MicroARN în dezvoltarea rinichilor și boli Ⅱ

Dezvoltarea rinichilor

Therinichi de mamifere(sau metanefros) este un organ vital care joacă un rol critic înexcreția deșeurilor metabolice,reglarea volumului lichidului extracelular, șiîntreținerea electrolituluișihomeostazia acido-bazică. În plus, rinichiul produce hormoni importanți, precumeritropoietina, calcitriol,renina, șiprostaglandine(48). Capacitatea funcțională a rinichilor se corelează cu numărul de nefroni funcționali care se formează în timpul dezvoltării rinichilor înainte de naștere, denumită și dotare nefronică. Fiecare rinichi uman conține în medie 1,000,000 nefroni, deși acest număr variază considerabil, cu estimări variind de la 200,000 la 2,000,{{8 }} nefroni (49, 50). Cuîmbătrânire,pierderea rezervei funcționale de nefronapare în timp (51, 52); prin urmare, dotarea scăzută de nefron la naștere este asociată cu un risc crescut de a dezvolta hipertensiune arterială și boală renală cronică (IRC) mai târziu în viață (53–55). Mai mult, CAKUT, care duce la scăderea dotării nefronilor și a funcției nefronului, este principala cauză a insuficienței renale la copii, având ca rezultat o morbiditate și mortalitate semnificativă asociate cu transplant și dializă (56, 57). Astfel, o mai bună înțelegere a mecanismelor celulare și moleculare care stau la baza stabilirii numărului de nefron și a formării normale a nefronului oferă informații despre noi căi de a prezice, preveni și trata boala renală a copilăriei.

CÂT TIMP TREBUIE PENTRU CISTANCĂ PENTRU PACIENȚI CU BOLĂRI DE RINCHI?

Dezvoltarea rinichilor metanefriciîncepe în jurul zilei embrionare 10,5 (E10,5) la șoareci și în jurul celei de-a cincea săptămâni de gestație la om (58). Ca răspuns la semnalele inductive de la mezenchimul metanefric, mugurele ureter se extinde de la capătul caudal al ductului Wolffian și invadează mezenchimul adiacent (Figura 2). Simultan, morfogenii care emană din mugurele ureter induc condensarea mezenchimului metanefric pentru a forma mezenchimul capac (numit și progenitori de nefron) în jurul vârfurilor mugurelui ureter. Pe măsură ce nefrogeneza progresează, mugurele ureteral suferă runde succesive de ramificare, alungire și diferențiere pentru a genera canalele colectoare ale rinichiului. O subpopulație de progenitori de nefron suferă tranziția mezenchimato-epitelială pentru a forma vezicule renale, care după polarizare și alungire devin structuri corporale în formă de virgulă și S. În cele din urmă, porțiunea distală a corpului în formă de S fuzionează cu canalul colector pentru a forma un nefron funcțional (59-61). Corpul în formă de S suferă o diferențiere suplimentară pentru a forma tipurile de celule mature ale nefronului, în afară de canalul colector. Celulele progenitoare Foxd1+ stromale sunt adiacente progenitorilor de nefroni în zona corticală exterioară sau nefrogenă a rinichiului în curs de dezvoltare (Figura 2) (62). Semnalele de la stroma corticală se crede că inhibă expansiunea celulelor progenitoare de nefron și stimulează diferențierea acesteia, deoarece ablația stromei renale are ca rezultat o diferențiere afectată a progenitoarelor de nefroni (63). Celulele progenitoare Foxd1+ dau naștere la toate celulele stromale din rinichiul metanefric, inclusiv celulele interstițiale corticale și medulare renale, pericitele, fibroblastele perivasculare, celulele mezangiale și celulele musculare netede vasculare (64, 65). Perturbațiile în orice pas a acestui proces pot duce la CAKUT, cauza majoră a IRC în copilărie (66, 67).

Nefronul matur este compus dintr-un glomerulus care acționează ca unitate de filtrare și un compartiment de sorbție tubular din spate care este subdivizat într-un tubul contort proximal, o ansă de Henle, un tub contort distal și un canal colector (Figura 2). Bariera de filtrare a glomerulului (care cuprinde endoteliul fenestrat, membrana bazală glomerulară, procesele piciorului și diafragmele fante ale podocitelor) permite filtrarea plasmei și a substanțelor dizolvate mici, reținând în același timp în mod selectiv proteine ​​precum albumina și imunoglobulinele în sânge (68, 69). Între timp, compartimentul tubular de reabsorbție este responsabil pentru menținerea homeostaziei apei, reabsorbția substanțelor dizolvate (inclusiv sodiu, potasiu, calciu, fosfor, magneziu, glucoză și multe altele) și excreția de acid și alte deșeuri.

