Дефіцит заліза обумовлює аутосомно-домінантний гіпофосфатемічний рахіт (ADHR) фенотип у мишей-нокаутів з фактором росту фібробластів (Fgf23)

Підсумок автора

Нашою метою було перевірити дефіцит заліза як причину пізнього розвитку ADHR та визначити взаємодію генів, білків та молекул, які сприяють цьому фенотипу затримки захворювання. Тут ми демонструємо, що дефіцит заліза суттєво підвищує рівень мРНК Fgf23 у кістці як мишей дикого типу (контролі), так і мишей, генетично змінених, що несуть мутацію Fgf23, що викликає ADHR у людей (ці миші отримали позначення "ступінь ADHR R176Q-Fgf23 -у мишей). Ми показали, що підвищена експресія мРНК Fgf23, ймовірно, відбувається через активацію ключових шляхів, задіяних у зондуванні заліза. Що важливо, миші дикого типу протеолітично розщеплюють надлишок білка Fgf23 на менші шматочки, щоб підтримувати нормальний фосфатний обмін. Навпаки, протеоліз у мишей-нокаутів R176Q-Fgf23 був скомпрометований, що призвело до підвищеного рівня інтактного сироваткового Fgf23 та гіпофосфатемічної хвороби кісток, що узгоджується з фенотипом ADHR пізнього початку. Таким чином, наша робота підтримує концепцію, згідно з якою дефіцит заліза контролює метаболізм Fgf23 та фосфатів і що ADHR спричинений взаємодією генів із середовищем.

Спектр ADHR містить дві підгрупи постраждалих осіб: Одна підгрупа складається з пацієнтів, які спостерігають у дитинстві втрату фосфатів, рахіт та деформацію нижніх кінцівок; друга підгрупа складається з тих, кого це не стосується як дітей, але клінічно виявляється пізніше, у підлітковому або дорослому віці (1). Для перевірки ролі дефіциту заліза в регуляції настання Fgf23 та ADHR in vivo (тобто в самому організмі) мишей дикого типу та R176Q-Fgf23 (ADHR) поміщали на нормальних (контрольних) або низьких залізні дієти на 8–12 тиж. Дієта з низьким вмістом заліза знизила рівень заліза в сироватці крові як у мишей дикого типу, так і у мишей ADHR та спричинила подібний ступінь залізодефіцитної анемії в обох групах порівняно з контролем. Цікаво, що дієта з низьким вмістом заліза призвела до значної гіпофосфатемії та остеомаляції кісток (неправильна мінералізація) лише у мишей ADHR, які отримували дієту з низьким вмістом заліза, але не в інших групах. Крім того, лужна фосфатаза (маркер гіпофосфатемічної хвороби кісток) була підвищена лише у мишей ADHR на дієті з низьким вмістом заліза, і не спостерігалося змін у вмісті кальцію в сироватці крові або паратиреоїдного гормону, що сприяє підвищенню рівня кальцію в сироватці крові. Ці скелетні та біохімічні фенотипи паралельні пацієнтам із пізнім початком СДУГ.

Для перевірки механізмів пізнього настання ADHR у оброблених мишей вимірювали Fgf23 у сироватці крові за допомогою аналізів сироватки, які вимірювали або інтактний, біоактивний Fgf23, або інтактний, і C-кінцевий білок Fgf23. Важливо, що миші дикого типу та ADHR, які отримували дієту з низьким вмістом заліза, мали помітно підвищений C-кінцевий Fgf23; однак миші дикого типу на дієті з низьким вмістом заліза демонстрували нормальний рівень інтактного Fgf23, що вказує на те, що ці тварини здатні регулювати фосфатний гомеостаз шляхом активного протеолізу білка Fgf23. На противагу цьому, миші ADHR на дієті з низьким вмістом заліза мали підвищений рівень інтактності та C-кінця Fgf23, демонструючи, що інтактне розщеплення Fgf23 погіршено мутацією Fgf23 ADHR R176Q, що призводить до гіпофосфатемічної хвороби кісток. Щоб перевірити потенційні джерела підвищеного рівня Fgf23 у сироватці крові, ми далі дослідили експресію Fgf23 у кістках мишей, які отримували дві різні дієти. Миші дикого типу та ADHR на дієті з низьким вмістом заліза продемонстрували помітне збільшення рівня мРНК Fgf23 та білка на 8 та 12 тижнів порівняно з відповідними контрольними мишами (узагальнено на рис. P1).

