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Comprehensive bioinformatics identifies key microRNA players in ATG7-deficient lung fibroblasts
(2020)
Background: Deficient autophagy has been recently implicated as a driver of pulmonary fibrosis, yet bioinformatics approaches to study this cellular process are lacking. Autophagy-related 5 and 7 (ATG5/ATG7) are critical elements of macro-autophagy. However, an alternative ATG5/ATG7-independent macro-autophagy pathway was recently discovered, its regulation being unknown. Using a bioinformatics proteome profiling analysis of ATG7-deficient human fibroblasts, we aimed to identify key microRNA (miR) regulators in autophagy. Method: We have generated ATG7-knockout MRC-5 fibroblasts and performed mass spectrometry to generate a large-scale proteomics dataset. We further quantified the interactions between various proteins combining bioinformatics molecular network reconstruction and functional enrichment analysis. The predicted key regulatory miRs were validated via quantitative polymerase chain reaction. Results: The functional enrichment analysis of the 26 deregulated proteins showed decreased cellular trafficking, increased mitophagy and senescence as the major overarching processes in ATG7-deficient lung fibroblasts. The 26 proteins reconstitute a protein interactome of 46 nodes and miR-regulated interactome of 834 nodes. The miR network shows three functional cluster modules around miR-16-5p, miR-17-5p and let-7a-5p related to multiple deregulated proteins. Confirming these results in a biological setting, serially passaged wild-type and autophagy-deficient fibroblasts displayed senescence-dependent expression profiles of miR-16-5p and miR-17-5p. Conclusions: We have developed a bioinformatics proteome profiling approach that successfully identifies biologically relevant miR regulators from a proteomics dataset of the ATG-7-deficient milieu in lung fibroblasts, and thus may be used to elucidate key molecular players in complex fibrotic pathological processes. The approach is not limited to a specific cell-type and disease, thus highlighting its high relevance in proteome and non-coding RNA research.
Eine seltene und bisher kaum untersuchte Komplikation der Radioiodbehandlung bei differenziertem (metastasiertem) Schilddrüsenkarzinom ist die Lungenfibrose, deren Häufigkeit in der Literatur mit 1-10 % angegeben wird. Ziel dieser Längsschnittstudie war es, den Zusammenhang zwischen der zunehmenden Anzahl an Radioiodtherapien bzw. steigenden I131-Gesamtdosis und der Inzidenz sowie dem Schweregrad der Lungenfibrose zu untersuchen. Insbesondere der Einfluss von Lungenmetastasen wurde betrachtet. Des Weiteren wurde der aus den radiologischen Veränderungen im CT („Fibrosegrad“) bestimmte Schweregrad der Fibrose mit funktionellen Einschränkungen in der Lungenfunktion und im pulmonalen Gasaustausch korreliert. In die Längsschnittstudie wurden 54 Kinder und Jugendliche aus Weißrussland einbezogen, die nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl an einem differenzierten Schilddrüsenkarzinom erkrankt waren und bei denen nach einer Thyreoidektomie bis zu 11 Radioiodtherapien durchgeführt wurden. Die Lungenfunktion sowie Parameter zur Bestimmung der pulmonalen Belastbarkeit wurden mittels Bodyplethysmographie und Fahrradergometrie ermittelt. Bei der Validitätsprüfung der von uns gebrauchten Normwerte der Funktionsparameter zeigte sich bei den 11-17-Jährigen eine altersabhängige Abnahme der alveolo-arteriellen Partialdruckdifferenz für Sauerstoff in Ruhe und unter Belastung. Mit steigender Anzahl an I131-Therapien bzw. zunehmender I131-Gesamtdosis kam es zu einer signifikanten Verschlechterung der Lungenfunktionsparameter VCmax und lnTLC sowie des Fibrosegrades. Die vor Beginn der Therapien für AaDO2 in Ruhe und unter Belastung festgestellte altersabhängige Verringerung der alveolo-arteriellen Partialdruckdifferenz blieb als mögliches Zeichen einer therapiebedingten Schädigung der Lunge im Verlauf der Therapien aus. Unter Berücksichtigung des personellen und zeitlichen Aufwands sowie der Strapazen