Materská choroba a epigenetická regulácia vo vývoji obličiek

pre viac informácií:{0}}

ČASŤ Ⅱ: Účinky podmienok prostredia na počet nefrónov: Modelovanie choroby matiek a epigenetická regulácia vo vývoji obličiek

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

Abstraktné

Rastúci počet dôkazov naznačuje, že nízky počet nefrónov pri narodení môže zvýšiť riziko chronického ochorenia obličiek alebo hypertenzie neskôr v živote. Environmentálne stresory, ako je podvýživa matky, lieky a fajčenie, môžu ovplyvniť veľkosť obličiek pri narodení. Použitím kultúr metanefrických orgánov na modelovanie podmienok prostredia s jednou premennou boli modely chorôb matiek hodnotené na vzorce vývojového poškodenia. Zatiaľ čo hypertermia mala obmedzené účinky na vývoj obličiek, nedostatok železa u plodu bol spojený so závažným poškodením rastu obličiek a nefrogenézy s úplne proximálnym fenotypom. Kultivácia obličkových explantátov v podmienkach vysokej hladiny glukózy viedla k bunkovým a transkriptomickým zmenám pripomínajúcim ľudskú diabetickú nefropatiu. Krátkodobé kultivačné podmienky s vysokou glukózou boli dostatočné na dlhodobé zmeny v epigenetickej pamäti spojenej s metyláciou DNA. Nakoniec bola testovaná úloha epigenetických modifikátorov vo vývoji obličiek pomocou malej knižnice zlúčenín. Spomedzi vybraných epigenetických inhibítorov rôzne zlúčeniny vyvolali účinok na rast obličiek, ako napríklad inhibítory HDAC (entinostat, TH39), históndemetyláza (deferasirox, deferoxamín) a histónmetyltransferáza (cyproheptadín). Metanefrické orgánové kultúry teda poskytujú cenný systém na štúdium metabolických podmienok a nástroj na skríning epigenetických modifikátorov vo vývoji obličiek.

Kliknite na Cistanche v Urdu pre funkciu obličiek

KLIKNITE SEM PRE PARTNERSTVO Ⅰ

3. Diskusia

Renálny vývoj prebieha primárne in utero a podlieha interferencii metabolických a environmentálnych vplyvov. Počet nefrónov sa určuje pri narodení a narastajúce množstvo dôkazov naznačuje, že nízky počet nefrónov je rizikovým faktorom pre rozvoj hypertenzie a chronického ochorenia obličiek v neskoršom veku [2-4,60]. Mnohé faktory ovplyvňujúce počet nefrónov a spôsoby účinku však stále nie sú známe. Tu sa použili embryonálne obličky z duálnych fluorescenčných reportérových myší kultivovaných na vložkách Transwell na modelovanie metabolických podmienok matky a skríning epigenetických inhibítorov.

Zatiaľ čo mnohé štúdie teraz zahŕňajú obličkové organoidy s použitím ľudských iPS buniek [61], obličkové kultúry sú cenným nástrojom na podrobnú analýzu fenotypov sprostredkovaných metabolickými podmienkami alebo inhibičnými činidlami. Zatiaľ čo kultúry progenitorových buniek a obličkové organoidy sú alternatívami s významným potenciálom pre výskum teratogenity, podliehajú obmedzeniam, ako je vysoká variabilita v diferenciácii a raste a chýbajúca konvenčná štruktúra orgánov. Vďaka tomu je kultivácia metanefrických orgánov hodnotnou alternatívou na skúmanie podmienok, ktoré by in vivo neboli uskutočniteľné.

Hypertermia a nedostatok železa teda poskytujú dva príklady skúmania podmienok prostredia s rôznymi výsledkami na rast obličiek a počet nefrónov. Zatiaľ čo údaje o účinku hypertermie na rast obličiek sú vzácne, účinok obmedzenia železa ex vivo je v súlade s predchádzajúcimi správami o nedostatku železa u matiek u potkanov [23,24], hoci model je obmedzený na replikáciu presného stavu in utero z hľadiska koncentrácie a kinetiky železa. Naše výsledky tiež ukázali, že mitotická aktivita je znížená v stave s obmedzením železa. Železo hrá zásadnú úlohu v mnohých bunkových procesoch, ako je napríklad bunkový cyklus [62]. Naša morfologická analýza ukázala fenotyp diferenciácie všetkých proximálnych nefrónov, pravdepodobne ako výsledok inhibovanej kanonickej Wnt signalizácie. Široká downregulácia génov spojených so signalizáciou Wnt bola predtým hlásená v mikročipovej analýze potomkov potkanov vystavených nedostatku železa u matky [63]. Mechanicky sa ukázalo, že intracelulárna deplécia železa chelatačnými činidlami indukuje proteazomálnu degradáciu -katenínu, hlavného downstream efektorového proteínu kanonickej Wnt dráhy v rakovinových a nervových progenitorových bunkách [64,65].

