來源：生物探索 急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）是一個具有挑戰(zhàn)性的臨床問題，與高發(fā)病率和死亡率有關，是新冠肺炎危重患者的常見并發(fā)癥。在急性腎損傷中，腎小管上皮細胞（tubular epithelial cells，TEC）是損傷的主要部位，急性腎損傷的恢復取決于TEC的可塑性【1】。 在急性損傷的腎臟中，適宜的應激反應促使修復機制被適當激活，使損傷后的腎臟得以完全修復【1】。然而，如果腎臟應激反應過度，AKI導致的損傷則不能完全修復并進展為慢性腎損傷（chronic kidney injury, CKD），甚至導致慢性腎臟疾病及腎衰竭【2】。由于AKI導致的應激反應預示著CKD的進展，因此預防或停止不良應激反應不僅在急性損傷階段具有核心臨床重要性，在損傷后修復階段仍具有重大意義【3】。然而，腎小管上皮細胞對應激反應的細胞機制尚不完全清楚，在急性腎損傷過程中是否應該使用糖皮質激素仍沒有達成共識。 近日，由西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院內分泌科徐勇科研團隊成員周路平博士后為第一作者、德國馬爾堡大學藥理學研究所的Thomas Worzfeld教授為通訊作者的文章Glucocorticoids induce a maladaptive epithelial stress response to aggravate acute kidney injury在Science Translational Medicine雜志在線發(fā)表。 該研究通過RNA seq、ATAC seq、腎臟TEC糖皮質激素受體（glucocorticoid receptor, GR）特異性敲除、DNA損傷及代謝分析，揭示TEC的不良應激反應在急性損傷及修復中的分子機制和藥理靶點，為進一步理解合成糖皮質激素（如地塞米松）加劇腎臟的急性損傷提供新的視角。 該文首先對新冠肺炎患者進行隊列研究，發(fā)現在64%的發(fā)生了AKI的嚴重新冠肺炎患者的TEC中有肌紅蛋白的沉積，說明肌紅蛋白對TEC的損傷是嚴重新冠肺炎AKI的主要病理生理機制。 于是，作者用肌紅蛋白造AKI小鼠模型，觀察加或不加人工合成的糖皮質激素地塞米松對急性損傷的小鼠腎臟的作用。結果顯示：加用地塞米松的腎臟損傷加重！分子機制是什么呢？為了回答這個問題，作者首次建立了一種急性腎損傷體外模型——腎小管的體外3D模型，簡稱“tubuloids” 【4】。研究發(fā)現，肌紅蛋白的刺激會上調tubuloids的氧化應激相關基因及腎小管損傷標志物Ngal的表達。作者把tubuloids用肌紅蛋白處理12小時后做RNA-seq分析發(fā)現，肌紅蛋白激活了tubuloids的炎癥應答以及凋亡，這些炎癥信號的激活至少部分是由NF-κB調節(jié)的。隨后，作者將肌紅蛋白處理后的tubuloids做ATAC-seq，結果再次驗證NF-κB在肌紅蛋白導致的TEC損傷中的調節(jié)作用。此外，轉錄因子結合基序富集分析和ATACseq分析都顯示肌紅蛋白處理后的tubuloids控制細胞分化和增殖的轉錄因子結合增加，包括Klf4、Klf9和Egr1。 肌紅蛋白處理后的tubuloids的轉錄分析顯示：編輯11β-HSD2酶的基因Hsd11b2被顯著下調（z-score:−0.9）。11β-HSD2酶是一種催化生物轉化的酶，能將活性11β-羥基-糖皮質激素（如皮質醇或皮質酮）去活化為11-酮-糖皮質激素（如可的松或11-脫氫-皮質酮）【5】。作者隨后檢測了11β-HSD2酶在人體及AKI動物模型中的表達，結果顯示11β-HSD2酶在人體及AKI動物模型中明顯下調，而GR的磷酸化（GR的活化狀態(tài)）明顯上調，是否說明急性腎損傷通過抑制內源性活性糖皮質激素的失活而導致糖皮質激素受體的激活呢？為了回答這個問題，作者做了兩個獨立的實驗：1.用類固醇11β-羥化酶抑制劑metyrapone處理AKI小鼠，觀察阻斷內源性糖皮質激素的形成對AKI的作用；2.構建一種轉基因鼠，在該鼠中編碼GR的基因Nr3c1在TEC中特異性失活（基因型Pax8-Cre），觀察GR在TEC中的特異性敲除對AKI的作用。結果顯示：metyrapone的應用及GR的特異性敲除都對腎臟有明顯的保護作用。綜上所述，AKI導致的內源性糖皮質激素受體激活加重了TEC損傷。 為了分析GR激活加重TEC損傷的機制，作者用肌紅蛋白處理tubuloids，通過RNAseq觀察加或不加地塞米松對TEC損傷的作用。結果顯示，地塞米松上調了TEC損傷指標Krt20的表達。有趣的是，在該文的數據中，地塞米松并沒有顯示出期望的抗炎效果，反而加重了TEC的DNA損傷，抑制了DNA雙鏈修復相關基因的表達，包括Bard1, Blm, Brca1, Brca2, Brip1, Dna2, Exo1, Fancd2, Mre11, Rad51, Rad51ap1, Rad54l, Rpa2, Xrcc2 和 Xrcc3。 DNA損傷及修復與細胞代謝緊密相關【6】。GR信號在調節(jié)骨骼肌、肝臟及脂肪組織細胞的能量代謝中發(fā)揮著重要作用【7】。于是，作者繼續(xù)探尋地塞米松對細胞代謝的作用。不論是人體腎臟組織切片染色，還是人體腎臟組織切片體外培養(yǎng)，結果均顯示，地塞米松上調了應激應答基因Fkbp51的表達，抑制了細胞代謝的主要復合體mTORC1的表達及mTOR下游信號S6的活化。