PGC-1 hemmt das NLRP3-Inflammasom, indem es die Lebensfähigkeit der Mitochondrien erhält, um Nierenfibrose zu schützen Ⅱ

DISKUSSION

Die vorliegende Studie zeigte, dass PGC-1 mitochondriale Schäden und oxidativen Stress abmilderte, die mitochondriale Integrität und TNFAIP3 wiederherstellte und die Aktivierung des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs in den mit TGF- -behandelten RTECs und Tiermodellen abschwächteNierenverletzung. Diese Verbesserungen führten gleichzeitig zuverringerte Zellschädigung und Fibrose. Eine schematische Abbildung, die den möglichen Mechanismus der Regulierung des NLRP3-Inflammasoms durch PGC-1 zeigt, ist in der ergänzenden Abbildung 11 dargestellt. Die Ergebnisse dieser Studie entschlüsseln die Rolle von PGC-1 bei der Regulierung des NLRP3-Inflammasoms Signalübertragung über die Modulation der Lebensfähigkeit und Dynamik der Mitochondrien und legen auch eine Möglichkeit nahetherapeutisches Potenzial von PGC-1 bei Nierenschäden.

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Das NLRP3-Inflammasom ist daran beteiligtPathogenese von Zellschäden, Entzündungund Fibrose inverschiedene NierenschädenModelle [15–19, 27–29]. In Übereinstimmung mit früheren Studien haben wir gezeigt, dass die Expressionsniveaus der NLRP3-Inflammasom-Wege, einschließlich NLRP3, ASC, IL-1 und IL-18, zusammen mit erhöhten Expressionsniveaus von Zellverletzungsmarkern in TGF{{ 8}}behandelten RTECs und Tiermodelle mit Adenin-Diät und UUO. Es wird vermutet, dass mehrere schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs), die während einer Verletzung der Nierentubuluszellen freigesetzt werden, das NLRP3-Inflammasom aktivieren [27, 30–37]. Insbesondere exprimieren niereneigene Zellen Komponenten des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs [38], und die Aktivierung dieses Signals kann zur Nierenschädigung beitragen [15, 29]. Es ist jedoch ungewiss, wie NLRP3 in diesen Zellen aktiviert wird. In dieser Studie haben wir uns insbesondere auf Regulatoren der mitochondrialen Biogenese konzentriert, da fehlregulierte Mitochondrien die Aktivierung des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs auslösen können [39, 40].

Angesichts des reichlich vorhandenen mitochondrialen Inhalts in der Niere wird PGC-1 im Bereich der Nierenerkrankungenforschung zunehmend Beachtung geschenkt. In der Niere ist die PGC-1-Expression im Kortex und im äußeren Mark lokalisiert, was Regionen mit hoher mitochondrialer Aktivität entspricht [41]. Da geschädigte Mitochondrien offenbar bei verschiedenen Formen von Nierenschäden beobachtet werden, haben mehrere Studien die entscheidende Schutzfunktion von PGC-1 gegen Nierenerkrankungsmodelle gezeigt [41–43]. Darüber hinaus häufen sich Hinweise darauf, dass der Verlust von PGC-1 zur Entwicklung von Nierenfibrose und nachfolgender CKD beiträgt [9, 44, 45]. Im Notch-induzierten Nierenschädigungsmodell schützte PGC-1 auch vor Tubulusschäden und verbesserte die Fibrose [9]. Hier haben wir die Rolle von PGC-1 bei der Verhinderung von Nierenschäden im Lichte der Regulierung des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs gezeigt. Die Überexpression von PGC-1 mit Plasmid und Metformin schwächte TGF- 1-induzierte Zellschäden sowie die Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms. Diese Ergebnisse stimmten mit Adenin-gefütterten und UUO-Mäusemodellen überein. Umgekehrt verstärkte die Herunterregulierung von PGC-1 die Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms und die Zellschädigung.

