Uncovering How Environmental Chemicals May Influence Gene Expression and Increase Diabetes Risk
Diabetes: A Global Burden with Complex Causes
Diabetes mellitus (DM) is one of the most widespread metabolic diseases globally. Characterized by elevated blood glucose levels, it results from either a lack of insulin production (type 1 diabetes) or insulin resistance and inadequate secretion (type 2 diabetes). According to recent estimates, around 500 million people worldwide are affected by diabetes, and 1.5 million deaths are attributed to the disease each year.
Type 1 diabetes (T1DM) is an autoimmune disorder where the immune system mistakenly destroys insulin-producing beta cells in the pancreas. It accounts for about 10% of all diabetes cases, most commonly appearing in children and adolescents. In contrast, type 2 diabetes (T2DM) is far more prevalent, making up about 90% of global cases. It arises from a combination of insulin resistance and progressive beta-cell dysfunction.
While conventional risk factors such as genetics, diet, obesity, and physical inactivity are well established, they do not fully explain the rapidly rising prevalence of diabetes globally. This gap has led researchers to examine other potential contributors—including environmental exposures.
Beyond Lifestyle: The Role of Environmental Pollutants
Environmental chemicals are now being recognized as emerging risk factors in diabetes. These pollutants include particulate matter (PM), heavy metals like arsenic and lead, and persistent organic pollutants (POPs) such as dioxins and polychlorinated biphenyls (PCBs).
These substances are widespread in the air, water, and food. Once inside the body, they can disrupt normal metabolic function. A key mechanism through which this occurs is the activation of the aryl hydrocarbon receptor (AhR)—a transcription factor that regulates the expression of detoxifying enzymes, particularly those from the cytochrome P450 (CYP1) family.
Prolonged activation of the AhR/CYP1 pathway has been linked to oxidative stress, systemic inflammation, and impaired glucose metabolism—all hallmark features of diabetes.
A New Layer: Epigenetic Modifications
This review article focuses on the intersection of environmental exposure, AhR/CYP1 pathway activation, and epigenetics. Epigenetic modifications do not alter the DNA sequence itself but influence how genes are expressed. The three main mechanisms are:
-
DNA methylation
-
Histone modifications
-
MicroRNA (miRNA) regulation
These processes are sensitive to environmental stimuli and play a crucial role in regulating insulin secretion, glucose uptake, and beta-cell function.
Mechanistic Insights
DNA Methylation
DNA methylation involves the addition of a methyl group to the DNA molecule, typically leading to gene silencing. The article discusses how environmental pollutants can induce DNA methylation changes that are linked to insulin resistance and altered glucose regulation.
For example, arsenic exposure was associated with reduced methylation of the SQSTM1 gene, a regulator of inflammation and metabolic processes. Similarly, particulate matter exposure was linked to methylation changes in LINE-1, a genomic element implicated in developmental programming. In prenatal settings, pollutants such as bisphenol A (BPA) were shown to affect the methylation of Igf2, a gene critical for beta-cell development.
These changes may persist long after exposure, influencing disease susceptibility throughout life.
Histone Modifications
Histones are proteins that help package DNA into chromatin. Modifications such as acetylation, methylation, and lactylation can change how tightly DNA is wrapped and thus how actively genes are transcribed.
This review highlights that pollutants like TCDD can lead to:
-
Hyperacetylation of histones at key gene promoters (e.g., CYP1A1),
-
Upregulation of HDAC7, linked to reduced insulin secretion,
-
And emerging mechanisms like histone lactylation, which is associated with insulin resistance in obese individuals.
The connection between histone modification and AhR activation presents a novel explanation for how pollutants might drive beta-cell dysfunction and glucose intolerance.
MicroRNA Dysregulation
MicroRNAs (miRNAs) are small RNA molecules that regulate gene expression post-transcriptionally. Dysregulation of certain miRNAs has been linked to both type 1 and type 2 diabetes.
The article notes several important findings:
-
miR-143 is associated with elevated blood glucose and lipid levels.
-
miR-29 family members are implicated in insulin resistance across tissues.
-
miR-375 is crucial for insulin secretion and is the most abundant miRNA in beta cells.
