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

基本信息

项目摘要

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,具有复杂的症状  病理生理学在很大程度上仍然是未定义的。  我导师的实验室建立了 microRNA-130/301  家族作为 PH 发展的中介者,并定义了一种单独的机制,通过该机制铁硫 (Fe-S) 簇  缺乏会促进PH值。 Fe-S 簇是线粒体和细胞功能所必需的生物无机辅助因子。  Frataxin (FXN) 是一种对 Fe-S 生物合成至关重要的线粒体蛋白。 由于三核苷酸重复而导致 FXN 损失  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  心肌病。  肥厚型心肌病通常伴有 PH,被认为是左心室衰竭的结果  心室硬化而不是肺血管的直接功能障碍。 然而,我发现缺氧,  PH 的关键触发因素是肺动脉内皮细胞中 FXN 表达的下调。  FXN 也曾  患有 PH 的小鼠和人类的肺血管系统减少。  因此,这种 FXN 缺乏  改变内皮线粒体、血管舒缩、细胞凋亡指数,从而得出有关  体内 PH 值的改变。 总而言之,FXN 可能在 PH 中发挥直接作用。 假设:FXN 缺乏,  由缺氧或基因突变引起,破坏内皮代谢和功能,促进 PH。   具体目标:1) 确定 FXN 的缺氧下调是否受 miR-130b 控制。 我有  发现 FXN 转录本包含 PH 相关 miR-130b 的可能结合位点。 通过收益和损失 肺动脉内皮细胞功能丧失的方法,我将确定缺氧是否诱导 miR-130b  降低 FXN 表达,从而定义 miR-130b、FXN 和 Fe-S 生物发生之间的因果关系。   2) 确定 FXN 损失是否会减弱线粒体呼吸和内皮功能。 在小学  来自 FRDA 患者的内皮细胞和诱导型多能干细胞衍生的内皮细胞 (iPSC-EC),I  将检验以下假设:FXN 缺乏会导致 Fe-S 簇依赖性线粒体功能障碍,从而导致  内皮表型变化(例如细胞凋亡、增殖)。 如果成功,调查结果可以建立一个关键链接  缺氧或遗传驱动的 FXN 损失和与 PH 一致的内皮功能障碍之间。  3) 确定 FXN 丢失和由此导致的线粒体功能障碍是否容易导致体内PH。 在一个  他莫昔芬依赖性内皮细胞 FXN 敲除小鼠模型,我将测试 FXN 缺陷的假设  肺内皮细胞促进与 PH 一致的分子、组织学和血流动力学变化。 如果  如果成功,这些结果将验证 FXN 在 PH 发展中的整体和直接作用。  意义:这个项目的结构非常理想,旨在将我培养为一名医生兼科学家,并弥合两者之间的差距  基础科学和临床医学。 我的目标是为目前对铁硫组装的理解不足做出贡献  内皮功能中的蛋白质。 我还可以将 FXN 确定为 PH 的关键致病因素,提供潜在的  诊断有PH风险的FRDA患者,并将FXN定义为新的药物靶点,以使所有PH患者受益。

项目成果

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