MiRNA în rinichiul în curs de dezvoltare

În studiile efectuate pe șoareci transgenici condiționati, miARN-urile au apărut ca regulatori critici ai morfogenezei rinichilor în mai multe linii celulare. Studiile inițiale de evaluare a rolului funcțional al miARN-urilor în dezvoltarea rinichilor au utilizat ștergerea condiționată a lui Dicer (70) în diferite linii renale. Cu toate acestea, Dicer este, de asemenea, cunoscut că are roluri independente de miARN (71), ceea ce a complicat interpretarea acestor modele. Ștergerea condiționată a lui Dicer în mezenchimul metanefric timpuriu sau în progenitorii nefronilor are ca rezultat apoptoza crescută a progenitorilor nefronilor, niveluri crescute ale proteinei proapoptotice Bim și încetarea prematură a nefrogenezei (72-75) (Tabelul 1). Interesant este că pierderea exprimării Bim la progenitorii nefronului cu deficit de Dicer scade apoptoza și restabilește parțial formarea nefronului. Două miARN-uri exprimate în progenitorii de nefron, miR-17 și miR{-106, au fost identificați ca supresori ai expresiei BIM (76). Împreună, aceste constatări indică faptul că miARN-urile controlează echilibrul dintre supraviețuire și apoptoză la progenitorii de nefroni pentru a asigura formarea unui număr corect de nefroni pe parcursul nefrogenezei.

Figura 2. Ilustrare schematică a etapelor dezvoltării rinichilor metanefrici. Semnalele de la mugurii ureterului declanșează condensarea mezenchimului metanefric pentru a forma un capac de progenitori de nefron (mezenchim capac) în jurul vârfurilor mugurilor ureterului. Mezenchimul capacului suferă o tranziție mezenchimato-epitelială pentru a forma vezicule renale, care se dezvoltă secvenţial în corpi în formă de virgulă şi S. Aceste structuri se conectează la tulpina mugurelui ureter, care dă naștere canalului colector. Celulele din domeniul proximal al corpului în formă de S se diferențiază în celule epiteliale specializate ale corpusculului renal matur (adică podocite și celulele capsulei Bowman), în timp ce celulele din porțiunile medii și distale se diferențiază în segmentele tubulare ale nefronului (tubuli proximali). , anse de Henle și tubii distali). Creat cu BioRender.com.

Ștergerea condiționată a lui Dicer în descendența mugurilor ureterului are ca rezultat un spectru de anomalii care seamănă puternic cu CAKUT, inclusiv displazia renală și dezvoltarea chisturilor ductului colector (73, 77, 78). Terminarea prematură a morfogenezei ramificate (ca răspuns la scăderea expresiei Wnt11 și c-Ret din mugurele ureteral) este probabil factorul major care contribuie la displazia renală (73). Debutul formării chistului are loc în jurul valorii de E15,5 și este asociat cu defecte ale lungimii cililor primari, creșterea morții celulare apoptotice și proliferarea excesivă a celulelor (73). Deoarece Dicer are roluri importante independente de miARN în celulă, ștergerea condiționată a Dgcr8 a fost utilizată pentru a confirma că fenotipurile observate în modelele condiționale Dicer-knockout sunt într-adevăr rezultatul pierderii miARN-urilor. Animalele cu deleție Dgcr8 în nefronul distal și derivați ai canalului colector dezvoltă hidronefroză și chisturi ale canalului colector (79), un fenotip asemănător CAKUT care seamănă cu pierderea activității Dicer în descendența mugurilor ureteri.

