Nemoci matek a epigenetická regulace ve vývoji ledvin

další informace:ali.ma@wecistanche.com

ČÁST Ⅱ: Účinky podmínek prostředí na počet nefronů: Modelování onemocnění matek a epigenetická regulace ve vývoji ledvin

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse a kol.

Abstraktní

Rostoucí množství důkazů naznačuje, že nízký počet nefronů při narození může zvýšit riziko chronického onemocnění ledvin nebo hypertenze později v životě. Environmentální stresory, jako je podvýživa matek, léky a kouření, mohou ovlivnit velikost ledvin při narození. Pomocí kultur metanefrických orgánů k modelování podmínek prostředí s jednou proměnnou byly modely onemocnění matek hodnoceny na vzorce vývojového poškození. Zatímco hypertermie měla omezené účinky na vývoj ledvin, fetální nedostatek železa byl spojen se závažným poškozením renálního růstu a nefrogeneze s all-proximálním fenotypem. Kultivace explantátů ledvin za podmínek vysoké hladiny glukózy vedla k buněčným a transkriptomickým změnám připomínajícím lidskou diabetickou nefropatii. Krátkodobé kultivační podmínky s vysokou koncentrací glukózy byly dostatečné pro dlouhodobé změny epigenetické paměti spojené s metylací DNA. Nakonec byla testována role epigenetických modifikátorů ve vývoji ledvin pomocí malé knihovny sloučenin. Mezi vybranými epigenetickými inhibitory různé sloučeniny vyvolávaly účinek na růst ledvin, jako jsou inhibitory HDAC (entinostat, TH39), histondemethyláza (deferasirox, deferoxamin) a histon methyltransferáza (cyproheptadin). Metanefrické orgánové kultury tak poskytují cenný systém pro studium metabolických podmínek a nástroj pro screening epigenetických modifikátorů ve vývoji ledvin.

Klikněte na Cistanche v Urdu pro funkci ledvin

PRO ČÁST KLIKNĚTE ZDE Ⅰ

3. Diskuse

Renální vývoj probíhá primárně in utero a podléhá interferenci metabolických a environmentálních vlivů. Počet nefronů se určuje při narození a stále více důkazů naznačuje, že nízký počet nefronů je rizikovým faktorem pro rozvoj hypertenze a chronického onemocnění ledvin v pozdějším věku [2-4,60]. Stále však není známo mnoho faktorů ovlivňujících počet nefronů a způsoby účinku. Zde byly embryonální ledviny z duálně fluorescenčních reportérových myší kultivovaných na vložkách Transwell použity k modelování metabolických podmínek matky a screeningu epigenetických inhibitorů.

Zatímco mnoho studií nyní zahrnuje ledvinové organoidy využívající lidské iPS buňky [61], ledvinové kultury jsou cenným nástrojem pro podrobnou analýzu fenotypů zprostředkovaných metabolickými podmínkami nebo inhibičními činidly. Zatímco kultury progenitorových buněk a organoidy ledvin jsou alternativami s významným potenciálem pro výzkum teratogenity, podléhají omezením, jako je vysoká variabilita diferenciace a růstu a absence konvenční orgánové struktury. Díky tomu je kultivace metanefrických orgánů cennou alternativou ke zkoumání podmínek, které by nebyly proveditelné in vivo.

Hypertermie a nedostatek železa tedy poskytují dva příklady zkoumání podmínek prostředí s různými výsledky na růst ledvin a počet nefronů. Zatímco údaje o účinku hypertermie na růst ledvin jsou vzácné, účinek omezení železa ex vivo je v souladu s předchozími zprávami o nedostatku železa u matek u potkanů ​​[23,24], i když model je omezený v replikaci přesného stavu in utero, pokud jde o koncentrace a kinetika železa. Naše výsledky také ukázaly, že mitotická aktivita je snížena ve stavu s omezením železa. Železo hraje zásadní roli v mnoha buněčných procesech, jako je buněčný cyklus [62]. Naše morfologická analýza ukázala fenotyp proximální diferenciace nefronů, pravděpodobně jako výsledek inhibované kanonické Wnt signalizace. Rozsáhlá downregulace genů spojených se signalizací Wnt byla dříve popsána v mikročipové analýze potomků potkanů ​​vystavených nedostatku železa u matek [63]. Mechanicky bylo prokázáno, že intracelulární deplece železa chelatačními činidly indukuje proteasomální degradaci -cateninu, hlavního downstream efektorového proteinu kanonické Wnt dráhy v rakovinných a nervových progenitorových buňkách [64,65].

