Einzelzell-Transcriptomics-basierter Vergleich von regenerativer Reparatur vs. fibrotischer Antwort bei chronischer Nierenerkrankung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Hauptziel dieses DFG-Projekts war die Identifikation von Zelltypen und ihrem spezifischem Transkriptom sowie von Änderungen der Zellzusammensetzung mittels hochmoderner Einzelzell-Analysemethoden sowohl in regenerativer Nierenreparatur als auch maladaptiver Schädigungsantwort wie etwa bei der Nierenfibrose/chronischen Nierenerkrankung. Als Teil des Projekts waren wir in der Lage, transkriptomische Phänotypen von unterschiedlichen Nierenerkrankungen entlang eines kontinuierlichen Spektrums zu skizzieren, beginnend bei akuter Schädigung hin zu chronischem maladaptivem Versagen. Als erstes bestimmten wir das epigenetische Programm, welches einzigartige Zelltypen in der Niere aus Nephron- Vorläuferzellen hervorbringt und welches unabdingbar ist für das Verständnis der zelltypspezifischen Heterogenität, welche sowohl Gewebe-Homöostase als auch der Schädigungsantwort zugrunde liegt, wie etwa die frühe Festlegung der Podozten-Identität durch anhaltende Foxl1-Expression und die Festlegung von renalen Tubulus-Vorläuferzellen zu proximaler (Hnf4a) oder distaler (Tfap2b) Identität. Als nächstes demonstrierten wir in einem Folsäure-Mausmodell, dass Stoffwechselvorgänge (Fettsäureoxidation und oxidative Phosphorylierung) in proximalen Tubuluszellen die stärkste und reproduzierbarste Assoziation mit Zelldifferenzierung und Erkrankungs-Chronifizierung aufweisen. Drittens entdeckten wir in einem unilateralen Ureter-Obstruktionsmodell einen Tubulus-Subtyp mit profibrotischem Phänotyp, der sich auszeichnete durch die Expression von Zytokinen und Chemokinen (z.B. CXCL1), welche mit der Rekrutierung von Immunzellen wie etwa CXCR2+ Basophilen assoziiert waren. Zuletzt gelang es uns durch die Titration der Ischämiedauer an der Niere ein Mausmodell sowohl adaptiver als auch fibrotischer Nierenanpassung zu entwickeln. Hier identifizierten wir nach langanhaltender Ischämie ein spezifisch maladaptives/profibrotisches Cluster von proximalen Tubuluszellen, das sich durch proinflammatorische und profibrotische Zytokine und chemotaktische, myeloide Zellen anlockende Faktoren auszeichnete. Darüber hinaus zeigten in silico Druggability-Analysen, dass Pyroptose- und Ferroptose-Signalwege in den profibrotischen Tubuluszellen angreifbar und einer pharmakologischen Intervention in vivo zugänglich waren. Darüber hinaus ermöglichte das Projekt die Fertigstellung ähnlicher Arbeiten zur diabetischen Nephropathie und von Übersichtsarbeiten zur Einzelzellanalyse in der Niere sowie die Etablierung mehrerer qualitativ hochwertiger Open Access-Datenbanken, die der Forschungsgemeinschaft für die interaktive Abfrage zur Verfügung stehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
The interdependence of epithelial and endothelial metabolism in kidney health and disease. Sci Signal; 13(635)
Balzer MS, Susztak K.
-
How to get started with single cell- RNA sequencing data analysis. J Am Soc Nephrol.; 32(6)1279-92
Balzer MS, Ma Z, Zhou J, Abedini A, Susztak K.
-
Kidney toxicity of the BRAF-kinase inhibitor vemurafenib is driven by off-target ferrochelatase inhibition. Kidney Int.; 100(6):1214-26
Bai Y, Kim JY, Bisunke B, Jayne LA, Silvaroli JA, Balzer MS, Gandhi M, Huang KM, Sander V, Prosek J, Cianciolo RE, Baker SD, Sparreboom A, Jhaveri KD, Susztak K, Bajwa A, Pabla NS.
-
Single cell regulatory landscape of the mouse kidney highlights cellular differentiation programs and disease targets. Nat Commun.; 12(1):2277
Miao Z, Balzer MS, Ma Z, Liu H, Wu J, Shrestha R, Aranyi T, Kwan A, Kondo A, Pontoglio M, Kim J, Li M, Kaestner KH, Susztak K.
-
Single-cell biology—a Keystone Symposia report. Ann NY Acad Sci.; 1506(1):74-97
Cable J, Elowitz MB, Domingos AI, Habib N, Itzkovitz S, Hamidzada H, Balzer MS, Yanai I, Liberali P, Whited J, Streets A, Cai L, Stergachis AB, Hong CKY, Keren L, Guilliams M, Alon A, Shalek AK, Hamel R, Pfau SJ, Raj A, Quake SR, Zhang NR, Fan J, Trapnell C, Wang B, Greenwald NF, Vento-Tormo R, Santos SDM, Spencer SL, Garcia HG, Arekatla G, Gaiti F, Arbel-Goren R, Rulands S, Junker JP, Klein AM, Morris SA, Murray JI, Galloway KE, Ratz M, Romeike M.
-
The Nuclear Receptor ESRRA Protects from Kidney Disease by Coupling Metabolism and Differentiation. Cell Metab.; 33(2):379-94
Dhillon P, Park J, Hurtado del Pozo C, Li L, Doke T, Huang S, Zhao J, Kang HM, Shrestra R, Balzer MS, Chatterjee S, Prado P, Han SY, Liu H, Sheng X, Dierickx P, Bartmanov K, Romero JP, Prosper F, Li M, Pei L, Kim J, Monserrat N, Susztak K.
-
Urinary single-cell profiling captures the cellular diversity of the kidney. J Am Soc Nephrol.; 32(3):614-27
Abedini A, Zhu YO, Chatterjee S, Halasz G, Devalaraja-Narashimha K, Shrestha R, Balzer MS, Park J, Zhou T, Ma Z, Sullivan KM, Hu H, Sheng X, Liu H, Wei Y, Boustany-Kari CM, Patel U, Almaani S, Palmer M, Townsend R, Blady S, Hogan J, TRIDENT Study Investigators, Morton L, Susztak K.
-
How Many Cell Types Are in the Kidney and What Do They Do? Annu Rev Physiol; 84:507-31
Balzer MS, Rohacs T, Susztak K.
-
Single-cell analysis highlights differences in druggable pathways underlying adaptive or fibrotic kidney regeneration. Nat Commun. 13(1):4018
Balzer MS, Doke T, Yang Y-W, Aldridge DL, Hu H, Mai H, Mukhi D, Ma Z, Shrestha R, Palmer MB, Hunter CA, Susztak K.
-
Single-cell analysis identifies the interaction of altered renal tubules with basophils orchestrating kidney fibrosis. Nat Immunol; 23(6):947-59
Doke T, Aldridge DL, Yang Y-W, Park J, Hernandez C, Abedini A, Balzer MS, Shrestra R, Coppock G, Inclan Rico JM, Han SY, Kim J, Xin S, Piliponsky AM, Lefebvre V, Siracusa M, Hunter CA, Susztak K.