Ako ďalší metabolický stav viedlo modelovanie vysokej expozície glukózy k účinkom podobným účinkom in vivo diabetu matky vyvolaného streptozotocínom [10,26,27,66-71]. Zatiaľ čo náš model nedokázal reprodukovať účinky podmienok 30 mM glukózy, pravdepodobne kvôli predtým uvádzanému vplyvu pozadia myší [28,72], podmienky 55 mM glukózy viedli k zníženiu rastu a zníženiu počtu nefrónov. Výrazné zmeny boli viditeľné histologicky a ultraštrukturálne v glomerulách, pričom expanzia glomerulárnej bazálnej matrice pripomínala ľudskú diabetickú nefropatiu. Podobnosti medzi reakciou myších plodov a dospelých obličiek na vysokú hladinu glukózy s výraznou expanziou ECM a downreguláciou kľúčových génov podocytov boli nápadné a odhalili veľa známych génov spojených s cukrovkou, čo naznačuje použitie podobných mechanizmov v podocytoch a tubuloch. Zatiaľ však nie je známe, či rovnaké základné cesty vedú k dediferenciácii pri diabetickej nefropatii a zníženiu diferenciácie počas diferenciácie plodu. Je zaujímavé, že neglukózové zmeny diabetického prostredia, ako je hyperketonémia, tiež sprostredkúvajú teratogenézu, ale neboli replikované v modeli kultúry obličiek [73,74]. Dlhodobé účinky hyperglykémie boli reprodukovateľné aj v našom modeli, pričom po normalizácii glykémie vykazovali kontinuálne spomalenie rastu podobne ako v predchádzajúcich správach [10]. Okrem toho analýza metylácie DNA odhalila predĺženú hypometyláciu DNA v opakujúcich sa oblastiach a hypermetyláciu v lokuse Ppargcla po zmene na médium s nízkym obsahom glukózy, čo naznačuje tvorbu metabolickej pamäte po období metabolického stresu [30]. Omnoho viac rozdielne regulovaných génov sa už predtým ukázalo ako epigeneticky regulovaných pri cukrovke. Napríklad upregulovaný gén MEST je od matky imprintovaný a hypometylovaný pri gestačnom diabetes mellitus (75). S100A4 je diferenciálne metylovaný marker inzulínovej rezistencie u obéznych detí [76]. Z down-regulovaných génov sú ESM1 a RASGRP3 príkladmi génov rozdielne metylovaných pri gestačnom diabete [77,78], čo ukazuje rastúci výskyt väzieb medzi diabetom a epigenetickou reguláciou. Náš systém teda zdôrazňuje epigenetickú modifikáciu alebo fetálne programovanie ako dôležitý regulačný mechanizmus.

Je známe, že niekoľko epigenetických regulačných enzýmov sa podieľa na renálnej morfogenéze a transkripčnej regulácii funkcie a ochorenia dospelých orgánov [30,40,79-81]. Pomocou kultúr obličiek ako skríningového nástroja sme hľadali ďalšie epigenetické modifikátory, ktoré zohrávajú úlohu pri vývoji obličiek a morfogenéze nefrónov. Entinostat (MS-275) zmenšil veľkosť obličiek v súlade s predtým hlásenou genetickou deléciou HDAC1 a HDAC2 buď v progenitorových bunkách nefrónu alebo v bunkách ureterických pupenov [44, 82, 83]. Zatiaľ čo inhibícia HDAC8 pomocou TH39 tiež vyvolala závažnú redukciu rastu explantátu a nedostatok diferenciácie, vysoko špecifický inhibítor HDAC8 PCI-34051nepreukázal žiadny účinok, čo poukazuje na mimocieľové účinky TH39, ako sú iné HDAC. S fenotypom podobným ako obličky kultivované v podmienkach nedostatku železa, deferasirox a deferoxamín, publikované inhibítory od železa závislých históndemetyláz obsahujúcich doménu JumonjiC [50], môžu vykazovať mimocieľové účinky v dôsledku chelatácie železa. Zatiaľ čo cyproheptadín, antagonista histamínu a publikovaný inhibítor Set7/9 histón metyltransferázy, vykazoval jedinečný fenotyp tým, že viedol k difúzii populácie progenitorových buniek, ďalšie výsledky poukázali na účinky mimo cieľ zahŕňajúce Wnt signálnu dráhu [48]. Celkovo táto knižnica inhibítorov schválených FDA ukazuje potenciál pre rýchly a účinný skríning epigenetických modulátorov. V dôsledku obmedzeného časového rámca mohli v tomto nastavení chýbať inhibítory vyžadujúce predĺženú expozíciu na dosiahnutie účinku. Azacytidín teda nepreukázal účinok napriek publikovanému fenotypu knockoutu Dnmt1 [30].

