वृक्क विकास में मातृ रोग और एपिजेनेटिक विनियमन

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भाग Ⅱ: नेफ्रॉन संख्या पर पर्यावरण की स्थिति के प्रभाव: वृक्क विकास में मातृ रोग और एपिजेनेटिक विनियमन मॉडलिंग

लार्स फ़ुहरमन, सास्किया लिंडनर, अलेक्जेंडर-थॉमस हॉसर, क्लेमेंस होसे और एट अल।

सार

साक्ष्य के बढ़ते शरीर से पता चलता है कि जन्म के समय नेफ्रॉन की कम संख्या जीवन में बाद में गुर्दे की पुरानी बीमारी या उच्च रक्तचाप के जोखिम को बढ़ा सकती है। पर्यावरणीय तनाव, जैसे कि मातृ कुपोषण, दवा और धूम्रपान, जन्म के समय गुर्दे के आकार को प्रभावित कर सकते हैं। एकल-चर पर्यावरणीय परिस्थितियों के मॉडल के लिए मेटानेफ्रिक अंग संस्कृतियों का उपयोग करते हुए, विकासात्मक हानि के पैटर्न के लिए मातृ रोग के मॉडल का मूल्यांकन किया गया था। जबकि हाइपरथर्मिया का गुर्दे के विकास पर सीमित प्रभाव था, भ्रूण की लोहे की कमी गुर्दे की वृद्धि और नेफ्रोजेनेसिस की गंभीर हानि के साथ एक सर्व-समीपस्थ फेनोटाइप से जुड़ी थी। उच्च ग्लूकोज स्थितियों के तहत किडनी की खोज करने से मानव मधुमेह अपवृक्कता के समान सेलुलर और ट्रांसक्रिपटामिक परिवर्तन हुए। डीएनए मेथिलिकरण से जुड़ी एपिजेनेटिक मेमोरी में दीर्घकालिक परिवर्तन के लिए अल्पकालिक उच्च ग्लूकोज संस्कृति की स्थिति पर्याप्त थी। अंत में, एक छोटे यौगिक पुस्तकालय का उपयोग करके गुर्दे के विकास में एपिजेनेटिक संशोधक की भूमिका का परीक्षण किया गया। चयनित एपिजेनेटिक अवरोधकों में, विभिन्न यौगिकों ने गुर्दे की वृद्धि पर प्रभाव डाला, जैसे कि एचडीएसी (एंटिनोस्टैट, टीएच39), हिस्टोन डेमिथाइलस (डेफेरासिरॉक्स, डेफेरोक्सामाइन), और हिस्टोन मिथाइलट्रांसफेरेज़ (साइप्रोहेप्टाडाइन) अवरोधक। इस प्रकार, मेटानेफ्रिक अंग संस्कृतियां चयापचय स्थितियों के अध्ययन के लिए एक मूल्यवान प्रणाली और गुर्दे के विकास में एपिजेनेटिक संशोधक के लिए स्क्रीनिंग के लिए एक उपकरण प्रदान करती हैं।

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3. चर्चा

गुर्दे का विकास मुख्य रूप से गर्भाशय में होता है और यह चयापचय और पर्यावरणीय प्रभावों के हस्तक्षेप के अधीन होता है। नेफ्रॉन संख्या जन्म के समय निर्धारित की जाती है, और साक्ष्य के बढ़ते शरीर से पता चलता है कि कम नेफ्रॉन संख्या जीवन में बाद में उच्च रक्तचाप और क्रोनिक किडनी रोग के विकास के लिए एक जोखिम कारक है [2-4,60]। हालांकि, नेफ्रॉन संख्या और क्रिया के तरीकों को प्रभावित करने वाले कई कारक अभी भी अज्ञात हैं। यहाँ, ट्रांसवेल आवेषण पर सुसंस्कृत दोहरे-फ्लोरोसेंट रिपोर्टर चूहों से भ्रूण के गुर्दे का उपयोग मातृ चयापचय स्थितियों और स्क्रीन एपिजेनेटिक अवरोधकों को मॉडल करने के लिए किया गया था।

