Das aus Darmmikroben stammende Metabolit Trimethylamin-N-Oxid aktiviert PERK und treibt so die fibrogene mesenchymale Differenzierung voran

DarmmikrobiomEndothel-mesenchymaler ÜbergangFibroseFMO3Myofibroblasten-Differenzierung

Das aus Darmmikroben stammende Metabolit Trimethylamin-N-Oxid aktiviert PERK und treibt so die fibrogene mesenchymale Differenzierung voran

Warum das für Ihre Gesundheit wichtig ist

Die systemische Sklerose (SSc, Sklerodermie) ist eine schwere chronische Erkrankung mit hoher Sterblichkeitsrate und ohne wirksame Therapie. Ihre charakteristischen Merkmale sind Blutgefäßschäden und Fibrose (Gewebevernarben) in verschiedenen Organen. Eine Darmdysbiose tritt bei SSc häufig auf, doch war bislang unbekannt, inwiefern sie Haut- und Gefäßschäden begünstigen könnte. Diese Studie schlägt einen Signalweg vor, der von Darmbakterien (die Trimethylamin, TMA, produzieren) über das Wirtsenzym FMO3 (das TMAO bildet) und die PERK-Kinase bis hin zur Umwandlung lokaler Zellen in narbenbildende Myofibroblasten führt. Sollte sich dies bestätigen, könnte dies neue Ansatzpunkte für die Entwicklung von Medikamenten aufzeigen. Da die Belege ausschließlich aus Zellkulturen und Patientenproben stammen, handelt es sich weiterhin um eine Hypothese.

Summary

Das Team verwendete kultivierte menschliche Hautfibroblasten, mikrovaskuläre Endothelzellen (HMVECs) und aus Fettgewebe gewonnene Stammzellen sowie Hautbiopsien und Fibroblasten von SSc-Patienten und gesunden Kontrollpersonen. TMAO (in der Regel 50–200 µM) versetzte alle drei Zelltypen in einen Myofibroblasten-Zustand, der durch einen Anstieg von Kollagen und Fibronektin sowie den Verlust endothelialer bzw. Fettzell-Merkmale gekennzeichnet war. Die Hemmung von PERK durch ein Medikament oder siRNA verhinderte diese Effekte. Das TMAO-bildende Enzym FMO3, das normalerweise in der Leber vorkommt, wurde in Hautfibroblasten und Endothelzellen nachgewiesen und durch TGF-β1 erhöht. FMO3 war in SSc-Hautbiopsien (mehrere Datensätze) und in SSc-Fibroblasten erhöht, die zudem ein aktiveres PERK aufwiesen. Die Autoren schlagen eine FMO3-TMAO-PERK-Achse bei SSc vor und fordern Tierversuche.