einer fahrradergometrischen Untersuchung mit Blutgasanalysen für die Patienten ist der Nutzen allerdings fraglich. Beim Vergleich von 32 Patienten jeweils vor und nach erstmaliger Radiodtherapie gab es in keinem der bestimmten Parameter (VCmax, TLC, FEV1, TLCOsb, aaDO2 in Ruhe und unter Belastung, SpO2min und DSpO2) einen Unterschied zwischen den Patienten mit bzw. ohne Metastasen. In beiden Gruppen wurde aber zwischen beiden Zeitpunkten eine signifikante Abnahme von VCmax, lnTLC und TLCOsb offensichtlich. Eine Abhängigkeit der Entwicklung einer Lungenfibrose und den daraus resultierenden funktionellen Verschlechterungen von dem Vorhandensein von Lungenmetastasen konnten wir nicht finden. Auch nach beendeter Radioiodbehandlung zeigte sich bei Patienten mit pulmonalen Metastasen für lnTLC und aaDO2 in Ruhe und unter Belastung eine signifikante, für VCmax und SpO2min tendenzielle Verschlechterung der Werte. Wir gehen daher von einem Voranschreiten der durch wiederholte Radioiodtherapien induzierten fibrotischen Entwicklungen auch mehrere Monate nach dem Therapieende aus. Eine fortwährende Überwachung der Entwicklung einer Lungenfibrose durch regelmäßige Lungenfunktionsuntersuchungen während und nach den Radioiodbehandlungen erscheint daher sinnvoll und wichtig.
Fibrosis, neurodegeneration, and cerebral angiomatosis (FINCA, MIM#618278) is a rare clinical condition caused by bi‐allelic variants in NHL repeat containing protein 2 (NHLRC2, MIM*618277). Pulmonary disease may be the presenting sign and the few patients reported so far, all deceased in early infancy. Exome sequencing was performed on patients with childhood interstitial lung disease (chILD) and additional neurological features. The chILD‐EU register database and an in‐house database were searched for patients with NHLRC2 variants and clinical features overlapping FINCA syndrome. Six patients from three families were identified with bi‐allelic variants in NHLRC2. Two of these children died before the age of two while four others survived until childhood. Interstitial lung disease was pronounced in almost all patients during infancy and stabilized over the course of the disease with neurodevelopmental delay (NDD) evolving as the key clinical finding. We expand the phenotype of FINCA syndrome to a multisystem disorder with variable severity. FINCA syndrome should also be considered in patients beyond infancy with NDD and a history of distinct interstitial lung disease. Managing patients in registers for rare diseases helps identifying new diagnostic entities and advancing care for these patients.
Die Lunge wird häufig im Rahmen der Behandlung maligner Tumoren im Thorax bestrahlt und stellt aufgrund ihrer hohen Radiosensitivität das dosislimitierende Organ dar. Es kann zu Nebenwirkungen in Form von akuter Strahlenpneumonitis bis hin zu chronischer Lungenfibrose kommen. Bei diesen Prozessen scheint TGF-b1, welches durch ionisierende Strahlung aktiviert werden kann, eine entscheidende Rolle zu spielen. Wir untersuchten anhand von Rattenlungenfibroblasten Zellzyklusveränderungen nach Bestrahlung, die eventuell TGF-b1 vermittelt sind. Es wurden Zellzyklusanalysen mittels BrdU-ELISA bzw. Messungen am Durchflusszytometer durchgeführt. Hierbei zeigte sich eine dosisabhängige Proliferationshemmung nach Inkubation unbestrahlter Lungenfibroblasten mit Überständen bestrahlter Fibroblasten. Auch exogene Gabe von TGF-b1 inhibierte die Zellproliferation. Vermutlich führt aktiviertes TGF-b1 zu autokriner Stimulierung von Fibroblasten, Zellzyklusarrest in der G1-Phase und terminaler Differenzierung zu postmitotischen Fibrozyten. Gesteigerte Kollagenproduktion dieser Zellen bewirkt schließlich die Entstehung von Lungenfibrose. Schlußfolgerung: Bestrahlte Fibroblasten produzieren Substanzen, die die Proliferation unbestrahlter Zellen hemmen. TGF-b1 führt zu vergleichbaren Veränderungen. Die Daten sprechen für eine Ausdifferenzierung von Fibroblasten, woraus eine Störung des Gewebs-Remodeling mit Fibrosierung des Lungengewebes resultiert. Vermutlich finden diese Vorgänge durch Induktion von TGF-b1 statt.
