Frataxin loss induces endothelial dysfunction to promote pulmonary hypertension

Frataxin 损失诱导内皮功能障碍，促进肺动脉高压

• 批准号: 9396442
• 负责人: Miranda Kay Culley
• 金额: $ 4.9万
• 依托单位: UNIVERSITY OF PITTSBURGH AT PITTSBURGH
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2017-09-01 至 2021-08-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9396442
• 关键词: Apoptosis; Apoptotic; Attenuated; Basic Science; Binding; Binding Sites; Biogenesis; Biological Assay; Biology; Blood Vessels; Cardiovascular system; Clinical; Clinical Medicine; Complement; Complex; Computer Analysis; DNA Sequence Alteration; Data; Development; Diagnosis; Disease; Down-Regulation; Endothelial Cells; Endothelium; Family; Friedreich Ataxia; Functional disorder; Future; Gene Expression; Genes; Heart failure; Histologic; Human; Hypertrophic Cardiomyopathy; Hypoxia; In Vitro; Iron; Knockout Mice; Laboratories; Left; Left Ventricular Hypertrophy; Link; Luciferases; Lung; Lung diseases; Measures; Mediator of activation protein; Medicine; Mentors; Metabolic; Metabolism; Methods; MicroRNAs; Mitochondria; Mitochondrial Proteins; Modeling; Molecular; Mus; Mutate; Mutation; Neurologic; Neurologic Dysfunctions; Oligonucleotides; Oxidative Phosphorylation; Pathway interactions; Patients; Phenotype; Physicians; Pluripotent Stem Cells; Proteins; Pulmonary Hypertension; Pulmonary artery structure; Pulmonary vessels; Reactive Oxygen Species; Regulation; Reporter; Respiration; Risk; Role; Scaffolding Protein; Scientist; Site; Standardization; Structure; Sulfur; Tamoxifen; Testing; Training; Transcript; Trinucleotide Repeats; Untranslated RNA; Vascular Diseases; Vasomotor; Ventricular; Virulence Factors; angiogenesis; cadherin 5; cofactor; drug development; effective therapy; endothelial dysfunction; enzyme activity; experimental study; frataxin; hemodynamics; improved; in vitro Model; in vivo; indexing; loss of function; metal complex; migration; mitochondrial dysfunction; mitochondrial metabolism; mouse model; neglect; nervous system disorder; new therapeutic target; novel; pre-doctoral; pressure; protein expression

Project Summary  Background:  Pulmonary  hypertension  (PH)  is  a  deadly  disease  of  the  lung  vasculature  with  a  complex  pathophysiology  that  remains  largely  undefined.  My  mentor’s  laboratory  established  the  microRNA-­130/301  family as a mediator of PH development and defined a separate mechanism by which iron-­sulfur (Fe-­S) cluster  deficiency promotes PH. Fe-­S clusters are bioinorganic cofactors essential to mitochondrial and cellular function.  Frataxin (FXN) is a mitochondrial protein crucial to Fe-­S biogenesis. Loss of FXN due to a trinucleotide repeat  mutation causes Friedreich’s ataxia (FRDA), a disease characterized by neurologic dysfunction and hypertrophic  cardiomyopathy.  Hypertrophic  cardiomyopathy  is  often  accompanied  by  PH,  thought  to  be  the  result  of  left  ventricular stiffening rather than direct dysfunction of the pulmonary vessels. However, I have found that hypoxia,  a  key  trigger  of  PH,  down-­regulated  FXN  expression  in  pulmonary  arterial  endothelial  cells.  FXN  was  also  decreased  in  the  pulmonary  vasculature  of  mice  and  humans  with  PH.  Consequently,  such  FXN  deficiency  altered endothelial mitochondrial, vasomotor, apoptotic indices, thus leading to preliminary data regarding the  alteration of PH in vivo. Taken together, there may be a direct role for FXN in PH. Hypothesis: FXN deficiency,  induced by hypoxia or genetic mutation, disrupts endothelial metabolism and function to promote PH.   Specific Aims: 1) Determine whether hypoxic down-­regulation of FXN is controlled by miR-­130b. I have  found that the FXN transcript contains a possible binding site for the PH-­relevant miR-­130b. By gain-­ and loss-­ of-­function methods in pulmonary arterial endothelial cells, I will determine whether hypoxia-­induced miR-­130b  decreases FXN expression, thus defining a causative relationship among miR-­130b, FXN, and Fe-­S biogenesis.   2) Determine whether FXN loss attenuates mitochondrial respiration and endothelial function. In primary  endothelial cells and inducible pluripotent stem cell-­derived endothelial cells (iPSC-­ECs) from FRDA patients, I  will test the hypothesis that FXN deficiency induces Fe-­S cluster-­dependent mitochondrial dysfunction, resulting  in endothelial phenotypic changes (e.g., apoptosis, proliferation). If successful, findings could establish a key link  between hypoxia-­ or genetically-­driven FXN loss and endothelial dysfunction consistent with PH.  3) Establish whether FXN loss and resulting mitochondrial dysfunction predisposes to PH in vivo. In a  tamoxifen-­dependent endothelial cell FXN knockout mouse model, I will test the hypothesis that FXN deficiency  in the pulmonary endothelium promotes molecular, histologic, and hemodynamic changes consistent with PH. If  successful, these results will validate an integral and direct role for FXN in the development of PH.  Significance: This project is ideally structured to train me as a physician-­scientist and bridge the gap between  basic science and clinical medicine. I aim to contribute to the currently deficient understanding of Fe-­S assembly  proteins in endothelial function. I could also identify FXN as a key pathogenic factor in PH, offering the potential  of diagnosing FRDA patients at risk for PH and defining FXN as a new drug target to benefit all PH patients.

