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Teratogenesi causata dalla carenza di biotina
Anche se la carenza di biotina abbastanza grave da produrre perdita di capelli, dermatiti o disfunzioni del sistema nervoso centrale non è mai stata riportata nella gravidanza umana, diverse osservazioni fanno temere che gradi marginali di carenza di biotina possano essere teratogeni nell’uomo (7). Questa discussione fornisce una panoramica delle attuali conoscenze e dei risultati riguardanti lo stato della biotina durante la gravidanza umana e tenta di mettere in relazione i potenziali meccanismi di teratogenesi causati dalla carenza di biotina (Fig. 1).
Relazioni della carenza di biotina durante la gravidanza alla teratogenesi. La biotina è catabolizzata ad un tasso aumentato durante la gravidanza e l’assorbimento dall’intestino può essere compromesso, portando alla deplezione di biotina materna. La carenza fetale di biotina è più grave di quella materna, portando a una ridotta biotinilazione delle carbossilasi biotina-dipendenti e a una ridotta attività della carbossilasi. Inoltre, la carenza di biotina può ridurre la biotinilazione degli istoni, che molti alterano l’espressione genica e causano una maggiore frequenza di retrotrasposizioni. Il contributo di queste 2 azioni alla teratogenesi è allo studio in diversi laboratori in tutto il mondo.
La carenza di biotina è teratogena in diverse specie animali a gradi di carenza che non producono risultati fisici in animali gravidi, compresi polli, tacchini e topi (8). La carenza di biotina causa labioschisi e palatoschisi e compromette la crescita delle ossa lunghe nei topi. Debole trasporto placentare umano di biotina può predisporre alla carenza di biotina umana fetale. Studi dal nostro laboratorio e altri (9,10) hanno fornito la prova che il trasporto di biotina attraverso la placenta umana è lento e non genera un sostanziale gradiente materno-fetale.
Ridotta attività della biotina-dipendente enzimi acetil-CoA carbossilasi (ACC)4 I e II e propionil-CoA carbossilasi (PCC) può causare alterazioni del metabolismo dei lipidi e potrebbe teoricamente portare alla sintesi alterata di PUFA e prostaglandine. La carenza di acido arachidonico e la carenza di prostaglandine sono teratogene. Per esempio, gli effetti teratogeni dei glucocorticoidi o della fenitoina (Dilantin), che causano palatoschisi in ceppi di topi suscettibili (11,12) agiscono, almeno in parte, attraverso la carenza di acido arachidonico e di prostaglandine. Agendo attraverso la proteina inibitoria della fosfolipasi A2, i glucocorticoidi e la fenitoina inibiscono il rilascio mediato dalla fosfolipasi A2 dell’acido arachidonico dai fosfolipidi di membrana (13). Questa carenza di acido arachidonico porta ad una carente sintesi dei prodotti della prostaglandina nel percorso della cicloossigenasi (ad esempio, la prostaglandina E2) che sono necessari per una corretta crescita, elevazione e fusione della placca palatale. L’acido arachidonico somministrato per via sottocutanea alla diga del topo riduce l’incidenza della teratogenesi da glucocorticoidi e fenitoina della metà. Una simile riduzione della teratogenesi è causata dall’acido arachidonico fornito in cultura fetale (14). Inoltre, gli inibitori della cicloossigenasi (per esempio, indometacina, aspirina, fenilbutazone) ad alte dosi nella cultura fetale causano direttamente la palatoschisi; a dosi più basse, invertono gli effetti migliorativi dell’acido arachidonico (15). Gli studi di Watkins et al. (16) hanno dimostrato che i difetti scheletrici nei pulcini carenti di biotina sono causati da alterazioni del (n-6) metabolismo degli acidi grassi, in particolare ridotta prostaglandina E2 metafisaria. Gli effetti sulla composizione degli acidi grassi dell’osso e della cartilagine sono probabilmente rilevanti per i mammiferi in generale e per il feto umano in particolare. Nei neonati carenti di biotina (17) e nei ratti carenti di biotina (18,19), sono state riportate anomalie nella composizione e nel metabolismo degli acidi grassi (n-6). Inoltre, in uno studio di interazione dietetica condotto nei ratti (20), l’integrazione di PUFA ha quasi completamente impedito le manifestazioni cutanee della carenza di biotina.
