Motinos ligos ir epigenetinis reguliavimas inkstų vystymuisi

Norėdami gauti daugiau informacijos:ali.ma@wecistanche.com

Ⅱ DALIS: Aplinkos sąlygų poveikis nefronų skaičiui: Motinos ligos modeliavimas ir epigenetinis reguliavimas inkstų vystymuisi

Larsas Fuhrmannas, Saskia Lindner, Alexanderis-Thomasas Hauseris, Clemensas Höse ir kt.

Abstraktus

Vis daugiau įrodymų rodo, kad mažas nefronų skaičius gimimo metu gali padidinti lėtinės inkstų ligos ar hipertenzijos riziką vėliau gyvenime. Aplinkos veiksniai, tokie kaip motinos netinkama mityba, vaistai ir rūkymas, gali turėti įtakos inkstų dydžiui gimimo metu. Naudojant metanefrines organų kultūras vieno kintamo aplinkos sąlygoms modeliuoti, buvo įvertinti motinos ligų modeliai dėl vystymosi sutrikimų. Nors hipertermija turėjo ribotą poveikį inkstų vystymuisi, vaisiaus geležies trūkumas buvo susijęs su sunkiu inkstų augimo ir nefrogenezės sutrikimu, turinčiu visą proksimalinį fenotipą. Inkstų eksplantų auginimas didelės gliukozės sąlygomis sukėlė ląstelių ir transkriptominius pokyčius, panašius į žmogaus diabetinę nefropatiją. Trumpalaikių didelės gliukozės auginimo sąlygų pakako ilgalaikiams su DNR metilinimu susijusios epigenetinės atminties pokyčiams. Galiausiai, epigenetinių modifikatorių vaidmuo inkstų vystymuisi buvo išbandytas naudojant nedidelę junginių biblioteką. Tarp pasirinktų epigenetinių inhibitorių įvairūs junginiai sukėlė poveikį inkstų augimui, tokie kaip HDAC (entinostatas, TH39), histono demetilazės (deferasiroksas, deferoksaminas) ir histono metiltransferazės (ciproheptadino) inhibitoriai. Taigi metanefrinės organų kultūros yra vertinga medžiagų apykaitos sąlygų tyrimo sistema ir priemonė epigenetinių modifikatorių atrankai inkstų vystymuisi.

Spustelėkite Cistanche urdu kalba, norėdami sužinoti inkstų funkciją

SPAUSKITE ČIA, norėdami DALIS Ⅰ

3. Diskusija

Inkstų vystymasis daugiausia vyksta gimdoje ir yra veikiamas medžiagų apykaitos ir aplinkos poveikio. Nefronų skaičius nustatomas gimus, o vis daugiau įrodymų rodo, kad mažas nefronų skaičius yra hipertenzijos ir lėtinės inkstų ligos vystymosi rizikos veiksnys vėliau [2-4,60]. Tačiau daugelis veiksnių, turinčių įtakos nefronų skaičiui ir veikimo būdui, vis dar nežinomi. Čia embrioniniai inkstai iš dvigubai fluorescencinių reporterių pelių, auginamų ant Transwell intarpų, buvo naudojami motinos metabolinėms sąlygoms modeliuoti ir epigenetiniams inhibitoriams tikrinti.

Nors daugelis tyrimų dabar apima inkstų organoidus, naudojant žmogaus iPS ląsteles [61], inkstų kultūros yra vertinga priemonė detaliai analizuoti fenotipus, kuriuos sąlygoja medžiagų apykaitos sąlygos arba slopinantys agentai. Nors progenitorinių ląstelių kultūros ir inkstų organoidai yra alternatyvos, turinčios didelį potencialą tirti teratogeniškumą, joms taikomi apribojimai, pvz., didelis diferenciacijos ir augimo kintamumas bei įprastinės organų struktūros trūkumas. Dėl to metanefrinė organų kultūra yra vertinga alternatyva tiriant sąlygas, kurios nebūtų įmanomos in vivo.

