title: The role of G Protein-Coupled Receptor Kinase 5 in Fibrotic Tissue Remodelling
title: Die Rolle der G Protein-Coupled Receptor Kinase 5 bei fibrotischen Gewebeumbau
Creators: name: Tran-Manh, Cuong
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Fibrosis
subject: Systemic sclerosis
subject: Fibroblast
subject: G Protein-Coupled Receptor Kinase 5
subject: Animal models

description: Systemic sclerosis (SSc) represents an autoimmune disease with an elusive aetiology, characterised by progressive and widespread fibrosis, alongside vasculopathy, autoimmunity, and inflammatory processes. SSc affects the skin, the lungs, and other internal organs. Fibrotic diseases are characterised by the uncontrolled activation of fibroblasts, leading to the excessive production of extracellular matrix (ECM) proteins. The accumulation of ECM leads to a disturbance of the normal structure of tissues, resulting in progressive organ dysfunction and consequently contributing to elevated rates of morbidity and mortality among patients. The management of systemic sclerosis is challenging, as it necessitates the inhibition of the autoimmune response, the mitigation of inflammation, and fibrotic remodelling. Various molecular mechanisms that promote fibrosis have been identified. TGF-β is a central mediator of fibrotic tissue remodelling in SSc. Several immunosuppressive and anti-fibrotic medications have been utilised in the treatment of SSc with modest efficacy. However, there is a medical demand for enhanced pharmacological treatments. Here, we characterised the G protein-coupled receptor kinase 5 (GRK5) as a novel mediator of TGF-β-induced fibroblast activation and tissue fibrosis. We observed an increased expression of GRK5 in both the skin and cultured human dermal fibroblasts from individuals with SSc. Elevated GRK5 expression was also seen in fibroblasts from the lungs and liver in instances of idiopathic pulmonary fibrosis and liver fibrosis. Furthermore, GRK5 was found to accumulate in the nuclei of fibroblasts within the skin of SSc patients, and this nuclear accumulation was also observed in fibroblasts from idiopathic pulmonary fibrosis and liver fibrosis tissue samples, as well as in cultured dermal fibroblasts from SSc patients. Both transforming growth factor-β (TGF-β) and the inflammatory cytokine interleukin-1 (IL-1) prompted nuclear accumulation of GRK5 in healthy dermal fibroblasts. TGF-β facilitated the nuclear accumulation of GRK5 more effectively than other profibrotic cytokines. RNA sequencing of fibroblasts with GRK5 knockdown showed that GRK5 is crucial for TGF-β-mediated activation of dermal fibroblasts, influencing several fibrosis-related Gene Ontology (GO) biological processes. The targeted suppression of GRK5 via siRNA diminished TGF-β-induced activation of human dermal fibroblasts, leading to a reduction in fibroblast-to-myofibroblast differentiation, reduced expression of fibrotic markers, and lower extracellular matrix production in vitro. Moreover, the targeted deletion of Grk5 in fibroblasts exhibited anti-fibrotic effects in several mouse models of SSc, including bleomycin-induced dermal and pulmonary fibrosis, as well as TGF-βRICA-induced dermal fibrosis. GRK5 regulates fibroblast activation in SSc through the JAK/STAT signalling pathway and SOCS proteins, with enrichment analysis showing that the differentially expressed genes (DEGs) in GRK5-deficient fibroblasts were strongly associated with the GO term “regulation of tyrosine phosphorylation of STAT protein” related to STAT signalling. Targeted suppression of GRK5 using siRNA led to reduced levels of phosphorylated STAT3 (pSTAT3) and acetylated STAT3 (acSTAT3), mainly due to the increased expression of SOCS1 and SOCS5, which act as negative regulators of the JAK/STAT pathway. These results suggest that GRK5 promotes profibrotic processes, at least in part, by enhancing STAT3 activation and inhibiting SOCS protein expression. This study suggests that GRK5 might be a promising candidate for targeted anti-fibrotic therapies in SSc and other fibrotic conditions.
