乙型轉化生長因子透過抑制缺氧誘導因子2α以減少細胞製造促紅血球生成素

Abstract

背景： 貧血是慢性腎臟病常見的併發症，且和病人預後有關並影響生活品質。腎性貧血最常見的原因是促紅血球生成素(EPO)不足。腎臟製造EPO的細胞是周細胞(pericytes)，位於血管周邊，為製造膠原蛋白的細胞，可偵測血氧及血紅素濃度。在纖維化過程中，周細胞增生且分化為α－平滑肌動蛋白陽性(smooth muscle actin+)(α-sma+)的肌纖維母細胞(myofibroblasts)，製造病理性細胞外膠原蛋白基質導致腎臟纖維化。 Pericytes製造EPO主要透過缺氧誘導因子(Hypoxia-inducible factor) (HIF)2α (HIF2α)活化EPO基因上5’端的增強子。Pericytes也可以由乙型轉化生長因子(Transforming growth factor-β1)(TGF-β1)刺激分化為myofibroblasts。Myofibroblasts因EPO基因上5’側翼區(flanking region)的高度甲基化而喪失製造EPO的能力。然而當進行pericytes初代培養(primary culture)，在繼代2至3代後，它無法維持pericytes的表現型，導致EPO製造能力下降。 目前仍沒有理想的細胞株類似於腎臟可製造EPO的細胞，因此對於EPO調控機轉的研究及治療方式的進展受到侷限。以前最常用來研究EPO的製造是使用肝癌的細胞株，Hep3B和HepG2。然而最近的研究認為，調控肝EPO製造的增強子位於EPO基因的3’端，和調控腎臟EPO的5’端增強子不同。而且腎臟製造EPO的細胞是類似纖維母細胞的pericytes，而不是像上皮細胞的Hep3B和HepG2。 方法： 我們篩選目前有的老鼠纖維母細胞的細胞株，發現C3H10T1/2(以下簡稱10T1/2)細胞可製造的EPO比NIH/3T3(以下簡稱3T3)細胞更高。於是我們進行10T1/2細胞EPO製造機轉的相關研究，以及探討10T1/2細胞之纖維化基因的變化。 我們以定量聚合酶連鎖反應(quantitative PCR)研究這株細胞各種細胞型式的基因表現，也將細胞培養在缺氧環境及正常氧氣供應環境中，或使用脯胺酸羥化酶結構(Prolyl hydroxylase domain)(PHD)抑制劑誘導HIF，以評估缺氧誘導基因的表現，並以西方墨點法評估HIF1α和HIF2α在10T1/2及3T3細胞中缺氧時的表現。我們也使用針對HIF1α或HIF2α的小干擾RNA(small-interfering RNA)(siRNA)進行基因敲落實驗，研究EPO是藉由何種HIF來調控缺氧誘導基因。為了研究HIF的DNA結合區域，我們使用染色質免疫沉澱法(Chromatin immunoprecipitation)，辨認是否HIF1α或HIF2α結合到EPO 5’端增強子、3’端增強子或啟動子。我們也藉由甲基化特異性PCR (methylation-specific PCR)(MSP)研究10T1/2及3T3細胞的DNA甲基化。另外也研究10T1/2細胞在TGF-β1刺激下如何抑制EPO表現，並延伸至動物實驗。在細胞實驗，我們使用TGF-β1或activin receptor-like kinase-5(ALK5)抑制劑 SB431542研究對TGF-β1–ALK5的下游對EPO-HIF的影響。而我們每天給與老鼠腹腔注射SB431542，並分析整個腎臟及從Col1a1-GFPTg老鼠分離col1a1-GFP+ pericytes，在動物實驗驗證整個理論基礎。 結果與討論： 和pericytes一樣，10T1/2細胞在TGF-β1刺激後分化為α-sma+ myofibroblasts。siRNA實驗亦證實和腎臟製造EPO的細胞一樣，10T1/2細胞也是藉由HIF2α來誘導EPO產生。然而，我們研究發現TGF-β1抑制產生HIF2α蛋白的Epas1基因，主要是藉由活化ALK5，而降低缺氧或PHD抑制劑誘導的EPO產生。在動物實驗方面，老鼠進行輸尿管結紥手術(Unilateral Ureteral Obstruction)(UUO)引發腎臟纖維化損傷，讓腎臟以及myofibroblasts的Tgfb1基因表現增加，並降低Epas1及Epo基因的表現，且可被ALK5抑制劑SB431542所恢復。我們先前的研究認為TGF-β1的訊號會在UUO後會立刻增加，且也會在給予72小時後透過pericytes的甲基化抑制EPO的產生。然而本篇的研究証實在給予TGF-β1 24小時後就可抑制Epas1及Epo基因的表現。因此我們提出TGF-β1可以藉由兩個機轉來抑制EPO，在早期是直接抑制基因表現，而後才是由甲基化抑制基因。在老鼠UUO實驗中，不管是第四天的UUO腎臟或myofibroblasts，SB431542藉由抑制ALK5使TGF-β1訊號無法傳遞，可恢復其Epo的表現。 結論： 10T1/2細胞具有和pericytes一樣的性質，都是藉由HIF2α促使EPO表現。TGF-β1不僅讓10T1/2細胞具有myofibroblasts的特性，也會抑制Epas1-Epo的產生。本研究也証實了in vivo動物實驗中，TGF-β1對pericytes也有抑制Epas1-Epo的效果。因此抑制TGF-β1-ALK5的訊號可能可以提供新的治療方式讓受損的腎臟恢復EPO製造。