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The role of the chromatin remodeling protein HMGN5 in COPD pathogenesis
The role of the chromatin remodeling protein HMGN5 in COPD pathogenesis
There is rising evidence that epigenetic alterations are involved in Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Spontaneous emphysema development in high mobility group nucleosome binding domain 5 (HMGN5) deficient mice and enhanced emphysematous changes after elastase treatment in these mice compared to wild-type mice have been previously detected. HMGN5 binds to the nucleosome core particle of chromatin, competing with linker-histone H1. Upon chromatin binding, HMGN5 thus alters chromatin structure affecting cellular transcription, differentiation and DNA-repair. This work seeks to explore the involvement of HMGN5 in the development and progression of emphysema. Human lung samples from COPD patients and healthy donors were assessed for HMGN5 expression and immunofluorescence staining performed to identify the cellular localization of HMGN5. To assess underlying molecular mechanisms siRNA knock-down of HMGN5 in the human alveolar-type-II (AT II)-like cell line A549 was undertaken. Cells were additionally exposed to cigarette smoke extract (CSE) and assessed for cell death by Annexin V-staining, cell proliferation by woundhealing and WST-1 assay and cell cycle by propidium iodide (PI)-staining and transfection of Fluorescence Ubiquitin Cell Cycle Indicator (FUCCI). Expression of cell death and cell cycle associated genes was measured by qPCR. RNA sequencing data from COPD patient lung samples revealed reduced HMGN5 expression compared to healthy individuals and immunofluorescent analysis demonstrated that HMGN5 is located in bronchial epithelial cells and AT II cells in the human lung. In addition, in vitro studies demonstrated that siRNA-mediated downregulation of HMGN5 caused A549 cells to be more susceptible to induced cell death. Cell cycle analysis of HMGN5 deficient cells revealed more cells in the early cell cycle stages compared to control cells but additional exposure to CSE did not affect this. Proliferation and migration of HMGN5 deficient cells was slightly impaired. Taken together, this human data suggests that reduced expression of the epigenetic modulator HMGN5 is associated with emphysema development, via increased apoptosis and impaired cell cycle progression. This novel link between epigenetic regulation and emphysema, brings forth a new therapeutic target for impeding emphysema development in COPD., Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass epigenetische Veränderungen bei COPD eine Rolle spielen. Wir konnten bereits spontane Emphysementwicklung bei „high mobility group nucleosome binding domain 5“ (HMGN5) defizienten Mäusen, sowie verstärkte emphysematöse Veränderungen in diesen Mäusen verglichen mit Wild-Typ Mäusen nach Verabreichung von Elastase feststellen. HMGN5 bindet an das Nukleosom und konkurriert dabei mit dem Linker-Histon H1. Nachdem HMGN5 an Chromatin angedockt ist, verändert es die Chromatinstruktur und beeinflusst die zelluläre Transkription, Differenzierung und DNA-Reparatur. Die vorliegende Arbeit soll die Beteiligung von HMGN5 an der Entwicklung und Progression des Emphysems untersuchen. Humane Lungenproben von COPD-Patienten und gesunden Spendern wurden auf HMGN5-Expression untersucht. Eine Immunfluoreszenzfärbung wurde durchgeführt, um die zelluläre Lokalisation von HMGN5 in der Lunge zu identifizieren. Um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu erforschen, wurde HMGN5 in der humanen Alveolarepithel-Typ-II (AT II)-Zelllinie A549 durch siRNA herunterreguliert. Die Zellen wurden zusätzlich einem Zigarettenrauch-Extrakt (CSE) ausgesetzt und auf Zelltod durch Annexin V-Färbung, Zellproliferation durch Wundheilungs- und WST-1-Assay und Zellzyklus durch Propidiumiodid (PI)-Färbung und Fluoreszenz-Ubiquitin Cell Cycle Indicator (FUCCI) untersucht. Die Expression von Zelltod- und Zellzyklus-assoziierten Genen wurde mithilfe quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) gemessen. Die RNA-Sequenzierung der Lungenproben von COPD Patienten zeigte eine verminderte HMGN5-Expression im Vergleich zu gesunden Individuen. Die Immunofluoreszenzfärbung veranschaulichte, dass sich HMGN5 in bronchialen Epithelzellen und AT II-Zellen der menschlichen Lunge befindet. Darüber hinaus zeigten In-vitro-Versuche, dass eine verminderte Expression von HMGN5 in A549-Zellen eine erhöhte Anfälligkeit für induzierten Zelltod zur Folge hat. Die Analyse des Zellzyklus von HMGN5-defizienten Zellen ergab, dass sich verglichen mit den Kontrollzellen mehr Zellen in den frühen Zellzyklusphasen befinden. Die zusätzliche Behandlung mit CSE hatte hier keinen Effekt. Die Proliferation und Migration von HMGN5-defizienten Zellen zeigte sich geringfügig beeinträchtigt. Zusammenfassend deuten diese Daten darauf hin, dass der epigenetische Modulator HMGN5 durch Beeinflussung der Apoptose und des Zellzykluses mit der Entwicklung des Emphysems assoziiert ist. Dieser Zusammenhang zwischen epigenetischer Regulation und Emphysem zeigt einen neuen therapeutischen Ansatzpunkt zur Verhinderung der Emphysementwicklung bei COPD auf.
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Dorer, Julian
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Dorer, Julian (2022): The role of the chromatin remodeling protein HMGN5 in COPD pathogenesis. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

