title: Identification of underlying molecular mechanisms of obesity-associated asthma
Creators: name: Alhamdan, Fahd
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: Medical sciences Medicine
Medizin

description: Im Zuge der Entwicklung der personalisierten Medizin und stratifizierter Therapien ist ein umfassendes Verständnis der molekularen Mechanismen, die verschiedenen Krankheitsphänotypen zugrunde liegen, wie z. B. dem Asthma-Phänotyp, einschließlich des mit Fettleibigkeit assoziierten Asthmas, dringend erforderlich. Biologische Pfade und Funktionen von unterschiedlich exprimierten Genen und miRNAs können eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung und dem Schweregrad von fettleibigkeitsbedingtem Asthma spielen. Um diesen Zweck zu erfüllen, wurde eine Vorarbeit durchgeführt, um optimale Versuchsbedingungen zu schaffen, in der die Auswirkungen verschiedener Zeitpunkte für die Verarbeitung von CD4+ T-Zellen aus peripherem Blut untersucht wurden. So wurden jeweils zwei periphere Blutproben von drei Atopikern und drei gesunden Spendern (12 Proben) entnommen. CD4+ T-Zellen wurden aus der ersten Blutprobe innerhalb von zwei Stunden (sofort) und aus der zweiten Blutprobe nach 24 Stunden (verzögert) isoliert, transkriptomische Profile der CD4+ T-Zellen mittels RNA-Seq- Analyse untersucht und die Ergebnisse auf epigenetischer Ebene durch die H3K27ac ChIP-Seq-Analyse verifiziert. Nach erfolgreicher Etablierung idealer Versuchsbedingungen wurde peripheres Blut von 10 fettleibigen, nicht-atopischen asthmatischen Erwachsenen mit hohem Body-Mass-Index (BMI; 36,67 ± 6,90), 10 nicht fettleibigen, nicht-atopischen asthmatischen Erwachsenen mit normalem BMI (23,88 ± 2,73) und 10 gesunden Erwachsenen mit normalem BMI (23,62 ± 3,74) abgenommen. Alle Asthmapatienten wurden anhand der Kriterien Eosinophilenzahl im Blut, FeNO und IgE-Spiegel als Patienten mit einem niedrigen Typ-2-Asthma- Phänotyp eingestuft. CD4+ T-Zellen aus dem peripheren Blut wurden isoliert, und es wurde eine mRNA-Sequenzierung durchgeführt. Darüber hinaus wurde Plasma aus denselben Blutproben derselben Personen entnommen, extrazelluläre Vesikel (EVs) isoliert, EVs-RNA extrahiert und small/microRNA-Seq durchgeführt. Die transkriptomischen Profile der verzögert prozessierten CD4+ T-Zellen zeigten beim Vergleich zwischen atopischen und gesunden Personen nur 3 differentiell exprimierte Gene bei FDR &lt; 0.1. CD4+ T-Zellen gesunder Spender wurden durch die verzögerte Ex-vivo-Blutinkubation nicht stark beeinträchtigt, während bei CD4+ T- Zellen von Atopikern nach der verzögerten Blutverarbeitung eine drastische Veränderung festgestellt wurde. Diese zeigte eine Herunterregulierung von biologischen Signalwegen wie IL-2 und IL-17, welche mit Atopie assoziert sind.. Übereinstimmende Ergebnisse wurden auf epigenetischer Ebene durch H3K27ac- Profile beobachtet. IFN-Signalwege dominierten die CD4+ T-Zellen-Reaktionen ausschließlich bei adipösen Asthmatikern mit niedrigem Typ-2-Gehalt, was sich in einer Hochregulierung verschiedener IFN-stimulierte Gene (ISGs) wie IFITM3, IFIT3, OAS2, OAS3, EIF2AK2, MX1, USP18 und GBP3-Genen zeigte, die positiv mit Lungenfunktionsparametern wie FEV1, FVC, VC max, TIFF, IC und PEF und negativ mit dem Atemwegsentzündungsmarker FeNO korrelierten. Virale Infektionswege waren bei adipösen Asthmatikern mit niedrigem Typ-2-Gehalt ebenfalls angereichert, was durch die Hochregulierung verschiedener Toll-like-Rezeptor-Gene wie TLR1, TLR-2, TLR-3, TLR-4, TLR-6 und TLR-8 verstärkt wurde. Darüber hinaus wurden auch Adipositas-Genmarker wie IL-15 und SOCS3 in CD4+ T-Zellen von adipösen Asthmatikern im Vergleich zu nicht adipösen Asthmatikern und gesunden Kontrollpersonen hochreguliert. Andererseits waren Gap Junction und GPCR- Ligandenbindungswege in beiden Gruppen mit niedrigem Typ-2-Asthma angereichert. EVs miRNA-Cluster wie miR-2329 und miR-106b schienen bei adipösen Asthmatikern mit niedrigem Typ-2-Asthma den IFN-Signalwegen bzw. den Virusinfektionswegen zugeordnet zu sein. Darüber hinaus wurden einzelne Plasma EV herunterregulierte miRNAs wie miR-665, miR-4419b, miR-4769-3p, miR-6893-5p, miR-4743-3p, miR- 6721-5p, miR-1207-5p, miR-6132, miR-4700-3p, miR-4731-5p, miR-5089-5p, miR- 502-5p, miR-6088, miR-148a-5p und miR-373-3p schienen die meisten der angereicherten ISGs des IFN-Signalwegs in CD4+ T-Zellen anzugreifen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Dominanz der IFN-Signalwege und ihre Assoziation mit viralen Infektionswegen in der Immunantwort von CD4+ T-Zellen, den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus des mit Fettleibigkeit assoziierten Asthmas untermauern könnte. Die angereicherten ISGs in IFN-Signalwegen, ihre zugehörigen miRNAs und andere miRNA-Cluster könnten ein Ziel für biologische und stratifizierte Therapien für diesen einzigartigen Asthma-Phänotyp sein.
