Choroba matek i regulacja epigenetyczna w rozwoju nerek

więcej informacji:ali.ma@wecistanche.com

CZĘŚĆ Ⅱ: Wpływ warunków środowiskowych na liczbę nefronów: modelowanie choroby matki i regulacji epigenetycznej w rozwoju nerek

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse i in.

Abstrakcyjny

Coraz więcej dowodów sugeruje, że niska liczba nefronów przy urodzeniu może zwiększać ryzyko przewlekłej choroby nerek lub nadciśnienia tętniczego w późniejszym życiu. Stresory środowiskowe, takie jak niedożywienie matki, leki i palenie, mogą wpływać na wielkość nerek po urodzeniu. Wykorzystując hodowle narządów metanefrynych do modelowania warunków środowiskowych z pojedynczą zmienną, oceniono modele chorób matek pod kątem wzorców upośledzenia rozwoju. Podczas gdy hipertermia miała ograniczony wpływ na rozwój nerek, niedobór żelaza u płodu był związany z ciężkim upośledzeniem wzrostu nerek i nefrogenezy z fenotypem całkowicie proksymalnym. Hodowanie eksplantatów nerek w warunkach wysokiego poziomu glukozy doprowadziło do zmian komórkowych i transkryptomicznych przypominających ludzką nefropatię cukrzycową. Krótkoterminowe warunki hodowli z wysokim poziomem glukozy były wystarczające do długotrwałych zmian w pamięci epigenetycznej związanej z metylacją DNA. Na koniec zbadano rolę modyfikatorów epigenetycznych w rozwoju nerek przy użyciu niewielkiej biblioteki związków. Spośród wybranych inhibitorów epigenetycznych, różne związki wywoływały wpływ na wzrost nerek, takie jak HDAC (entinostat, TH39), inhibitory demetylazy histonowej (deferazyroks, deferoksamina) i metylotransferazy histonowej (cyproheptadyna). W ten sposób hodowle narządów metanefrycznych stanowią cenny system do badania warunków metabolicznych i narzędzie do badań przesiewowych pod kątem modyfikatorów epigenetycznych w rozwoju nerek.

Kliknij, aby przejść do Cistanche w języku urdu dla funkcji nerek

KLIKNIJ TUTAJ, ABY CZĘŚCIĆ Ⅰ

3. Dyskusja

Rozwój nerek odbywa się przede wszystkim w macicy i podlega wpływom metabolicznym i środowiskowym. Liczba nefronów jest określana przy urodzeniu, a coraz więcej dowodów sugeruje, że niska liczba nefronów jest czynnikiem ryzyka rozwoju nadciśnienia i przewlekłej choroby nerek w późniejszym życiu [2-4,60]. Jednak wiele czynników wpływających na liczbę nefronów i sposoby działania jest wciąż nieznanych. W tym przypadku nerki embrionalne z myszy reporterowych o podwójnej fluorescencji hodowane na wstawkach Transwell zostały wykorzystane do modelowania warunków metabolicznych matki i badania przesiewowego inhibitorów epigenetycznych.

Podczas gdy wiele badań obejmuje obecnie organoidy nerkowe z wykorzystaniem ludzkich komórek iPS [61], hodowle nerek są cennym narzędziem do szczegółowej analizy fenotypów, w których pośredniczą warunki metaboliczne lub czynniki hamujące. Chociaż hodowle komórek progenitorowych i organoidy nerek są alternatywami o znaczącym potencjale do badań teratogenności, podlegają one ograniczeniom, takim jak duża zmienność w różnicowaniu i wzroście oraz brak konwencjonalnej struktury narządów. To sprawia, że ​​hodowla narządów metanerycznych jest cenną alternatywą do badania warunków, które nie byłyby wykonalne in vivo.

