Pathology of ectopic calcification in fetuin-a deficient mice : compensatory gene regulation and mineralized matrix metabolism

Herrmann, Marietta; Jahnen-Dechent, Wilhelm

doi:999910173748

Pathology of ectopic calcification in fetuin-a deficient mice : compensatory gene regulation and mineralized matrix metabolism = Pathologie der ektopen Kalzifizierung in Fetuin-A defizienten Mäusen : kompensatorische Genregulation und Metabolismus der mineralisierten Matrix

Herrmann, Marietta (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marietta Herrmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangIV, 181 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Jahnen-Dechent, Wilhelm (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-03-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40193
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/64592/files/4019.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Zell- und Molekularbiologie an Grenzflächen (529000-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Verkalkung (Genormte SW) ; Mineralisation (Genormte SW) ; Plasmaproteine (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Knockout-Maus (frei) ; Fetuin-A (frei) ; mineralization (frei) ; calcification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Fetuin-A ist ein in der Leber synthetisiertes Plasmaprotein, das eine wichtige Rolle bei der Mineralhomöostase spielt. Es vermittelt die Bildung und Stabilisierung von Protein-Mineralkomplexen, so genannten Calciprotein Partikeln (CPPs). Um eine ungewollte ektope Ablagerung von CPPs zu verhindern, muss es darüber hinaus Mechanismen geben, die CPPs aus dem Blutkreislauf entfernen, also eine Clearance von CPPs vermitteln. Folglich führte Fetuin-A Defizienz im zur Kalzifizierung neigenden Mausstamm DBA/2 zu schwerwiegenden Weichgewebskalzifizierungen. Fetuin-A defiziente Mäuse mit genetischem Hintergrund C57BL/6 zeigten hingegen keine spontane Kalzifizierung. In diesen Mäusen müssen weitere inhibitorische oder kompensatorische Mechanismen existieren, die eine ektope Kalzifizierung verhindern. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle von CPPs in der Mineralhomöostase zu untersuchen und darüber hinaus den Pathomechanismus der Weichgewebskalzifizierung in verkalkenden DBA/2 Fetuin-A defizienten Mäusen zu analysieren. Ein weiterer Schwerpunkt lag darin, Mechanismen aufzudecken, die zur Prävention der Verkalkung in Fetuin-A defizienten C57BL/6 Mäusen beitragen. In Mäusen konnte gezeigt werden, dass intravenös injizierte CPPs innerhalb kürzester Zeit effizient aus dem Blutkreislauf entfernt werden. Die Aufnahme von CPPs erfolgte durch Zellen des retikuloendothelialen Systems, den Kupffer-Zellen der Leber und Marginalzonen-Makrophagen in der Milz. Die Studie von Makrophagen in vitro führte zur Identifizierung eines spezifischen Rezeptors für die Aufnahme von CPPs. Versuche mit kompetitiven Liganden und Scavenger Rezeptor A (SR-A) defizienten Makrophagen zeigten, dass SR-A eine wichtige Rolle bei der Clearance von CPPs spielt. Die pathologische Kalzifizierung in DBA/2 Fetuin-A defizienten Mäusen wurde mit einer genomweiten Expressionsanalyse untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Kalzifizierung mit fibrotischen Gewebeveränderungen assoziiert war. Es konnte jedoch keine direkt mit der Mineralisierung zusammenhängende differenzielle Genexpression nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass kalzifizierte Läsionen in DBA/2 Fetuin-A defizienten Mäusen sowohl intrazellulär als auch extrazellulär in der Mikrovaskulatur auftraten. Eine Proteomanalyse der Läsionen zeigte, dass die Kalkablagerungen mit Plasmaproteinen angereichert waren. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass es sich bei der ektopen Mineralisierung in DBA/2 Fetuin-A defizienten Mäusen um eine passive ektope Mineralpräzipitation handelt. Dementsprechend konnte auch in nicht-kalzifizierenden C57BL/6 Fetuin-A defizienten Mäusen keine mit der Mineralisierung assoziierte kompensatorische Genregulation nachgewiesen werden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Aufnahme von CPPs in Makrophagen aus C57BL/6 Mäusen deutlich effizienter war als in DBA/2 Makrophagen, somit scheint eine effiziente Clearance von CPPs bei der Verhinderung ungewollter Kalzifizierungen eine Rolle zu spielen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass CPPs die Clearance von Mineraldebris aus dem Blutkreislauf vermitteln, wobei die CPP-Aufnahme in Makrophagen über SR-A vermittelt wird. Dieser Rezeptor spielt auch bei der Clearance von modifizierten Lipoproteinen eine entscheidende Rolle. Insbesondere in der kalzifizierenden Atherosklerose würde somit die defekte Clearance gravierende Auswirkungen haben. In DBA/2 Mäusen führt die Fetuin-A Defizienz zu einer ausgeprägten Weichgewebskalzifizierung. Um diese pathologische Kalzifizierung zu verhindern, ist also sowohl die Stabilisierung von Mineraldebris in Form von CPPs als auch eine effiziente Clearance der CPPs unabdingbar.