Дефіцит заліза та регуляція FGF23 при пізньому початку СДУГ. Дефіцит заліза спричиняє підвищену експресію в кістках мРНК Fgf23 та білка in vivo. Більше того, хелатування заліза та активація HIF1α пов'язані зі збільшенням іРНК Fgf23 в остеобластичній клітинній лінії. Крім того, ми показуємо, що надлишок гормону FGF23 дикого типу протеолітично розщеплюється для підтримання нормальної сироваткової концентрації інтактного FGF23 та відповідного метаболізму фосфатів (сині шляхи). Навпаки, протеоліз R176Q-FGF23 порушений, що призводить до збільшення концентрації інтактного FGF23 у сироватці крові, гіпофосфатемії та остеомаляції (червоні шляхи).

Для виділення реакцій кісткових клітин на дефіцит заліза ми обробили клітинну лінію, отриману з кісткової тканини (остеобластична клітинна лінія UMR-106), терапевтичним хелатором заліза дефероксаміном (DFO), щоб зменшити загальний вміст заліза. Лікування DFO призвело до значного збільшення мРНК Fgf23 та підвищення внутрішньоклітинної сигналізації; обидва ці ефекти блокувались інгібіторами. Крім того, фактор транскрипції індукованого гіпоксією фактора (HIF) HIF1α, відомий як реакція на зменшення клітинного заліза, стабілізували за допомогою DFO та за допомогою специфічного активатора HIF, l-мімозину (l-MIM). Паралельно лікування l -MIM також суттєво стимулювало експресію мРНК Fgf23, що означає збільшення транскрипції мРНК Fgf23 за допомогою HIF1α як молекулярної основи для підвищеного Fgf23 під час дефіциту заліза (рис. P1).

Ця робота підтвердила наступні концепції: (i) дефіцит заліза може індукувати біохімічні та скелетні фенотипи ADHR у модельної тварини in vivo; (ii) сайт SPC 176RXXR179 є критичним для нормального контролю циркулюючого Fgf23 на вторинному регуляторному етапі; та (iii) продукція Fgf23 знаходиться за течією транскрипційних шляхів (тобто реагує на них або контролюється ними), пов’язані із виявленням дефіциту заліза. Отримані нами результати показують, що ADHR, на відміну від інших захворювань із підвищеним FGF23, є синдромом, який може бути викликаний взаємодією генів із середовищем, завдяки чому поєднана наявність мутації ADHR та змінений статус заліза здатні виробляти фенотип захворювання.

З моменту виявлення мутацій FGF23 ADHR, узгодити наші сучасні знання про обробку фосфатів та розвиток ADHR у пацієнтів було важко. За нормальних обставин експресія FGF23 сильно знижується за рахунок гіпофосфатемії; отже, у міру зниження рівня фосфату в сироватці крові концентрація FGF23 у сироватці крові повинна нормалізуватися через транскрипційну репресію гена FGF23. Той факт, що пацієнти з ADHR не можуть придушити FGF23, свідчить про те, що стимул поза традиційною ендокринною віссю кальцій-фосфат, а саме дефіцит заліза, може сильно стимулювати вироблення Fgf23, незважаючи на відверту гіпофосфатемію, як ми спостерігали у мишей ADHR. Ці висновки можуть призвести до нових діагностичних та терапевтичних підходів щодо ADHR та загальних розладів порушеного фосфатного обміну, таких як хронічне захворювання нирок та мінеральне розлад кісток.

Виноски

↵ 1 Кому слід адресувати листування. Електронна пошта: kenewhitiupui.edu .

Внески автора: E.G.F. та K.E.W. розроблені дослідження; E.G.F., X.Y., L.J.S., S.I.D., M.R.A., A.G.R., K.R.S., V.J., M.J.M., H.J.G., R.V., R.J.C., C.B.G. і K.E.W. виконані дослідження; J.C.F., M.R.A., A.G.R., R.V., R.J.C. та M.P. внесли нові реагенти/аналітичні інструменти; E.G.F., S.L.H. та K.E.W. проаналізовані дані; та E.G.F., J.C.F., S.L.H., M.P. та K.E.W. написав роботу.

Заява про конфлікт інтересів: K.E.W. отримує роялті за ліцензування гена FGF23 компанії Kyowa Hakko Kirin Co. Ltd., а M.P. бере участь у клінічному випробуванні з Kyowa Hakko Kirin Co. Ltd.

Ця стаття є прямим поданням PNAS.

Див. Повну дослідницьку статтю на сторінці E1146 на сайті www.pnas.org.

Посилання на цей автор Резюме як: PNAS 10.1073/pnas.1110905108.