जबकि कई अध्ययनों में अब मानव आईपीएस कोशिकाओं [61] का उपयोग करके किडनी ऑर्गेनोइड्स शामिल हैं, गुर्दे की संस्कृतियाँ चयापचय स्थितियों या निरोधात्मक एजेंटों द्वारा मध्यस्थता वाले फेनोटाइप के विस्तृत विश्लेषण के लिए एक मूल्यवान उपकरण हैं। जबकि पूर्वज कोशिका संवर्धन और गुर्दा ऑर्गेनॉइड टेराटोजेनिसिटी की जांच के लिए महत्वपूर्ण क्षमता वाले विकल्प हैं, वे सीमाओं के अधीन हैं, जैसे कि भेदभाव और वृद्धि में उच्च परिवर्तनशीलता और एक पारंपरिक अंग संरचना की कमी। यह मेटानेफ्रिक अंग संस्कृति को उन स्थितियों की जांच करने के लिए एक मूल्यवान विकल्प बनाता है जो विवो में संभव नहीं होंगे।

इस प्रकार, अतिताप और लोहे की कमी गुर्दे की वृद्धि और नेफ्रॉन संख्या पर विभिन्न परिणामों के साथ पर्यावरणीय परिस्थितियों की जांच के दो उदाहरण प्रदान करती है। जबकि गुर्दे की वृद्धि पर अतिताप के प्रभाव पर डेटा दुर्लभ है, पूर्व विवो लौह प्रतिबंध का प्रभाव चूहों में मातृ लोहे की कमी की पिछली रिपोर्टों के अनुरूप है [23.24] हालांकि मॉडल के संदर्भ में गर्भाशय की स्थिति में सटीक नकल करने में सीमित है एकाग्रता और लौह कैनेटीक्स। हमारे परिणामों ने यह भी दिखाया है कि लौह-प्रतिबंधित स्थिति में माइटोटिक गतिविधि कम हो जाती है। कोशिका चक्र [62] जैसी कई कोशिकीय प्रक्रियाओं में आयरन एक आवश्यक भूमिका निभाता है। हमारे रूपात्मक विश्लेषण ने एक सर्व-समीपस्थ नेफ्रॉन विभेदन फेनोटाइप दिखाया, संभवतः बाधित विहित Wnt सिग्नलिंग के परिणाम के रूप में। Wnt सिग्नलिंग से जुड़े जीनों के व्यापक डाउनरेगुलेशन को पहले मातृ लोहे की कमी [63] के संपर्क में आने वाले चूहे की संतानों के माइक्रोएरे विश्लेषण में बताया गया है। यंत्रवत् रूप से, chelating एजेंटों द्वारा इंट्रासेल्युलर लोहे की कमी को -कैटेनिन के प्रोटीसोमल डिग्रेडेशन को प्रेरित करने के लिए दिखाया गया है, जो कैंसर और तंत्रिका पूर्वज कोशिकाओं [64,65] में कैनोनिकल Wnt मार्ग के प्रमुख डाउनस्ट्रीम इफ़ेक्टर प्रोटीन है।

