Μητρικές παθήσεις και επιγενετική ρύθμιση στη νεφρική ανάπτυξη

για περισσότερες πληροφορίες:ali.ma@wecistanche.com

ΜΕΡΟΣ Ⅱ: Επιδράσεις των περιβαλλοντικών συνθηκών στον αριθμό νεφρώνα: Μοντελοποίηση της νόσου της μητέρας και επιγενετική ρύθμιση στη νεφρική ανάπτυξη

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse & et al.

Αφηρημένη

Ένας αυξανόμενος όγκος στοιχείων υποδηλώνει ότι ο χαμηλός αριθμός νεφρώνων κατά τη γέννηση μπορεί να αυξήσει τον κίνδυνο χρόνιας νεφρικής νόσου ή υπέρτασης αργότερα στη ζωή. Οι περιβαλλοντικοί στρεσογόνοι παράγοντες, όπως ο μητρικός υποσιτισμός, η φαρμακευτική αγωγή και το κάπνισμα, μπορούν να επηρεάσουν το μέγεθος του νεφρού κατά τη γέννηση. Χρησιμοποιώντας καλλιέργειες μετανεφρικών οργάνων για τη μοντελοποίηση περιβαλλοντικών συνθηκών μιας μεταβλητής, τα μοντέλα μητρικής νόσου αξιολογήθηκαν για πρότυπα αναπτυξιακής έκπτωσης. Ενώ η υπερθερμία είχε περιορισμένες επιδράσεις στη νεφρική ανάπτυξη, η ανεπάρκεια σιδήρου του εμβρύου συσχετίστηκε με σοβαρή έκπτωση της νεφρικής ανάπτυξης και νεφρογένεση με έναν πλήρως εγγύς φαινότυπο. Η καλλιέργεια μοσχευμάτων νεφρού υπό συνθήκες υψηλής γλυκόζης οδήγησε σε κυτταρικές και μεταγραφικές αλλαγές που μοιάζουν με ανθρώπινη διαβητική νεφροπάθεια. Οι βραχυπρόθεσμες συνθήκες καλλιέργειας υψηλής γλυκόζης ήταν επαρκείς για μακροπρόθεσμες αλλαγές στην επιγενετική μνήμη που σχετίζεται με τη μεθυλίωση του DNA. Τέλος, ο ρόλος των επιγενετικών τροποποιητών στη νεφρική ανάπτυξη δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας μια μικρή βιβλιοθήκη ενώσεων. Μεταξύ των επιλεγμένων επιγενετικών αναστολέων, διάφορες ενώσεις προκάλεσαν επίδραση στη νεφρική ανάπτυξη, όπως αναστολείς HDAC (entinostat, TH39), απομεθυλάση ιστόνης (deferasirox, deferoxamine) και μεθυλοτρανσφεράση ιστόνης (κυπροεπταδίνη). Έτσι, οι καλλιέργειες μετανεφρικών οργάνων παρέχουν ένα πολύτιμο σύστημα για τη μελέτη των μεταβολικών καταστάσεων και ένα εργαλείο για τον έλεγχο για επιγενετικούς τροποποιητές στη νεφρική ανάπτυξη.

Κάντε κλικ στο Cistanche στα Ουρντού για νεφρική λειτουργία

ΚΑΝΤΕ ΚΛΙΚ ΕΔΩ ΓΙΑ ΜΕΡΟΣ Ⅰ

3. Συζήτηση

Η νεφρική ανάπτυξη λαμβάνει χώρα κυρίως στη μήτρα και υπόκειται σε παρεμβολές από μεταβολικές και περιβαλλοντικές επιδράσεις. Ο αριθμός των νεφρώνων προσδιορίζεται κατά τη γέννηση και ένας αυξανόμενος αριθμός στοιχείων υποδηλώνει ότι ο χαμηλός αριθμός νεφρώνων αποτελεί παράγοντα κινδύνου για την ανάπτυξη υπέρτασης και χρόνιας νεφρικής νόσου αργότερα στη ζωή [2-4,60]. Ωστόσο, πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τον αριθμό των νεφρώνων και τους τρόπους δράσης είναι ακόμα άγνωστοι. Εδώ, εμβρυϊκοί νεφροί από ποντίκια αναφοράς διπλού φθορισμού που καλλιεργήθηκαν σε ένθετα Transwell χρησιμοποιήθηκαν για τη μοντελοποίηση των μεταβολικών καταστάσεων της μητέρας και την εξέταση επιγενετικών αναστολέων.