There is rising evidence that epigenetic alterations are involved in Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Spontaneous emphysema development in high mobility group nucleosome binding domain 5 (HMGN5) deficient mice and enhanced emphysematous changes after elastase treatment in these mice compared to wild-type mice have been previously detected. HMGN5 binds to the nucleosome core particle of chromatin, competing with linker-histone H1. Upon chromatin binding, HMGN5 thus alters chromatin structure affecting cellular transcription, differentiation and DNA-repair. This work seeks to explore the involvement of HMGN5 in the development and progression of emphysema. Human lung samples from COPD patients and healthy donors were assessed for HMGN5 expression and immunofluorescence staining performed to identify the cellular localization of HMGN5. To assess underlying molecular mechanisms siRNA knock-down of HMGN5 in the human alveolar-type-II (AT II)-like cell line A549 was undertaken. Cells were additionally exposed to cigarette smoke extract (CSE) and assessed for cell death by Annexin V-staining, cell proliferation by woundhealing and WST-1 assay and cell cycle by propidium iodide (PI)-staining and transfection of Fluorescence Ubiquitin Cell Cycle Indicator (FUCCI). Expression of cell death and cell cycle associated genes was measured by qPCR. RNA sequencing data from COPD patient lung samples revealed reduced HMGN5 expression compared to healthy individuals and immunofluorescent analysis demonstrated that HMGN5 is located in bronchial epithelial cells and AT II cells in the human lung. In addition, in vitro studies demonstrated that siRNA-mediated downregulation of HMGN5 caused A549 cells to be more susceptible to induced cell death. Cell cycle analysis of HMGN5 deficient cells revealed more cells in the early cell cycle stages compared to control cells but additional exposure to CSE did not affect this. Proliferation and migration of HMGN5 deficient cells was slightly impaired. Taken together, this human data suggests that reduced expression of the epigenetic modulator HMGN5 is associated with emphysema development, via increased apoptosis and impaired cell cycle progression. This novel link between epigenetic regulation and emphysema, brings forth a new therapeutic target for impeding emphysema development in COPD.

Abstract

Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass epigenetische Veränderungen bei COPD eine Rolle spielen. Wir konnten bereits spontane Emphysementwicklung bei „high mobility group nucleosome binding domain 5“ (HMGN5) defizienten Mäusen, sowie verstärkte emphysematöse Veränderungen in diesen Mäusen verglichen mit Wild-Typ Mäusen nach Verabreichung von Elastase feststellen. HMGN5 bindet an das Nukleosom und konkurriert dabei mit dem Linker-Histon H1. Nachdem HMGN5 an Chromatin angedockt ist, verändert es die Chromatinstruktur und beeinflusst die zelluläre Transkription, Differenzierung und DNA-Reparatur. Die vorliegende Arbeit soll die Beteiligung von HMGN5 an der Entwicklung und Progression des Emphysems untersuchen. Humane Lungenproben von COPD-Patienten und gesunden Spendern wurden auf HMGN5-Expression untersucht. Eine Immunfluoreszenzfärbung wurde durchgeführt, um die zelluläre Lokalisation von HMGN5 in der Lunge zu identifizieren. Um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu erforschen, wurde HMGN5 in der humanen Alveolarepithel-Typ-II (AT II)-Zelllinie A549 durch siRNA herunterreguliert. Die Zellen wurden zusätzlich einem Zigarettenrauch-Extrakt (CSE) ausgesetzt und auf Zelltod durch Annexin V-Färbung, Zellproliferation durch Wundheilungs- und WST-1-Assay und Zellzyklus durch Propidiumiodid (PI)-Färbung und Fluoreszenz-Ubiquitin Cell Cycle Indicator (FUCCI) untersucht. Die Expression von Zelltod- und Zellzyklus-assoziierten Genen wurde mithilfe quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) gemessen. Die RNA-Sequenzierung der Lungenproben von COPD Patienten zeigte eine verminderte HMGN5-Expression im Vergleich zu gesunden Individuen. Die Immunofluoreszenzfärbung veranschaulichte, dass sich HMGN5 in bronchialen Epithelzellen und AT II-Zellen der menschlichen Lunge befindet. Darüber hinaus zeigten In-vitro-Versuche, dass eine verminderte Expression von HMGN5 in A549-Zellen eine erhöhte Anfälligkeit für induzierten Zelltod zur Folge hat. Die Analyse des Zellzyklus von HMGN5-defizienten Zellen ergab, dass sich verglichen mit den Kontrollzellen mehr Zellen in den frühen Zellzyklusphasen befinden. Die zusätzliche Behandlung mit CSE hatte hier keinen Effekt. Die Proliferation und Migration von HMGN5-defizienten Zellen zeigte sich geringfügig beeinträchtigt. Zusammenfassend deuten diese Daten darauf hin, dass der epigenetische Modulator HMGN5 durch Beeinflussung der Apoptose und des Zellzykluses mit der Entwicklung des Emphysems assoziiert ist. Dieser Zusammenhang zwischen epigenetischer Regulation und Emphysem zeigt einen neuen therapeutischen Ansatzpunkt zur Verhinderung der Emphysementwicklung bei COPD auf.