Maternel sygdom og epigenetisk regulering i nyreudvikling

for flere oplysninger:ali.ma@wecistanche.com

DEL Ⅱ: Virkninger af miljøforhold på nefronnummer: Modellering af modersygdom og epigenetisk regulering i nyreudvikling

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse & et al.

Abstrakt

En voksende mængde af beviser tyder på, at lave nefrontal ved fødslen kan øge risikoen for kronisk nyresygdom eller hypertension senere i livet. Miljømæssige stressfaktorer, såsom mødres underernæring, medicin og rygning, kan påvirke nyrernes størrelse ved fødslen. Ved at bruge metanephriske organkulturer til at modellere enkeltvariable miljøforhold, blev modeller af maternel sygdom evalueret for mønstre af udviklingshæmning. Mens hypertermi havde begrænset effekt på nyreudviklingen, var føtal jernmangel forbundet med alvorlig svækkelse af nyrernes vækst og nefrogenese med en helt proksimal fænotype. Dyrkning af nyreeksplantater under høje glukoseforhold førte til cellulære og transkriptomiske ændringer, der ligner human diabetisk nefropati. Kortvarige dyrkningsbetingelser med høj glucose var tilstrækkelige til langsigtede ændringer i DNA-methyleringsassocieret epigenetisk hukommelse. Endelig blev epigenetiske modifikatorers rolle i nyreudviklingen testet ved hjælp af et lille sammensætningsbibliotek. Blandt de udvalgte epigenetiske inhibitorer fremkaldte forskellige forbindelser en effekt på nyrernes vækst, såsom HDAC (entinostat, TH39), histondemethylase (deferasirox, deferoxamin) og histonmethyltransferase (cyproheptadin) hæmmere. Således giver metanephric organkulturer et værdifuldt system til at studere metaboliske tilstande og et værktøj til screening for epigenetiske modifikatorer i nyreudviklingen.

Klik til Cistanche i Urdu for nyrefunktion

KLIK HER FOR AT DEL Ⅰ

3. Diskussion

Nyreudviklingen foregår primært in utero og er udsat for interferens fra metaboliske og miljømæssige påvirkninger. Nefrontallet bestemmes ved fødslen, og et voksende antal beviser tyder på, at lave nefrontal er en risikofaktor for udvikling af hypertension og kronisk nyresygdom senere i livet [2-4,60]. Imidlertid er mange faktorer, der påvirker nefronantal og virkemåder, stadig ukendte. Her blev embryonale nyrer fra dobbeltfluorescerende reportermus dyrket på Transwell-inserts brugt til at modellere moderens metaboliske tilstande og screene epigenetiske inhibitorer.

Mens mange undersøgelser nu involverer nyreorganoider ved hjælp af humane iPS-celler [61], er nyrekulturer et værdifuldt værktøj til detaljeret analyse af fænotyper medieret af metaboliske forhold eller hæmmende midler. Mens progenitorcellekulturer og nyreorganoider er alternativer med betydeligt potentiale for undersøgelser af teratogenicitet, er de underlagt begrænsninger, såsom høj variabilitet i differentiering og vækst og mangel på en konventionel organstruktur. Dette gør metanephrisk organkultur til et værdifuldt alternativ til at undersøge forhold, der ikke ville være gennemførlige in vivo.

Hypertermi og jernmangel giver således to eksempler på undersøgelse af miljøforhold med forskellige resultater på nyrevækst og nefrontal. Mens data om effekten af ​​hypertermi på nyrernes vækst er sparsomme, er effekten af ​​ex vivo jernrestriktion på linje med tidligere rapporter om maternel jernmangel hos rotter [23.24], selvom modellen er begrænset til at gentage den nøjagtige in utero tilstand mht. koncentration og jernkinetik. Vores resultater har også vist, at mitotisk aktivitet er reduceret i den jern-begrænsede tilstand. Jern spiller en væsentlig rolle i mange cellulære processer, såsom cellecyklussen [62]. Vores morfologiske analyse viste en all-proksimal nefrondifferentieringsfænotype, muligvis som et resultat af hæmmet kanonisk Wnt-signalering. Udbredt nedregulering af gener forbundet med Wnt-signalering er tidligere blevet rapporteret i en mikroarray-analyse af rotteafkom udsat for maternel jernmangel [63]. Mekanistisk har intracellulær jernudtømning af chelateringsmidler vist sig at inducere proteasomal nedbrydning af -catenin, det vigtigste nedstrøms effektorprotein i den kanoniske Wnt-vej i cancer og neurale stamceller [64,65].