Bisher haben nur wenige Studien die Beziehung zwischen PGC-1 und NLRP3 untersucht. In einer Studie von Diao et al. [46], durch schwere Verbrennungen verursachter Stress im endoplasmatischen Retikulum in Hepatozyten aktivierte das NLRP3-Inflammasom. Interessanterweise erfolgte die Aktivierung des hepatischen NLRP3-Inflammasoms parallel zur Hemmung von PGC-1. Sie untersuchten außerdem die vorgeschalteten Regulatoren von PGC-1 wie den Proteinkinase-A-Katalysator, AMPK und Sirtuin-1, die alle nach einer Verbrennungsverletzung deutlich verringert waren. Sie schlugen vor, dass der Mangel an PGC-1 eine wichtige Rolle bei der Stoffwechselstörung spielen und zur Aktivierung des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs beitragen könnte. Diese Studie hat jedoch nicht geklärt, wie PGC-1 am NLRP3-Signalweg beteiligt ist.

In dieser Studie haben wir mehrere Mechanismen demonstriert, die PGC-1 reguliertNLRP3-Inflammasom-Signalwegin der Niere. Angesichts der Tatsache, dass PGC-1 eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der mitochondrialen Biogenese und Mitochondriendynamik spielt und fehlregulierte Mitochondrien den NLRP3-Weg auslösen, kann angenommen werden, dass PGC-1 den NLRP3-Inflammasom-Weg über die Modulation der Lebensfähigkeit der Mitochondrien regulieren könnte. Wie in unseren Experimenten gezeigt, waren die Expressionsniveaus mitochondrialer dynamikbezogener Gene in TGF- 1--behandelten RTECs fehlreguliert. Diese Veränderungen wurden durch Überexpression von PGC-1 und Metformin wiederhergestellt, während eine Herunterregulierung von PGC-1 diese Dysregulation verschlimmerte. Die strukturelle Verbesserung der TGF- 1-induzierten Mitochondrienschädigung durch PGC-1 wurde auch durch MitoTracker-Färbung und Elektronenmikroskopie beobachtet. Der Funktionstest der Mitochondrien zeigte, dass die Wiederherstellung von PGC-1 das reduzierte mitochondriale Membranpotential und die verringerte Sauerstoffverbrauchsrate in TGF- 1--behandelten RTECs deutlich verbesserte. Schließlich zeigten wir die Freisetzung von mtDNA aus der mitochondrialen Fraktion in das Zytosol in TGF- 1-behandelten RTECs. Diese Freisetzung von mtDNA wurde durch die Überexpression von Ppargc1a verhindert.

Es ist zu beachten, dass mitochondriengesteuerte mtDNA bekanntermaßen das NLRP3-Inflammasom aktiviert [39, 47]. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass eine gestörte mitochondriale Dynamik zur Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms und der daraus resultierenden tubulointerstitiellen Nierenentzündung und -fibrose beiträgt. Es kann jedoch eine wechselseitige Wechselwirkung zwischen mitochondrialer Schädigung und dem NLRP3-Inflammasom geben. Eine frühere Studie von Yu et al. zeigten, dass die Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms über mehrere Wege mitochondriale Schäden verursachte [39]. In ähnlicher Weise haben wir auch gezeigt, dass die Stummschaltung von NLRP3 die Aktivierung des NLRP3-Signalwegs abschwächte und zu Verbesserungen der mitochondrialen Dynamik führte. Diese Ergebnisse weisen auf die Möglichkeit einer bidirektionalen Interaktion zwischen NLRP3 und Mitochondrien hin.