Hipertermia i niedobór żelaza stanowią zatem dwa przykłady badania warunków środowiskowych o różnym wpływie na wzrost nerek i liczbę nefronów. Chociaż dane dotyczące wpływu hipertermii na wzrost nerek są skąpe, wpływ ograniczenia żelaza ex vivo jest zgodny z wcześniejszymi doniesieniami o niedoborach żelaza u matki u szczurów [23.24], chociaż model jest ograniczony w replikacji dokładnego stanu w macicy pod względem stężenie i kinetyka żelaza. Nasze wyniki wykazały również, że aktywność mitotyczna jest zmniejszona w warunkach ograniczenia żelaza. Żelazo odgrywa zasadniczą rolę w wielu procesach komórkowych, takich jak cykl komórkowy [62]. Nasza analiza morfologiczna wykazała fenotyp całkowicie proksymalnego różnicowania nefronów, prawdopodobnie w wyniku zahamowania kanonicznej sygnalizacji Wnt. W analizie mikromacierzy potomstwa szczurów narażonego na niedobór żelaza u matki opisano wcześniej szeroko zakrojoną regulację w dół genów związanych z sygnalizacją Wnt [63]. Wykazano, że pod względem mechanicznym wewnątrzkomórkowe zubożenie żelaza przez czynniki chelatujące indukuje proteasomalny rozkład p-kateniny, głównego białka efektorowego w dół kanonicznego szlaku Wnt w nowotworach i neuronalnych komórkach progenitorowych [64, 65].

Jako inny stan metaboliczny, modelowanie wysokiej ekspozycji na glukozę dało efekty podobne do efektów in vivo wywołanej streptozotocyną cukrzycy u matki [10,26,27,66-71]. Chociaż nasz model nie był w stanie odtworzyć skutków warunków glukozy z 30 mM, prawdopodobnie z powodu wcześniej opisywanego wpływu tła myszy [28, 72], warunki glukozy z 55 mM skutkowały redukcją wzrostu i zmniejszeniem liczby nefronów. Wyraźne zmiany były widoczne histologicznie i ultrastrukturalnie w kłębuszkach, z rozszerzeniem macierzy podstawnej kłębuszków przypominającej ludzką nefropatię cukrzycową. Podobieństwa między odpowiedzią nerek płodu mysiego i dorosłego człowieka na wysoki poziom glukozy z wyraźną ekspansją ECM i regulacją w dół kluczowych genów podocytów były uderzające i ujawniły wiele znanych genów związanych z cukrzycą, co wskazuje na wykorzystanie podobnych mechanizmów w podocytach i kanalikach. Jednak jak dotąd nie wiadomo, czy te same podstawowe szlaki prowadzą do odróżnicowania w nefropatii cukrzycowej i zmniejszenia różnicowania podczas różnicowania płodu. Co ciekawe, wykazano, że nieglukozowe zmiany środowiska cukrzycowego, takie jak hiperketonemia, również pośredniczą w teratogenezie, ale nie zostały powtórzone w modelu hodowli nerek [73, 74]. Odległe efekty hiperglikemii były również odtwarzalne w naszym modelu, wykazując ciągłe spowolnienie wzrostu po normalizacji glikemii, podobnie jak w poprzednich doniesieniach [10]. Dodatkowo analiza metylacji DNA wykazała przedłużoną hipometylację DNA w rejonach powtarzalnych i hipermetylację w locus Ppargcla po przejściu na podłoże o niskiej zawartości glukozy, co wskazuje na tworzenie się pamięci metabolicznej po okresie stresu metabolicznego [30]. Wykazano wcześniej, że znacznie więcej genów regulowanych w różny sposób jest regulowanych epigenetycznie w cukrzycy. Na przykład, podwyższony gen MEST jest wdrukowany i hipometylowany przez matkę w cukrzycy ciążowej [75]. S100A4 jest różnie metylowanym markerem insulinooporności u otyłych dzieci [76]. Spośród genów o obniżonej regulacji, ESM1 i RASGRP3 są przykładami genów różnie metylowanych w cukrzycy ciążowej [77, 78], co wskazuje na rosnące pojawianie się powiązań między cukrzycą a regulacją epigenetyczną. Dlatego nasz system podkreśla modyfikacje epigenetyczne lub programowanie płodu jako ważny mechanizm regulacyjny.