Jako další metabolický stav vedlo modelování vysoké expozice glukózy k účinkům podobným účinkům in vivo diabetu matek vyvolaného streptozotocinem[10,26,27,66-71]. Zatímco náš model nemohl reprodukovat účinky podmínek 30 mM glukózy, pravděpodobně kvůli dříve uváděnému vlivu myšího pozadí [28,72], podmínky 55 mM glukózy vedly ke snížení růstu a snížení počtu nefronů. Výrazné změny byly patrné histologicky a ultrastrukturálně v glomerulech, s expanzí glomerulární bazální matrix připomínající lidskou diabetickou nefropatii. Podobnosti mezi myšími fetálními a lidskými dospělými ledvinovými reakcemi na vysokou hladinu glukózy s výraznou expanzí ECM a downregulací klíčových genů podocytů byly nápadné a odhalily mnoho známých genů spojených s diabetem, což naznačuje použití podobných mechanismů v podocytech a tubulech. Dosud však není známo, zda stejné základní cesty vedou k dediferenciaci u diabetické nefropatie a snížení diferenciace během diferenciace plodu. Je zajímavé, že neglukózové změny diabetického prostředí, jako je hyperketonémie, také zprostředkovávají teratogenezi, ale nebyly replikovány v modelu kultivace ledvin [73,74]. Dlouhodobé účinky hyperglykémie byly také reprodukovatelné v našem modelu a vykazovaly kontinuální retardaci růstu po normalizaci glykémie podobně jako v předchozích zprávách [10]. Navíc analýza metylace DNA odhalila prodlouženou hypomethylaci DNA v repetitivních oblastech a hypermetylaci v lokusu Ppargcla po obrácení na médium s nízkým obsahem glukózy, což ukazuje na tvorbu metabolické paměti po období metabolického stresu [30]. U mnoha dalších odlišně regulovaných genů bylo také dříve prokázáno, že jsou epigeneticky regulovány u diabetu. Například upregulovaný gen MEST je mateřsky otištěn a hypomethylován u gestačního diabetes mellitus [75]. S100A4 je diferenciálně metylovaný marker inzulinové rezistence u obézních dětí [76]. Z down-regulovaných genů jsou ESM1 a RASGRP3 příklady genů odlišně metylovaných u gestačního diabetu [77,78], což ukazuje na rostoucí výskyt vazeb mezi diabetem a epigenetickou regulací. Náš systém tedy zdůrazňuje epigenetickou modifikaci nebo fetální programování jako důležitý regulační mechanismus.

Je známo, že několik epigenetických regulačních enzymů se účastní jak renální morfogeneze, tak transkripční regulace funkce a onemocnění dospělých orgánů [30,40,79-81]. Pomocí kultur ledvin jako screeningového nástroje jsme hledali další epigenetické modifikátory, které hrají roli ve vývoji ledvin a morfogenezi nefronů. Entinostat (MS-275) zmenšil velikost ledvin v souladu s dříve hlášenou genetickou delecí HDAC1 a HDAC2 buď v nefronových progenitorových buňkách nebo buňkách ureterických pupenů [44,82,83]. Zatímco inhibice HDAC8 pomocí TH39 také vyvolala závažnou redukci růstu explantátu a nedostatek diferenciace, vysoce specifický inhibitor HDAC8 PCI-34051neprokázal žádný účinek, což ukazuje na mimocílové účinky TH39, jako jsou jiné HDAC. S fenotypem podobným ledvinám kultivovaným za podmínek s nedostatkem železa mohou deferasirox a deferoxamin, publikované inhibitory histondemethyláz obsahujících doménu JumonjiC [50], vykazovat mimocílové účinky v důsledku chelace železa. Zatímco cyproheptadin, antagonista histaminu a publikovaný inhibitor Set7/9 histon methyltransferázy, vykazoval jedinečný fenotyp tím, že vedl k difúzi populace progenitorových buněk, další výsledky ukázaly na mimocílové účinky zahrnující Wnt signální dráhu [48]. Celkově tato knihovna inhibitorů schválených FDA ukazuje potenciál pro rychlý a účinný screening epigenetických modulátorů. Vzhledem k omezenému použitému časovému rámci mohly v tomto nastavení chybět inhibitory vyžadující prodlouženou expozici k dosažení účinku. Azacytidin tedy nevykazoval účinek navzdory publikovanému fenotypu knockoutu Dnmt1 [30].