Abb. 8 PGC-1 reguliert die Freisetzung von mtDNA, oxidativem Stress und TNFAIP3, um das NLRP3-Inflammasom zu regulieren. Die Anzahl der mtDNA-Kopien war in der mitochondrialen Fraktion verringert, während sie in der zytosolischen Fraktion in TGF- 1--behandelten RTECs zunahm, was durch die Überexpression von Ppargc1a umgekehrt wurde. B Eine konfokale Mikroskopieanalyse mit MitoSOX-Färbung ergab eine erhöhte Produktion von mitochondriengenerierten ROS in TGF- 1--behandelten RTECs, die durch Überexpression von Ppargc1a und Metformin reduziert wurden. Umgekehrt verstärkte siPGC-1 die mitochondriale ROS-Produktion. C Nachweis von mitochondriengenerierten ROS in TGF- 1-behandelten RTECs durch FACS-Analyse. D Die Messung des oxidativen Stressniveaus durch MDA zeigte eine Verringerung des oxidativen Stressniveaus in TGF- 1-behandelten RTECs mit Überexpression von Ppargc1a und Metformin, die durch siPGC-1 erhöht wurden. E Die durch MDA gemessenen oxidativen Stresswerte wurden bei mit Adenin gefütterten Mäusen mit Metformin reduziert. Die F-, G-mRNA- und Proteinexpressionsniveaus von TNFAIP3 in TGF- 1--behandelten RTECs wurden durch Überexpression von Ppargc1a und Metformin erhöht, die durch siPGC-1 reduziert wurden. Das Niveau der H-mRNA- und Proteinexpression von TNFAIP3 bei mit Adenin gefütterten Mäusen wurde durch Metformin erhöht. Hinweis: *P < 0.05 vs. Kontrolle; **P < 0,05 vs. TGF- -behandelte RTECs oder mit Adenin gefütterte Mäuse. PGC-1 peroxisomaler Proliferator-Koaktivator- 1 ; mtDNA mitochondriale DNA; NLRP3 NOD-ähnliche Rezeptorfamilie, Pyrindomäne enthaltend 3; RTEC; renale tubuläre Epithelzelle; ROS-reaktive Sauerstoffspezies; MDA Malondialdehyd; TNFAIP3-Tumornekrosefaktor-induziertes Protein 3; FACS Fluoreszenzaktivierte Zellsortierung; Ade-Adenin; Habe Metformin kennengelernt.

PGC-1 spielt auch eine entscheidende Rolle bei wesentlichen Stoffwechselprozessen wie der Oxidation von Fettsäuren, der oxidativen Phosphorylierung und der ROS-Entgiftung [48–50]. Darüber hinaus sind mehrere NLRP3-aktivierende Reize mit der ROS-Produktion verbunden [32]. Daher kann die Regulierung des oxidativen Stressniveaus durch PGC-1 Auswirkungen auf NLRP3 habenInflammasom-Aktivierung. Kürzlich mitochondrialROS-ProduktionEs wurde beschrieben, dass es die Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms bei renaler tubulointerstitieller Fibrose auslöst. Zhuang et al. [22] berichteten, dass durch mitochondrialen oxidativen Stress vermitteltes Albumin eine mitochondriale Dysfunktion und eine nachfolgende Schädigung der Nierentubuli hervorrief. Darüber hinaus wurde das NLRP3-Inflammasom in der Niere durch Albuminüberladung aktiviert, was durch MnTBAP, einen mitochondrialen ROS-Fänger, vollständig abgeschafft wurde. Im Einklang mit diesen Erkenntnissen zeigten wir, dass erhöhter oxidativer Stress mit der Aktivierung des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs während einer Nierenschädigung verbunden ist. Dieses erhöhte oxidative Stressniveau wurde durch Überexpression von Ppargc1a und Metformin abgeschwächt, während es nach Herunterregulierung von Ppargc1a verstärkt wurde. Die Reduzierung des oxidativen Stressniveaus durch Metformin wurde auch in zwei verschiedenen Tiermodellen bestätigt. Zusammengenommen kann ein erhöhter oxidativer Stress, einschließlich der mitochondrialen ROS-Produktion durch PGC-1-Mangel, zur Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms und der daraus resultierenden tubulointerstitiellen Nierenentzündung und -fibrose führen.