Som en anden metabolisk tilstand resulterede modellering af høj glukoseeksponering i effekter svarende til virkningerne af in vivo streptozotocin-induceret maternel diabetes[10,26,27,66-71]. Mens vores model ikke kunne reproducere virkningerne af 30 mM glucosebetingelser, sandsynligvis på grund af den tidligere rapporterede indflydelse fra musebaggrund [28,72], resulterede 55 mM glucosebetingelser i vækstreduktion og nedsatte nefrontal. Udtalte ændringer var synlige histologisk og ultrastrukturelt i glomeruli, hvor udvidelsen af ​​den glomerulære kældermatrix lignede human diabetisk nefropati. Lighederne mellem murine føtale og humane voksne nyreresponser på høj glucose med tydelig ECM-udvidelse og nedregulering af nøglepodocytgener var slående og afslørede mange kendte diabetesassocierede gener, hvilket indikerer brug af lignende mekanismer i podocytter og tubuli. Hvorvidt de samme underliggende veje fører til dedifferentiering ved diabetisk nefropati og fald i differentiering under fosterdifferentiering er dog indtil videre ukendt. Interessant nok har ikke-glukoseændringer i det diabetiske miljø, såsom hyperketonemi, også vist sig at mediere teratogenese, men blev ikke replikeret i nyrekulturmodellen [73,74]. Langtidsvirkninger af hyperglykæmi var også reproducerbare i vores model, der viser kontinuerlig vækstretardering efter normalisering af glykæmi svarende til tidligere rapporter [10]. Derudover afslørede DNA-methyleringsanalyse en forlænget DNA-hypomethylering ved gentagne regioner og hypermethylering ved Ppargcla-locuset efter vending til lavt glukosemedium, hvilket indikerer dannelsen af ​​metabolisk hukommelse efter en periode med metabolisk stress [30]. Mange flere af de differentielt regulerede gener har også tidligere vist sig at være epigenetisk reguleret ved diabetes. For eksempel er opreguleret gen MEST maternelt præget og hypomethyleret i svangerskabsdiabetes mellitus [75]. S100A4 er en differentielt methyleret markør for insulinresistens hos overvægtige børn [76]. Af de nedregulerede gener er ESM1 og RASGRP3 eksempler på gener differentielt methyleret i svangerskabsdiabetes [77,78], der viser den voksende fremkomst af forbindelser mellem diabetes og epigenetisk regulering. Vores system fremhæver således epigenetisk modifikation eller fosterprogrammering som en vigtig reguleringsmekanisme.

Adskillige epigenetiske regulatoriske enzymer er kendt for at være involveret i både nyremorfogenese og transkriptionel regulering i voksenorganfunktion og sygdom [30,40,79-81]. Ved at bruge nyrekulturer som et screeningsværktøj søgte vi efter yderligere epigenetiske modifikatorer, der spiller en rolle i nyreudvikling og nefronmorfogenese. Entinostat (MS-275)reduceret nyrestørrelse i overensstemmelse med tidligere rapporteret genetisk deletion af HDAC1 og HDAC2 i enten nefronstamceller eller ureteriske knopceller[44,82,83]. Mens inhibering af HDAC8 med TH39 også inducerede en alvorlig vækstreduktion af eksplantatet og mangel på differentiering, viste den meget specifikke HDAC8-hæmmer PCI-34051 ingen effekt, hvilket peger på effekter uden for målet af TH39, såsom andre HDAC'er. Med en fænotype, der ligner den for nyrer dyrket under jernmangeltilstande, kan deferasirox og deferoxamin, offentliggjorte hæmmere af de jernafhængige JumonjiC-domæne-holdige histon-demethylaser [50], udvise off-target-effekter på grund af jernchelering. Mens cyproheptadin, en histaminantagonist og publiceret hæmmer af Set7/9 histonmethyltransferase, viste en unik fænotype ved at føre til diffusion af progenitorcellepopulationen, pegede yderligere resultater på off-target-effekter, der involverede Wnt-signalvejen [48]. Alt i alt viser dette bibliotek af FDA-godkendte inhibitorer potentialet for hurtig og effektiv screening for epigenetiske modulatorer. På grund af den begrænsede tidsramme, der bruges, kan inhibitorer, der kræver langvarig eksponering for at udøve en effekt, være gået glip af i denne opsætning. Således viste azacytidin ikke en effekt på trods af den offentliggjorte fænotype af Dnmt1 knockout [30].