Wiadomo, że kilka epigenetycznych enzymów regulatorowych jest zaangażowanych zarówno w morfogenezę nerek, jak i regulację transkrypcji w funkcji i chorobie narządów dorosłych [30,40,79-81]. Wykorzystując hodowle nerek jako narzędzie przesiewowe, szukaliśmy dodatkowych modyfikatorów epigenetycznych odgrywających rolę w rozwoju nerek i morfogenezie nefronów. Entinostat (MS-275) zmniejszył wielkość nerek zgodnie z wcześniej opisaną genetyczną delecją HDAC1 i HDAC2 w komórkach progenitorowych nefronu lub komórkach pączka moczowodu [44,82,83]. Podczas gdy hamowanie HDAC8 przez TH39 wywoływało również poważną redukcję wzrostu eksplantu i brak różnicowania, wysoce specyficzny inhibitor HDAC8 PCI-34051 nie wykazywał żadnego efektu, wskazując w ten sposób na pozacelowe efekty TH39, takie jak inne HDAC. Z fenotypem podobnym do nerek hodowanych w warunkach niedoboru żelaza, deferazyroks i deferoksamina, opublikowane inhibitory żelazozależnych demetylaz histonowych zawierających domenę JumonjiC [50], mogą wykazywać nieoczekiwane efekty z powodu chelatacji żelaza. Podczas gdy cyproheptadyna, antagonista histaminy i opublikowany inhibitor metylotransferazy histonowej Set7/9, wykazywała unikalny fenotyp, prowadząc do dyfuzji populacji komórek progenitorowych, dodatkowe wyniki wskazywały na odbiegające od celu efekty związane ze szlakiem sygnałowym Wnt [48]. Podsumowując, ta biblioteka inhibitorów zatwierdzonych przez FDA wykazuje potencjał do szybkiego i skutecznego badania przesiewowego pod kątem modulatorów epigenetycznych. Ze względu na ograniczone ramy czasowe, inhibitory wymagające długotrwałej ekspozycji w celu wywarcia efektu mogły zostać pominięte w tej konfiguracji. Zatem azacytydyna nie wykazała efektu pomimo opublikowanego fenotypu nokautu Dnmt1 [30].

Chociaż system hodowli nerek zapewnia silny rozwój nerek, kilka aspektów ogranicza badanie lub interpretację wyników w tym redukcjonistycznym modelu. Po pierwsze, badania wykazały różnice w rozwoju myszy i człowieka oraz ekspresji genów, ograniczając zastosowanie modelu mysiego. Po drugie, ograniczenia czasowe w tym systemie mogą uniemożliwić realizację wszystkich złożonych procesów. Może to wyjaśniać, że niektóre warunki środowiskowe i inhibitory epigenetyczne nie wpływają na rozwój nerek w tym badaniu. Ponadto niektóre inhibitory wykazują niespecyficzne działanie, które może przyczyniać się do hamowania innych szlaków, tak jak w przypadku cyproheptadyny, która wydaje się przejawiać działanie poprzez aktywację GSK3-beta, lub w przypadku chelatowania żelaza przez deferazyroks/deferoksamina. Poza tym badaniem potwierdzającym koncepcję, badanie przesiewowe inhibitorów epigenetycznych można rozszerzyć na bardziej (specyficzne) inhibitory; przedłużone okresy czasu; dodatkowe kryteria badania, takie jak liczba nefronów i rozgałęzienie pączków moczowodowych; oraz badania transkryptomiczne i epigenetyczne.

Podsumowując, hodowle nerek umożliwiają scharakteryzowanie szeregu modeli chorób matek, takich jak hipertermia, niedobór żelaza i cukrzyca u matki, a także badanie przesiewowe związków farmakologicznych, zapewniając odpowiednią platformę do badania zależności między wpływami środowiska rozwijającego się nerka i jej programowanie epigenetyczne.