Es ist bekannt, dass TNFAIP3 direkt durch PGC-1 reguliert wird und eine Rolle bei der Inaktivierung des NLRP3-Inflammasom-Signalwegs in Entzündungszellen wie Makrophagen spielt. Kang et al. [51] zeigten, dass dysfunktionale Telomere eine mitochondriale Belastung der Makrophagen, ein Stoffwechselungleichgewicht und eine Hyperaktivierung des NLRP3-Inflammasoms verursachen. Sie identifizierten die PGC-1/TNFAIP3-Achse als einen Mechanismus, der für die homöostatische Rolle des Telomers verantwortlich ist, und die Störung dieser Achse führte zu entzündlichen Terc−/−-Makrophagen und schwerer bakterieller Lungenentzündung bei Terc−/− Mäusen. In der vorliegenden Studie verringerte TGF- 1 das Transkriptniveau von Tnfaip3 in RTECs. PGC-1 stellte diese Änderungen wieder her, während der Abbau von Ppargc1a den Tnfaip3-Spiegel weiter senkte. Interessanterweise stellten wir fest, dass sowohl der Knockdown von Ppargc1a als auch Drp1 in mit TGF- 1- behandelten RTECs die Aktivität des NLRP3-Inflammasoms nicht verringerte, während RTECs mit Ppargc1a-Überexpression und Drp1-Knockdown eine geringere Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms zeigten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass PGC-1 die NLRP3-Signalübertragung über andere Wege wie TNFAIP3 über die mitochondriale Dynamik hinaus modulieren kann.

Wir verwendeten Metformin als indirekten Aktivator für PGC-1. Eine pharmakologische Dosis Metformin kann AMPK aktivieren und die ATP-Synthese in verschiedenen Zellen, einschließlich renalen intrinsischen Zellen, steigern [52–55]. In dieser Studie verwendeten wir 1 mM Metformin, basierend auf früheren Studien, die zeigten, dass diese Dosis Metformin die Nierenfibrose, den ER-Stress und die aktivierte AMPK-Aktivität verringerte. In der Niere von mit Adenin gefütterten Mäusen und mit TGF- 1 behandelten RTECs war die Expression von p-AMPK verringert. Im Gegensatz dazu kehrte die Behandlung mit Metformin die verringerte Expression von p-AMPK um. Diese Änderungen stimmten mit PGC-1 überein. Da es Hinweise darauf gibt, dass Metformin die AMPK-PGC-1-Achse aktiviert, liegen klinische Studien zu den positiven Wirkungen von Metformin bei Nierenschäden vor. In einer Post-hoc-Analyse der Studie zur Reduzierung kardiovaskulärer Ereignisse mit Aranesp Therapy (TREAT) war die Verwendung von Metformin unabhängig mit einem um 23 % geringeren Risiko für das kombinierte Ergebnis einer Nierenerkrankung verbunden [56]. Darüber hinaus ergab eine aktuelle Beobachtungsstudie von Kwon et al. zeigten, dass die Anwendung von Metformin bei 10.426 Patienten mit Typ-2-Diabetes mit einem deutlich geringeren Risiko für Nierenversagen im Endstadium verbunden war [57]. Die Fähigkeit von Metformin, AMPK zu aktivieren, hat in jüngster Zeit bei polyzystischen Nierenerkrankungen Aufmerksamkeit erregt, da diese Wirkung von Metformin in präklinischen Studien die Zellproliferation durch Hemmung des Säugetierziels des Rapamycin-Signalwegs und der zyklischen AMP-Spiegel verringerte (58, 59). Dennoch birgt die Anwendung von Metformin bei fortgeschrittener chronischer Nierenerkrankung das Risiko einer Laktatazidose [60]. Daher sollten zukünftige Studien die positiven Wirkungen von Metformin gegen Laktatazidose abwägen.

Zusammenfassend haben wir die Rolle von PGC-1 bei der Regulierung der NLRP3-Inflammasom-Aktivierung durch Modulation der mitochondrialen Dynamik und Lebensfähigkeit sowie von TNFAIP3 bei Nierenschäden gezeigt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Hemmung des NLRP3-Inflammasoms durch PGC-1 ein zukünftiges therapeutisches Ziel gegen CKD sein kann.

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