एक अन्य चयापचय स्थिति के रूप में, उच्च ग्लूकोज एक्सपोजर मॉडलिंग के परिणामस्वरूप विवो स्ट्रेप्टोजोटोकिन-प्रेरित मातृ मधुमेह [10,26,27, 66-71] के समान प्रभाव पड़ा। जबकि हमारा मॉडल 30 मिमी ग्लूकोज स्थितियों के प्रभावों को पुन: पेश नहीं कर सका, संभवतः माउस पृष्ठभूमि [28,72] के पहले बताए गए प्रभाव के कारण, 55 मिमी ग्लूकोज की स्थिति के परिणामस्वरूप वृद्धि में कमी आई और नेफ्रॉन संख्या में कमी आई। मानव मधुमेह अपवृक्कता के सदृश ग्लोमेरुलर बेसमेंट मैट्रिक्स के विस्तार के साथ, ग्लोमेरुली में हिस्टोलॉजिकल और अल्ट्रास्ट्रक्चरल रूप से स्पष्ट परिवर्तन दिखाई दे रहे थे। अलग ईसीएम विस्तार और प्रमुख पॉडोसाइट जीन के डाउनरेगुलेशन के साथ उच्च ग्लूकोज के लिए murine भ्रूण और मानव वयस्क गुर्दे की प्रतिक्रिया के बीच समानताएं हड़ताली थीं और कई ज्ञात मधुमेह से जुड़े जीनों का पता चला था, जो पॉडोसाइट्स और नलिकाओं में समान तंत्र के उपयोग का संकेत देता है। हालाँकि, क्या समान अंतर्निहित मार्ग मधुमेह अपवृक्कता में समर्पण की ओर ले जाते हैं और भ्रूण विभेदन के दौरान विभेदन में कमी अब तक अज्ञात है। दिलचस्प बात यह है कि मधुमेह के वातावरण के गैर-ग्लूकोज परिवर्तन, जैसे कि हाइपर-केटोनिमिया, को भी टेराटोजेनेसिस की मध्यस्थता के लिए दिखाया गया है, लेकिन किडनी संस्कृति मॉडल [73,74] में दोहराया नहीं गया था। हाइपरग्लेसेमिया के दीर्घकालिक प्रभाव भी हमारे मॉडल में पुनरुत्पादित थे, पिछली रिपोर्टों के समान ग्लाइसेमिया के सामान्यीकरण के बाद निरंतर विकास मंदता दिखा रहा था [10]। इसके अतिरिक्त, डीएनए मेथिलिकरण विश्लेषण ने दोहराए जाने वाले क्षेत्रों में लंबे समय तक डीएनए हाइपोमेथिलेशन और कम ग्लूकोज माध्यम के उलट होने के बाद पपरग्ला ठिकाने पर हाइपरमेथिलेशन का खुलासा किया, जो चयापचय तनाव की अवधि के बाद चयापचय स्मृति के गठन का संकेत देता है [30]। कई और अलग-अलग विनियमित जीनों को पहले भी मधुमेह में एपिजेनेटिक रूप से विनियमित दिखाया गया है। उदाहरण के लिए, अपग्रेडेड जीन MEST को गर्भकालीन मधुमेह मेलिटस [75] में मातृ रूप से अंकित और हाइपोमेथिलेटेड किया जाता है। S100A4 मोटे बच्चों में इंसुलिन प्रतिरोध का एक अलग मिथाइलेटेड मार्कर है [76]। डाउन-रेगुलेटेड जीन में से, ESM1 और RASGRP3 जेस्टेशनल डायबिटीज [77,78] में मिथाइलेटेड जीन के उदाहरण हैं, जो डायबिटीज और एपिजेनेटिक रेगुलेशन के बीच संबंधों के बढ़ते उद्भव को दर्शाता है। इस प्रकार, हमारी प्रणाली एक महत्वपूर्ण नियामक तंत्र के रूप में एपिजेनेटिक संशोधन या भ्रूण प्रोग्रामिंग पर प्रकाश डालती है।