Ενώ πολλές μελέτες τώρα περιλαμβάνουν οργανοειδή νεφρού χρησιμοποιώντας ανθρώπινα κύτταρα iPS [61], οι καλλιέργειες νεφρών είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για λεπτομερή ανάλυση φαινοτύπων που προκαλούνται από μεταβολικές καταστάσεις ή ανασταλτικούς παράγοντες. Ενώ οι καλλιέργειες προγονικών κυττάρων και τα οργανοειδή νεφρού είναι εναλλακτικές λύσεις με σημαντικές δυνατότητες για έρευνες τερατογένεσης, υπόκεινται σε περιορισμούς, όπως υψηλή μεταβλητότητα στη διαφοροποίηση και ανάπτυξη και έλλειψη συμβατικής δομής οργάνων. Αυτό καθιστά τη μετανεφρική καλλιέργεια οργάνων μια πολύτιμη εναλλακτική για τη διερεύνηση συνθηκών που δεν θα ήταν εφικτές in vivo.

Έτσι, η υπερθερμία και η ανεπάρκεια σιδήρου παρέχουν δύο παραδείγματα διερεύνησης περιβαλλοντικών συνθηκών με διαφορετικά αποτελέσματα στη νεφρική ανάπτυξη και τον αριθμό των νεφρώνων. Ενώ τα δεδομένα για την επίδραση της υπερθερμίας στη νεφρική ανάπτυξη είναι σπάνια, η επίδραση του ex vivo περιορισμού σιδήρου είναι σύμφωνη με προηγούμενες αναφορές μητρικής ανεπάρκειας σιδήρου σε αρουραίους [23.24] αν και το μοντέλο είναι περιορισμένο στην αναπαραγωγή της ακριβούς κατάστασης in utero όσον αφορά συγκέντρωση και κινητική σιδήρου. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν επίσης ότι η μιτωτική δραστηριότητα μειώνεται σε κατάσταση περιορισμού σιδήρου. Ο σίδηρος παίζει ουσιαστικό ρόλο σε πολλές κυτταρικές διεργασίες, όπως ο κυτταρικός κύκλος [62]. Η μορφολογική μας ανάλυση έδειξε έναν πλήρως εγγύς φαινότυπο διαφοροποίησης νεφρώνων, πιθανώς ως αποτέλεσμα της αναστολής της κανονικής σηματοδότησης Wnt. Εκτεταμένη υπορρύθμιση των γονιδίων που σχετίζονται με τη σηματοδότηση Wnt έχει προηγουμένως αναφερθεί σε μια ανάλυση μικροσυστοιχιών απογόνων αρουραίων που εκτέθηκαν σε μητρική ανεπάρκεια σιδήρου [63]. Μηχανιστικά, η ενδοκυτταρική εξάντληση σιδήρου από χηλικούς παράγοντες έχει αποδειχθεί ότι επάγει πρωτεασωμική αποικοδόμηση της -κατενίνης, της κύριας κατάντη πρωτεΐνης τελεστή της κανονικής οδού Wnt στον καρκίνο και στα νευρικά προγονικά κύτταρα [64,65].