Zatiaľ čo systém kultivácie obličiek ponúka robustný vývoj obličiek, niekoľko aspektov obmedzuje skúmanie alebo interpretáciu výsledkov v tomto redukčnom modeli. Po prvé, štúdie ukázali rozdiely vo vývoji myší a ľudí a génovej expresie, čo obmedzuje použitie myšacieho modelu. Ďalej, časové obmedzenia v tomto systéme nemusia umožniť, aby sa rozvinuli všetky zložité procesy. To môže zodpovedať za niektoré environmentálne podmienky a epigenetické inhibítory, ktoré v tejto štúdii neovplyvňujú vývoj obličiek. Okrem toho niektoré z inhibítorov vykazujú nešpecifické účinky, ktoré môžu prispieť k inhibícii iných dráh, ako napríklad v prípade cyproheptadínu, ktorý zrejme prejavuje svoj účinok prostredníctvom aktivácie GSK3-beta, alebo v prípade chelatácie železa deferasirox/deferoxamín. Okrem tejto štúdie proof-of-concept by sa skríning epigenetických inhibítorov mohol rozšíriť na viac (špecifických) inhibítorov; predĺžené časové obdobia; ďalšie študijné kritériá, ako je počet nefrónov a rozvetvenie ureterických pupenov; a transkriptomické a epigenetické štúdie.

Aby sme to zhrnuli, kultúry obličiek umožňujú charakterizáciu mnohých modelov materských chorôb, ako je hypertermia, nedostatok železa a diabetes matky, a skríning farmakologických zlúčenín, čo poskytuje vhodnú platformu na skúmanie presluchov medzi environmentálnymi vplyvmi vývojových obličky a jej epigenetické programovanie.

Referencie

1. Barker, DJFetálny a dojčenský pôvod chorôb dospelých. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nephron number, hypertenzia a CKD: Fyziologické a genetické poznatky z ľudských a zvieracích modelov. Phy/pôda. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hypertenzia, glomerulárne číslo a pôrodná hmotnosť u Afroameričanov a bielych jedincov v juhovýchodných Spojených štátoch. Kidney Int. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Nefrónové číslo u pacientov s primárnou hypertenziou.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. Mierny nedostatok vitamínu A vedie u potkanov k vrodenému deficitu nefrónov. Kidney Int.1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Vystavenie plodu nízkoproteínovej diéte matky zhoršuje nefrogenézu a podporuje hypertenziu u potkanov. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Účinky expozície dexametazónu na metanefrický vývoj potkanov: Štúdie 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 renálnej hypoplázie: Pohľady do mechanizmov kontrolujúcich vybavenie nefrónov. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, Dlhodobé programovanie krvného tlaku obmedzením železa v strave matky u potkanov. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Krátke, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LAAlterovaná morfogenéza vetvenia močovodu a obsadenie nefrónov u potomkov diabetického a inzulínom liečeného tehotenstva. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, 3.; Douglas-Denton, R.; Hov, MY; Bertram, JF Glomerulárny počet a veľkosť v obličkách pri pitve: Vzťah k pôrodnej hmotnosti. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Zmeny krvného tlaku spôsobené krížovou transplantáciou obličiek medzi spontánne hypertenznými potkanmi a normotenznými potkanmi. Clin. Sci. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, OAA modifikovaná technika pre kultiváciu orgánov in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6, 246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Embryonálna oblička v orgánovej kultúre. Diferenciácia 1987, 36, 2-11. [CrossRef]

15. Andersen, AM; Vasrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Horúčka v tehotenstve a riziko úmrtia plodu: kohortová štúdia. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edwards, MJ. Hypertermia ako teratogén: Prehľad experimentálnych štúdií a ich klinický význam. Toronto. Carcinog. Mutagén. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Systematický prehľad a metaanalýzy: Horúčka v tehotenstve a vplyvy na zdravie potomstva. Pediatria 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. Správa matky o horúčke z prechladnutia alebo chrípky počas skorého tehotenstva a riziko nekardiálnych vrodených chýb, National Birth Defects Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CAMorické horúčkovité ochorenia, užívanie liekov a riziko vrodených anomálií obličiek. Vrodené chyby Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]