Studiile din două grupuri independente au demonstrat că ablația lui Dicer din linia stromei renale Foxd1+ și derivații săi are ca rezultat un spectru de anomalii renale, cu constatări consecvente privind rinichii hipoplazici, numărul glomerular redus, maturarea glomerulară anormală și defecte vasculare. modelare (80, 81). Deși ambele grupuri au descris fenotipuri în mare măsură concordante folosind modele similare de șoarece, au fost observate două diferențe distincte. Nakagawa și colab. a observat o lipsă a medulului intern și a papilei, precum și o scădere a zonei nefrogenice (80). În contrast, Phua și colab. a arătat o expansiune a populației progenitoare de nefron și papila renală conservată (81). Nakagawa și colab. a propus că aceste defecte sunt legate de întreruperea semnalizării căii Wnt, ducând la modificări în migrarea și proliferarea celulelor stromale, datorită reglării în jos a miARN-urilor celulelor stromale, miR-214, miR-199a{{7 }}p și miR-199a-3p (80). Studiul lui Phua et al. a sugerat că modificările în programele apoptotice (inclusiv expresia augmentată a genelor efectoare Bim și p53) contribuie la defecte fenotipice (81). Este de imaginat că diferențele genetice de fond și/sau eficiența recombinării mediate de Cre ar putea fi responsabile pentru diferențele descrise de aceste studii. Cu toate acestea, fenotipurile descrise sunt în concordanță cu rolurile multifațetate cunoscute ale stromei renale în dezvoltarea rinichilor, iar mecanismele care stau la baza acestor fenotipuri sunt probabil complexe, având în vedere natura unei ștergeri Dicer. Sunt necesare studii suplimentare care examinează miARN-uri specifice în diferite subpopulații stromale pentru a defini mai bine mecanismele de reglementare în joc.

Lucrări mai recente au abordat problema funcției miARN-urilor specifice atât în ​​progenitorii rinichi în curs de dezvoltare, cât și în nefronii. Folosind un model de celule stem embrionare umane, Bantounas et al. a arătat că inhibarea clusterului miR-199a~214 are ca rezultat glomeruli dismorfi, tubuli proximali aberanți, scăderea expresiei WT1 și creșterea capilarelor interstițiale în organoide asemănătoare rinichilor (82). Interesant este că ștergerea globală a miR -210 care răspunde la hipoxie are ca rezultat un deficit de nefron specific masculin (83). De exemplu, ștergerea condiționată a grupului miR-17~92 la progenitorii de nefroni și derivații acestora la șoareci afectează proliferarea celulelor progenitoare și reduce numărul de nefroni în curs de dezvoltare. Ca rezultat, șoarecii mutanți dezvoltă proteinurie, fibroză renală și funcție renală afectată (84). Nivelurile dereglate ale genei țintă miR{-17~92, CFTR, sunt implicate în proliferarea defectuoasă a celulelor progenitoare și în dotarea redusă de nefron în acest model de șoarece (85).

Secvențierea ARN mic (smRNA-Seq) a fost din ce în ce mai folosită pentru a profila modelele de expresie a miARN și pentru descoperirea de noi specii de miARN. smRNA-Seq al celulelor mezenchimale nefrogenice E15.5 a identificat 162 de miARN-uri adnotate care sunt exprimate diferențial în această populație de celule în comparație cu rinichi întregi și 49 de specii noi de miARN (86). În mod interesant, nivelurile de miARN din familia miR-200 au fost reduse semnificativ la progenitorii de nefroni. Având în vedere că membrii familiei miR-200 sunt regulatori cheie ai tranziției mezenchimato-epiteliale în canalul colector (87), speculăm că expresia lor ar putea fi strâns reglată pentru a asigura diferențierea epitelială normală a progenitorilor nefronilor în timpul dezvoltării rinichilor.

Funcția MiARN în nefronul matur

În plus față de cerințele lor în timpul dezvoltării rinichilor, miARN-urile reglează numeroase procese biologice în liniile celulare majore care formează nefronul matur (69, 88-91). În conformitate cu aceasta, a fost descrisă expresia specifică segmentului a miARN-urilor de-a lungul nefronului, inclusiv miR-143 și miR-195a în glomerul, miR-107 și miR{{7} }a în tubul proximal, miR-193 și miR-378a în membrul ascendent gros, miR{-874 și miR{-155 în tubul contort distal și miR{{ 12}}c în canalul colector (87). Mai mult, studiile funcționale în compartimentele nefronului matur susțin roluri distincte pentru miARN.

