها تقویت می‌کند (51). مطالعات اخیر نشان داده‌اند که برخی از circRNAs می‌توانند مسیرهای تنظیمی miRNAs را مختل کنند و بر پایداری Mtb و مقاومت دارویی آن تأثیر بگذارند(52).

شکل 4. نقش RNA های غیر کننده به عنوان یکی از مکانیسم های اپی ژنتیکی در پاسخ ایمنی به عامل بیماری سل