Notably, environmental pollutants such as diesel exhaust and particulate matter can increase the expression of miR-375. This miRNA was shown to suppress AhR expression, creating a potential feedback loop between environmental exposure and metabolic regulation.
The AhR/CYP1 Pathway as a Central Node
Across various in vivo, in vitro, and epidemiological studies discussed in the article, the AhR/CYP1 signaling pathway emerges as a central mechanism linking environmental toxins to metabolic dysfunction. The pathway influences gene expression not only through transcriptional control but also by triggering epigenetic changes.
For example, exposure to TCDD led to:
-
Demethylation of the CYP1A1 promoter,
-
Upregulation of genes involved in glucose intolerance,
-
And modifications to histones at specific gene loci.
In animal models lacking AhR, protective effects were observed—such as improved insulin sensitivity and reduced weight gain—further supporting the hypothesis that this pathway plays a critical role in diabetes development.
A Call for Deeper Exploration
Despite these advances, the authors emphasize that more research is needed. Particularly, the crosstalk between epigenetic changes and AhR/CYP1 signaling in the context of insulin resistance remains poorly understood.
Understanding these interactions could:
-
Improve early detection through biomarkers,
-
Inform new therapeutic strategies targeting epigenetic enzymes or receptors like AhR,
-
Support public health policies aimed at reducing environmental pollutant exposure as a diabetes prevention strategy.
Conclusion
This review article sheds light on a growing and underexplored area of diabetes research: how environmental pollutants may reprogram gene expression through epigenetics, increasing susceptibility to diabetes. The activation of the AhR/CYP1 pathway serves as a mechanistic link, providing a new lens through which to understand the disease beyond traditional risk factors.
While much remains to be investigated, this work lays the foundation for a more integrated understanding of diabetes—one that considers the environment, gene expression, and molecular signaling as part of a broader disease framework.
“Understanding these interactions not only advances our knowledge of DM etiology but also highlights novel molecular targets for preventive and therapeutic strategies.”
The translation of the preceding English text in Arabic:
كشف كيف يمكن للمواد الكيميائية البيئية أن تؤثر على التعبير الجيني وتزيد من خطر الإصابة بالسكري
السكري: عبء عالمي بأسباب معقدة
داء السكري (DM) هو واحد من أكثر الأمراض الأيضية انتشارًا على مستوى العالم. يتميز بارتفاع مستويات الغلوكوز في الدم، وينتج إما عن نقص في إنتاج الإنسولين (السكري من النوع الأول) أو عن مقاومة الإنسولين مع إفراز غير كافٍ (السكري من النوع الثاني). وفقًا للتقديرات الحديثة، يعاني نحو 500 مليون شخص حول العالم من السكري، ويُعزى للمرض 1.5 مليون حالة وفاة سنويًا.
السكري من النوع الأول (T1DM) هو اضطراب مناعي ذاتي حيث يهاجم الجهاز المناعي خلايا بيتا المنتجة للإنسولين في البنكرياس عن طريق الخطأ. يشكل حوالي 10% من حالات السكري، ويظهر غالبًا عند الأطفال والمراهقين. على النقيض من ذلك، فإن السكري من النوع الثاني (T2DM) أكثر شيوعًا بكثير، إذ يمثل حوالي 90% من الحالات عالميًا، وينشأ من مزيج من مقاومة الإنسولين وضعف تدريجي في خلايا بيتا.
وعلى الرغم من أن عوامل الخطر التقليدية مثل الوراثة، النظام الغذائي، السمنة، وقلة النشاط البدني معروفة جيدًا، فإنها لا تفسر بشكل كامل الانتشار المتسارع للسكري عالميًا. هذا النقص دفع الباحثين إلى فحص عوامل أخرى محتملة، بما في ذلك التعرض للبيئة.
ما وراء نمط الحياة: دور الملوثات البيئية
يتم الآن التعرف على المواد الكيميائية البيئية كعوامل خطر ناشئة في السكري. تشمل هذه الملوثات المواد الجزيئية الدقيقة (PM)، والمعادن الثقيلة مثل الزرنيخ والرصاص، والملوثات العضوية الثابتة (POPs) مثل الديوكسينات والبيفينيلات متعددة الكلور (PCBs).