Șoarecii care nu au Dicer sau Drosha în podocite prezintă proteinurie marcată, glomeruloscleroză și progresie rapidă către insuficiență renală, secundară perturbării barierei de filtrare glomerulară (90-93). Analizele in silico au evidențiat că diferite transcrieri reglate în sens în sus din glomeruli mutanți conțin secvențe țintă pentru membrii familiei miR-30. Ca toți cei patru membri ai familiei miR-30 (miR{-30c{-1, miR{-30b, miR{-30d și miR{-30c{ {9}}) sunt în mod normal foarte exprimate în podocite, acești miARN pot fi responsabili pentru anomaliile podocitelor și întreruperea barierei de filtrare glomerulară la șoarecii mutanți (91).

În mod oarecum surprinzător, deleția lui Dicer din tubii proximali de mamifere postnatali nu afectează dezvoltarea, histologia sau funcția rinichilor, dar protejează împotriva ischemiei renale/leziunilor de reperfuzie. Șoarecii mutanți prezintă o funcție renală mai bună, leziuni renale reduse, apoptoză tubulară mai scăzută și supraviețuire îmbunătățită în comparație cu tovarășii lor WT (94). Acest lucru reflectă probabil „suma” efectului ștergerii mai multor miARN în tubul proximal, deoarece alte lucrări au demonstrat de atunci că expresia miARN-urilor specifice este protectoare în ischemia renală/leziunea de reperfuzie (de exemplu, miR-16 și miR-21 ref. 95, 96); în timp ce altele sunt dăunătoare (de exemplu, miR-182; ref. 97).

Deși miARN-urile par a fi dispensabile pentru funcția tubului proximal, ele sunt esențiale pentru nefronii distali și homeostazia canalului colector (79, 88, 98). Colectarea inactivarii specifice ductului a Dicer și a altor gene critice asociate cu biogeneza miARN (inclusiv Dgcr8, Ago1, 2, 3 și 4) cauzează insuficiență renală la șoarecii adulți din cauza fibrozei tubulointerstițiale progresive și a inflamației interstițiale (88). Aceasta este precedată de o tranziție parțială epitelial-mezenchimală (EMT) a celulelor ductului colector și de reglarea descendentă a membrilor familiei miR-200, care inhibă EMT (88). De asemenea, ablația fie a Dicer, fie a Dgcr8 din derivații de nefron distal și, respectiv, mugure ureter, are ca rezultat anomalii renale și insuficiență renală (78, 98), care sunt în cele din urmă asociate cu reglarea descendentă a membrilor familiei miR-200 (98). Expresia crescută a genei țintă miR-200 Pkd1 la acești șoareci mutanți perturbă tubulogeneza și produce structuri asemănătoare chistului (98). Aceste diferențe în cerința de miARN funcționali în tubii proximali și nefronul distal/canalul colector ar putea fi explicate prin distribuția segmentară a miARN-urilor de-a lungul lungimii nefronului și a canalului colector în rinichii WT (88).

Eliminarea lui Dicer în celulele secretoare de renină din aparatul juxtaglomerular are ca rezultat un deficit de celule juxtaglomerulare, scăderea nivelului circulant de renină cu scăderea consecventă a tensiunii arteriale, scăderea funcției renale, modelul în dungi de fibroză interstițială și anomalii vasculare (89). Reducerea celulelor juxtaglomerulare sugerează o cerință pentru miARN maturi în menținerea fenotipului lor. Mai târziu, miR-330 și miR-125b{-5p au fost identificați ca potențiali candidați care fie inhibă, fie promovează, respectiv, fenotipul muscular neted al celulelor juxtaglomerulare (99).

Alte domenii active de cercetare privind miRNA-urile în leziunile renale acute (8-10), boala polichistică de rinichi (11) și transplantul de rinichi (10), au fost abordate cuprinzător în alte recenzii recente.

