专栏名称: BioArt

BioArt致力于分享生命科学领域科研学术背后鲜为人知的故事，及时报道和评论生命科学领域有料的动态，BioArt也是一个生命科学领域“百花齐放，百家争鸣”的舞台，循“自由之思想”与“独立之精神”为往圣继绝学。

STM丨糖皮质激素诱导过度的上皮应激反应加重急性肾损伤

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-12 08:42

正文

急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）是一个具有挑战性的临床问题，与高发病率和死亡率有关，是新冠肺炎危重患者的常见并发症。在急性肾损伤中，肾小管上皮细胞（tubular epithelial cells，TEC）是损伤的主要部位，急性肾损伤的恢复取决于TEC的可塑性【1】。在急性损伤的肾脏中，适宜的应激反应促使修复机制被适当激活，使损伤后的肾脏得以完全修复【1】。然而，如果肾脏应激反应过度，AKI导致的损伤则不能完全修复并进展为慢性肾损伤（chronic kidney injury, CKD），甚至导致慢性肾脏疾病及肾衰竭【2】。由于AKI导致的应激反应预示着CKD的进展，因此预防或停止不良应激反应不仅在急性损伤阶段具有核心临床重要性，在损伤后修复阶段仍具有重大意义【3】。然而，肾小管上皮细胞对应激反应的细胞机制尚不完全清楚，在急性肾损伤过程中是否应该使用糖皮质激素仍没有达成共识。

近日，由西南医科大学附属医院内分泌科徐勇科研团队成员周路平博士后为第一作者、德国马尔堡大学药理学研究所的Thomas Worzfeld教授为通讯作者的文章Glucocorticoids induce a maladaptive epithelial stress response to aggravate acute kidney injury在Science Translational Medicine杂志在线发表。该研究通过RNA seq、ATAC seq、肾脏TEC糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor, GR）特异性敲除、DNA损伤及代谢分析，揭示TEC的不良应激反应在急性损伤及修复中的分子机制和药理靶点，为进一步理解合成糖皮质激素（如地塞米松）加剧肾脏的急性损伤提供新的视角。

该文首先对新冠肺炎患者进行队列研究，发现在64%的发生了AKI的严重新冠肺炎患者的TEC中有肌红蛋白的沉积，说明肌红蛋白对TEC的损伤是严重新冠肺炎AKI的主要病理生理机制。

于是，作者用肌红蛋白造AKI小鼠模型，观察加或不加人工合成的糖皮质激素地塞米松对急性损伤的小鼠肾脏的作用。结果显示：加用地塞米松的肾脏损伤加重！分子机制是什么呢？为了回答这个问题，作者首次建立了一种急性肾损伤体外模型——肾小管的体外3D模型，简称“tubuloids” 【4】。研究发现，肌红蛋白的刺激会上调tubuloids的氧化应激相关基因及肾小管损伤标志物Ngal的表达。作者把tubuloids用肌红蛋白处理12小时后做RNA-seq分析发现，肌红蛋白激活了tubuloids的炎症应答以及凋亡，这些炎症信号的激活至少部分是由NF-κB调节的。随后，作者将肌红蛋白处理后的tubuloids做ATAC-seq，结果再次验证NF-κB在肌红蛋白导致的TEC损伤中的调节作用。此外，转录因子结合基序富集分析和ATACseq分析都显示肌红蛋白处理后的tubuloids控制细胞分化和增殖的转录因子结合增加，包括Klf4、Klf9和Egr1。

肌红蛋白处理后的tubuloids的转录分析显示：编辑11β-HSD2酶的基因Hsd11b2被显著下调（z-score:−0.9）。11β-HSD2酶是一种催化生物转化的酶，能将活性11β-羟基-糖皮质激素（如皮质醇或皮质酮）去活化为11-酮-糖皮质激素（如可的松或11-脱氢-皮质酮）【5】。作者随后检测了11β-HSD2酶在人体及AKI动物模型中的表达，结果显示11β-HSD2酶在人体及AKI动物模型中明显下调，而GR的磷酸化（GR的活化状态）明显上调，是否说明急性肾损伤通过抑制内源性活性糖皮质激素的失活而导致糖皮质激素受体的激活呢？为了回答这个问题，作者做了两个独立的实验：1.用类固醇11β-羟化酶抑制剂metyrapone处理AKI小鼠，观察阻断内源性糖皮质激素的形成对AKI的作用；2.构建一种转基因鼠，在该鼠中编码GR的基因Nr3c1在TEC中特异性失活（基因型Pax8-Cre），观察GR在TEC中的特异性敲除对AKI的作用。结果显示：metyrapone的应用及GR的特异性敲除都对肾脏有明显的保护作用。综上所述，AKI导致的内源性糖皮质激素受体激活加重了TEC损伤。

