Wie beeinflusst Hyperglykämie die Plazenta? Die Rolle von METTL3 und dem mTOR-Signalweg
Schwangerschaftsdiabetes und Diabetes vor der Schwangerschaft sind häufige Gesundheitsprobleme. Sie können schwerwiegende Folgen für Mutter und Kind haben. Die Plazenta spielt eine zentrale Rolle bei der Versorgung des Fötus mit Nährstoffen. Besonders wichtig ist der Transport von Zucker (Glukose). Doch wie genau funktioniert dieser Prozess, und was passiert, wenn der Blutzuckerspiegel der Mutter zu hoch ist? Eine aktuelle Studie hat untersucht, wie das Enzym METTL3 und der mTOR-Signalweg (mTOR steht für „mammalian target of rapamycin“) dabei eine Rolle spielen.
Einleitung
Diabetes in der Schwangerschaft, sei es Schwangerschaftsdiabetes (GDM) oder Diabetes vor der Schwangerschaft (PGDM), ist ein ernstes Problem. Er erhöht das Risiko für Komplikationen bei Mutter und Kind. Die Plazenta ist der Ort, an dem Nährstoffe von der Mutter zum Kind gelangen. Zucker ist dabei besonders wichtig für die Entwicklung des Fötus. Spezielle Proteine, die Glukosetransporter (GLUTs), ermöglichen diesen Transport. GLUT1 ist der wichtigste Transporter, aber auch GLUT3 und GLUT4 spielen eine Rolle. Bei hohem Blutzucker verändert sich die Menge dieser Transporter in der Plazenta. Doch warum das passiert, war bisher unklar.
Der mTOR-Signalweg ist ein wichtiger Regulator für den Nährstofftransport und die Entwicklung der Plazenta. Er besteht aus zwei Komplexen, mTORC1 und mTORC2. Bei hohem Blutzucker ist mTOR in der Plazenta aktiver. Bisher wusste man, dass mTOR den Transport von Aminosäuren in der Plazenta steuert. Aber seine Rolle beim Zuckertransport war weniger erforscht. Diese Studie geht der Frage nach, ob hoher Blutzucker das Enzym METTL3 aktiviert, das dann über mTOR die Menge der Glukosetransporter in der Plazenta beeinflusst.
Methoden
Teilnehmerinnen der Studie
Die Studie umfasste 12 schwangere Frauen mit schlecht eingestelltem Typ-2-Diabetes (T2DM) und 12 Frauen mit normalen Schwangerschaften als Kontrollgruppe. Die Teilnehmerinnen wurden in der Peking University First Hospital rekrutiert. Frauen mit Mehrlingsschwangerschaften, Frühgeburten oder schweren Schwangerschaftskomplikationen wurden ausgeschlossen. Typ-2-Diabetes wurde nach den Richtlinien der International Federation of Gynecology and Obstetrics (FIGO) definiert. Schlecht eingestellter Blutzucker wurde durch erhöhte Werte von glykiertem Albumin (GA) und/oder Hämoglobin A1c (HbA1c) bestimmt.
Immunhistochemie (IHC)
Plazentagewebe wurde unmittelbar nach dem Kaiserschnitt entnommen und für die immunhistochemische Analyse vorbereitet. Die Gewebeschnitte wurden mit Antikörpern gegen mTOR, phosphoryliertes mTOR (p-mTOR), GLUT1, GLUT3, GLUT4 und METTL3 gefärbt. Die Bilder wurden mit der Software Image Pro Plus 6.0 analysiert, um die Proteinmenge zu quantifizieren.
Zellkultur und Behandlung
BeWo-Zellen, eine menschliche Trophoblastenzelllinie, wurden gezüchtet und mit verschiedenen Glukosekonzentrationen (5,5 mmol/L, 11,1 mmol/L und 25 mmol/L) behandelt. Diese Konzentrationen entsprechen normalen, leicht erhöhten und diabetischen Blutzuckerwerten. Die Zellen wurden auch mit dem mTOR-Hemmer Rapamycin (RAPA) oder dem mTOR-Aktivator MHY1485 behandelt, um die Auswirkungen auf die GLUT-Expression zu untersuchen.
RNA-Interferenz und Überexpression
Kleine interferierende RNAs (siRNAs) wurden verwendet, um raptor (mTORC1-Hemmung), rictor (mTORC2-Hemmung) und METTL3 in BeWo-Zellen zu blockieren. Die Überexpression von METTL3 wurde mit einem Plasmid erreicht. Die Transfektionen wurden mit Lipofectamine RNA iMax oder Lipofectamine 3000 durchgeführt, und die Assays wurden 72 Stunden nach der Transfektion durchgeführt.
Quantitative Echtzeit-PCR (qRT-PCR) und Western Blotting (WB)
Gesamt-RNA und Proteine wurden aus Plazentagewebe und BeWo-Zellen extrahiert. qRT-PCR wurde verwendet, um die mRNA-Menge der Zielgene zu quantifizieren, während WB die Proteinmenge maß. Antikörper gegen GLUT1, GLUT3, GLUT4, mTOR, p-mTOR, raptor, rictor und METTL3 wurden für WB verwendet.
Immunfluoreszenz (IF)
BeWo-Zellen wurden fixiert, permeabilisiert und mit Antikörpern gegen GLUT1, ATPA1 (ein Marker für die Zellmembran) und METTL3 gefärbt. Die Bilder wurden mit einem Konfokalmikroskop aufgenommen, und die Überlappung der Signale wurde mit ImageJ quantifiziert.
Plazenta-Explants-Kultur
Plazenta-Explants von Frauen mit unkomplizierten Frühgeburten wurden gezüchtet und mit oder ohne RAPA behandelt. Nach 48 Stunden wurden die Explants für qRT-PCR gesammelt.