Gli effetti sull’espressione genica potrebbero agire sinergicamente o al posto degli effetti sull’attività della carbossilasi per mediare gli effetti teratogeni della carenza di biotina. Come riportato da Zempleni (21), la carenza di biotina diminuisce l’abbondanza di istone H4 biotinilato K12 (K12BioH4) e istone H2A biotinilato K9 (K9BioH2A) nei retrotrasposoni umani e animali. La diminuita abbondanza di istoni biotinilati in questi loci aumenta l’attività trascrizionale dei retrotrasposoni, la produzione di particelle virali e la frequenza di retrotrasposizioni e anomalie cromosomiche. Egli ha ipotizzato che l’instabilità genomica nei topi carenti di biotina e gli esseri umani possono spiegare le malformazioni fetali.
Qualunque siano i meccanismi a livello cellulare e molecolare, Zempleni e Mock (8) hanno esaminato la forte evidenza, comprese le osservazioni pionieristiche di Watanabe, che la carenza di biotina materna è altamente teratogeno nei topi a gradi di carenza che non producono segni o sintomi nella diga del mouse.
In uno studio del nostro gruppo sui topi CD-1 (22), lo stato della biotina della madre è stato controllato alimentando diete con un contenuto variabile di albume. Questo e altri studi sugli animali qui descritti sono stati approvati individualmente dal Comitato per la cura e l’uso degli animali dell’Università dell’Arkansas per le scienze mediche.
Anche se non sono apparsi segni evidenti di carenza nelle madri, l’escrezione di biotina è diminuita e l’escrezione di acido 3-idrossivalerico (3HIA) è aumentata con l’aumento delle concentrazioni di albume; i tassi di palatoschisi e ipoplasia degli arti si sono avvicinati al 100% a concentrazioni di albume >5%. Sono state utilizzate le seguenti 3 diete di controllo: 1) dieta per roditori non purificata, 2) albume 0%, e 3) una dieta a base di albume 25% integrata con abbastanza biotina da occupare tutti i siti di legame alla biotina dell’avidina e fornire ancora biotina libera in eccesso. Tutti e 3 i gruppi hanno avuto simili tassi bassi di malformazioni (<3%).
Lo stato fetale della biotina era significativamente correlato allo stato materno della biotina come giudicato dalla biotina epatica e dall’attività PCC; tuttavia, l’attività PCC nei feti carenti era ridotta al ∼20% delle madri carenti. In un’indagine successiva sul meccanismo della ridotta attività della carbossilasi nei feti e nelle madri (23), una dieta al 5% di albume ha prodotto l’alta incidenza prevista di malformazioni senza segni evidenti di carenza nelle madri. Nelle madri carenti, le abbondanze di olocarbossilasi epatica per ACC epatica, piruvato carbossilasi, PCC, e β-metilcrotonil-CoA carbossilasi (MCC) erano solo la metà di quelle delle madri sufficienti; nei feti carenti, le abbondanze di olocarbossilasi epatica erano <10% dei feti sufficienti. Per ACC, PCC, MCC e olocarbossilasi sintetasi, le abbondanze di mRNA non erano diverse tra i feti carenti e sufficienti o le madri. Le riduzioni osservate in attività biotinilato carbossilasi e la massa coesistente con l’espressione genica normale per le carbossilasi sostenere un meccanismo in cui i risultati di carenza di biotina materna in una mancanza di biotina adeguata per biotinilato apocarbossilasi nel feto, nonostante la normale espressione dei geni che codificano per le apocarbossilasi e olocarbossilasi sintetasi. La relativa conservazione delle attività della carbossilasi materna suggerisce che la quantità limitata di biotina disponibile per biotinilare le proteine è sequestrata nel fegato della diga. A differenza della sua capacità di recuperare diversi altri micronutrienti, il feto di topo sembra essere un parassita biotina inefficiente della diga.