Bibliografia

1. Barker, DJPłodowe i niemowlęce początki chorób dorosłych. BMJ 1990, 301, 1111. [Odsyłacz]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nephron liczba, nadciśnienie i CKD: Fizjologiczny i genetyczny wgląd na modelach ludzkich i zwierzęcych. Fiz./gleba. Genom.2017,49, 180-192. [Odsyłacz] [PubMed]

3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertrama, JF; Hoy, WE Nadciśnienie, liczba kłębuszków i masa urodzeniowa u Afroamerykanów i osób rasy białej w południowo-wschodnich Stanach Zjednoczonych. Nerka wewn. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl .]

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Liczba Nephron u pacjentów z nadciśnieniem pierwotnym.N.Engl.I. Med. 2003, 348, 101-108. [Odsyłacz] [PubMed]

5. Lelievre-Pegorier,M; Vilar, J.; Ferrier, ML; Moreau, E.; Freund, NGilbert, T.; Merlet-Benichou, C. Łagodny niedobór witaminy A prowadzi do wrodzonego niedoboru nefronu u szczura. Nerki Int.1998,54, 1455-1462. [Odsyłacz] [PubMed]

6. Langley-Evans, Karolina Południowa; Welham, SJ; Jackson, AA Ekspozycja płodu na matczyną dietę niskobiałkową zaburza nefrogenezę i sprzyja nadciśnieniu u szczurów. Życie Sci.1999, 64, 965-974. [Odn.]

7. Singh, RR; Moritz KM; Bertrama, JF; Cullen-McEwen, LA Skutki narażenia na deksametazon na rozwój metanefryny szczura: Badania in vitro i in vivo. Am.J. Fizj.Nerka. Physiol.2007, 293, F548-F554. [Odn.]

8. Kain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Genetyka hipoplazji nerek: Wgląd w mechanizmy kontrolujące wyposażenie nefronów. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [KrzyżRefl

9. Lewis. RM: Czoło, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, Długoterminowe programowanie ciśnienia krwi przez ograniczenie żelaza w diecie matki u szczura. Fr. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [Odn.]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Krótki, KM; Jones, L.; Smyth, komunikator internetowy; Bertrama, JF; Cullen-McEwen, LAZmieniona morfogeneza rozgałęzień moczowodów i wyposażenie nefronowe u potomstwa z cukrzycą i ciążą leczoną insuliną. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, trzecie; Douglas-Denton, R.; Hov, MY; Bertram, JF Liczba i rozmiar kłębuszków w nerkach z autopsji: związek z masą urodzeniową. Nerki Int.2003, 63,2113-2122. [Odsyłacz] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Zmiany ciśnienia krwi spowodowane przeszczepem krzyżowym nerki między szczurami ze spontanicznym nadciśnieniem a szczurami z prawidłowym ciśnieniem. Clin. Nauka. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [Odsyłacz] [PubMed]

13. Trowell, zmodyfikowana technika OAA do hodowli narządów in vitro. Do potęgi. Komórka Res. 1954, 6,246-248. [KrzyżRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Nerka zarodkowa w hodowli narządów. Zróżnicowanie 1987, 36, 2-11. [Odn.]

15. Andersen, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersena, PK; Olsen, J.; Melbye, M.Fever w ciąży i ryzyko śmierci płodu: badanie kohortowe. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [Odn.]

16. Edwards, MJ. Hipertermia jako teratogen: przegląd badań eksperymentalnych i ich znaczenie kliniczne. Toronto. rakotwórczy. Mutagen. 1986, 6, 563-582. [Odsyłacz] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersena, AM; Berg-Beckhoff, G. Przegląd systematyczny i metaanalizy: Gorączka w ciąży i wpływ na zdrowie potomstwa. Pediatria 2014, 133, e674-e688. [Odn.]

18. Waller, Dania; Haszmi SS; Hoyt, AT; Duong, HT: Tinker, SC; Gallaway, MS; Olney, RS; Finnella, RH; Hecht, JT; Canfield, MA; i in. Raport matki dotyczący gorączki spowodowanej przeziębieniem lub grypą we wczesnej ciąży i ryzyka wystąpienia niekardiologicznych wad wrodzonych, National Birth Defects Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [Odn.]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CAMChoroby gorączkowe u matki, stosowanie leków i ryzyko wrodzonych anomalii nerek. Wady wrodzone Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [Odn.]