Ως άλλη μεταβολική πάθηση, η μοντελοποίηση της έκθεσης σε υψηλή γλυκόζη είχε ως αποτέλεσμα αποτελέσματα παρόμοια με εκείνα του in vivo μητρικού διαβήτη που προκαλείται από στρεπτοζοτοκίνη[10,26,27,66-71]. Ενώ το μοντέλο μας δεν μπορούσε να αναπαράγει τα αποτελέσματα των συνθηκών γλυκόζης 30 mM, πιθανότατα λόγω της προηγουμένως αναφερθείσας επιρροής του υποβάθρου του ποντικού [28,72], οι συνθήκες γλυκόζης 55 mM είχαν ως αποτέλεσμα μείωση της ανάπτυξης και μειωμένους αριθμούς νεφρώνων. Οι έντονες αλλαγές ήταν ορατές ιστολογικά και υπερδομικά στα σπειράματα, με την επέκταση της σπειραματικής βασικής μήτρας να μοιάζει με ανθρώπινη διαβητική νεφροπάθεια. Οι ομοιότητες μεταξύ της νεφρικής απόκρισης εμβρύου ποντικού και ενήλικα ανθρώπου σε υψηλή γλυκόζη με διακριτή επέκταση ECM και μείωση των βασικών γονιδίων των ποδοκυττάρων ήταν εντυπωσιακές και αποκάλυψαν πολλά γνωστά γονίδια που σχετίζονται με τον διαβήτη, υποδεικνύοντας τη χρήση παρόμοιων μηχανισμών στα ποδοκύτταρα και τα σωληνάρια. Ωστόσο, είναι μέχρι στιγμής άγνωστο εάν οι ίδιες υποκείμενες οδοί οδηγούν σε αποδιαφοροποίηση στη διαβητική νεφροπάθεια και μείωση της διαφοροποίησης κατά τη διάρκεια της διαφοροποίησης του εμβρύου. Είναι ενδιαφέρον ότι αλλοιώσεις μη γλυκόζης στο διαβητικό περιβάλλον, όπως η υπερκετοναιμία, έχει επίσης αποδειχθεί ότι μεσολαβούν στην τερατογένεση, αλλά δεν αναπαράχθηκαν στο μοντέλο καλλιέργειας νεφρού [73,74]. Οι μακροπρόθεσμες επιδράσεις της υπεργλυκαιμίας ήταν επίσης αναπαραγώγιμες στο μοντέλο μας, παρουσιάζοντας συνεχή επιβράδυνση της ανάπτυξης μετά την ομαλοποίηση της γλυκαιμίας παρόμοια με προηγούμενες αναφορές [10]. Επιπλέον, η ανάλυση μεθυλίωσης DNA αποκάλυψε παρατεταμένη υπομεθυλίωση DNA σε επαναλαμβανόμενες περιοχές και υπερμεθυλίωση στον τόπο Ppargcla μετά από αναστροφή σε μέσο χαμηλής γλυκόζης, υποδεικνύοντας το σχηματισμό μεταβολικής μνήμης μετά από μια περίοδο μεταβολικού στρες [30]. Πολλά περισσότερα από τα διαφορικά ρυθμιζόμενα γονίδια έχουν επίσης αποδειχθεί προηγουμένως ότι ρυθμίζονται επιγενετικά στον διαβήτη. Για παράδειγμα, το γονίδιο MEST που ρυθμίζεται προς τα πάνω αποτυπώνεται στη μητέρα και υπομεθυλιώνεται στον σακχαρώδη διαβήτη κύησης[75]. Το S100A4 είναι ένας διαφορικά μεθυλιωμένος δείκτης αντίστασης στην ινσουλίνη σε παχύσαρκα παιδιά [76]. Από τα γονίδια που ρυθμίζονται προς τα κάτω, το ESM1 και το RASGRP3 είναι παραδείγματα γονιδίων που διαφοροποιούνται μεθυλιωμένα στον διαβήτη κύησης [77,78], δείχνοντας την αυξανόμενη εμφάνιση δεσμών μεταξύ του διαβήτη και της επιγενετικής ρύθμισης. Έτσι, το σύστημά μας αναδεικνύει την επιγενετική τροποποίηση ή τον εμβρυϊκό προγραμματισμό ως σημαντικό ρυθμιστικό μηχανισμό.

