Endotel-till-mesenkymal transitionFibrosFMO3MyofibroblastdifferentieringPERK

Metaboliten trimetylamin-N-oxid, som härrör från tarmmikroorganismer, aktiverar PERK och driver på fibrogen mesenkymdifferentiation

  • 2022
  • Seok-Jo Kim, Swarna Bale, Priyanka Verma, et al.
Varför detta är viktigt för din hälsa

Systemisk skleros (SSc, sklerodermi) är en allvarlig kronisk sjukdom med hög dödlighet och utan effektiv behandling. Sjukdomens kännetecken är skador på blodkärlen och fibros (ärrbildning i vävnaden) i flera organ. Dysbios i tarmen är vanligt vid SSc, men hur detta skulle kunna leda till hud- och kärlskador var tidigare okänt. Denna studie föreslår en signalväg från tarmbakterier (som producerar trimetylamin, TMA) via värdens FMO3-enzym (som producerar TMAO) och PERK-kinaset till omvandlingen av lokala celler till ärrbildande myofibroblaster. Om detta bekräftas skulle det kunna peka på nya läkemedelsmål. Bevisen kommer endast från cellodlingar och patientprover, så det förblir en hypotes.

Summary

Forskargruppen använde odlade humana hudfibroblaster, mikrovaskulära endotelceller (HMVEC) och stamceller från fettvävnad, samt hudbiopsier och fibroblaster från patienter med systemisk sklerodermi (SSc) och friska kontrollpersoner. TMAO (vanligtvis 50–200 µM) fick alla tre celltyperna att utvecklas mot ett myofibroblasttillstånd, med ökad mängd kollagen och fibronektin samt förlust av endotel- eller fettcellsegenskaper. Blockering av PERK med ett läkemedel eller siRNA förhindrade dessa effekter. Det TMAO-producerande enzymet FMO3, som normalt finns i levern, påvisades i hudfibroblaster och endotelceller och ökade under påverkan av TGF-β1. FMO3-nivåerna var högre i SSc-hudbiopsier (flera datauppsättningar) och i SSc-fibroblaster, vilka också uppvisade mer aktivt PERK. Författarna föreslår att det finns en FMO3-TMAO-PERK-axel vid SSc och efterlyser djurstudier.

Key findings

  • I normala hudfibroblaster ökade TMAO uttrycket av generna COL1A1, COL1A2, ACTA2 och FN-EDA, höjde utsöndringen av prokollagen I, fibronektin och TGF-β1 samt ökade F-aktin-stressfibrer och fokala adhesioner, vilket är tecken på myofibroblaster.
  • TMAO aktiverade inte Smad2 (till skillnad från TGF-β1), så effekterna går sannolikt inte via den klassiska TGF-β-vägen. Prekursorn TMA gav svagare svar och PERK-aktivering först vid höga doser.
  • I mikrovaskulära endotelceller sänkte TMAO VE-cadherin (CDH5) och CD31 (PECAM1) medan COL1A1, ACTA2, SNAI2 och TAGLN ökade. RNA-sekvensering visade fler mesenkymala och färre endotelgener, och TMAO påskyndade cellmigrationen. Histonanalys visade högre H3K4me3 och andra H3-metyleringsmärken, vilket tyder på kromatinomställning.
  • I differentierade fettceller minskade TMAO antalet lipidfyllda (Oil Red O-positiva) celler och sänkte adipocytgener (adiponektin, PPARγ, FABP4), medan fibrotiska gener (Fn-EDA, αSMA) ökade. TMAO påverkade inte adipocytmarkörerna under vanlig stamcellsdifferentiering.
  • TMAO ökade snabbt och dosberoende PERK-fosforyleringen i fibroblaster och endotelceller (med högre Foxo1). TGF-β1 aktiverade inte PERK.
  • PERK-hämmaren GSK2606414 (10 µM) och PERK-siRNA blockerade TMAO:s fibrotiska effekter och förhindrade att CDH5 och CD31 sjönk. Thapsigargin, en kemisk ER-stressinducerare, återskapade dem inte, så effekten verkar vara oberoende av ER-stress.
  • TGF-β1 höjde FMO3 (inte FMO1) i hudexplantat, fibroblaster och HMVEC.
  • FMO3 var förhöjt i SSc-hud i fem transkriptomdataset (fold change 1,69–4,29), till exempel 1,78 gånger i PRESS-kohorten och 2,71 gånger i GENISOS-kohorten. Nysorterade fibroblaster från tidig diffus SSc visade mer än 4 gånger högre FMO3.
  • Encells-RNA-sekvensering (6 SSc, 2 kontroller) placerade FMO3 huvudsakligen i fibroblaster och pericyter, med störst andel i CLDN1+-fibroblaster.
  • Immunfärgning visade fler FMO3-positiva dermala celler i SSc-biopsier (7 SSc mot 8 kontroller, p < 0,0001). Odlade SSc-fibroblaster (n = 4) hade mer FMO3, kollagen I och fosfo-PERK än friska (n = 3).
  • Begränsningar: alla TMAO-effekter visades i odlade celler, inte i djur. Studien visade inte att fibroblasternas FMO3 faktiskt omvandlar TMA till TMAO. PERK:s nedströmsmekanismer reddes inte ut. Flera humana jämförelser byggde på små grupper, och TMAO-nivåer hos patienterna mättes inte.
  • Mindre inkonsekvenser i PDF:en: figurtexten till Figur 3 anger 72 timmars behandling av endotelcellerna, medan texten och RNA-seq-metoderna anger 48 timmar. PERK-hämmaren heter GSK2606414 i resultatdelen men “AMG PERK44” i metoddelen. Histonanalysen beskrivs i metoderna för fibroblaster men i resultaten för endotelceller. Tillgänglighetsuppgiften nämner tre GEO-dataset, medan Tabell 1 listar fem kohorter, varav två är opublicerade eller saknar GEO-ID. Kontrollera mot originalet innan du citerar exakta uppgifter.
  • Finansieringen kom från NIH-anslag. Dr Hazen uppger patent, royalties samt konsult- eller forskningsfinansiering från företag. Övriga författare uppger inga konkurrerande intressen.

Read the full paper
VIEW PDF
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

Related Research Papers
n