Линии дермальных фибробластов от пациента с болезнью Хантингтона как перспективная модель для изучения патогенеза заболевания: получение и характеристика

Аннотация

Болезнь Хантингтона (БХ) – наследственное неизлечимое заболевание, вызванное мутацией и увеличением числа повторов CAG в гене HTT, кодирующем белок хантингтин (HTT). Несмотря на многочисленные исследования, проведённые на различных клеточных и животных моделях, конкретные механизмы, объясняющие биологическую роль мутантного хантингтина (mHTT) и его токсичность для нейронов стриатума, до настоящего времени не установлены, эффективная терапия для пациентов не разработана. Нами получена и охарактеризована новая линия дермальных фибробластов HDDF (Huntington Disease Dermal Fibroblasts) от пациента с подтверждённым диагнозом БХ. Приведены ростовые характеристики линии HDDF, окраска на канонические маркеры, проведено кариотипирование и фенотипирование клеток. Проведена прямая дифференцировка фибробластов полученной линии в индуцированные нейроны стриатума. Новая линия фибробластов может быть использована в качестве клеточной модели для изучения биологической роли mHTT и различных проявлений патогенеза БХ как на самих фибробластах, так и на индуцированных нейрональных клетках, полученных с помощью методов репрограммирования.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование было поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 075-15-2021-1063 (Н.М.), и грантом РНФ № 22-75-00106 (Н.К.). Финансовая поддержка распределялась следующим образом: эксперименты и результаты, представленные на рис. 1–6, финансировались за счёт соглашения № 075-15-2021-1063 (Н.М.); эксперименты и результаты, представленные на рис. 7 и 8, финансировались за счёт гранта РНФ № 22-75-00106 (Н.К.).

Благодарности

В работе было использовано оборудование ЦКП «Коллекция культур клеток позвоночных» Института цитологии РАН.

Вклад авторов

Н. Красковская, А. Кольцова, М. Хотин, Н. Михайлова – концепция и руководство работой; Н. Красковская, А. Кольцова, П. Парфенова, А. Шатрова, Н. Ярцева, В. Назаров, Е. Девяткина – проведение экспериментов; Н. Красковская, А. Кольцова, П. Парфенова, А. Шатрова, Н. Ярцева, В. Назаров, Е. Девяткина, М. Хотин, Н. Михайлова – обсуждение результатов исследования; Н. Красковская, А. Кольцова, П. Парфенова – написание текста; А. Шатрова, Н. Михайлова – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием людей, соответствуют этическим стандартам национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 года и её последующим изменениям или сопоставимым нормам этики. Получено информированное добровольное согласие донора.

Список литературы

1. Roos, R. A. (2010) Huntington’s disease: a clinical review, Orphanet J Rare Dis., 5, 40, doi: 10.1186/1750-1172-5-40.

2. Monk, R., and Connor, B. (2021) Cell reprogramming to model Huntington’s disease: a comprehensive review, Cells, 10, 1565, doi: 10.3390/cells10071565.

3. Lopez-Toledo, G., Silva-Lucero, M. D., Herrera-Diaz, J., Garcia, D. E., Arias-Montano, J. A., and Cardenas-Aguayo, M. D. (2022) Patient-derived fibroblasts with presenilin-1 mutations, that model aspects of Alzheimer’s disease pathology, constitute a potential object for early diagnosis, Front. Aging Neurosci., 14, 921573, doi: 10.3389/fnagi.2022.921573.

4. Xicota, L., Lagarde, J., Eysert, F., Grenier-Boley, B., Rivals, I., Botte, A., Forlani, S., Landron, S., Gautier, C., Gabriel, C., Bottlaender, M., Lambert, J. C., Chami, M., Sarazin, M., and Potier, M. C. (2023) Modifications of the endosomal compartment in fibroblasts from sporadic Alzheimer’s disease patients are associated with cognitive impairment, Transl. Psychiatry, 13, 54, doi: 10.1038/s41398-023-02355-z.

5. Teves, J. M. Y., Bhargava, V., Kirwan, K. R., Corenblum, M. J., Justiniano, R., Wondrak, G. T., Anandhan, A., Flores, A. J., Schipper, D. A., Khalpey, Z., Sligh, J. E., Curiel-Lewandrowski, C., Sherman, S. J., and Madhavan, L. (2017) Parkinson’s disease skin fibroblasts display signature alterations in growth, redox homeostasis, mitochondrial function, and autophagy, Front. Neurosci., 11, 737, doi: 10.3389/fnins.2017.00737.