توجد هذه المواد في الهواء والماء والطعام. وبمجرد دخولها الجسم، يمكنها تعطيل الوظائف الأيضية الطبيعية. إحدى الآليات الرئيسية التي يحدث من خلالها هذا الاضطراب هي تنشيط مستقبل الهيدروكربون العطري (AhR)—وهو عامل نسخ ينظم التعبير عن إنزيمات إزالة السموم، وخاصة تلك من عائلة السيتوكروم P450 (CYP1).
وقد ارتبط التنشيط المطوّل لمسار AhR/CYP1 بالإجهاد التأكسدي، الالتهاب الجهازي، وضعف أيض الغلوكوز—وهي جميعها سمات مميزة للسكري.
طبقة جديدة: التعديلات اللاجينية
تركّز هذه المراجعة على التفاعل بين التعرض البيئي، وتنشيط مسار AhR/CYP1، وعلم التخلّق (Epigenetics). التعديلات اللاجينية لا تغيّر تسلسل الحمض النووي ذاته ولكنها تؤثر على كيفية التعبير عن الجينات. وتشمل الآليات الثلاث الرئيسية:
- مثيلة الحمض النووي (DNA methylation)
- تعديلات الهستونات (Histone modifications)
- تنظيم الميكروRNA (miRNA regulation)
تتأثر هذه العمليات بالمحفزات البيئية وتلعب دورًا حاسمًا في تنظيم إفراز الإنسولين، امتصاص الغلوكوز، ووظائف خلايا بيتا.
رؤى آلية
مثيلة الحمض النووي
تتضمن المثيلة إضافة مجموعة ميثيل إلى الحمض النووي، مما يؤدي عادةً إلى إسكات الجين. تناقش المقالة كيف يمكن أن تُحدث الملوثات البيئية تغييرات في مثيلة الحمض النووي ترتبط بمقاومة الإنسولين واضطراب تنظيم الغلوكوز…
تعديلات الهستونات
الهستونات هي بروتينات تساعد على تغليف الحمض النووي في الكروماتين. يمكن أن تغيّر التعديلات مثل الأسيتلة، المثيلة، واللاكتلة من درجة التفاف الحمض النووي وبالتالي من نشاط نسخ الجينات…
اختلال تنظيم الميكروRNA
الميكروRNAs هي جزيئات RNA صغيرة تنظم التعبير الجيني بعد النسخ. وقد ارتبط اختلال تنظيم بعض الميكروRNAs بكل من السكري من النوع الأول والثاني…
مسار AhR/CYP1 كنقطة مركزية
عبر الدراسات الحيوانية والمخبرية والوبائية التي تناولتها المقالة، يظهر مسار AhR/CYP1 كآلية مركزية تربط السموم البيئية بالخلل الأيضي…
دعوة لمزيد من البحث
على الرغم من هذه التقدمات، يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى مزيد من الدراسات…
الخلاصة
تسلط هذه المراجعة الضوء على مجال متنامٍ وغير مستكشف بشكل كافٍ في أبحاث السكري: كيف يمكن للملوثات البيئية أن تعيد برمجة التعبير الجيني عبر التغيرات اللاجينية، مما يزيد من القابلية للإصابة بالسكري…
“إن فهم هذه التفاعلات لا يوسع فقط معرفتنا بمسببات السكري، بل يبرز أيضًا أهدافًا جزيئية جديدة لاستراتيجيات وقائية وعلاجية.”
:Reference
Tasnim R. Matarid, Menatallah Rayan, Ola J. Hussein, Hanan H. Abunada, Zaid H. Maayah, Hesham M. Korashy
Exploring the link between environmental chemical exposures and epigenetic modifications in diabetes mellitus
;Biomol Biomed [Internet]. 2025 May 21 [cited 2025 Sep. 3]
Available from: https://www.bjbms.org/ojs/index.php/bjbms/article/view/11801
:Additional information
:We invite submissions for our upcoming thematic issues, including
Immune Prediction and Prognostic Biomarkers in Immuno-Oncology
More news: Blog
Editor: Merima Hadžić
Leave a Reply