Bolile materne și reglarea epigenetică în dezvoltarea renală

pentru mai multe informații:ali.ma@wecistanche.com

PARTEA Ⅱ: Efectele condițiilor de mediu asupra numărului de nefron: modelarea bolii materne și reglarea epigenetică în dezvoltarea renală

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse și colab.

Abstract

Un număr tot mai mare de dovezi sugerează că un număr scăzut de nefroni la naștere poate crește riscul de boală cronică de rinichi sau hipertensiune mai târziu în viață. Factorii de stres de mediu, cum ar fi malnutriția maternă, medicamentele și fumatul, pot influența dimensiunea renală la naștere. Folosind culturi de organe metanefrice pentru a modela condițiile de mediu cu o singură variabilă, modelele de boală maternă au fost evaluate pentru modele de afectare a dezvoltării. În timp ce hipertermia a avut efecte limitate asupra dezvoltării renale, deficitul de fier fetal a fost asociat cu afectarea severă a creșterii renale și nefrogeneza cu un fenotip total proximal. Cultivarea explantelor de rinichi în condiții de glucoză ridicată a condus la modificări celulare și transcriptomice asemănătoare nefropatiei diabetice umane. Condițiile de cultură de glucoză ridicată pe termen scurt au fost suficiente pentru modificări pe termen lung ale memoriei epigenetice asociate metilării ADN-ului. În cele din urmă, rolul modificatorilor epigenetici în dezvoltarea renală a fost testat folosind o bibliotecă mică de compuși. Printre inhibitorii epigenetici selectați, diverși compuși au provocat un efect asupra creșterii renale, cum ar fi inhibitorii HDAC (entinostat, TH39), histon demetilază (deferasirox, deferoxamină) și histon metiltransferază (ciproheptadină). Astfel, culturile de organe metanefrice oferă un sistem valoros pentru studiul condițiilor metabolice și un instrument de screening pentru modificatorii epigenetici în dezvoltarea renală.

Faceți clic pe Cistanche în urdu pentru funcție renală

CLICK AICI PENTRU PARTEA Ⅰ

3. Discuție

Dezvoltarea renală are loc în principal în uter și este supusă interferențelor din cauza influențelor metabolice și de mediu. Numărul de nefroni este determinat la naștere, iar un număr tot mai mare de dovezi sugerează că numărul scăzut de nefroni este un factor de risc pentru dezvoltarea hipertensiunii arteriale și a bolii cronice de rinichi mai târziu în viață [2-4,60]. Cu toate acestea, mulți factori care influențează numărul nefronilor și modurile de acțiune sunt încă necunoscuți. Aici, rinichii embrionari de la șoareci reporter cu dublu fluorescent cultivați pe inserții Transwell au fost utilizați pentru a modela condițiile metabolice materne și pentru a ecraniza inhibitorii epigenetici.

În timp ce multe studii implică acum organoizi renali folosind celule iPS umane [61], culturile de rinichi sunt un instrument valoros pentru analiza detaliată a fenotipurilor mediate de condiții metabolice sau agenți inhibitori. În timp ce culturile de celule progenitoare și organoizii renali sunt alternative cu potențial semnificativ pentru investigarea teratogenității, ele sunt supuse unor limitări, cum ar fi variabilitatea mare în diferențiere și creștere și lipsa unei structuri convenționale a organelor. Acest lucru face cultura de organe metanefrice o alternativă valoroasă pentru a investiga condiții care nu ar fi fezabile in vivo.

Astfel, hipertermia și deficitul de fier oferă două exemple de investigare a condițiilor de mediu cu rezultate diferite asupra creșterii renale și a numărului de nefroni. În timp ce datele privind efectul hipertermiei asupra creșterii renale sunt limitate, efectul restricției de fier ex vivo este în concordanță cu rapoartele anterioare privind deficitul de fier matern la șobolani [23.24], deși modelul este limitat în replicarea stării exacte in utero în ceea ce privește concentrația și cinetica fierului. Rezultatele noastre au arătat, de asemenea, că activitatea mitotică este redusă în starea de restricție de fier. Fierul joacă un rol esențial în multe procese celulare, cum ar fi ciclul celular [62]. Analiza noastră morfologică a arătat un fenotip de diferențiere a nefronului total proximal, posibil ca rezultat al semnalizării Wnt canonice inhibate. Reglarea pe scară largă a genelor asociate cu semnalizarea Wnt a fost raportată anterior într-o analiză cu microarray a descendenților de șobolani expuși la deficiența maternă de fier [63]. Din punct de vedere mecanic, s-a demonstrat că epuizarea fierului intracelular de către agenții chelatori induce degradarea proteazomală a -cateninei, principala proteină efectoră în aval a căii canonice Wnt în celulele canceroase și progenitoare neuronale [64,65].