已知mTORC1促進蛋白質的翻譯【8】，于是，作者給AKI小鼠模型注射嘌呤霉素以評估GR敲除對小鼠腎臟損傷后的蛋白質合成的作用。結果顯示，GR敲除明顯增加了損傷后蛋白質的合成。然而，mTOR信號通路的藥理學阻斷——雷帕霉素的應用阻斷了GR敲除對腎臟的保護作用。綜上，這些數據確定了mTOR信號通路在GR介導的TEC的不良應激反應中的調控作用。 mTOR信號與線粒體功能聯系緊密【9】。于是，作者推斷GR信號激活抑制mTOR可能損害TEC的線粒體呼吸，反之，GR敲除可以刺激TEC中的線粒體呼吸。結果顯示，TEC特異性GR敲除促使線粒體呼吸相關基因的富集，線粒體呼吸相關基因的表達上調。這種基因表達的上調在沒有AKI的健康小鼠中沒有觀察到，強調應激條件下GR信號與線粒體呼吸的相關性。此外，與對照組相比，肌紅蛋白誘導的AKI小鼠模型中，特異性敲除了GR的TEC中線粒體的尺寸較大，而地塞米松的使用抑制了線粒體呼吸功能。 綜上所述，該文通過對肌紅蛋白尿誘導的AKI小鼠模型、人類和小鼠腎小管的體外3D模型進行分析，揭示內源性糖皮質激素通過激活GR信號加重TEC的損傷，而合成糖皮質激素的使用加重受損TEC中的糖皮質激素受體信號傳導導致的不良應激反應，這種不良的應激反應阻礙了DNA修復所需的轉錄程序，放大了損傷誘導的DNA雙鏈斷裂，并抑制mTOR活性和線粒體的生物能量學。作者特異性地敲除了TEC的GR，這有效地扭轉了急性腎損傷導致的TEC的損傷，這種保護作用依賴于對DNA修復所需的轉錄程序的保護以及對mTOR活性和線粒體的生物能量學正常功能的維持。 參考文獻 1. M. Chang-Panesso, B. D. Humphreys, Cellular plasticity in kidney injury and repair. Nat.Rev. Nephrol. 13, 39–46 (2017). 2. S. A. Strausser, D. Nakano, T. Souma, Acute kidney injury to chronic kidney disease transition: Insufficient cellular stress response. Curr. Opin. Nephrol. Hypertens. 27, 314–322(2018). 3. L . S. Chawla, P. W. Eggers, R. A. Star, P. L. Kimmel, Acute kidney injury and chronic kidney disease as interconnected syndromes. N. Engl. J. Med. 371, 58–66 (2014). 4. F. Schutgens, M. B. Rookmaaker, T. Margaritis, A. Rios, C. Ammerlaan, J. Jansen, L. Gijzen, M. Vormann, A. Vonk, M. Viveen, F. Y. Yengej, S. Derakhshan, K. M. de Winter-de Groot, B. Artegiani, R. van Boxtel, E. Cuppen, A. P. A. Hendrickx, M. M. van den Heuvel-Eibrink, E. Heitzer, H. Lanz, J. Beekman, J.-L. Murk, R. Masereeuw, F. Holstege, J. Drost, M. C. Verhaar, H. Clevers, Tubuloids derived from human adult kidney and urine for personalized disease modeling. Nat. Biotechnol. 37, 303–313 (2019). 5. K. Chapman, M. Holmes, J. Seckl, 11β-hydroxysteroid dehydrogenases: Intracellular gate-keepers of tissue glucocorticoid action. Physiol. Rev. 93, 1139–1206 (2013). 6. I . Shimizu, Y. Yoshida, M. Suda, T. Minamino, DNA damage response and metabolic disease. Cell Metab. 20, 967–977 (2014). 7. A . J. Rose, A. Vegiopoulos, S. Herzig, Role of glucocorticoids and the glucocorticoid receptor in metabolism: Insights from genetic manipulations. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 122, 10–20 (2010). 8. R . A. Saxton, D. M. Sabatini, mTOR signaling in growth, metabolism, and disease. Cell 168, 960–976 (2017).