Αρκετά επιγενετικά ρυθμιστικά ένζυμα είναι γνωστό ότι εμπλέκονται τόσο στη νεφρική μορφογένεση όσο και στη μεταγραφική ρύθμιση στη λειτουργία και τη νόσο των οργάνων των ενηλίκων [30,40,79-81]. Χρησιμοποιώντας καλλιέργειες νεφρών ως εργαλείο διαλογής, αναζητήσαμε πρόσθετους επιγενετικούς τροποποιητές που παίζουν ρόλο στη νεφρική ανάπτυξη και τη μορφογένεση νεφρώνων. Η εντινοστάτη (MS{3}}) μείωσε το μέγεθος του νεφρού σε συμφωνία με προηγουμένως αναφερθείσα γενετική διαγραφή των HDAC1 και HDAC2 είτε σε προγονικά κύτταρα νεφρώνα είτε σε κύτταρα ουρητηρικού οφθαλμού[44,82,83]. Ενώ η αναστολή του HDAC8 από το TH39 προκάλεσε επίσης σοβαρή μείωση της ανάπτυξης του εκφυτεύματος και έλλειψη διαφοροποίησης, ο εξαιρετικά ειδικός αναστολέας HDAC8 PCI-34051δεν έδειξε κανένα αποτέλεσμα, υποδεικνύοντας έτσι επιδράσεις εκτός στόχου του TH39, όπως άλλα HDAC. Με φαινότυπο παρόμοιο με αυτόν των νεφρών που καλλιεργούνται υπό συνθήκες ανεπάρκειας σιδήρου, το deferasirox και η deferoxamine, οι δημοσιευμένοι αναστολείς των εξαρτώμενων από το σίδηρο JumonjiC απομεθυλασών ιστόνης [50], μπορεί να εμφανίζουν επιδράσεις εκτός στόχου λόγω χηλίωσης σιδήρου. Ενώ η κυπροεπταδίνη, ένας ανταγωνιστής ισταμίνης και δημοσιευμένος αναστολέας της μεθυλτρανσφεράσης ιστόνης Set7/9, εμφάνισε έναν μοναδικό φαινότυπο οδηγώντας στη διάχυση του πληθυσμού των προγονικών κυττάρων, πρόσθετα αποτελέσματα έδειξαν επιδράσεις εκτός στόχου που περιλαμβάνουν το μονοπάτι σηματοδότησης Wnt [48]. Συνολικά, αυτή η βιβλιοθήκη εγκεκριμένων από το FDA αναστολέων δείχνει τη δυνατότητα για γρήγορο και αποτελεσματικό έλεγχο για επιγενετικούς ρυθμιστές. Λόγω του περιορισμένου χρονικού πλαισίου που χρησιμοποιείται, οι αναστολείς που απαιτούν παρατεταμένη έκθεση για να ασκήσουν ένα αποτέλεσμα ενδέχεται να έχουν παραλειφθεί σε αυτήν τη ρύθμιση. Έτσι, η αζακυτιδίνη δεν έδειξε επίδραση παρά τον δημοσιευμένο φαινότυπο Dnmt1 knockout [30].

Ενώ το σύστημα καλλιέργειας νεφρού προσφέρει ισχυρή νεφρική ανάπτυξη, αρκετές πτυχές περιορίζουν τη διερεύνηση ή την ερμηνεία των αποτελεσμάτων σε αυτό το αναγωγικό μοντέλο. Πρώτον, οι μελέτες έχουν δείξει διαφορές στην ανάπτυξη ποντικού και ανθρώπου και στην έκφραση γονιδίων, περιορίζοντας τη χρήση του μοντέλου ποντικιού. Στη συνέχεια, οι χρονικοί περιορισμοί σε αυτό το σύστημα ενδέχεται να μην επιτρέπουν την ανάπτυξη όλων των πολύπλοκων διεργασιών. Αυτό μπορεί να ευθύνεται για ορισμένες από τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τους επιγενετικούς αναστολείς που αποτυγχάνουν να επηρεάσουν τη νεφρική ανάπτυξη σε αυτή τη μελέτη. Επιπλέον, ορισμένοι από τους αναστολείς εμφανίζουν μη ειδικές επιδράσεις που μπορούν να συμβάλουν στην αναστολή άλλων οδών, όπως στην περίπτωση της κυπροεπταδίνης, η οποία φαίνεται να εκδηλώνει την επίδρασή της μέσω ενεργοποίησης του GSK3-βήτα ή στην περίπτωση της χηλίωσης του σιδήρου από deferasirox/deferoxamine. Πέρα από αυτή τη μελέτη απόδειξης της ιδέας, η εξέταση επιγενετικών αναστολέων θα μπορούσε να επεκταθεί σε περισσότερους (ειδικούς) αναστολείς. παρατεταμένες χρονικές περιόδους· πρόσθετα κριτήρια μελέτης, όπως ο αριθμός νεφρώνων και η διακλάδωση του ουρητηρικού οφθαλμού. και μεταγραφικές και επιγενετικές μελέτες.