Ca o altă condiție metabolică, modelarea expunerii ridicate la glucoză a dus la efecte similare cu cele ale diabetului matern indus de streptozotocină in vivo[10,26,27,66-71]. În timp ce modelul nostru nu a putut reproduce efectele condițiilor de glucoză de 30 mM, probabil din cauza influenței raportate anterior a fundalului de șoarece [28,72], condițiile de glucoză de 55 mM au dus la reducerea creșterii și la scăderea numărului de nefroni. Modificări pronunțate au fost vizibile histologic și ultrastructural în glomeruli, cu extinderea matricei bazale glomerulare asemănătoare cu nefropatia diabetică umană. Asemănările dintre răspunsul renal al fătului murin și al adulților umani la glucoza ridicată cu expansiune distinctă a ECM și reglarea în jos a genelor cheie ale podocitelor au fost uimitoare și au dezvăluit multe gene cunoscute asociate diabetului, indicând utilizarea unor mecanisme similare în podocite și tubuli. Cu toate acestea, dacă aceleași căi de bază conduc la dediferențiere în nefropatia diabetică și scăderea diferențierii în timpul diferențierii fetale este până acum necunoscut. Interesant este că modificările non-glucoze ale mediului diabetic, cum ar fi hiper-cetonemia, s-au dovedit, de asemenea, că mediază teratogeneza, dar nu au fost replicate în modelul de cultură renală [73,74]. Efectele pe termen lung ale hiperglicemiei au fost, de asemenea, reproductibile în modelul nostru, arătând o întârziere continuă a creșterii după normalizarea glicemiei similare cu rapoartele anterioare [10]. În plus, analiza metilării ADN-ului a evidențiat o hipometilare prelungită a ADN-ului la regiunile repetitive și o hipermetilare la locusul Ppargcla după trecerea la mediul scăzut de glucoză, indicând formarea memoriei metabolice după o perioadă de stres metabolic [30]. Multe mai multe dintre genele reglate diferențial s-au dovedit anterior a fi reglate epigenetic în diabet. De exemplu, gena reglată MEST este imprimată matern și hipometilată în diabetul zaharat gestațional[75]. S100A4 este un marker metilat diferențial al rezistenței la insulină la copiii obezi [76]. Dintre genele reglate în jos, ESM1 și RASGRP3 sunt exemple de gene metilate diferențial în diabetul gestațional [77,78], arătând apariția în creștere a legăturilor dintre diabet și reglarea epigenetică. Astfel, sistemul nostru evidențiază modificarea epigenetică sau programarea fetală ca un mecanism de reglare important.

Se știe că mai multe enzime reglatoare epigenetice sunt implicate atât în ​​morfogeneza renală, cât și în reglarea transcripțională în funcția și boala organelor adulte [30,40,79-81]. Folosind culturile de rinichi ca instrument de screening, am căutat modificatori epigenetici suplimentari care joacă un rol în dezvoltarea renală și morfogeneza nefronului. Entinostat (MS-275) a redus dimensiunea rinichilor în concordanță cu ștergerea genetică raportată anterior a HDAC1 și HDAC2 fie în celulele progenitoare de nefron, fie în celulele mugurilor ureterelor[44,82,83]. În timp ce inhibarea HDAC8 de către TH39 a indus, de asemenea, o reducere severă a creșterii explantului și lipsa de diferențiere, inhibitorul HDAC8 foarte specific PCI-34051nu a arătat niciun efect, indicând astfel efectele în afara țintă ale TH39, cum ar fi alte HDAC. Cu un fenotip similar cu cel al rinichilor cultivați în condiții de deficit de fier, deferasirox și deferoxamină, inhibitorii publicati ai histone demetilazelor care conțin domeniul JumonjiC dependent de fier [50], pot prezenta efecte în afara țintei din cauza chelarii fierului. În timp ce ciproheptadina, un antagonist al histaminei și un inhibitor publicat al histon-metiltransferazei Set7/9, a afișat un fenotip unic, ducând la difuzarea populației de celule progenitoare, rezultatele suplimentare au indicat efecte în afara țintei care implică calea de semnalizare Wnt [48]. În total, această bibliotecă de inhibitori aprobați de FDA arată potențialul de screening rapid și eficient pentru modulatorii epigenetici. Datorită intervalului de timp limitat utilizat, inhibitorii care necesită expunere prelungită pentru a exercita un efect ar fi putut fi ratați în această configurație. Astfel, azacitidina nu a prezentat un efect în ciuda fenotipului publicat de knockout Dnmt1 [30].