description: Die systemische Sklerose (SSc) ist eine Autoimmunerkrankung mit einer schwer fassbaren Ätiologie, die durch fortschreitende und weit verbreitete Fibrose des Gewebes sowie durch Vaskulopathie, Autoimmunreaktionen und Entzündungsprozesse gekennzeichnet ist. SSc ist eine prototypische fibrotische Erkrankung, die in erster Linie die Haut und die Lungen betrifft, aber auch verschiedene innere Organe befallen kann. Fibrotische Erkrankungen zeichnen sich durch die unaufhaltsame und unregulierte Aktivierung von Fibroblasten aus, was zur übermäßigen Produktion von extrazellulären Matrixproteinen (ECM) führt. Die Ansammlung von ECM stört die normale Gewebestruktur, was zu einer fortschreitenden Störung der Organfunktion führt und folglich zu einer erhöhten Morbidität und Mortalität bei den Patienten beiträgt. Die Behandlung der SSc stellt eine komplexe Herausforderung dar, da sie die Hemmung der Autoimmunreaktion, die Abschwächung von Entzündungen und gezielte Interventionen bei spezifischer Organbeteiligung erfordert. Jüngste Untersuchungen haben verschiedene molekulare Mechanismen aufgedeckt, die zur klinischen Manifestation der Krankheit beitragen. TGF-β wurde als Schlüsselfaktor bei der Regulierung der pathologischen Fibrogenese im Zusammenhang mit der SSc identifiziert. In letzter Zeit wurde eine Reihe von immunsuppressiven und antifibrotischen Medikamenten zur Behandlung der SSc mit moderater Wirksamkeit eingesetzt. Es besteht ein erheblicher Bedarf an verbesserten pharmakologischen Behandlungen. Diese Forschungsarbeit charakterisiert den G protein-coupled Receptor Kinase 5 (GRK5) als neuen Mediator der Fibroblastenaktivierung und des fibrotischen Gewebeumbaus. Wir beobachteten eine erhöhte Expression von GRK5 sowohl in der Haut als auch in kultivierten humanen Hautfibroblasten von Patienten mit systemischer Sklerose. Eine erhöhte GRK5-Expression wurde ebenfalls in Fibroblasten aus der Lunge und der Leber bei idiopathischer Lungenfibrose und Leberfibrose festgestellt. Darüber hinaus wurde eine Ansammlung von GRK5 in den Zellkernen von Fibroblasten der Haut von Patienten mit systemischer Sklerose beobachtet, die ebenso in Fibroblasten aus Gewebeproben mit idiopathischer Lungenfibrose und Leberfibrose sowie in kultivierten dermalen Fibroblasten von Patienten mit systemischer Sklerose beobachtet werden konnte. Sowohl der Transforming Growth Factor-β (TGF-β) als auch das entzündliche Zytokin Interleukin-1 (IL-1) führten in gesunden dermalen Fibroblasten zu einer Ansammlung von GRK5 im Nukleus. Dabei förderte TGF-β die Ansammlung von GRK5 im Nukleus stärker als andere profibrotische Zytokine. Die RNA-Sequenzierung von dermalen Fibroblasten, bei denen mittels siRNA ein GRK5-Knockdown erzielt wurde, zeigte, dass GRK5 für die TGF-β-vermittelte Aktivierung dermaler Fibroblasten entscheidend ist und mehrere mit Fibrose verknüpfte biologische Prozesse der Gene Ontology (GO) beeinflusst. Die gezielte Unterdrückung von GRK5 mittels siRNA verringerte die durch TGF-β induzierte Aktivierung menschlicher dermaler Fibroblasten, was in vitro zu einer Reduktion der Differenzierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten, einer verringerten Expression von fibrotischen Markern und einer geringeren Produktion von extrazellulärer Matrix führte. Darüber hinaus zeigte die gezielte Deletion von Grk5 in Fibroblasten antifibrotische Effekte in verschiedenen Mausmodellen der SSc wie der Bleomycin-induzierten dermalen und pulmonaler Fibrose sowie der TGF-βRICA-induzierter Hautfibrose. GRK5 reguliert die Aktivierung von Fibroblasten bei systemischer Sklerose über den JAK/STAT-Signalweg und SOCS-Proteine. Die Anreicherungsanalyse zeigte, dass die differenziell exprimierten Gene (DEGs) in GRK5-defizienten Fibroblasten stark mit dem GO-Terminus „regulation of tyrosine phosphorylation of STAT protein“, der mit dem STAT-Signalweg verknüpft ist, assoziiert waren. Die gezielte Unterdrückung von GRK5 mittels siRNA führte zu reduzierten Spiegeln von phosphoryliertem STAT3 (pSTAT3) und acetyliertem STAT3 (acSTAT3), was hauptsächlich auf die erhöhte Expression von SOCS1 und SOCS5 zurückzuführen war, die als negative Regulatoren des JAK/STAT-Signalwegs wirken. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass GRK5 profibrotische Prozesse zumindest teilweise durch die Verstärkung der STAT3-Aktivierung und die Hemmung der SOCS-Protein-Expression fördert. Unsere Studie liefert Hinweise, dass GRK5 ein potentieller Kandidat für die Entwicklung gezielter antifibrotischer Therapien bei der SSc und anderen fibrotischen Erkrankungen sein könnte.