Taigi, hipertermija ir geležies trūkumas yra du pavyzdžiai, kaip tirti aplinkos sąlygas, kurių inkstų augimas ir nefronų skaičius skiriasi. Nors duomenų apie hipertermijos poveikį inkstų augimui yra nedaug, ex vivo geležies ribojimo poveikis atitinka ankstesnius pranešimus apie žiurkių motinos geležies trūkumą [23.24], nors modelis yra ribotas, kad atkartotų tikslią būseną gimdoje. koncentracija ir geležies kinetika. Mūsų rezultatai taip pat parodė, kad mitozinis aktyvumas sumažėja esant geležies apribojimui. Geležis vaidina esminį vaidmenį daugelyje ląstelių procesų, tokių kaip ląstelių ciklas [62]. Mūsų morfologinė analizė parodė viso proksimalinio nefrono diferenciacijos fenotipą, galbūt dėl ​​​​slopintos kanoninės Wnt signalizacijos. Plačiai paplitęs genų, susijusių su Wnt signalizacija, sumažėjęs reguliavimas anksčiau buvo pranešta atliekant žiurkių palikuonių, patiriančių motinos geležies trūkumą, mikromatricos analizę [63]. Mechaniškai įrodyta, kad ląstelėje esantis geležies išeikvojimas dėl kompleksonų sukelia katenino, pagrindinio pasroviui esančio efektorinio baltymo kanoninio Wnt kelio vėžio ir nervinių pirmtakų ląstelėse, proteasominį skaidymą [64, 65].

Kaip ir kita metabolinė būklė, modeliuojant didelę gliukozės ekspoziciją, poveikis buvo panašus į in vivo streptozotocino sukeltą motinos diabetą[10,26,27,66-71]. Nors mūsų modelis negalėjo atkurti 30 mM gliukozės sąlygų poveikio, greičiausiai dėl anksčiau praneštos pelės fono įtakos [28, 72], 55 mM gliukozės sąlygos sumažino augimą ir sumažino nefronų skaičių. Ryškūs pokyčiai buvo matomi histologiškai ir ultrastruktūriškai glomeruluose, glomerulų pagrindo matricos išsiplėtimas primena žmogaus diabetinę nefropatiją. Pelės vaisiaus ir suaugusio žmogaus inkstų atsako į didelį gliukozės kiekį panašumai su ryškiu ECM išsiplėtimu ir pagrindinių podocitų genų sumažėjimu buvo ryškūs ir atskleidė daug žinomų su diabetu susijusių genų, rodančių, kad podocituose ir kanalėliuose naudojami panašūs mechanizmai. Tačiau ar tie patys pagrindiniai keliai lemia diabetinės nefropatijos diferenciaciją ir diferenciacijos sumažėjimą vaisiaus diferenciacijos metu, kol kas nežinoma. Įdomu tai, kad buvo įrodyta, kad negliukozės diabeto aplinkos pokyčiai, tokie kaip hiperketonemija, taip pat tarpininkauja teratogenezei, tačiau inkstų kultūros modelyje jie nebuvo atkartoti [73, 74]. Ilgalaikis hiperglikemijos poveikis taip pat buvo atkuriamas mūsų modelyje, rodantis nuolatinį augimo sulėtėjimą po glikemijos normalizavimo, panašiai kaip ankstesnėse ataskaitose [10]. Be to, DNR metilinimo analizė atskleidė užsitęsusią DNR hipometilinimą pasikartojančiose srityse ir hipermetilinimą Ppargcla lokuse po perjungimo į mažai gliukozės turinčią terpę, o tai rodo metabolinės atminties susidarymą po metabolinio streso laikotarpio [30]. Anksčiau buvo įrodyta, kad daug daugiau skirtingai reguliuojamų genų yra epigenetiškai reguliuojami sergant diabetu. Pavyzdžiui, sureguliuotas genas MEST yra motinos įspaustas ir hipometilintas sergant gestaciniu diabetu[75]. S100A4 yra diferencijuotai metilintas nutukusių vaikų atsparumo insulinui žymuo [76]. Iš nepakankamai reguliuojamų genų ESM1 ir RASGRP3 yra skirtingai metilintų genų, sergančių gestaciniu diabetu, pavyzdžiai [77, 78], rodantys vis didėjantį ryšį tarp diabeto ir epigenetinio reguliavimo. Taigi mūsų sistema pabrėžia epigenetinį modifikavimą arba vaisiaus programavimą kaip svarbų reguliavimo mechanizmą.