În timp ce sistemul de cultură renală oferă o dezvoltare renală robustă, mai multe aspecte limitează investigarea sau interpretarea rezultatelor în acest model reducționist. În primul rând, studiile au arătat diferențe în dezvoltarea șoarecelui și a omului și expresia genelor, limitând utilizarea modelului de șoarece. În continuare, este posibil ca limitările de timp din acest sistem să nu permită desfășurarea tuturor proceselor complexe. Acest lucru poate explica unele dintre condițiile de mediu și inhibitorii epigenetici care nu au impact asupra dezvoltării renale în acest studiu. În plus, unii dintre inhibitori prezintă efecte nespecifice care pot contribui la inhibarea altor căi, cum ar fi în cazul ciproheptadinei, care pare să-și manifeste efectul prin activarea GSK3-beta sau în cazul chelarii fierului prin deferasirox/deferoxamină. Dincolo de acest studiu de dovadă a conceptului, ecranul inhibitorilor epigenetici ar putea fi extins la mai mulți inhibitori (specifici); perioade prelungite de timp; criterii suplimentare de studiu, cum ar fi numărul de nefron și ramificarea mugurilor ureterelor; și studii transcriptomice și epigenetice.

Pentru a rezuma, culturile de rinichi permit caracterizarea unui număr de modele de boli materne, cum ar fi hipertermia, deficitul de fier și diabetul matern, precum și screening-ul compușilor farmacologici, oferind o platformă potrivită pentru investigarea interacțiunilor dintre influențele mediului în curs de dezvoltare. rinichi și programarea sa epigenetică.

Referințe

1. Barker, DJ Originile fetale și infantile ale bolii adulte. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nephron number, hipertensiune arterială și CKD: Perspectivă fiziologică și genetică de la oameni și modele animale. Phy/sol. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDuglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hipertensiune arterială, număr glomerular și greutate la naștere la afro-americani și subiecții albi din sud-estul Statelor Unite. Rinichi Int. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Numărul de nefron la pacienţii cu hipertensiune arterială primară.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. Deficiența ușoară de vitamina A duce la deficit de nefron înnăscut la șobolan. Kidney Int.1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Expunerea fetală la o dietă maternă săracă în proteine ​​afectează nefrogeneza și promovează hipertensiunea la șobolan. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Efectele expunerii la dexametazonă asupra dezvoltării metanefrice la șobolan: studii in vitro și in vivo. Am.J. Fiziol.Renale. Physiol.2007, 293, F548-F554. [CrossRef]

8. Cain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Genetica hipoplaziei renale: Perspective asupra mecanismelor care controlează dotarea nefronului. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, Programarea pe termen lung a tensiunii arteriale prin restricția alimentară a fierului matern la șobolan. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Scurt, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Morfogeneza ramificată a ureterului alterată și dotarea nefronului la descendenții sarcinii diabetice și tratate cu insulină. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, al 3-lea; Douglas-Denton, R.; Hov, NOI; Bertram, JF Numărul glomerular și dimensiunea rinichilor de autopsie: relația cu greutatea la naștere. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Modificări ale tensiunii arteriale produse de transplantul încrucișat de rinichi între șobolani hipertensivi spontan și șobolani normotensivi. Clin. Sci. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, tehnică modificată OAA pentru cultura de organe in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6,246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Rinichiul embrionar în cultura de organe. Diferențiere 1987, 36,2-11. [CrossRef]

15. Andersen, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Febra în sarcină și riscul de moarte fetală: un studiu de cohortă. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edwards, MJ. Hipertermia ca teratogen: o revizuire a studiilor experimentale și a semnificației lor clinice. Toronto. Carcinog. Mutagen. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Revizuire sistematică și meta-analize: Febră în timpul sarcinii și impactul asupra sănătății la descendenți. 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; et al. Raportul matern de febră de la răceală sau gripă în timpul sarcinii timpurii și riscul de malformații congenitale noncardiace, National Birth Defects Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CA. Boli febrile materne, utilizarea medicamentelor și riscul de anomalii renale congenitale. Defecte congenitale Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]