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MicroRNAs and vascular remodeling in pulmonary hypertension


Brock, Matthias. MicroRNAs and vascular remodeling in pulmonary hypertension. 2012, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Die pulmonale Hypertonie (PH) ist der Überbegriff für verschiedene Krankheitsbilder, welche in einer signifikanten Erhöhung des Blutdrucks im Lungenkreislauf resultieren und auf Grund des vermehrten rechtsventrikulären Afterloads letztendlich zum Rechtsherzversagen führt. Die chronisch Drucksteigerung in der Lungenblutbahn wird im Wesentlichen durch drei pathogenetische Ereignisse verursacht: eine Mikrothrombosierung der Gefässbahn, eine übermässige Vasokonstriktion, sowie durch einen fibrotischen Gefässumbau („Remodeling“). Bei letzterem scheint das Gen BMPR2 (bone morphogenetic protein – Rezeptor Typ II) eine entscheidende Rolle zu spielen. In ca. 70% aller Patienten mit einer familären Form der pulmonal-arteriellen Hypertonie (PAH) ist das BMPR2-Gen durch DNA-Mutationen inaktiviert. Interessanterweise wurde aber auch in nicht-vererbaren Formen der PAH sowie in anderen Formen der PH eine verminderte Expression von BMPR2 beschrieben. Auch wenn die Rolle von BMPR2 nicht definitiv geklärt ist, so könnte die reduzierte Expression von BMPR2 den Gefässumbau im Wesentlichen mitverursachen, da durch den Verlust von BMPR2 sowohl die Proliferation als auch die Apoptose-Resistenz von Endothelzellen und glatten Gefässmuskelzellen erhöht wird. Die molekularbiologischen Mechanismen, die zu einer verringerten Oberflächenexpression von BMPR2 in den nicht vererbaren Formen der PH führen, sind jedoch bisher unbekannt. Der Schwerpunkt meiner Doktorabeit war die Erforschung der Regulation der BMPR2-Expression im Kontext der PH. Auf Grund von Studien, die eine Inhibierung des Translations-Prozesses von BMPR2 während der Entwicklung von PH implizierten, untersuchte ich die post-transkriptionale Regulation von BMPR2 durch so genannte microRNAs (miRNAs). miRNAs sind kleine, nicht proteinkodierende RNA Moleküle, denen ein grosses Potential im Feld der post-transkriptionalen Genregulation zugesprochen wird. Mit Hilfe von Computerprogrammen, die Sequenzähnlichkeiten zwischen miRNAs und potentiell miRNA-regulierten Genen analysieren, konnte ich den miRNA cluster miR-17/92 als möglichen Regulator von BMPR2 identifizieren. Weiterführende Experimente bestätigten, dass zwei miRNAs (miR-17 und miR-20a) aus dem miR-17/92 cluster direkt und spezifisch die Expression von BMPR2 kontrollieren. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass nach Stimulation von pulmonalen Endothelzellen mit Interleukin (IL)-6, dessen Serumspiegel bei PAH-Patienten erhöht ist, die Expression von miR-17/92 erhöht war und dass eine V Überaktivierung der IL-6 Signalkaskade zu einer Verminderung der BMPR2-Expression führte. Um die physiologische Bedeutung von miR-20a für den Krankheitsverlauf der PH zu untersuchen, verwendete ich das Mausmodell der Hypoxie-induzierten PH, in dem die Expression vom miR-20a gezielt durch die Applikation von komplementären, anti-sense- orientierten RNA Molekülen („AntagomiRs“) ausgeschaltet wurde. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass die Exposition der Tiere gegenüber chronisch-hypoxischen Konditionen zu einer Verringerung der BMPR2-Expression in der Lunge führte. Die Antagonisierung von miR-20a konnte dabei die BMPR2-Expression auf das Niveau der normoxischen Kontrollgruppe normalisieren. Desweiteren zeigten physiologische Untersuchungen, dass sowohl die für PH charkteristische rechtsventrikuläre Hypertrophie als auch der Gefässumbau von pulmonalen Arteriolen durch Inhibierung von miR-20a signifikant reduziert wurde. Diese Daten untermauern die Hypothese, dass miR-20a ein wichtiger Modulator für die Expression von BMPR2 und somit ein entscheidender Faktor im Prozess des Gefässumbaus ist. Daher könnten Medikamente, die auf eine Inhibierung von miR-20a abzielen, einen neuen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung von PH darstellen. Im letzten Teil meiner Doktorarbeit untersuchte ich das Wechselspiel von IL-6 und dem miR-17/92 cluster. Am Modell der hepatischen Akut-Phase-Reaktion, die eine sehr gut beschriebene Form der IL-6 Signalkaskade repräsentiert, konnte gezeigt werden, dass miR-17/92 Teil eines positiven Feedback-Loops in der Regulation des IL-6-Signalweges ist. Insbesondere konnte ich dabei zeigen, dass miR-18a (ein Mitglied des miR-17/92 clusters) die Expression von PIAS3, einen Repressor des inflammatorischen IL-6-Signalweges, verminderte und somit die hepatische Akut-Phase-Reaktion verstärkte. Diese Daten identifizierten einen zuvor unbekannten auf miRNA-basierenden Mechanismus der IL-6 Signalkaskade und tragen somit dazu bei, die komplexe Regulation der IL-6 Signaltransduktion besser zu verstehen.

