The role of NER factors in mouse development and disease

Abstract

How DNA damage triggers the onset of tissue-specific pathology in patients and mice carrying defects in nucleotide excision repair (NER) remains an intriguing question arguing for tissue-specific responses against deleterious threats. Using a Cre/LoxP strategy, we have generated an adipose tissue-specific Ercc1 knock-out mouse, employing the Fabp4-aP2 driver, which is specifically expressed in adipose. The aP2-Ercc1-/- mice develop normally into adulthood and are indistinguishable to their littermate controls. From three months of age onwards the aP2-Ercc1-/- mice fail to gain weight and the majority of their adipose tissue depots are smaller, ultimately presenting generalized fat depletion. Scanning electron microscopy revealed a gross degenerative phenotype, including basement membrane rupture, adipocyte depletion and extensive fibrosis, accompanied by metabolic abnormalities usually observed when adipocytes are dysfunctional. Comparison of gene expression data from wt and Ercc1-/- adipose tissues showed 2200 genes that are differentially expressed with over-represented pathways including: the double-strand break response, pro-inflammatory signalling, nuclear receptor and growth factor signalling. A number of DSB responsive genes are up-regulated in the aP2-Ercc1-/- adipose and a subset forms nuclear foci, a hallmark of the DNA damage response. In the aP2-Ercc1-/- EWAT a large number of adipocytes undergo necrotic death and form crown-like structures with infiltrating pro-inflammatory leukocytes, establishing an in vivo link between DDR and the inflammatory response. Using an in vitro cell culture system, we document that the Ercc1 defect as well as DNA damage per se can act in a cell-autonomous manner and induce a pro-inflammatory response by de-repressing gene promoters, when mouse embryonic fibroblasts are exposed to an adipogenic regime, a response that is not observed upon ATM inhibition. Collectively, these data support the idea of an endogenous DNA damage-dependent signal that induces an auto-inflammatory response in the adipose tissue, ultimately leading to lipodystrophy in NER progeria.

Ο ρόλος της γενωμικής αστάθειας στην εμφάνιση ιστο-ειδικής παθολογίας σε ασθενείς και ποντίκια που φέρουν μεταλλαγές στα γονίδια του μηχανισμού εκτομής νουκλεοτιδίων δεν είναι γνωστός και υποθέτουμε πως υπάρχουν ιστο-ειδικές αποκρίσεις κατά επιβλαβών καταστάσεων. Κάνοντας χρήση του Cre/LoxP γενετικού συστήματος και του Fabp4-aP2 υποκινητή που εκφράζεται ειδικά στον λιπώδη ιστό, αναπτύξαμε έναν ποντικό μοντέλο με ιστο-ειδική απώλεια λειτουργίας για το Ercc1 γονίδιο στο λίπος. Τα aP2-Ercc1-/- ποντίκια αναπτύσσονται φυσιολογικά και δεν διαφέρουν από τα ποντίκια αναφοράς. Από την ηλικία των τριών μηνών, τα aP2-Ercc1-/- ποντίκια έχουν λιγότερο βάρος, οι αποθήκες λίπους τους είναι σημαντικά μικρότερες και εμφανίζουν συνολική απώλεια του λιπώδους ιστού. Πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης αποκάλυψαν έναν δραματικό εκφυλιστικό φαινότυπο που περιλαμβάνει ρήξη της βασικής μεμβράνης, απώλεια λιποκυττάρων και εκτενή ίνωση. Ο φαινότυπος αυτός συνοδεύεται από επιπλοκές στον μεταβολισμό που εμφανίζονται συνήθως όταν τα λιποκύτταρα είναι δυσλειτουργικά. Ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης του λιπώδους ιστού από αγρίου τύπου και Ercc1-/- ποντίκια κατέδειξε 2200 διαφορικά εκφραζόμενα γονίδια που ανήκουν σε μονοπάτια όπως: απόκριση σε διπλές θραύσεις της DNA έλικας, προ-φλεγμονώδης σηματοδότηση και σηματοδότηση από πυρηνικούς υποδοχείς και αυξητικούς παράγοντες. Μια ομάδα γονιδίων που αποκρίνονται στις διπλές θραύσεις της DNA έλικας υπερεκφράζονται στον λιπώδη ιστό των aP2-Ercc1-/- ποντικιών και κάποια από αυτά συγκεντρώνονται σε πυρηνικές εστίες, η παρουσία των οποίων υποδηλώνει απόκριση σε DNA αλλοιώσεις. Στον λιπώδη ιστό των aP2-Ercc1-/- ποντικιών πολλά λιποκύτταρα πεθαίνουν μέσω νέκρωσης και γύρω τους σχηματίζονται στεφανιαίες δομές, που περιλαμβάνουν προ-φλεγμονώδη λευκοκύτταρα. Η παρατήρηση αυτή σηματοδοτεί την in vivo συσχέτιση της απόκρισης σε DNA αλλοιώσεις με τη φλεγμονώδη απόκριση. Χρησιμοποιώντας ένα in vitro σύστημα κυτταρικών καλλιεργειών, αποδείξαμε ότι η απώλεια της Ercc1, καθώς και οι ίδιες οι DNA αλλοιώσεις, δρουν με κυτταρικά αυτόνομο τρόπο, ώστε να επάγουν την ATM-εξαρτώμενη αντιστροφή της καταστολής υποκινητών που σχετίζονται με την προ-φλεγμονώδη απόκριση, σε ινοβλάστες που έχουν υποστεί διαφοροποίηση προς λιποκύτταρα. Συνολικά, τα δεδομένα αυτά υποστηρίζουν την ύπαρξη ενός ενδογενούς σήματος που εξαρτάται από τις DNA αλλοιώσεις και επάγει μια αυτό-φλεγμονώδη απόκριση στον λιπώδη ιστό, η οποία τελικά οδηγεί στη λιποδυστροφία που παρατηρείται στη NER προγηρία.