Yra žinoma, kad keli epigenetiniai reguliavimo fermentai dalyvauja tiek inkstų morfogenezėje, tiek transkripcijos reguliavime sergant suaugusiųjų organų funkcija ir ligomis [30, 40, 79-81]. Naudodami inkstų kultūras kaip atrankos įrankį, ieškojome papildomų epigenetinių modifikatorių, turinčių įtakos inkstų vystymuisi ir nefrono morfogenezei. Entinostatas (MS-275) sumažino inkstų dydį, atitinkantį anksčiau praneštą genetinę HDAC1 ir HDAC2 deleciją nefrono pirmtakinėse ląstelėse arba šlapimtakio pumpurų ląstelėse [44, 82, 83]. Nors HDAC8 slopinimas TH39 taip pat labai sumažino eksplanto augimą ir nedalyvavo diferenciacijoje, labai specifinis HDAC8 inhibitorius PCI-34051neveikė, todėl TH39, pvz., kitų HDAC, poveikis buvo netinkamas. Deferasiroksas ir deferoksaminas, kurių fenotipas panašus į inkstų, auginamų esant geležies trūkumo sąlygoms, fenotipą, paskelbti nuo geležies priklausomų JumonjiC domeno turinčių histono demetilazių [50] inhibitorių, gali turėti netikslinį poveikį dėl geležies chelatacijos. Nors ciproheptadinas, histamino antagonistas ir paskelbtas Set7/9 histono metiltransferazės inhibitorius, pasižymėjo unikaliu fenotipu, paskatindamas progenitorinių ląstelių populiacijos difuziją, papildomi rezultatai parodė netikslinį poveikį, susijusį su Wnt signalizacijos keliu [48]. Iš viso ši FDA patvirtintų inhibitorių biblioteka rodo greito ir veiksmingo epigenetinių moduliatorių patikrinimo galimybes. Dėl riboto naudojamo laiko intervalo inhibitoriai, kuriems reikalingas ilgalaikis poveikis, galėjo būti praleisti šioje sąrankoje. Taigi, azacitidinas neparodė poveikio, nepaisant paskelbto Dnmt1 išmušimo fenotipo [30].

Nors inkstų kultūros sistema užtikrina tvirtą inkstų vystymąsi, keli aspektai riboja šio redukcionistinio modelio rezultatų tyrimą arba interpretavimą. Pirma, tyrimai parodė pelių ir žmogaus vystymosi ir genų ekspresijos skirtumus, ribojančius pelės modelio naudojimą. Be to, laiko apribojimai šioje sistemoje gali neleisti vystytis visiems sudėtingiems procesams. Tai gali lemti kai kurias aplinkos sąlygas ir epigenetinius inhibitorius, kurie šiame tyrime nepaveikia inkstų vystymosi. Be to, kai kurie inhibitoriai turi nespecifinį poveikį, kuris gali prisidėti prie kitų būdų slopinimo, pvz., ciproheptadino atveju, kuris, atrodo, veikia aktyvinant GSK3-beta, arba geležies chelatacijos atveju. deferasiroksas/deferoksaminas. Be šio koncepcijos įrodymo tyrimo, epigenetinių inhibitorių ekranas galėtų būti išplėstas, įtraukiant daugiau (specifinių) inhibitorių; pailginti laikotarpiai; papildomi tyrimo kriterijai, pvz., nefronų skaičius ir šlapimtakio pumpurų išsišakojimas; ir transkriptominiai bei epigenetiniai tyrimai.

Apibendrinant galima teigti, kad inkstų kultūros leidžia apibūdinti daugybę motinos ligų modelių, tokių kaip hipertermija, geležies trūkumas ir motinos diabetas, ir atlikti farmakologinių junginių atranką, o tai yra tinkama platforma tirti besivystančių žmonių aplinkos įtakos. inkstai ir jo epigenetinis programavimas.