Die pulmonale Hypertonie (PH) ist der Überbegriff für verschiedene Krankheitsbilder, welche in einer signifikanten Erhöhung des Blutdrucks im Lungenkreislauf resultieren und auf Grund des vermehrten rechtsventrikulären Afterloads letztendlich zum Rechtsherzversagen führt. Die chronisch Drucksteigerung in der Lungenblutbahn wird im Wesentlichen durch drei pathogenetische Ereignisse verursacht: eine Mikrothrombosierung der Gefässbahn, eine übermässige Vasokonstriktion, sowie durch einen fibrotischen Gefässumbau („Remodeling“). Bei letzterem scheint das Gen BMPR2 (bone morphogenetic protein – Rezeptor Typ II) eine entscheidende Rolle zu spielen. In ca. 70% aller Patienten mit einer familären Form der pulmonal-arteriellen Hypertonie (PAH) ist das BMPR2-Gen durch DNA-Mutationen inaktiviert. Interessanterweise wurde aber auch in nicht-vererbaren Formen der PAH sowie in anderen Formen der PH eine verminderte Expression von BMPR2 beschrieben. Auch wenn die Rolle von BMPR2 nicht definitiv geklärt ist, so könnte die reduzierte Expression von BMPR2 den Gefässumbau im Wesentlichen mitverursachen, da durch den Verlust von BMPR2 sowohl die Proliferation als auch die Apoptose-Resistenz von Endothelzellen und glatten Gefässmuskelzellen erhöht wird. Die molekularbiologischen Mechanismen, die zu einer verringerten Oberflächenexpression von BMPR2 in den nicht vererbaren Formen der PH führen, sind jedoch bisher unbekannt. Der Schwerpunkt meiner Doktorabeit war die Erforschung der Regulation der BMPR2-Expression im Kontext der PH. Auf Grund von Studien, die eine Inhibierung des Translations-Prozesses von BMPR2 während der Entwicklung von PH implizierten, untersuchte ich die post-transkriptionale Regulation von BMPR2 durch so genannte microRNAs (miRNAs). miRNAs sind kleine, nicht proteinkodierende RNA Moleküle, denen ein grosses Potential im Feld der post-transkriptionalen Genregulation zugesprochen wird. Mit Hilfe von Computerprogrammen, die Sequenzähnlichkeiten zwischen miRNAs und potentiell miRNA-regulierten Genen analysieren, konnte ich den miRNA cluster miR-17/92 als möglichen Regulator von BMPR2 identifizieren. Weiterführende Experimente bestätigten, dass zwei miRNAs (miR-17 und miR-20a) aus dem miR-17/92 cluster direkt und spezifisch die Expression von BMPR2 kontrollieren. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass nach Stimulation von pulmonalen Endothelzellen mit Interleukin (IL)-6, dessen Serumspiegel bei PAH-Patienten erhöht ist, die Expression von miR-17/92 erhöht war und dass eine V Überaktivierung der IL-6 Signalkaskade zu einer Verminderung der BMPR2-Expression führte. Um die physiologische Bedeutung von miR-20a für den Krankheitsverlauf der PH zu untersuchen, verwendete ich das Mausmodell der Hypoxie-induzierten PH, in dem die Expression vom miR-20a gezielt durch die Applikation von komplementären, anti-sense- orientierten RNA Molekülen („AntagomiRs“) ausgeschaltet wurde. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass die Exposition der Tiere gegenüber chronisch-hypoxischen Konditionen zu einer Verringerung der BMPR2-Expression in der Lunge führte. Die Antagonisierung von miR-20a konnte dabei die BMPR2-Expression auf das Niveau der normoxischen Kontrollgruppe normalisieren. Desweiteren zeigten physiologische Untersuchungen, dass sowohl die für PH charkteristische rechtsventrikuläre Hypertrophie als auch der Gefässumbau von pulmonalen Arteriolen durch Inhibierung von miR-20a signifikant reduziert wurde. Diese Daten untermauern die Hypothese, dass miR-20a ein wichtiger Modulator für die Expression von BMPR2 und somit ein entscheidender Faktor im Prozess des Gefässumbaus ist. Daher könnten Medikamente, die auf eine Inhibierung von miR-20a abzielen, einen neuen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung von PH darstellen. Im letzten Teil meiner Doktorarbeit untersuchte ich das Wechselspiel von IL-6 und dem miR-17/92 cluster. Am Modell der hepatischen Akut-Phase-Reaktion, die eine sehr gut beschriebene Form der IL-6 Signalkaskade repräsentiert, konnte gezeigt werden, dass miR-17/92 Teil eines positiven Feedback-Loops in der Regulation des IL-6-Signalweges ist. Insbesondere konnte ich dabei zeigen, dass miR-18a (ein Mitglied des miR-17/92 clusters) die Expression von PIAS3, einen Repressor des inflammatorischen IL-6-Signalweges, verminderte und somit die hepatische Akut-Phase-Reaktion verstärkte. Diese Daten identifizierten einen zuvor unbekannten auf miRNA-basierenden Mechanismus der IL-6 Signalkaskade und tragen somit dazu bei, die komplexe Regulation der IL-6 Signaltransduktion besser zu verstehen.

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Item Type:Dissertation
Referees:Gassmann M, Gay S, Verrey F
Communities & Collections:05 Vetsuisse Faculty > Institute of Veterinary Physiology
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
Language:English
Date:2012
Deposited On:28 Jan 2014 14:27
Last Modified:05 Apr 2016 17:32
Number of Pages:96
Permanent URL: https://doi.org/10.5167/uzh-90815

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