为了分析GR激活加重TEC损伤的机制，作者用肌红蛋白处理tubuloids，通过RNAseq观察加或不加地塞米松对TEC损伤的作用。结果显示，地塞米松上调了TEC损伤指标Krt20的表达。有趣的是，在该文的数据中，地塞米松并没有显示出期望的抗炎效果，反而加重了TEC的DNA损伤，抑制了DNA双链修复相关基因的表达，包括Bard1, Blm, Brca1, Brca2, Brip1, Dna2, Exo1, Fancd2, Mre11, Rad51, Rad51ap1, Rad54l, Rpa2, Xrcc2 和 Xrcc3。

DNA损伤及修复与细胞代谢紧密相关【6】。GR信号在调节骨骼肌、肝脏及脂肪组织细胞的能量代谢中发挥着重要作用【7】。于是，作者继续探寻地塞米松对细胞代谢的作用。不论是人体肾脏组织切片染色，还是人体肾脏组织切片体外培养，结果均显示，地塞米松上调了应激应答基因Fkbp51的表达，抑制了细胞代谢的主要复合体mTORC1的表达及mTOR下游信号S6的活化。已知mTORC1促进蛋白质的翻译【8】，于是，作者给AKI小鼠模型注射嘌呤霉素以评估GR敲除对小鼠肾脏损伤后的蛋白质合成的作用。结果显示，GR敲除明显增加了损伤后蛋白质的合成。然而，mTOR信号通路的药理学阻断——雷帕霉素的应用阻断了GR敲除对肾脏的保护作用。综上，这些数据确定了mTOR信号通路在GR介导的TEC的不良应激反应中的调控作用。

mTOR信号与线粒体功能联系紧密【9】。于是，作者推断GR信号激活抑制mTOR可能损害TEC的线粒体呼吸，反之，GR敲除可以刺激TEC中的线粒体呼吸。结果显示，TEC特异性GR敲除促使线粒体呼吸相关基因的富集，线粒体呼吸相关基因的表达上调。这钟基因表达的上调在没有AKI的健康小鼠中没有观察到，强调应激条件下GR信号与线粒体呼吸的相关性。此外，与对照组相比，肌红蛋白诱导的AKI小鼠模型中，特异性敲除了GR的TEC中线粒体的尺寸较大，而地塞米松的使用抑制了线粒体呼吸功能。

综上所述，该文通过对肌红蛋白尿诱导的AKI小鼠模型、人类和小鼠肾小管的体外3D模型进行分析，揭示内源性糖皮质激素通过激活GR信号加重TEC的损伤，而合成糖皮质激素的使用加重受损TEC中的糖皮质激素受体信号传导导致的不良应激反应，这种不良的应激反应阻碍了DNA修复所需的转录程序，放大了损伤诱导的DNA双链断裂，并抑制mTOR活性和线粒体的生物能量学。作者特异性地敲除了TEC的GR，这有效地扭转了急性肾损伤导致的TEC的损伤，这种保护作用依赖于对DNA修复所需的转录程序的保护以及对mTOR活性和线粒体的生物能量学正常功能的维持。

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39356748/

制版人：十一

参考文献

1. M. Chang-Panesso, B. D. Humphreys, Cellular plasticity in kidney injury and repair. Nat.Rev. Nephrol. 13, 39–46 (2017).

2. S. A. Strausser, D. Nakano, T. Souma, Acute kidney injury to chronic kidney disease transition: Insufficient cellular stress response. Curr. Opin. Nephrol. Hypertens. 27, 314–322(2018).

3. L . S. Chawla, P. W. Eggers, R. A. Star, P. L. Kimmel, Acute kidney injury and chronic kidney disease as interconnected syndromes. N. Engl. J. Med. 371, 58–66 (2014).

4. F. Schutgens, M. B. Rookmaaker, T. Margaritis, A. Rios, C. Ammerlaan, J. Jansen, L. Gijzen, M. Vormann, A. Vonk, M. Viveen, F. Y. Yengej, S. Derakhshan, K. M. de Winter-de Groot, B. Artegiani, R. van Boxtel, E. Cuppen, A. P. A. Hendrickx, M. M. van den Heuvel-Eibrink, E. Heitzer, H. Lanz, J. Beekman, J.-L. Murk, R. Masereeuw, F. Holstege, J. Drost, M. C. Verhaar, H. Clevers, Tubuloids derived from human adult kidney and urine for personalized disease modeling. Nat. Biotechnol. 37, 303–313 (2019).

5. K. Chapman, M. Holmes, J. Seckl, 11β-hydroxysteroid dehydrogenases: Intracellular gate-keepers of tissue glucocorticoid action. Physiol. Rev. 93, 1139–1206 (2013).

6. I . Shimizu, Y. Yoshida, M. Suda, T. Minamino, DNA damage response and metabolic disease. Cell Metab. 20, 967–977 (2014).

7. A . J. Rose, A. Vegiopoulos, S. Herzig, Role of glucocorticoids and the glucocorticoid receptor in metabolism: Insights from genetic manipulations. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 122, 10–20 (2010).

8. R . A. Saxton, D. M. Sabatini, mTOR signaling in growth, metabolism, and disease. Cell 168, 960–976 (2017).

BioART战略合作伙伴

（*排名不分先后）

BioART友情合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