Fetuin-A is a liver-derived plasma protein involved in mineralized matrix metabolism. Biochemical studies showed that fetuin-A is essential for the formation and stabilization of protein-mineral complexes, called calciprotein particles (CPPs). CPP clearance from circulation is essential to prevent local deposition and pathological calcification. Consequently, calcification-prone DBA/2 mice deficient in fetuin-A suffer from severe ectopic calcification. In contrast, C57BL/6 fetuin-A deficient mice do not calcify spontaneously. This suggests that additional mechanisms must exist to prevent ectopic calcification in these mice. The aim of this thesis was to elucidate the role of fetuin-A stabilized CPPs in mineral matrix metabolism, to gain further insight into the pathomechanisms of soft tissue calcification in calcifying DBA/2 fetuin-A deficient mice and to identify the mechanisms preventing ectopic calcification in C57BL/6 mice. It could be shown that in mice fetuin-A containing CPPs were rapidly cleared by the reticuloendothelial system, namely by Kupffer cells of the liver and by marginal zone macrophages of the spleen. Macrophages from scavenger receptor-A (SR-A) deficient mice cleared CPPs less efficiently than macrophages from wildtype mice suggesting that SR-A is involved in CPP binding and endocytosis. The pathology of ectopic calcification in fetuin-A deficient DBA/2 mice was analyzed by comparative genomics. A genome wide gene expression analysis showed that the soft tissue calcification in fetuin-A deficient DBA/2 mice was associated with fibrotic tissue remodeling while mineralization associated genes were not differentially regulated. Furthermore, calcified lesions were found intracellularly as well as extracellularly within the microvasculature and contained serum proteins. These results suggest that ectopic calcification in fetuin-A deficient DBA/2 mice is driven by a passive, chemical mineral precipitation. In agreement with this, in non-calcifying fetuin-A deficient C57BL/6 mice prevention of calcification was not mediated by a compensatory regulation of mineralization associated genes. However, CPP clearance by macrophages derived from DBA/2 was inferior to C57BL/6 mouse macrophage clearance. This strongly suggests that defective CPP clearance contributed to the calcifying DBA/2 mouse phenotype. In conclusion, it could be demonstrated that fetuin-A containing CPPs mediate the clearance of mineral debris by macrophages via SR-A. Since the same receptor also contributes to the uptake of modified low-density lipoprotein particles in atherosclerosis, defective endocytosis of both types of particles may impinge on lipid as well as mineral debris clearance in calcifying atherosclerosis. In DBA/2 fetuin-A deficient mice defective mineral debris clearance, particularly the absence of fetuin-A stabilized CPPs, accelerates soft tissue calcification. Thus, molecular stabilization of mineral debris in the form of fetuin-A containing CPPs and cellular CPP clearance are both crucial in preventing pathological calcification.

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