Συνοψίζοντας, οι καλλιέργειες νεφρών επιτρέπουν τον χαρακτηρισμό μιας σειράς μοντέλων μητρικής νόσου, όπως η υπερθερμία, η έλλειψη σιδήρου και ο μητρικός διαβήτης, καθώς και ο έλεγχος φαρμακολογικών ενώσεων, παρέχοντας μια κατάλληλη πλατφόρμα για τη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των περιβαλλοντικών επιδράσεων του αναπτυσσόμενου ο νεφρός και ο επιγενετικός του προγραμματισμός.

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Barker, DJ Η εμβρυϊκή και βρεφική προέλευση της νόσου των ενηλίκων. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, αριθμός MR Nephron, υπέρταση και CKD: Φυσιολογική και γενετική γνώση από μοντέλα ανθρώπων και ζώων. Phy/έδαφος. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Υπέρταση, σπειραματικός αριθμός και βάρος γέννησης σε Αφροαμερικανούς και λευκά άτομα στις νοτιοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες. Kidney Int. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, Ε.; Amann, K. Nephron αριθμός σε ασθενείς με πρωτοπαθή υπέρταση.N.Engl.I. Med. 2003, 348, 101-108. [CrossRef] [PubMed]

5. Lelievre-Pegorier,M; Vilar, J.; Ferrier, ML; Moreau, Ε.; Freund, NGilbert, Τ.; Merlet-Benichou, C. Ήπια ανεπάρκεια βιταμίνης Α οδηγεί σε εγγενές έλλειμμα νεφρώνων στον αρουραίο. Kidney Int.1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Η έκθεση του εμβρύου σε μια μητρική δίαιτα χαμηλή σε πρωτεΐνη βλάπτει τη νεφρογένεση και προάγει την υπέρταση στον αρουραίο. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Επιδράσεις της έκθεσης στη δεξαμεθαζόνη στη μετανεφρική ανάπτυξη επίμυων: Μελέτες in vitro και in vivo. Am.J. Physiol.Νεφρική. Physiol.2007, 293, F548-F554. [CrossRef]

8. Cain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Γενετική της νεφρικής υποπλασίας: Πληροφορίες για τους μηχανισμούς που ελέγχουν την παροχή νεφρώνων. Παιδιατρ. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Λούις. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, Μακροπρόθεσμος προγραμματισμός της αρτηριακής πίεσης με περιορισμό της διατροφής της μητέρας σε σίδηρο στον αρουραίο. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Σύντομη, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LAA Αλλοιωμένη μορφογένεση διακλάδωσης ουρητήρα και προικισμό νεφρώνων σε απογόνους διαβητικής και ινσουλινοθεραπευμένης εγκυμοσύνης. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, Μ; Farris, AB, 3rd; Douglas-Denton, R.; Hov, WE; Bertram, JF Σπειραματικός αριθμός και μέγεθος στους νεφρούς αυτοψίας: Η σχέση με το βάρος γέννησης. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Αλλαγές της αρτηριακής πίεσης που προκαλούνται από διασταυρούμενη μεταμόσχευση νεφρού μεταξύ αυθόρμητα υπερτασικών αρουραίων και φυσιολογικών αρουραίων. Clin. Sci. ΜοΙ. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, τροποποιημένη τεχνική OAA για καλλιέργεια οργάνων in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6, 246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, Ε. Εμβρυϊκός νεφρός σε καλλιέργεια οργάνων. Differentiation 1987, 36,2-11. [CrossRef]

15. Andersen, AM; Vastrup, Ρ.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Fever στην εγκυμοσύνη και κίνδυνος εμβρυϊκού θανάτου: Μια μελέτη κοόρτης. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edwards, MJ. Η υπερθερμία ως τερατογόνο: μια ανασκόπηση πειραματικών μελετών και η κλινική τους σημασία. Τορόντο. Καρκινογόνα. Μεταλλαξιογόνο. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Συστηματική ανασκόπηση και μετα-αναλύσεις: Πυρετός στην εγκυμοσύνη και επιπτώσεις στην υγεία στους απογόνους. Παιδιατρική 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. Μητρική αναφορά πυρετού από κρυολόγημα ή γρίπη κατά την πρώιμη εγκυμοσύνη και τον κίνδυνο για μη καρδιακές συγγενείς ανωμαλίες, National Birth Defects Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, Κ; Honein, MA; Moore, CA Μητρικές εμπύρετες ασθένειες, χρήση φαρμάκων και κίνδυνος συγγενών νεφρικών ανωμαλιών. Γεννητικές Ανωμαλίες Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]