German Title: Endotheliale Regulation der Leberfibrose

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Abstract

Liver fibrosis is a scarring process of the liver in response to sustained liver injury and can progress into cirrhosis, hepatocellular carcinoma (HCC) and liver failure as end stage disease. Moreover, liver fibrosis dictates the long-term prognosis and mortality in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) patients. Parenchymal liver cells such as hepatocytes and non-parenchymal liver cells such as hepatic stellate cells (HSC) and endothelial cells (EC) are involved in liver fibrogenesis. Liver sinusoidal endothelial cells (LSEC) are a discontinuous endothelium exhibiting fenestrations and lacking a basement membrane and form the capillary bed of the liver. Sinusoidal capillarization leads to the activation of HSC, which in turn produce extracellular matrix (ECM) proteins resulting in liver fibrosis. Therefore, the physiological differentiation of LSEC is crucial for liver homeostasis and identification of molecules crucial for the homeostasis of LSEC is indispensable. Recently, we identified transcription factor GATA4 as a master regulator of LSEC differentiation. LSEC-specific loss of GATA4 leads to sinusoidal capillarization and perisinusoidal liver fibrosis in Gata4LSEC-KO mouse. We wondered, if endothelial GATA4 plays a regulatory role in the development of liver fibrosis. Therefore, the aim of this study was to establish two different liver fibrosis models and to analyze the role of GATA4 in the development of liver fibrosis. Chronic toxic carbon tetrachloride (CCl4) model was compared with diet-induced liver fibrosis NASH models. Gata4 was rather increased in endothelial cells of mice with bridging peri-central liver fibrosis in the CCl4 model, whereas downregulation of endothelial Gata4 was seen in the choline-deficient l-amino acid-defined (CDAA) diet-induced NASH model with perisinusoidal liver fibrosis. Downregulation of Gata4 in LSEC of CDAA fed mice was accompanied with sinusoidal transdifferentiation of mLSEC and downregulation of GATA4 dependent genes. This data indicates that GATA4 in LSEC seems to play an important role in preventing development of diet-induced perisinusoidal liver fibrosis in NASH but not in toxic-induced bridging fibrosis. For maintenance of Gata4 expression during perisinusoidal liver fibrosis models on the one hand a LSEC-specific Gata4 knockin mouse (Gata4LSEC-KI) was generated and used in CDAA model. On the other hand, LSEC-specific lentivirus expressing Gata4 was generated for application of Gata4-therapy. However, the Gata4LSEC-KI mouse was not able to reduce perisinusoidal liver fibrosis in CDAA model as no functional GATA4 overexpression in LSEC was induced. The lentivirus was able to induce functional GATA4 expression in mouse brain cell line bEnd.3, but not in primary LSEC in vitro, indicating that the virus generated is not sufficient to overactivate Gata4 in primary LSEC. Taken together, these data indicate that downregulation of GATA4 is an important factor during CDAA-mediated perisinusoidal liver fibrosis.

Translation of abstract (German)

Leberfibrose ist ein Vernarbungsprozess der Leber als Reaktion auf eine anhaltende Leberschädigung und kann zu Zirrhose, hepatozellulärem Karzinom (HCC) und Leberversagen als Endstadium fortschreiten. Darüber hinaus bestimmt die Leberfibrose die Langzeitprognose und Mortalität bei Patienten mit nichtalkoholischer Steatohepatitis (NASH). Parenchymale Leberzellen, wie Hepatozyten, und nicht-parenchymale Leberzellen, wie hepatische Sternzellen (HSC) und Endothelzellen (EC), sind an der Leberfibrogenese beteiligt. Lebersinus Endothelzellen (LSEC) sind ein diskontinuierliches Endothel mit Fenestrierung, aber ohne Basalmembran und bilden das Kapillarbett der Leber. Die Kapillarisierung der Sinusendothelien führt zur Aktivierung von HSC, die wiederum extrazelluläre Matrixproteine (ECM) produzieren, was zu Leberfibrose führt. Daher ist die physiologische Differenzierung von LSEC entscheidend für die Leberhomöostase und die Identifizierung von Molekülen, die für die Homöostase von LSEC entscheidend sind, unerlässlich. Vor kurzem haben wir den Transkriptionsfaktor GATA4 als Hauptregulator der LSEC-Differenzierung identifiziert. LSEC-spezifischer Verlust von GATA4 führt bei der Gata4LSEC-KO Maus zu Kapillarisierung und perisinusoidaler Leberfibrose. Wir fragten uns, ob endotheliales GATA4 eine regulatorische Rolle bei der Entwicklung der Leberfibrose spielt. Ziel dieser Studie war es daher, zwei verschiedene murine Leberfibrosemodelle zu etablieren und die Rolle von GATA4 bei der Entstehung der Leberfibrose zu analysieren. Das chronische toxische Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) Modell wurde mit Diät-induziertem NASH-Modellen verglichen. Gata4 war in Endothelzellen von Mäusen mit überbrückender perizentraler Leberfibrose im CCl4-Modell erhöht, während eine Herunterregulierung des endothelialen Gata4 im cholin-defizientienten l-Aminosäure-definierten (CDAA) Diät-induzierten NASH-Modell mit perisinusoidaler Leberfibrose beobachtet wurde. Die Herunterregulierung von Gata4 in der LSEC von CDAA-gefütterten Mäusen ging mit einer sinusoidalen Transdifferenzierung von mLSEC und einer Herunterregulierung von Gata4-abhängigen Genen einher. Diese Daten zeigen, dass GATA4 in LSEC eine wichtige Rolle bei der Verhinderung der Entwicklung einer Diät-induzierten perisinusoidalen Leberfibrose bei NASH zu spielen scheint, nicht jedoch bei toxisch induzierter Brückenfibrose. Zur Aufrechterhaltung der Gata4-Expression, während perisinusoidaler Leberfibrose-Modelle, wurde einerseits eine LSEC-spezifische Gata4-Knockin-Maus (Gata4LSEC-KI) generiert und im CDAA-Modell verwendet. Auf der anderen Seite wurde ein LSEC-spezifisches Lentivirus, das Gata4 exprimiert, für die Anwendung einer Gata4-Therapie erzeugt. Die Gata4LSEC-KI Maus war jedoch nicht in der Lage, die perisinusoidale Leberfibrose im CDAA-Modell zu reduzieren, da keine funktionelle GATA4-Überexpression in LSEC induziert wurde. Das Lentivirus war in der Lage, eine funktionelle GATA4-Expression in der murinen Gehirnzelllinie bEnd.3 zu induzieren, jedoch nicht in primären LSEC in vitro, was darauf hindeutet, dass das erzeugte Virus nicht ausreicht, um Gata4 in primären LSEC zu überaktivieren. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass die Herunterregulierung von GATA4 ein wichtiger Faktor bei CDAA-vermittelter perisinusoidaler Leberfibrose ist.