Ergebnisse
Mütterliche und neonatale Merkmale
Es gab keine signifikanten Unterschiede im Alter der Mütter, dem BMI vor der Schwangerschaft, der Gewichtszunahme während der Schwangerschaft, dem Geburtsgewicht, der Geburtslänge, dem Ponderal-Index (PI) oder dem Plazentagewicht zwischen der T2DM-Gruppe und der Kontrollgruppe. Das Gestationsalter bei der Entbindung war jedoch in der T2DM-Gruppe signifikant niedriger, da die Schwangerschaft aufgrund des schlecht eingestellten Diabetes früher beendet wurde.
mTOR-Aktivierung und GLUT-Expression in der Plazenta
Die Proteinmengen von mTOR und p-mTOR waren in der T2DM-Gruppe signifikant höher als in der Kontrollgruppe. Auch die Menge von GLUT1 war in der T2DM-Gruppe höher, während GLUT4 niedriger war. GLUT3 unterschied sich nicht signifikant zwischen den Gruppen. Die GLUT1-Expression korrelierte positiv mit der p-mTOR-Menge.
Auswirkung von Glukose auf GLUT-Expression und mTOR-Aktivierung in vitro
In BeWo-Zellen erhöhten hohe Glukosekonzentrationen (25 mmol/L) die mRNA-Menge von GLUT1 und GLUT3 sowie die Proteinmenge von GLUT1 signifikant. Der mTOR-Signalweg wurde ebenfalls durch hohe Glukose aktiviert. In HTR8/SVneo- und JAR-Zellen nahm die GLUT-Expression jedoch mit steigender Glukosekonzentration ab.
Auswirkung von mTOR-Aktivierung oder -Hemmung auf GLUT-Expression
Die Blockade von mTOR mit RAPA reduzierte die durch hohe Glukose induzierte Erhöhung der GLUT1- und GLUT3-mRNA-Expression. Die Blockade von raptor oder rictor verringerte die Expression von GLUT1, GLUT3 und GLUT4 in BeWo-Zellen. Die Aktivierung von mTOR mit MHY1485 erhöhte dagegen die GLUT-Expression.
Hohe Glukosekonzentrationen beeinflussen die GLUT1-Zellmembran-Translokation
Hohe Glukosekonzentrationen erhöhten die Translokation von GLUT1 zur Zellmembran in BeWo-Zellen, was durch die Überlappung mit ATPA1 angezeigt wurde. Die mTOR-Aktivität hatte jedoch keinen Einfluss auf die GLUT1-Translokation.
Hyperglykämie induziert Veränderungen in der METTL3-Expression und Kern-Translokation
Die Protein- und mRNA-Menge von METTL3 war in Plazentagewebe der T2DM-Gruppe und in BeWo-Zellen, die mit hoher Glukose behandelt wurden, signifikant höher. Die Kern-Translokation von METTL3 nahm ebenfalls mit hoher Glukose zu.
METTL3 reguliert die GLUT-Expression über den mTOR-Signalweg
Die Blockade von METTL3 verringerte die Expression von GLUT1, GLUT3 und GLUT4 sowie die mTOR-Signalaktivität in BeWo-Zellen. Die Überexpression von METTL3 hatte den gegenteiligen Effekt. Die Unterdrückung der GLUT-Expression nach METTL3-Blockade wurde durch die Aktivierung von mTOR mit MHY1485 aufgehoben. Dies zeigt, dass METTL3 die GLUT-Expression über den mTOR-Signalweg reguliert.
Diskussion
Diese Studie zeigt, dass hohe Glukosekonzentrationen METTL3 in Trophoblastenzellen aktivieren. METTL3 reguliert dann die Menge der Glukosetransporter über den mTOR-Signalweg. Dieser Mechanismus könnte dazu beitragen, dass der Nährstofftransport in der Plazenta bei hohem Blutzucker gestört ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass METTL3 eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Schwangerschaftsdiabetes spielt, indem es den Zuckertransport in der Plazenta beeinflusst.
Die erhöhte Menge von GLUT1 bei hohem Blutzucker passt zu früheren Studien. Sie zeigt, dass der Körper versucht, mehr Zucker für die Entwicklung des Fötus aufzunehmen. Die verringerte Menge von GLUT4 in der T2DM-Gruppe könnte auf die Insulinresistenz bei Diabetes zurückzuführen sein. Die Rolle von GLUT3 bei Schwangerschaftsdiabetes bleibt unklar, da sich seine Menge in dieser Studie nicht signifikant veränderte.
Der mTOR-Signalweg ist ein wichtiger Regulator für den Nährstofftransport und die Entwicklung der Plazenta. Seine Aktivierung bei hohem Blutzucker deutet darauf hin, dass er die Plazenta an die erhöhten Stoffwechselbedürfnisse des Fötus anpasst. Die Beteiligung von METTL3 an diesem Prozess unterstreicht die Bedeutung der RNA-Methylierung bei der Regulation der Genexpression und Zellfunktion.
Fazit
Diese Studie liefert Hinweise darauf, dass hohe Glukosekonzentrationen METTL3 in Trophoblastenzellen aktivieren. METTL3 reguliert dann die Menge der Glukosetransporter über den mTOR-Signalweg. Dieser Mechanismus könnte dazu beitragen, dass der Zuckertransport in der Plazenta bei hohem Blutzucker gestört ist. Weitere Forschung ist nötig, um die möglichen therapeutischen Ansätze zur Beeinflussung von METTL3 und dem mTOR-Signalweg bei Schwangerschaftsdiabetes zu erforschen.
For educational purposes only.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000002840