Mens nyrekultursystemet tilbyder robust nyreudvikling, begrænser flere aspekter undersøgelse eller fortolkning af resultaterne i denne reduktionistiske model. For det første har undersøgelser vist forskelle i udvikling af mus og mennesker og genekspression, hvilket begrænser brugen af ​​musemodellen. Dernæst tillader tidsbegrænsninger i dette system muligvis ikke alle komplekse processer at udfolde sig. Dette kan forklare, at nogle af de miljømæssige forhold og epigenetiske inhibitorer ikke påvirker nyreudviklingen i denne undersøgelse. Desuden viser nogle af inhibitorerne uspecifikke virkninger, der kan bidrage til hæmning af andre veje, såsom i tilfældet med cyproheptadin, som ser ud til at udvise sin virkning via aktivering af GSK3-beta, eller tilfældet med jernchelering vha. deferasirox/deferoxamin. Ud over dette proof-of-concept-studie kunne den epigenetiske inhibitor-skærm udvides til mere (specifikke) inhibitorer; længere tidsperioder; yderligere undersøgelseskriterier, såsom nefrontal og ureterisk knopforgrening; og transkriptomiske og epigenetiske undersøgelser.

For at opsummere, muliggør nyrekulturer karakterisering af en række modersygdomsmodeller, såsom hypertermi, jernmangel og maternel diabetes, og screening af farmakologiske forbindelser, hvilket giver en velegnet platform til at undersøge krydstale mellem miljøpåvirkninger fra udviklingslandene. nyre og dens epigenetiske programmering.

Referencer

1. Barker, DJ Foster- og spædbørns oprindelse af voksensygdom. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nephronnummer, hypertension og CKD: Fysiologisk og genetisk indsigt fra mennesker og dyremodeller. Phy/jord. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hypertension, glomerulært antal og fødselsvægt hos afroamerikanere og hvide forsøgspersoner i det sydøstlige USA. Nyre Int. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Nephron nummer hos patienter med primær hypertension.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. Mild vitamin A-mangel fører til medfødt nefronunderskud hos rotten. Nyre Int.1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Føtal eksponering for en maternel lavproteindiæt forringer nefrogenese og fremmer hypertension hos rotter. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Effekter af dexamethasoneksponering på metanefri rotteudvikling: In vitro og in vivo undersøgelser. Am.J. Fysiol.Nyre. Physiol.2007, 293, F548-F554. [CrossRef]

8. Cain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Genetik af nyrehypoplasi: Indsigt i mekanismerne, der kontrollerer nefronbegavelse. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE: Hales. C, N, Langsigtet programmering af blodtryk ved moderens diætjernrestriktion hos rotten. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Kort, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Ændret ureterisk forgreningsmorfogenese og nefronbegavelse hos afkom efter diabetisk og insulinbehandlet graviditet. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, 3.; Douglas-Denton, R.; Hov, VI; Bertram, JF Glomerulært antal og størrelse i obduktionsnyrer: Forholdet til fødselsvægt. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Blodtryksændringer produceret ved nyrekrydstransplantation mellem spontant hypertensive rotter og normotensive rotter. Clin. Sci. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, OAA modificeret teknik til organkultur in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6,246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Embryonal nyre i organkultur. Differentiering 1987, 36,2-11. [CrossRef]

15. Andersen, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Feber under graviditet og risiko for fosterdød: En kohorteundersøgelse. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edwards, MJ. Hypertermi som teratogen: En gennemgang af eksperimentelle undersøgelser og deres kliniske betydning. Toronto. Carcinogen. Mutagen. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Systematisk gennemgang og metaanalyser: Feber i graviditeten og sundhedspåvirkninger hos afkommet. Pediatrics 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; et al. Moderrapport om feber fra forkølelse eller influenza under tidlig graviditet og risiko for ikke-kardiale fødselsdefekter, National Birth Defect Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CA Mødres febersygdomme, medicinbrug og risikoen for medfødte nyreanomalier. Fødselsdefekter Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]