Combined pulmonary fibrosis and emphysema (CPFE) is a recently recognized syndrome that, as its name indicates, involves the existence of both interstitial lung fibrosis and emphysema in one individual, and is often accompanied by pulmonary hypertension. This debilitating, progressive condition is most often encountered in males with an extensive smoking history, and is presented by dyspnea, preserved lung volumes, and contrastingly impaired gas exchange capacity. The diagnosis of the disease is based on computed tomography imaging, demonstrating the coexistence of emphysema and interstitial fibrosis in the lungs, which might be of various types and extents, in different areas of the lung and several relative positions to each other. CPFE bears high mortality and to date, specific and efficient treatment options do not exist. In this review, we will summarize current knowledge about the clinical attributes and manifestations of CPFE. Moreover, we will focus on pathophysiological and pathohistological lung phenomena and suspected etiological factors of this disease. Finally, since there is a paucity of preclinical research performed for this particular lung pathology, we will review existing animal studies and provide suggestions for the development of additional in vivo models of CPFE syndrome.
Die Lungenfibrose zählt mit einer Häufigkeit von 1-10% zu den seltenen Spätfolgen der Radioiodtherapie differenzierter Schilddrüsenkarzinome . Wir untersuchten 74 weißrussische Kinder und Jugendliche (16,4 ± 2,2 Jahre), die infolge des Reaktorunfalls von Tschernobyl an einem differenzierten Schilddrüsenkarzinom erkrankten und bei denen nach Thyreoidektomie in der Klinik für Nuklearmedizin der Universität Würzburg die Radioiodtherapie erfolgte. Eine Chemotherapie, Radiatio oder Radiochemotherapie war in keinem der Fälle durchgeführt worden. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin zu untersuchen, ob es mit zunehmender Anzahl an Radioiodtherapiezyklen bzw. 131-I-Gesamtaktivität [GBq] zu im Thorax-CT nachweisbaren Veränderungen im Sinne einer Lungenfibrose und damit einhergehend zu Defiziten der Lungenfunktion (Inspiratorische Vitalkapazität -IVC- , Totale Lungenkapazität -TLC-, Einsekundenkapazität -FEV1-, Diffusionskapazität -KCOc-) und des pulmonalen Gasaustausches unter Belastung (Sauerstoffsättigungsabfall -SPO2-, Maximale Sauerstoffaufnahme -VO2max-, Alveolo-arterielle Sauerstoffpartialdruckdifferenz -AaDO2-) kommt. Dabei wurden Patienten mit und ohne Lungenmetastasen gemeinsam und separat voneinander betrachtet. Dabei war mit zunehmender Anzahl an 131-I-Therapien bzw. mit steigender 131-I-Gesamtaktivität eine signifikante Häufigkeitszunahme fibrotischer Veränderungen im Thorax-CT erkennbar (p = 0,0354), der Parameter FEV1 fiel signifikant ab (p = 0,031), bei Patienten mit Lungenmetastasen zeigten sich signifikante Rückgänge von IVC (p = 0,046) und KCOc (p = 0,02). Bei den Parametern des pulmonalen Gasaustausches unter Belastung fanden wir keine signifikanten Veränderungen mit steigender Therapieanzahl bzw. 131-I-Gesamtaktivität. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich bei Patienten mit Schilddrüsenkarzinom in Abhängigkeit von der Anzahl an Radioiodtherapiezyklen bzw. der Höhe der 131-I-Gesamtaktivität fibrotische Veränderungen der Lunge bis hin zur manifesten Lungenfibrose entwickeln können. Dabei scheint das Vorhandensein von Lungenmetastasen ein besonderes Risiko darzustellen.