MiRNA-urile în bolile renale pediatrice În această secțiune, oferim o privire de ansamblu asupra rolului miARN-urilor în bolile renale de dezvoltare, inclusiv tumorile CAKUT și Wilms. CAKUT sunt printre cele mai frecvente forme de malformații la naștere, afectând aproximativ 3-7 din 1000 de născuți vii (100). Perturbarea dezvoltării rinichilor și a tractului urinar inferior duce la un spectru larg de manifestări clinice observate în CAKUT, inclusiv anomalii renale (de exemplu, ageneză renală, hipoplazie și displazie renală și rinichi displazici multichistici), anomalii ureteropelviene (de exemplu, obstrucție a joncțiunii ureteropelvine), sistem de colectare duplex și anomalii ale vezicii urinare și uretrei (101–103). Această eterogenitate fenotipică se datorează probabil interacțiunilor complexe dintre factorii de mediu genetici, epigenetici și/sau prenatali care afectează dezvoltarea rinichilor și a tractului urinar inferior, rezultând CAKUT (101). Majoritatea cunoștințelor noastre actuale despre patogeneza CAKUT au apărut din modelele de șoarece și formele sindromice ale CAKUT. Aceste studii au condus la identificarea mai multor gene CAKUT, dintre care multe sunt implicate în dezvoltarea timpurie a rinichilor, inclusiv PAX2, SALL1, HNF1B, EYA1, GATA3, RET, WNT4, GDNF, SIX1, SIX2 și altele (101, 104, 105). Cu toate acestea, mutațiile unice sau variantele de număr de copii în genele care codifică proteine ​​nu explică majoritatea cazurilor de CAKUT (~80%) (101, 106).

După cum s-a menționat mai sus, epuizarea miARN-urilor maturi din diferite linii celulare ale rinichiului în curs de dezvoltare în modelele de șoarece are ca rezultat anomalii renale care imită CAKUT uman (73, 74, 78, 79). În plus, ștergerile liniei germinale ale MIR17HG, care codifică clusterul miR-17~92, cauzează sindromul Feingold de tip 2 la oameni (107). Deși un fenotip renal la pacienții cu sindrom Feingold de tip 2 cu mutații MIR17HG rămâne nedefinit, o incidență de 18% a CAKUT a fost raportată în cazurile cu sindrom Feingold asociate cu mutații MYCN (108, 109). Împreună, aceste observații sugerează că mutațiile în miARN-uri exprimate în timpul dezvoltării rinichilor ar putea provoca CAKUT la oameni, în special deoarece multe miARN-uri sunt foarte conservate între șoareci și oameni.

Pentru a testa această ipoteză, un studiu a investigat 1248 de pacienți cu CAKUT non-syndromic din 980 de familii și a căutat mutații în 96 de regiuni stem-loop din 73 de gene miARN de dezvoltare renală (106). În cadrul acestei cohorte, au fost identificați 31 de indivizi cu 17 variante de nucleotidă unică diferite care afectează 16 gene miARN diferite. Printre acestea, două variante noi ale miARN-urilor s-au dovedit a fi potențial patogene. MIR19B1 (un membru al grupului miR-17~92) a fost asociat cu prezența agenezei renale drepte, iar MIR99A a fost asociat cu reflux vezicoureteral sever și ptoză renală. Acest număr surprinzător de scăzut de variante patogene candidate se datorează parțial limitărilor acestui studiu, deoarece analiza a luat în considerare doar mutațiile genelor miARN care au fost incluse în abordarea genei candidate și nu a detectat variații ale numărului de copii și rearanjamente mari ADN (106) .

Într-o abordare alternativă, segmentele de ureter de la pacienți cu o varietate de CAKUT au fost analizate pentru expresia diferențială a transcripției prin microarray, pentru prezența țintelor miARN prezise bioinformatic și miARN-urile mature prin qPCR (110). Folosind această abordare pe mai multe direcții, șapte miARN au fost identificați cu roluri potențiale în CAKUT și, printre acestea, has-miR-144 a fost semnificativ crescut la pacienții cu CAKUT. Analiza ontologiei genelor a indicat că genele țintă prezise has-miR-144 contribuie la procesele biologice implicate în dezvoltarea CAKUT, inclusiv dezvoltarea tubului (22 de gene țintă), dezvoltarea sistemului urogenital (18 gene țintă), dezvoltarea rinichilor (14 gene țintă) și dezvoltarea organelor embrionare (18 gene țintă) (110).

Sunt necesare studii suplimentare pentru a defini mecanismele moleculare care stau la baza rolurilor patogenice ale miARN-urilor în CAKUT. Constatările din astfel de studii vor fi esențiale în îmbunătățirea îngrijirii pacienților cu CAKUT și prevenirea progresiei lor către CKD, oferind consiliere genetică adecvată pentru pacienți și familiile lor și dezvoltarea de noi strategii terapeutice.