6. Thomas, R., Moloney, E. B., Macbain, Z. K., Hallett, P. J., and Isacson, O. (2021) Fibroblasts from idiopathic Parkinson’s disease exhibit deficiency of lysosomal glucocerebrosidase activity associated with reduced levels of the trafficking receptor LIMP2, Mol. Brain, 14, 16, doi: 10.1186/s13041-020-00712-3.

7. Auburger, G., Klinkenberg, M., Drost, J., Marcus, K., Morales-Gordo, B., Kunz, W. S., Brandt, U., Broccoli, V., Reichmann, H., Gispert, S., and Jendrach, M. (2012) Primary skin fibroblasts as a model of Parkinson’s disease, Mol. Neurobiol., 46, 20-27, doi: 10.1007/s12035-012-8245-1.

8. Gerou, M., Hall, B., Woof, R., Allsop, J., Kolb, S. J., Meyer, K., Shaw, P. J., and Allen, S. P. (2021) Amyotrophic lateral sclerosis alters the metabolic aging profile in patient derived fibroblasts, Neurobiol. Aging, 105, 64-77, doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2021.04.013.

9. Konrad, C., Kawamata, H., Bredvik, K. G., Arreguin, A. J., Cajamarca, S. A., Hupf, J. C., Ravits, J. M., Miller, T. M., Maragakis, N. J., Hales, C. M., Glass, J. D., Gross, S., Mitsumoto, H., and Manfredi, G. (2017) Fibroblast bioenergetics to classify amyotrophic lateral sclerosis patients, Mol. Neurodegener., 12, 76, doi: 10.1186/s13024-017-0217-5.

10. Rubio, M. A., Herrando-Grabulosa, M., Velasco, R., Blasco, I., Povedano, M., and Navarro, X. (2022) TDP-43 cytoplasmic translocation in the skin fibroblasts of ALS patients, Cells, 11, 209, doi: 10.3390/cells11020209.

11. Hung, C. L., Maiuri, T., Bowie, L. E., Gotesman, R., Son, S., Falcone, M., Giordano, J. V., Gillis, T., Mattis, V., Lau, T., Kwan, V., Wheeler, V., Schertzer, J., Singh, K., and Truant, R. (2018) A patient-derived cellular model for Huntington’s disease reveals phenotypes at clinically relevant CAG lengths, Mol. Biol. Cell, 29, 2809-2820, doi: 10.1091/mbc.E18-09-0590.

12. Fernandez-Estevez, M. A., Casarejos, M. J., Lopez Sendon, J., Garcia Caldentey, J., Ruiz, C., Gomez, A., Perucho, J., de Yebenes, J. G., and Mena, M. A. (2014) Trehalose reverses cell malfunction in fibroblasts from normal and Huntington’s disease patients caused by proteosome inhibition, PLoS One, 9, e90202, doi: 10.1371/journal.pone.0090202.

13. Marchina, E., Misasi, S., Bozzato, A., Ferraboli, S., Agosti, C., Rozzini, L., Borsani, G., Barlati, S., and Padovani, A. (2014) Gene expression profile in fibroblasts of Huntington’s disease patients and controls, J. Neurol. Sci., 337, 42-46, doi: 10.1016/j.jns.2013.11.014.

14. Vanisova, M., Stufkova, H., Kohoutova, M., Rakosnikova, T., Krizova, J., Klempir, J., Rysankova, I., Roth, J., Zeman, J., and Hansikova, H. (2022) Mitochondrial organization and structure are compromised in fibroblasts from patients with Huntington’s disease, Ultrastruct. Pathol., 46, 462-475, doi: 10.1080/01913123.2022.2100951.

15. Reddy, P. H., Mao, P., and Manczak, M. (2009) Mitochondrial structural and functional dynamics in Huntington’s disease, Brain Res. Rev., 61, 33-48, doi: 10.1016/j.brainresrev.2009.04.001.

16. Aladdin, A., Kiraly, R., Boto, P., Regdon, Z., and Tar, K. (2019) Juvenile Huntington’s disease skin fibroblasts respond with elevated parkin level and increased proteasome activity as a potential mechanism to counterbalance the pathological consequences of mutant huntingtin protein, Int. J. Mol. Sci., 20, 5338, doi: 10.3390/ijms20215338.

17. Nekrasov, E. D., Vigont, V. A., Klyushnikov, S. A., Lebedeva, O. S., Vassina, E. M., Bogomazova, A. N., Chestkov, I. V., Semashko, T. A., Kiseleva, E., Suldina, L. A., Bobrovsky, P. A., Zimina, O. A., Ryazantseva, M. A., Skopin, A. Y., Illarioshkin, S. N., Kaznacheyeva, E. V., Lagarkova, M. A., and Kiselev, S. L. (2016) Manifestation of Huntington’s disease pathology in human induced pluripotent stem cell-derived neurons, Mol. Neurodegener., 11, 27, doi: 10.1186/s13024-016-0092-5.