description: In the evolution of personalized medicine and stratified therapies, comprehensive understanding of the molecular mechanisms underlying different disease phenotypes, such as asthma phenotypes including obesity-associated asthma, are urgently needed. Biological pathways and functions of differentially expressed genes and miRNAs can play an essential role in the development and severity of obesity-related asthma. To fulfill this purpose, a preliminary work was initiated to establish optimal experimental conditions by investigating the effects related to different timings of CD4+ T cells processing from peripheral blood. Thus, 2 peripheral blood samples were drawn from each of 3 atopic patients and 3 healthy donors (12 samples), CD4+ T cells isolation was conducted from the first blood sample within two hours (Immediate) and from the second blood sample after 24 hours (Delayed), transcriptomic profiles of CD4+ T cells were examined using RNA-Seq analysis and readouts were verified on the epigenetic level through the H3K27ac ChIP-Seq analysis. After a successful establishment of ideal experimental conditions, peripheral blood was drawn from 10 obese, non-atopic asthmatic adults with a high body mass index (BMI; 36.67 ± 6.90), 10 non-obese, non- atopic asthmatic adults with normal BMI (23.88 ± 2.73), and 10 healthy controls with normal BMI (23.62 ± 3.74). All asthmatic patients were considered to have a low type- 2 asthma phenotype according to blood eosinophils counts, FeNO and IgE levels criteria. Peripheral blood CD4+ T cells were isolated, mRNA sequencing was conducted. Moreover, plasma was also taken from the same blood samples of the same previous individuals, EVs were isolated, EVs RNA was extracted and small/microRNA-Seq was performed. The transcriptomic profiles of delayed processed CD4+ T cells showed only 3 differentially expressed genes at FDR &lt; 0.1 when comparing atopic with healthy individuals. CD4+ T cells of healthy donors were not harshly affected by the delayed ex vivo blood incubation, while a drastic change has been shown in CD4+ T cells of atopic patients following the delayed blood processing accompanying by downregulation atopy-related biological pathways such as IL-2 and IL-17 signaling pathways. Concordant results were observed on the epigenetic level through H3K27ac profiles. IFN signaling pathways dominated the CD4+ T cells responses solely in low type-2 obese asthmatics represented by upregulation of different ISGs such as IFITM3, IFIT3, OAS2, OAS3, EIF2AK2, MX1, USP18, GBP3 genes, which correlated positively with lung function parameters including FEV1, FVC, VC max, TIFF, IC and PEF and negatively with the airway inflammation marker; FeNO. Viral infection pathways were also enriched for low type-2 obese asthmatics augmented by upregulation of different toll-like receptor genes such as TLR1, TLR-2, TLR-3, TLR-4, TLR-6, and TLR-8. Furthermore, obesity gene markers like IL15 and SOCS3 were also up-regulated in CD4+ T cells from obese asthmatics compared to both non-obese asthmatics and healthy controls. On the other hand, gap junction and GPCR ligand binding pathways were enriched in both low type-2 asthma groups. EVs miRNA clusters such as miR- 2329 and miR-106b seemed to be assigned to IFN signaling and viral infection pathways, respectively, in low type-2 obese asthmatics. In addition, single Plasma EV downregulated miRNAs including miR-665, miR-4419b, miR-4769-3p, miR-6893-5p, miR-4743-3p, miR-6721-5p, miR-1207-5p, miR-6132, miR-4700-3p, miR-4731-5p, miR-5089-5p, miR-502-5p, miR-6088, miR-148a-5p and miR-373-3p seemed to target most of the enriched ISGs of IFN signaling pathway in CD4+ T cells. In conclusion, the dominance of the IFN signaling pathways and their association with viral infection pathways in CD4+ T cells response could underpin the underlying molecular mechanism of low type-2 obesity-associated asthma. The IFN signaling pathway enriched ISGs, their associated miRNAs and other miRNA clusters might be a target for biological and stratified therapies for this unique asthma phenotype.