Nuorodos

1. Barker, DJ. Suaugusiųjų ligų vaisiaus ir kūdikių kilmė. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nefrono skaičius, hipertenzija ir CKD: fiziologinė ir genetinė žmonių ir gyvūnų modelių įžvalga. Fizinis/dirvožemis. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughsonas, MDDouglasas-Dentonas, R.; Bertramas, JF; Hoy, WE Hipertenzija, glomerulų skaičius ir gimimo svoris afroamerikiečių ir baltųjų asmenų pietryčių JAV. Kidney Int. 2006. 69, 671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keleris, G.; Zimmeris, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Nefrono skaičius pacientams, sergantiems pirmine hipertenzija.N.Angl.I. Med. 2003, 348, 101-108. [CrossRef] [PubMed]

5. Lelievre-Pegorier, M; Vilar, J.; Keltas, ML; Moreau, E.; Freundas, NGilbertas, T.; Merlet-Benichou, C. Nedidelis vitamino A trūkumas sukelia įgimtą nefrono trūkumą žiurkėms. Kidney Int.1998, 54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Vaisiaus poveikis motinai, mažai baltymų turinčios dietos, pablogina nefrogenezę ir skatina žiurkėms hipertenziją. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singhas, RR; Moricas, KM; Bertramas, JF; Cullen-McEwen, LA. Deksametazono ekspozicijos poveikis žiurkių metanefrijos vystymuisi: tyrimai in vitro ir in vivo. Am.J. Fiziol.Inkstai. Physiol. 2007, 293, F548-F554. [CrossRef]

8. Kainas IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Inkstų hipoplazijos genetika: įžvalgos apie mechanizmus, kontroliuojančius nefrono aprūpinimą. Pediatr. Res. 2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewisas. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, ilgalaikis kraujospūdžio programavimas pagal motinos dietos geležies apribojimą žiurkėms. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Trumpas, KM; Jonesas, L.; Smitas, IM.; Bertramas, JF; Cullen-McEwen, LA Pakitusi šlapimtakių šakojimosi morfogenezė ir nefrono aprūpinimas diabeto ir insulinu gydyto nėštumo palikuonims. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughsonas, M; Farris, AB, 3; Douglas-Denton, R.; Hov, MES; Bertram, JF Glomerulų skaičius ir dydis autopsijos inkstuose: ryšys su gimimo svoriu. Kidney Int.2003, 63, 2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Kraujospūdžio pokyčiai, kuriuos sukelia kryžminė inkstų transplantacija tarp spontaniškai hipertenzinių žiurkių ir normotenzinių žiurkių. Clin. Sci. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, OAA modifikuotas metodas organų kultūrai in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6, 246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E.Embrioninis inkstas organų kultūroje. Diferenciacija 1987, 36, 2-11. [CrossRef]

15. Andersenas, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersenas, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Karščiavimas nėštumo metu ir vaisiaus mirties rizika: kohortinis tyrimas. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edvardsas, MJ. Hipertermija kaip teratogenas: eksperimentinių tyrimų apžvalga ir jų klinikinė reikšmė. Torontas. Karcinogas. Mutagenas. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreieris, JW; Andersenas, AM; Berg-Beckhoff, G. Sisteminė apžvalga ir metaanalizė: karščiavimas nėštumo metu ir poveikis palikuonių sveikatai. Pediatrics 2014, 133, e674-e688. [CrossRef]

18. Walleris, DK; Hashmi, SS; Hoitas, AT; Duong, HT: Tinkeris, SC; Galaway, MS; Olney, RS; Finnell, RH; Hechtas, JT; Canfield, MA; ir kt. Motinos pranešimas apie karščiavimą dėl peršalimo ar gripo ankstyvojo nėštumo metu ir nekardinių apsigimimų riziką, Nacionalinis apsigimimų prevencijos tyrimas, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CA Motinos karščiavimo ligos, vaistų vartojimas ir įgimtų inkstų anomalijų rizika. Gimimo defektai Res.A Clin. Mol.Teratol.2003, 67, 911-918. [CrossRef]