Redox signaling in vascular calcification - Dual role of NOX proteins
Final Report Abstract
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit eine der häufigsten Todesursachen. Die kardiovaskuläre Kalzifizierung stellt als pathologische Mineralablagerung in Herzklappen und Arterien einen Prädiktor für die kardiovaskuläre Morbidität und Mortalität dar. Trotz der großen klinischen Bedeutung der vaskulären Kalzifizierung sind die molekularen Mechanismen der Gefäßverkalkung bislang wenig untersucht und es existieren keine etablierten Therapieansätze zur Prävention und Behandlung kardiovaskulärer Kalzifizierung. Vorangegangene Arbeiten zeigten, dass pro-kalzifizierende extrazelluläre Vesikel (EVs), die von glatten Gefäßmuskelzellen (SMCs) sekretiert werden, den kleinsten Nidus für die Entstehung der Mikrokalzifizierung darstellen. Auf molekularer Ebene konnte gezeigte werden, dass die posttranslationale Modifikation des Sorting-Rezeptors Sortilin und der Cargo gewebeunspezifische, alkalische Phosphatase (TNAP), die Kalzifizierungsneigung der EVs reguliert. EVs stammen aus dem endolysosomalen System. Die Phosphoinositidkinase PIKfyve spielt eine Rolle bei der endolysosomalen Reifung. In verkalkten humanen Arterien und SMCs beobachteten wir eine erhöhte PIKfyve-Expression. In kalzifizierenden SMCs stimulierte die Hemmung von PIKfyve durch das kleine Molekül Apilimod eine dosisabhängige EV-Freisetzung, die durch Nanopartikel-Tracking-Analyse bewertet wurde. Apilimod-induzierte EVs zeigten ein reduziertes Mineralisierungspotenzial und eine reduzierte TNAP-Aktivität. Das EV-Größenmuster änderte sich nicht. Die Analyse des EV- Cargo zeigte, dass Apilimod die TNAP-Ladung reduziert. Auf zellulärer Ebene hemmte Apilimod TNAP-Aktivität sowie dessen Expression auf mRNA- und Proteinebene in kalzifizierten SMCs. Strukturelle Modellierungs- und Zymographie-Assays deuten auf keine direkte Wirkung von Apilimod auf die enzymatische TNAP-Aktivität hin. Darüber hinaus verhinderte Apilimod die Matrixmineralisierung und die Bildung von Kollagennetzwerken in kalzifizierenden SMCs, die mit einer reduzierten Pro-Kollagen-1A1-Sekretion einhergingen. Silencing von PIKfyve durch Interferenz-RNA zeigte ähnliche Ergebnisse. Wir nutzen das atherosklerotische Mausmodel der Ldlr-defizienten Maus, um eine vivo Relevanz zu belegen. Die tägliche Injektion von Apilimod über 5 Wochen erhöhte die PI3P-Spiegel und reduzierte die Plaque-TNAP-Aktivität sowie die Kalzifizierung, ohne Änderung der Größe des atherosklerotischen Plaques. Weiterhin führten wir Transkriptom- und Kinomanalysen durch, um den zugrunde liegenden Mechanismus der PIKfye-vermittelten SMC-Verkalkung zu erforschen. Diese Daten verweisen auf eine Rolle des zelluläre Re-Programmings mit Adipozyten-ähnlicher Differenzierung und SMC-Phänotyp-spezifischen Signalwegen. Validierungsuntersuchungen zeigten, dass Apilimod die Expression von adipogenen Markern und Genen des Cholesterin- und Fettsäurestoffwechsels sowie die Fettsäureaufnahme fördert, während SMC-spezifische Marker gehemmt wurden. Die detaillierte Identifizierung des PIKfyve-vermittelten Kalzifizierung- Signalwegs, die Rolle des epigenetisch-regulierten zelluläre Re-Programming sowie die Bedeutung der EVs mit Antikalzifizierungspotential für die interzelluläre Kommunikation sollte in zukünftigen Studien untersucht werden. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die PIKfyve-vermittelte endolysosomale Reifung an der Differenzierung von SMCs zu osteoblasten-ähnlichen Zellen über die Regulation epigenetischer Prozesse beteiligt ist und damit die die Initiierung der Gefäßkalzifizierung fördert. Die Hemmung von PIKfyve fördert die Freisetzung von EVs mit reduziertem Verkalkungspotenzial. Diese Forschungsarbeiten zeigen die wichtige Rolle von PIKfyve in der EV Beladung und SMC Kalzifizierung auf. Dieses Projekt trägt dazu beitragen, die Biogenese und die daraus resultierenden funktionalen Konsequenzen kalzifizierter EVs besser zu verstehen, um so die Grundlage für neue therapeutische Strategien zu legen.
Publications
- Cardiovascular calcification in chronic kidney disease – therapeutic opportunities. Toxins 2020; 12:181
Himmelsbach A, Ciliox C, Goettsch C
(See online at https://doi.org/10.3390/toxins12030181) - Cellular contributors to bone homeostasis. In Cardiovascular Calcification and Bone Mineralization. ISBN 978-3-030- 46725-8. Springer. 2020; Chapter 16
Rauner M, Jähn K, Hemmatian H, Colditz J, Goettsch C
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-030-46725-8_16) - Extracellular Vesicles as Delivery Vehicles of Specific Cellular Cargo. Cells 2020; 9:1601
Mir B and Goettsch C
(See online at https://doi.org/10.3390/cells9071601) - Integrative Multi-Omics Analysis in Calcific Aortic Valve Disease Reveals a Link to the Formation of Amyloid-Like Deposits. Cells. 2020;9:2164
Heuschkel MA, Skenteris NT, Hutcheson JD, van der Valk DD, Bremer J, Goody P, Hjortnaes J, Jansen F, Bouten CVC, van den Bogaerdt A, Matic L, Marx N, Goettsch C
(See online at https://doi.org/10.3390/cells9102164) - Carbamylated sortilin associates with cardiovascular calcification in patients with chronic kidney disease. Kidney Int 2022;101:574- 584
Jankowski V, Saritas T, Kjolby MF, Hermann J, Speer T, Himmelsbach A, Mahr K, Heuschkel M, Schunk SJ, Thirup S, Winther S, Bottcher M, Nyegard M, Nykjaer A, Kramann R, Kaesler N, Jankowski J, Floege J, Marx N, Goettsch C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.kint.2021.10.018) - Osteomodulin attenuates smooth muscle cell osteogenic transition in vascular calcification. Clin Transl Med 2022;12:e682
Skenteris NT, Seime T, Witasp A, Karlof E, Wasilewski GB, Heuschkel MA, Jaminon A, Oduor L, Dzhanaev R, Kronqvist M, Lengquist M, Peeters FECM, Sonderberg M, Hultgren R, Roy J, Maegdefessel L, Arnardottir H, Bengtsson E, Goncalves I, Quertermous T, Goettsch C, Stenvinkel P, Schurgers LJ, Matic L
(See online at https://doi.org/10.1002/ctm2.682) - TNAP as a therapeutic target for cardiovascular calcification - a discussion of its pleiotropic functions in the body. Cardiovasc Res. 2022;118:84-94
Goettsch C, Strzelecka-Kiliszek A, Bessueille L, Quillard, T, Mechtouff L, Pikula S, Canet- Soulas E, Millan JL, Fonta C, Magne D
(See online at https://doi.org/10.1093/cvr/cvaa299)