18. Vera, E., Bosco, N., and Studer, L. (2016) Generating late-onset human iPSC-based disease models by inducing neuronal age-related phenotypes through telomerase manipulation, Cell Rep., 17, 1184-1192, doi: 10.1016/j.celrep.2016.09.062.

19. Vigont, V., Nekrasov, E., Shalygin, A., Gusev, K., Klushnikov, S., Illarioshkin, S., Lagarkova, M., Kiselev, S. L., and Kaznacheyeva, E. (2018) Patient-specific iPSC-based models of Huntington’s disease as a tool to study store-operated calcium entry drug targeting, Front. Pharmacol., 9, 696, doi: 10.3389/fphar.2018.00696.

20. Piechota, M., Latoszek, E., Liszewska, E., Hansikova, H., Klempir, J., Muhlback, A., Landwehrmeyer, G. B., Kuznicki, J., and Czeredys, M. (2023) Generation of two human iPSC lines from dermal fibroblasts of adult- and juvenile-onset Huntington’s disease patients and two healthy donors, Stem Cell Res., 71, 103194, doi: 10.1016/j.scr.2023.103194.

21. Victor, M. B., Richner, M., Hermanstyne, T. O., Ransdell, J. L., Sobieski, C., Deng, P. Y., Klyachko, V. A., Nerbonne, J. M., and Yoo, A. S. (2014) Generation of human striatal neurons by microRNA-dependent direct conversion of fibroblasts, Neuron, 84, 311-323, doi: 10.1016/j.neuron.2014.10.016.

22. Victor, M. B., Richner, M., Olsen, H. E., Lee, S. W., Monteys, A. M., Ma, C., Huh, C. J., Zhang, B., Davidson, B. L., Yang, X. W., and Yoo, A. S. (2018) Striatal neurons directly converted from Huntington’s disease patient fibroblasts recapitulate age-associated disease phenotypes, Nat. Neurosci., 21, 341-352, doi: 10.1038/s41593-018-0075-7.

23. Oh, Y. M., Lee, S. W., Kim, W. K., Chen, S., Church, V. A., Cates, K., Li, T., Zhang, B., Dolle, R. E., Dahiya, S., Pak, S. C., Silverman, G. A., Perlmutter, D. H., and Yoo, A. S. (2022) Age-related Huntington’s disease progression modeled in directly reprogrammed patient-derived striatal neurons highlights impaired autophagy, Nat. Neurosci., 25, 1420-1433, doi: 10.1038/s41593-022-01185-4.

24. Zhang, N., Bailus, B. J., Ring, K. L., and Ellerby, L. M. (2016) iPSC-based drug screening for Huntington’s disease, Brain Res., 1638, 42-56, doi: 10.1016/j.brainres.2015.09.020.

25. Eddings, C. R., Arbez, N., Akimov, S., Geva, M., Hayden, M. R., and Ross, C. A. (2019) Pridopidine protects neurons from mutant-huntingtin toxicity via the sigma-1 receptor, Neurobiol. Dis., 129, 118-129, doi: 10.1016/j.nbd.2019.05.009.

26. Choi, K. A., Hwang, I., Park, H. S., Oh, S. I., Kang, S., and Hong, S. (2014) Stem cell therapy and cellular engineering for treatment of neuronal dysfunction in Huntington’s disease, Biotechnol. J., 9, 882-894, doi: 10.1002/biot.201300560.

27. Chen, T. R. (1977) In situ detection of mycoplasma contamination in cell cultures by fluorescent Hoechst 33258 stain, Exp. Cell Res., 104, 255-262, doi: 10.1016/0014-4827(77)90089-1.

28. ATCC Collection (1985) ATCC quality control methods for cell lines, Rockville, Md.

29. Седова Г. П. (2008) Количественные аспекты злокачественного роста, Математическая морфология, 7.

30. Ozkinay, C., and Mitelman, F. (1979) A simple trypsin-Giemsa technique producing simultaneous G- and C-banding in human chromosomes, Hereditas, 90, 1-4, doi: 10.1111/j.1601-5223.1979.tb01287.x.

31. Kraskovskaya, N., Bolshakova, A., Khotin, M., Bezprozvanny, I., and Mikhailova, N. (2023) Protocol Optimization for Direct Reprogramming of Primary Human Fibroblast into Induced Striatal Neurons, Int. J. Mol. Sci., 24, doi: 10.3390/ijms24076799.