कई एपिजेनेटिक नियामक एंजाइम वयस्क अंग समारोह और रोग [30,40,79-81] में वृक्क आकृति विज्ञान और ट्रांसक्रिप्शनल विनियमन दोनों में शामिल होने के लिए जाने जाते हैं। स्क्रीनिंग टूल के रूप में किडनी कल्चर का उपयोग करते हुए, हमने वृक्क विकास और नेफ्रॉन मॉर्फोजेनेसिस में भूमिका निभाते हुए अतिरिक्त एपिजेनेटिक संशोधक की खोज की। एंटिनोस्टैट (MS-275) ने नेफ्रॉन जनक कोशिकाओं या मूत्रवाहिनी कली कोशिकाओं [44,82,83] में HDAC1 और HDAC2 के पहले बताए गए आनुवंशिक विलोपन के साथ गुर्दे के आकार के समवर्ती को कम कर दिया। जबकि TH39 द्वारा HDAC8 के निषेध ने अन्वेषक की गंभीर वृद्धि में कमी और विभेदन की कमी को प्रेरित किया, अत्यधिक विशिष्ट HDAC8 अवरोधक PCI -34051 ने कोई प्रभाव नहीं दिखाया, इस प्रकार अन्य HDAC जैसे TH39 के ऑफ-टारगेट प्रभावों की ओर इशारा किया। लोहे की कमी वाली स्थितियों के तहत सुसंस्कृत गुर्दे के समान एक फेनोटाइप के साथ, लोहे पर निर्भर जुमोनजी-डोमेन-युक्त हिस्टोन डेमिथाइलिस [50] के प्रकाशित अवरोधक, डिफेरसिरॉक्स और डिफेरोक्सामाइन, लोहे के केलेशन के कारण ऑफ-टारगेट प्रभाव प्रदर्शित कर सकते हैं। जबकि साइप्रोहेप्टाडाइन, एक हिस्टामाइन प्रतिपक्षी और सेट 7/9 हिस्टोन मिथाइलट्रांसफेरेज़ के प्रकाशित अवरोधक, ने पूर्वज कोशिका आबादी के प्रसार के लिए एक अद्वितीय फेनोटाइप प्रदर्शित किया, अतिरिक्त परिणाम Wnt सिग्नलिंग मार्ग [48] से जुड़े ऑफ-टारगेट प्रभावों की ओर इशारा करते हैं। कुल मिलाकर, FDA-अनुमोदित अवरोधकों का यह पुस्तकालय एपिजेनेटिक मॉड्यूलेटर के लिए तेज़ और प्रभावी स्क्रीनिंग की क्षमता को दर्शाता है। उपयोग की गई सीमित समय सीमा के कारण, प्रभाव डालने के लिए लंबे समय तक जोखिम की आवश्यकता वाले अवरोधक इस सेटअप में छूट गए होंगे। इस प्रकार, Dnmt1 नॉकआउट [30] के प्रकाशित फेनोटाइप के बावजूद एजेसीटिडाइन ने कोई प्रभाव नहीं दिखाया।

जबकि गुर्दा संस्कृति प्रणाली मजबूत गुर्दे के विकास की पेशकश करती है, कई पहलू इस न्यूनतावादी मॉडल में परिणामों की जांच या व्याख्या को सीमित करते हैं। सबसे पहले, अध्ययनों ने माउस मॉडल के उपयोग को सीमित करते हुए, माउस और मानव विकास और जीन अभिव्यक्ति में अंतर दिखाया है। इसके बाद, इस प्रणाली में समय सीमाएं सभी जटिल प्रक्रियाओं को प्रकट करने की अनुमति नहीं दे सकती हैं। यह इस अध्ययन में गुर्दे के विकास को प्रभावित करने में विफल रहने वाली कुछ पर्यावरणीय स्थितियों और एपिजेनेटिक अवरोधकों के लिए जिम्मेदार हो सकता है। इसके अलावा, कुछ अवरोधक गैर-विशिष्ट प्रभाव दिखाते हैं जो अन्य मार्गों के निषेध में योगदान कर सकते हैं, जैसे कि साइप्रोहेप्टाडाइन के मामले में, जो जीएसके के सक्रियण के माध्यम से अपना प्रभाव प्रदर्शित करता प्रतीत होता है3-बीटा, या लोहे के केलेशन के मामले में डेफेरसिरोक्स / डेफेरोक्सामाइन। इस सबूत के अवधारणा अध्ययन से परे, एपिजेनेटिक अवरोधक स्क्रीन को अधिक (विशिष्ट) अवरोधकों तक बढ़ाया जा सकता है; लंबे समय तक अवधि; अतिरिक्त अध्ययन मानदंड, जैसे नेफ्रॉन संख्या और यूरेरिक बड ब्रांचिंग; और ट्रांसक्रिपटामिक और एपिजेनेटिक अध्ययन।

संक्षेप में, गुर्दे की संस्कृतियां कई मातृ रोग मॉडल, जैसे अतिताप, लोहे की कमी, और मातृ मधुमेह, और औषधीय यौगिकों की जांच के लक्षण वर्णन को सक्षम करती हैं, जो विकासशील के पर्यावरणीय प्रभावों के बीच क्रॉसस्टॉक की जांच के लिए एक उपयुक्त मंच प्रदान करती हैं। गुर्दा और इसकी एपिजेनेटिक प्रोग्रामिंग।

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