Биосинтез холестерина модулирует дифференцировку в клетках краниального нервного гребня мышей - Шицзячжуанская компания «Лебединое озеро», ООО

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7073 (2023) Цитировать эту статью

336 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Клетки краниального нервного гребня (cNCC) представляют собой мультипотентную популяцию эмбриональных клеток, которая дает начало разнообразному набору типов клеток. Эти клетки особенно уязвимы к внешним метаболическим стрессорам, примером чего является связь между материнской гипергликемией и врожденными пороками развития. Мы были заинтересованы в изучении влияния различных концентраций глюкозы и пирувата на метаболизм, миграцию и дифференцировку cNCC, используя устоявшуюся модель клеток нервного гребня мышей (O9-1). Мы неожиданно обнаружили закономерность экспрессии генов, указывающую на индукцию биосинтеза холестерина в условиях истощения глюкозы в клетках O9-1. Мы также показали, что лечение двумя различными ингибиторами синтеза холестерина препятствует миграции и дифференцировке клеток, подавляя хондрогенез и одновременно усиливая дифференцировку гладкомышечных клеток. Поскольку врожденная ариния (отсутствие наружного носа), порок развития, вызванный мутациями в SMCHD1, по-видимому, частично представляет собой дефект cNCC, мы также были заинтересованы в изучении влияния доступности глюкозы и холестерина на экспрессию Smchd1 в клетках O9-1. . Экспрессия Smchd1 индуцировалась в условиях высокого уровня глюкозы, тогда как ингибиторы синтеза холестерина снижали экспрессию Smchd1 во время хондрогенеза. Эти данные подчеркивают новую роль биосинтеза холестерина в физиологии cNCC и демонстрируют, что фенотипическая изменчивость человека у носителей мутации SMCHD1 может быть частично связана с чувствительностью SMCHD1 к дозировке глюкозы или холестерина во время развития.

Клетки нервного гребня (NCC) представляют собой временную популяцию эмбриональных клеток, происходящую из эктодермы, которая дает начало разнообразному набору типов клеток. Во время эмбрионального развития мигрирующие NCC перемещаются в различных средах с уникальными питательными веществами и локализованной активацией ферментов, которые могут влиять на их генетическое программирование и физиологию1. Исследования, изучающие влияние нарушений доступности субстратов, показывают, что пространственно-временная регуляция развития частично обусловлена изменениями метаболизма2. Метаболические изменения при NCC временно связаны и фактически могут стимулировать критические этапы онтогенеза NCC, такие как пролиферация, миграция и дифференцировка3. Кроме того, NCC, по-видимому, особенно уязвим к внешним метаболическим стрессорам, ярким примером которых является гипергликемия. Гестационный диабет связан с более высоким риском врожденных пороков развития, поражающих ткани и органы, возникшие в результате NCC (например, сердечно-сосудистую, скелетную и центральную нервную системы), что позволяет предположить, что материнская гипергликемия высокотоксична для NCC4,5,6,7. Действительно, ранние исследования in vitro продемонстрировали, что условия культуры с высоким содержанием глюкозы ингибируют пролиферацию и миграцию cNCC крыс из-за перепроизводства активных форм кислорода8. Более поздние исследования на курах также показали, что воздействие высокого уровня глюкозы усиливает апоптоз и ERK-опосредованную аутофагию при развитии cNCC9 и подавляет дифференцировку эмбриональных стволовых клеток в нейрональную линию10. Однако не было проведено исследований, чтобы определить, как доступность питательных веществ влияет на физиологию НКС с использованием клеточной линии O9-1, мультипотентной линии, полученной из эмбриональных НКС мышей11.

Дефекты онтогенеза, миграции и/или дифференцировки НКР приводят к ряду состояний, называемых нейрокристопатиями. Синдром микрофтальмии босмааринии (BAMS) представляет собой чрезвычайно редкий, тяжелый врожденный порок развития, который, по-видимому, отражает первичный дефект краниальной NCC12, клеток краниальной плакоды13 или их взаимодействия. BAMS состоит из клинической триады аринии (отсутствие носа), дефектов глаз и гипогонадизма14 и вызывается мутациями в гене структурного поддержания хромосом, содержащего гибкий шарнирный домен 1 (SMCHD1)15,16. Однако наличие неполной пенетрантности и вариабельной экспрессивности в мультиплексных семьях позволяет предположить, что другие факторы in utero могут влиять на экспрессию или функцию SMCHD1. Мы предположили, что доступность питательных веществ может быть одним из таких факторов. Гестационный диабет не был зарегистрирован при беременности с BAMS, однако данные о BAMS, вероятно, занижены (<100 случаев зарегистрированы в прошлом столетии15), рекомендации по диагностике гестационного диабета варьируются от страны к стране и со временем становятся более строгими, а в последнее время было признано, что материнская гипергликемия линейно связана с перинатальным риском без явного порога17. Таким образом, используя модельную систему O9-1, мы также исследовали влияние доступности питательных веществ на экспрессию Smchd1.

0.6). Given that our experimental design included a gradient of glucose concentrations, we then chose to explore the two modules where there was also a linear gradient in expression change from HG to CG to NG to NG2P. Sixteen modules of co-expressed genes under different glucose conditions were identified. In the turquoise module, gene expression decreased across conditions, whereas in the blue module, gene expression increased across conditions (Fig. 1A, B, Supplementary Table S1). Overenrichment analysis of the turquoise model revealed pathways associated with cell cycle and DNA repair (Supplementary Fig. S1), whereas analysis of the blue module unexpectedly revealed cholesterol biosynthesis, sphingolipid, and glycosphingolipid metabolism (Fig. 1C, Supplementary Fig. S1). Glucose and glucose-derived metabolites provide raw materials for cholesterol synthesis and regulate cholesterol biosynthetic enzymes and uptake23. Glucose depletion would therefore be expected to downregulate cholesterol biosynthesis; however, members of the cholesterol biosynthesis pathway including Hmgcr, the rate-limiting enzyme in cholesterol synthesis, and Hmgcs1, which catalyzes the production of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA)24,25, showed increased expression under NG and NG2P conditions compared to HG (Fig. 1D). Emopamil binding protein (Ebp), which plays a key role in the final stage of cholesterol biosynthesis, was also upregulated in CG vs. HG conditions (Fig. 1D). We next directly measured free cholesterol, esterified cholesterol, and total (i.e., the sum of free plus esterified) cholesterol levels under the various glucose culture conditions. No significant differences were seen in free or total cholesterol, whereas there was lower esterified cholesterol in HG compared with CG, NG, and NG2P conditions (Fig. 2A–C)./p> 0.6. (D) Heatmap of genes involved in cholesterol biosynthesis./p>

80% confluency./p> 1 and Bonferroni-adjusted p < 0.05 were considered differentially expressed./p> 5 in half of the samples. WGCNA was performed using the blockwiseModule utility with with parameter: soft threshold = 22, networkType = "signed", TomType = "signed", deepSplit = 2, minClusterSize = 30, cutTreeDynamic = 0.2522. Modules with a similarity threshold greater than 0.25 were merged. Genes with module membership > 0.6 for the assigned module were selected for pathway analysis with the R gProfileR software package61./p>