项目摘要 背景：肺动脉高压（PH）是一种致命的肺血管疾病， 我导师的实验室建立了microRNA-130/301， 铁-硫（Fe-S）簇是PH发展的一个媒介，并定义了一个单独的机制， 缺乏促进PH。Fe-Na 2S簇是线粒体和细胞功能所必需的生物无机辅因子。 Frataxin（FXN）是一种线粒体蛋白，在铁蛋白生物合成中起重要作用。 一种突变导致弗里德赖希共济失调（FRDA），一种以神经功能障碍和肥大为特征的疾病 肥厚型心肌病通常伴有PH，被认为是左心室肥厚的结果。 心室硬化而不是肺血管的直接功能障碍。然而，我发现缺氧， 作为PH的关键触发因素，TXN下调肺动脉内皮细胞中FXN的表达。 在患有PH的小鼠和人的肺血管中减少。因此，这种FXN缺乏症 改变了内皮细胞线粒体、血管内皮细胞、凋亡指数，从而导致了关于细胞凋亡的初步数据。 体内PH的改变。总之，FXN可能在PH中起直接作用。假设：FXN缺乏， 由缺氧或基因突变诱导，破坏内皮代谢和功能，促进PH。 具体目的：1）确定缺氧下调FXN是否受miR-130 b控制。 发现FXN转录物中含有一个可能与PH相关的miR-130 b结合的位点。 在肺动脉内皮细胞中，我将确定缺氧是否诱导miR-130 b 降低FXN表达，从而确定了miR-130 b、FXN和Fe-miR-130 b生物发生之间的因果关系。 2)确定FXN损失是否减弱线粒体呼吸和内皮功能。 FRDA患者的内皮细胞和诱导性多能干细胞衍生的内皮细胞（iPSC-BECs）， 将检验FXN缺乏诱导Fe-S簇依赖性线粒体功能障碍， 在内皮表型变化（例如， 如果成功的话，研究结果可以建立一个关键的联系， 缺氧或遗传性缺氧导致的FXN丢失与PH相关的内皮功能障碍之间的关系。 3)确定FXN损失和导致的线粒体功能障碍是否在体内易患PH。 他莫昔芬依赖性内皮细胞FXN敲除小鼠模型，我将测试FXN缺乏的假设， 在肺内皮细胞中，促进与PH一致的分子、组织学和血流动力学变化。 如果成功，这些结果将验证FXN在PH开发中的整体和直接作用。 意义：这个项目是理想的结构，以培养我作为一个医生-科学家和桥梁之间的差距 基础科学和临床医学。我的目标是有助于目前缺乏了解的Fe-3S组装 我还可以确定FXN是PH的一个关键致病因子， 诊断FRDA患者有PH风险，并将FXN定义为使所有PH患者受益的新药靶点。