32. Назаров В. Д., Лапин С. В., Гавриченко А. В., Хуторов Д. В., Лобачевская Т. В., Хальчицкий С. Е., Брачунов С. П., Красаков И. В., Виссарионов С. В., Баиндурашвили А. Г., Эмануэль В. Л., Тотолян А. А. (2017) Выявление экспансии тринуклеотидных повторов при болезни Гентингтона, Медицинская генетика, 3, 24-29.

33. Mustaly-Kalimi, S., Gallegos, W., Marr, R. A., Gilman-Sachs, A., Peterson, D. A., Sekler, I., and Stutzmann, G. E. (2022) Protein mishandling and impaired lysosomal proteolysis generated through calcium dysregulation in Alzheimer’s disease, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 119, e2211999119, doi: 10.1073/pnas.2211999119.

34. Ayabe, T., Takahashi, C., Ohya, R., and Ano, Y. (2022) beta-Lactolin improves mitochondrial function in Abeta-treated mouse hippocampal neuronal cell line and a human iPSC-derived neuronal cell model of Alzheimer’s disease, FASEB J., 36, e22277, doi: 10.1096/fj.202101366RR.

35. Brandstaetter, H., Kruppa, A. J., and Buss, F. (2014) Huntingtin is required for ER-to-Golgi transport and for secretory vesicle fusion at the plasma membrane, Dis. Model Mech., 7, 1335-1340, doi: 10.1242/dmm.017368.

36. Liu, Y., Xue, Y., Ridley, S., Zhang, D., Rezvani, K., Fu, X. D., and Wang, H. (2014) Direct reprogramming of Huntington’s disease patient fibroblasts into neuron-like cells leads to abnormal neurite outgrowth, increased cell death, and aggregate formation, PLoS One, 9, e109621, doi: 10.1371/journal.pone.0109621.

37. Huntington’s disease Consortium (2020) Bioenergetic deficits in Huntington’s disease iPSC-derived neural cells and rescue with glycolytic metabolites, Hum. Mol. Genet., 29, 1757-1771, doi: 10.1093/hmg/ddy430.

38. Крылова Т. А., Мусорина А. С., Зенин В. В., Кольцова А. М., Кропачева И. В., Турилова В. И., Яковлева Т. К., Полянская Г. Г. (2016) Получение и характеристика неиммортализованных клеточных линий дермальных фибробластов человека, выделенных из кожи век взрослых доноров разного возраста, Цитология, 58, 850-864.

39. Pierzynowska, K., Gaffke, L., Cyske, Z., and Wegrzyn, G. (2019) Genistein induces degradation of mutant huntingtin in fibroblasts from Huntington’s disease patients, Metab. Brain Dis., 34, 715-720, doi: 10.1007/s11011-019-00405-4.

40. Archer, F. J., and Mancall, E. L. (1983) Cultured fibroblasts in Huntington’s disease. II. Effects of glucosamine, Arch. Neurol., 40, 24-27, doi: 10.1001/archneur.1983.04050010044010.

41. Barkley, D. S., Hardiwidjaja, S., and Menkes, J. H. (1977) Abnormalities in growth of skin fibroblasts of patients with Huntington’s disease, Ann. Neurol., 1, 426-430, doi: 10.1002/ana.410010505.

42. Scudiero, D. A., Meyer, S. A., Clatterbuck, B. E., Tarone, R. E., and Robbins, J. H. (1981) Hypersensitivity to N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine in fibroblasts from patients with Huntington disease, familial dysautonomia, and other primary neuronal degenerations, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 78, 6451-6455, doi: 10.1073/pnas.78.10.6451.

43. Godin, J. D., Colombo, K., Molina-Calavita, M., Keryer, G., Zala, D., Charrin, B. C., Dietrich, P., Volvert, M. L., Guillemot, F., Dragatsis, I., Bellaiche, Y., Saudou, F., Nguyen, L., and Humbert, S. (2010) Huntingtin is required for mitotic spindle orientation and mammalian neurogenesis, Neuron, 67, 392-406, doi: 10.1016/j.neuron.2010.06.027.

44. Garcia, V. J., Rushton, D. J., Tom, C. M., Allen, N. D., Kemp, P. J., Svendsen, C. N., and Mattis, V. B. (2019) Huntington’s disease patient-derived astrocytes display electrophysiological impairments and reduced neuronal support, Front. Neurosci., 13, 669, doi: 10.3389/fnins.2019.00669.