Key findings

In normalen Hautfibroblasten steigerte TMAO die Genexpression von COL1A1, COL1A2, ACTA2 und FN-EDA, erhöhte die Sekretion von Prokollagen I, Fibronektin und TGF-β1 und vermehrte F-Aktin-Stressfasern und fokale Adhäsionen, also Merkmale von Myofibroblasten.
TMAO aktivierte Smad2 nicht (anders als TGF-β1), sodass seine Wirkungen wahrscheinlich nicht über den klassischen TGF-β-Weg laufen. Die Vorstufe TMA bewirkte schwächere Reaktionen und eine PERK-Aktivierung erst bei hohen Dosen.
In mikrovaskulären Endothelzellen senkte TMAO VE-Cadherin (CDH5) und CD31 (PECAM1), während COL1A1, ACTA2, SNAI2 und TAGLN anstiegen. Die RNA-Sequenzierung zeigte mehr mesenchymale und weniger endotheliale Gene, und TMAO beschleunigte die Zellmigration. Die Histonanalyse zeigte höhere H3K4me3- und andere H3-Methylierungsmarker, was auf einen Umbau des Chromatins hindeutet.
In differenzierten Fettzellen verringerte TMAO die Zahl lipidgefüllter (Oil-Red-O-positiver) Zellen und senkte Adipozytengene (Adiponektin, PPARγ, FABP4), während fibrotische Gene (Fn-EDA, αSMA) anstiegen. TMAO veränderte die Adipozytenmarker bei der gewöhnlichen Stammzelldifferenzierung nicht.
TMAO erhöhte rasch und dosisabhängig die PERK-Phosphorylierung in Fibroblasten und Endothelzellen (mit höherem Foxo1). TGF-β1 aktivierte PERK nicht.
Der PERK-Inhibitor GSK2606414 (10 µM) und PERK-siRNA blockierten die fibrotischen Effekte von TMAO und verhinderten das Absinken von CDH5 und CD31. Thapsigargin, ein chemischer ER-Stress-Induktor, konnte sie nicht nachahmen, die Wirkung scheint also unabhängig von ER-Stress zu sein.
TGF-β1 erhöhte FMO3 (nicht FMO1) in Hautexplantaten, Fibroblasten und HMVEC.
FMO3 war in SSc-Haut in fünf Transkriptomdatensätzen erhöht (Fold Change 1,69-4,29), zum Beispiel 1,78-fach in der PRESS-Kohorte und 2,71-fach in der GENISOS-Kohorte. Frisch sortierte Fibroblasten aus früher diffuser SSc zeigten mehr als 4-fach höheres FMO3.
Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (6 SSc, 2 Kontrollen) verortete FMO3 hauptsächlich in Fibroblasten und Perizyten, mit dem größten Anteil in CLDN1+-Fibroblasten.
Die Immunfärbung zeigte mehr FMO3-positive dermale Zellen in SSc-Biopsien (7 SSc vs. 8 Kontrollen, p < 0,0001). Kultivierte SSc-Fibroblasten (n = 4) hatten mehr FMO3, Kollagen I und Phospho-PERK als gesunde (n = 3).
Einschränkungen: Alle TMAO-Effekte wurden in Zellkulturen gezeigt, nicht in Tieren. Die Studie zeigte nicht, dass das FMO3 der Fibroblasten TMA tatsächlich zu TMAO umsetzt. Die Mechanismen unterhalb von PERK wurden nicht geklärt. Mehrere Vergleiche beim Menschen beruhten auf kleinen Gruppen, und die TMAO-Spiegel der Patienten wurden nicht gemessen.
Kleinere Unstimmigkeiten im PDF: Die Legende zu Abbildung 3 nennt eine 72-stündige Behandlung der Endothelzellen, der Text und die RNA-Seq-Methoden nennen 48 Stunden. Der PERK-Inhibitor heißt im Ergebnisteil GSK2606414, im Methodenteil „AMG PERK44″. Die Histonanalyse wird in den Methoden für Fibroblasten beschrieben, in den Ergebnissen aber für Endothelzellen. Die Datenverfügbarkeitserklärung nennt drei GEO-Datensätze, während Tabelle 1 fünf Kohorten listet, von denen zwei unveröffentlicht sind oder keine GEO-ID haben. Bitte vor dem Zitieren genauer Angaben mit dem Original abgleichen.
Die Förderung kam von NIH-Zuschüssen. Dr. Hazen gibt Patente, Lizenzgebühren sowie Beratungs- oder Forschungsfinanzierung von Unternehmen an. Die übrigen Autoren erklären, keine konkurrierenden Interessen zu haben.

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Citation

Kim SJ, Bale S, Verma P, Wan Q, Ma F, Gudjonsson JE, Hazen SL, Harms PW, Tsou PS, Khanna D, Tsoi LC, Gupta N, Ho KJ, Varga J. Gut microbe-derived metabolite trimethylamine N-oxide activates PERK to drive fibrogenic mesenchymal differentiation. iScience. 2022;25(8):104669. doi:10.1016/j.isci.2022.104669