Expression profiling of novel iron-related genes in mouse models of iron overload

Abstract

Lähes kaikki organismit tarvitsevat rautaa elintärkeisiin toimintoihin, kuten hapen kuljettamiseen, energian tuotantoon ja DNA-synteesiin. Jos taas rautaa on liikaa, syntyy vapaata rautaa, joka edistää vapaiden radikaalien muodostumista. Nämä puolestaan aiheuttavat oksidatiivista stressiä soluille.

Perinnöllinen hemokromatoosi (PH) on yleinen sairaus, jossa raudan imeytyminen pohjukaissuolessa on suhteettoman suurta. Tämän seurauksena rautaa kertyy eri elimiin, pääasiallisesti maksaan, haimaan ja sydämeen. Ilman hoitoa raudan ylikuormitus johtaa elinvaurioihin, jotka voivat olla peruuttamattomia ja vähentää eliniän odotetta. Yleisiä komplikaatioita ovat maksakirroosi, maksasyöpä, diabetes, niveltulehdus ja kardiomyopatia. Mutaatiot useissa geeneissä voivat aiheuttaa perinnöllistä hemokromatoosia. Yleisimpiä ovat HFE-geenin mutaatiot, mutta myös mutaatiot HJV-, HAMP-, TFR2- ja SLC40A1-geeneissä voivat olla sairauden syynä.

Tämän väitöskirjan ensimmäisessä osassa selvitettiin raudan aineenvaihduntaan liittyvien vastikään löydettyjen geenien ilmentymisprofiilit. HJV-geenin lähetti-RNA ja proteiini esiintyivät hiirellä luurankolihaksessa, sydämessä ja maksassa. Ihmisillä HJV-geenin lähetti-RNA ilmentyi samoissa kudoksissa. Neogeniinia, proteiinia, joka on vuorovaikutuksessa HJV:n kanssa, havaittiin monissa hiiren kudoksissa. Sen ilmentyminen oli runsainta sukupuolielimissä.

Väitöskirjan toisessa osassa me aiheutimme hiirille raudan ylikuormituksen ruokkimalla niitä rauta-rikkaalla ruoalla. Tutkimme geenien ilmentymistä näiden hiirten sydämessä ja luurankolihaksessa. Liika rauta vaikutti myosiini- ja aktiinigeenien ilmentymiseen. Näillä geeneillä on keskeinen merkitys lihaskudoksen fysiologiassa. Kiinnostavaa on, että joillakin näissä hiirissä säädellyillä transkriptiotekijöillä ja entsyymeillä saattaa olla yhteys insuliiniresistenssiin ja sydämen komplikaatioihin.

Kolmannessa osassa tutkittavat kudokset olivat maksa ja pohjukaissuoli. Rautadieetti-hiirten lisäksi käytimme tutkimuksessa PH:n hiirimallia, eli hiiriä, joiden HFE-geeni on poistettu. Rautadieetti vaikutti oksidatiiviseen stressireaktioon liittyvien geenien ilmentymiseen molemmissa kudoksissa. Lisäksi joillakin esiin nousseilla geeneillä voi olla yhteys maksan liikakasvuun ja maksasolusyövän kehittymiseen. Toisaalta HFE-geenin puute sai aikaan maksassa monien sellaisten geenien ilmentymisen, jotka liittyvät akuuttiin tulehdusvasteeseen. Pohjukaissuolessa useiden ruoansulatusentsyymien geenien ilmentyminen nousi.

Tämä tutkimus paljasti geenejä, joita säädeltiin hiirillä raudan ylikuormituksen aikana. Tämän väitöskirjan tulosten perusteella tulisi tulevaisuudessa tutkia kyseisten geenien yhteyttä rauta-aineenvaihduntaan ihmisellä. Näin voitaisiin ymmärtää paremmin raudan ylikuormitukseen liittyvää patogeneesiä.

Almost all organisms need iron for vital functions, such as oxygen transport, energy production and DNA synthesis. However, in the event of iron excess, free iron appears that induces the formation of free radicals, which in turn cause oxidative stress to the cell.

Hereditary hemochromatosis (HH) is a common disorder in which absorption of iron in the small intestine is disproportionally high, leading to the accumulation of the metal in different organs, mainly in the liver, pancreas and heart. In the absence of treatment, iron overload leads to organ damage which may become irreversible and reduce life expectancy. Common complications include liver cirrhosis, hepatocellular carcinoma, diabetes, arthritis and cardiomyopathy. Several genes may be mutated in HH patients, the most common being mutations in the HFE gene, but also in HJV, HAMP, TFR2 and SLC40A1. In the first part of this thesis the expression profiles of recently identified genes related with iron metabolism were elucidated. HJV mRNA and protein were present in the skeletal muscle, heart and liver of mice. In humans, HJV mRNA was expressed in the same locations. Neogenin, a protein which interacts with HJV, had a very wide expression profile in mice, with the highest levels in reproductive organs.

In the second part of this thesis we induced iron overload in mice by feeding them an iron-supplemented diet. We studied the expression of genes in the heart and skeletal muscle of these mice. Iron excess affected the expression of myosin and actin genes, pivotal for the physiology of muscle tissue. Interestingly, some transcription factors and enzymes regulated in these mice could have a connection with the development of insulin resistance and cardiac complications.

In the third part, the tissues studied were liver and duodenum and, in addition to the mouse model of dietary iron overload, we used mice with disrupted HFE gene, a model of HH. The iron diet affected the expression of genes in response to oxidative stress in both tissues. In the liver, additionally, some affected genes may be connected with liver hyperplasia and the development of hepatocellular carcinoma. The lack of HFE gene, on the other hand, induced the expression of many genes associated with response to injury or inflammation in the liver. In the duodenum, many genes of digestive enzymes were induced. This study revealed genes whose regulation under iron overload in mice may explain the connection between iron excess in the organism and the pathogenesis associated with it. Based on our results, future studies on the function of these genes in humans in relation with iron metabolism will help understand better the pathogenesis of iron overload.