Zatímco systém kultivace ledvin nabízí robustní vývoj ledvin, několik aspektů omezuje zkoumání nebo interpretaci výsledků v tomto redukčním modelu. Za prvé, studie ukázaly rozdíly ve vývoji myší a lidí a genové expresi, což omezuje použití myšího modelu. Dále, časová omezení v tomto systému nemusí umožnit, aby se rozvinuly všechny složité procesy. To může být příčinou některých environmentálních podmínek a epigenetických inhibitorů, které v této studii neovlivňují vývoj ledvin. Některé z inhibitorů navíc vykazují nespecifické účinky, které mohou přispívat k inhibici jiných cest, jako je tomu v případě cyproheptadinu, který zřejmě projevuje svůj účinek prostřednictvím aktivace GSK3-beta, nebo v případě chelace železa deferasirox/deferoxamin. Kromě této studie prokazující koncepci by mohl být screening epigenetických inhibitorů rozšířen na více (specifických) inhibitorů; prodloužená časová období; další studijní kritéria, jako je počet nefronů a větvení ureterických pupenů; a transkriptomické a epigenetické studie.

Abychom to shrnuli, kultury ledvin umožňují charakterizaci řady modelů mateřských nemocí, jako je hypertermie, nedostatek železa a mateřská cukrovka, a screening farmakologických sloučenin, což poskytuje vhodnou platformu pro zkoumání přeslechů mezi vlivy prostředí na vývoj ledvina a její epigenetické programování.

Reference

1. Barker, DJ Fetální a kojenecký původ onemocnění dospělých. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, číslo MR Nephron, hypertenze a CKD: Fyziologický a genetický pohled na lidské a zvířecí modely. Phy/půda. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hypertenze, glomerulární číslo a porodní hmotnost u Afroameričanů a bílých jedinců na jihovýchodě Spojených států. Kidney Int. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Nefronové číslo u pacientů s primární hypertenzí.N.Engl.I. Med. 2003, 348, 101-108. [CrossRef] [PubMed]

5. Lelievre-Pegorier,M; Vilar, J.; Ferrier, ML; Moreau, E.; Freund, NGilbert, T.; Merlet-Benichou, C. Mírný nedostatek vitaminu A vede u potkanů ​​k vrozenému deficitu nefronu. Kidney Int. 1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Vystavení plodu mateřské dietě s nízkým obsahem bílkovin zhoršuje nefrogenezi a podporuje hypertenzi u potkanů. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Účinky expozice dexametazonu na metanefrický vývoj u potkanů: Studie in vitro a in vivo. Am.J. Physiol. Renal. Physiol.2007, 293, F548-F554. [CrossRef]

8. Kain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Genetika renální hypoplazie: Pohledy do mechanismů řídících vybavení nefronů. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, Dlouhodobé programování krevního tlaku omezením železa v potravě matky u potkanů. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Krátký, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LAAlterovaná morfogeneze větvení ureteru a dotování nefronů u potomků diabetického a inzulínem léčeného těhotenství. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, 3.; Douglas-Denton, R.; Hov, MY; Bertram, JF Glomerulární počet a velikost v pitevních ledvinách: Vztah k porodní hmotnosti. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Změny krevního tlaku způsobené zkříženou transplantací ledvin mezi spontánně hypertenzními krysami a normotenzními krysami. Clin. Sci. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, OAA modifikovaná technika pro kultivaci orgánů in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6, 246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Embryonální ledvina v orgánové kultuře. Diferenciace 1987, 36, 2-11. [CrossRef]

15. Andersen, AM; Vasrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Horečka v těhotenství a riziko úmrtí plodu: kohortová studie. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edwards, MJ. Hypertermie jako teratogen: Přehled experimentálních studií a jejich klinický význam. Toronto. Carcinog. Mutagen. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Systematický přehled a metaanalýzy: Horečka v těhotenství a zdravotní dopady na potomstvo. Pediatrie 2014, 133, e674-e688. [CrossRef]

18. Waller, DK; Hashmi, SS; Hoyt, AT; Duong, HT: Tinker, SC; Gallaway, MS; Olney, RS; Finnell, RH; Hecht, JT; Canfield, MA; a kol. Zpráva matky o horečce z nachlazení nebo chřipky během časného těhotenství a riziko nekardiálních vrozených vad, National Birth Defects Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CAMorna horečnatá onemocnění, užívání léků a riziko vrozených anomálií ledvin. Vrozené vady Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]