Bayesian network analysis reveals MTHFD2 as a key driver of oxidized phospholipid induced amino acid reprogramming

In der vorliegenden Arbeit wurde ein integrativer Netzwerkmodellierungsansatz gewählt, um die Rolle des Endothels im Kontext der Arteriosklerose zu untersuchen. Hierbei wurden bioinformatische Analysen, laborexperimentelle Versuche und klinische Daten vereinigt und aus dieser Synthese neue klinisch relevante Gene identifiziert und beschrieben. Das Endothel trägt maßgeblich zur Homöostase des vaskulären Systems bei und eine Dysfunktion des Endothels fördert die Entstehung der Arteriosklerose. Im Zuge der Atherogenese entstehen vermehrt reaktive Sauerstoffspezies, die Lipide in der Membran von Plasma-Lipoprotein-Partikeln und in der zellulären Plasmamembran oxidieren. Eine Gruppe solcher oxidierter Membranlipide ist oxPAPC, das in erhöhter Konzentration in arteriosklerotischen Plaques und lokal an Orten chronischer Entzündung im vaskulären System vorkommt. Weitherhin findet sich diese Gruppe von oxidierten Phospholipiden in oxidierten LDL-Partikeln, in denen oxPAPC die Bindung an Makrophagen vermittelt und hierdurch maßgeblich zur Bildung der Schaumzellen und damit zum arteriosklerotischen Prozess beiträgt. Die durch oxPAPC verursachte Veränderung der Endothelzelle ist bisher wenig erforscht. Es ist jedoch bekannt, dass oxPAPC die Transkriptionslandschaft in Endothelzellen tiefgreifend verändert. Um der Komplexität der Endothelzellveränderung gerecht zu werden, wurde ein bayesscher Ansatz angewendet. In einem ersten Schritt wurden Expressionsprofile von humanen Aortenendothelzellen (HAEC) aus 147 Herztransplantatspendern verwendet. Diese Expressionprofile enthalten Transkriptionsinformationen der 147 HAEC, die mit oxPAPC oder Kontrollmedium behandelt worden waren. Es wurden signifikant koexprimierte Gene identifiziert und hiervon Gen-Paare berechnet, die einen differentiellen Vernetzungsgrad zwischen Kontroll- and oxPAPC-Status aufweisen. Dieses Netzwerkmodell gibt darüber Aufschluss, welche Gene miteinander in Verbindung stehen. 26759 Gene-Paare, die differentiell verbunden und signifkant koexprimiert waren, wurden hierarchisch gruppiert. Es wurden neun Gen-Gruppen mit einer erhöhten und elf Gen-Gruppen mit einer verminderten Konnektivität nach oxPAPC identifiziert. Gruppe 6 der erhöhten Konnektvitäts-Gruppen wies hierbei die höchste kohärente Konnektivität von allen Gruppen auf. Eine Analyse signifikant überrepräsentierter kanonischer Gensätze ergab, dass diese Gruppe insbesondere Serin-Glycin-Aminosäuremetabolismus, tRNA- und mTOR-Aktivierung wiederspiegelte. Der hier gewählte Netzwerkmodellierungsansatz zeigte auf, dass der Aminosäuremetabolismus durch oxidizerte Phospholipide massiven Veränderungen unterworfen ist. Um den Mechanismus der Veränderung des Aminosäuremetabolismus näher zu untersuchen, wurden bayessche Netzwerkmodelle verwendet. Dieses Netzwerkmodell enthält im Gegensatz zum differentiellen Koexpresssionsmodell gerichtete Informationen innerhalb des Netzwerkgraphes. Die Gen-Gen Verbindungen sind kausal, wodurch sich eine Hierarchie bildet und Schlüsselfaktoren innerhalb des Netzwerks bestimmt werden können. Durch die Integrierung von Expressionsprofilen und Genomprofilen derselben HAEC-Kohorte und der Inferenz von kausalen Gen-Gen-Verbindungen ergaben sich zwei bayessche Netze: Kontroll- und oxPAPC-Netzwerk. Permutationsuntersuchungen und systematische Beurteilung im Vergleich zu Gen-Gen-Verbindungen in Online-Datenbanken zeigten eine erhöhte Prognosefähigkeit der beiden HAEC bayesschen Netze. Es wurden die Schlüsselfaktoren und deren Teilnetzwerke berechnet und auf biologische Wege hin untersucht. Hierbei wurde das mitochondriale Protein MTHFD2 als ein Schlüsselfaktor für ein Teilnetzwerk des oxPAPC bayesschen Netzes identifiziert. Dieses Teilnetz zeigte eine ähnliche Gensatzanreicherung wie GOC-AA und überlappte mit diesem signifikant. ..

The histone demethylase PHF8 is essential for endothelial cell migration

Epigenetic marks critically control gene expression and thus the cellular activity state. The functions of many epigenetic modifiers in the vascular system have not yet been studied. We screened for histone modifiers in endothelial cells and observed a fairly high expression of the histone plant homeodomain finger protein 8 (PHF8). Given its high expression, we hypothesize that this histone demethylase is important for endothelial cell function. Overexpression of PHF8 catalyzed the removal of methyl-groups from histone 3 lysine 9 (H3K9) and H4K20, whereas knockdown of the enzyme increased H3K9 methylation. Knockdown of PHF8 by RNAi also attenuated endothelial proliferation and survival. As a functional readout endothelial migration and tube formation was studied. PHF8 siRNA attenuated the capacity for migration and developing of capillary-like structures. Given the impact of PHF8 on cell cycle genes, endothelial E2F transcription factors were screened, which led to the identification of the gene repressor E2F4 to be controlled by PHF8. Importantly, PHF8 maintains E2F4 but not E2F1 expression in endothelial cells. Consistently, chromatin immunoprecipitation revealed that PHF8 reduces the H3K9me2 level at the E2F4 transcriptional start site, demonstrating a direct function of PHF8 in endothelial E2F4 gene regulation. Conclusion: PHF8 by controlling E2F4 expression maintains endothelial function

PHF8 maintains endothelial migration in an E2F4-dependent manner.

<p>A: Flow cytometry analyses of HUVEC proliferation with the CFSE dye after RNAi transfection against PHF8 with and without overexpression of PHF8 or E2F or E2F1 or DDK (FLAG tag) as control (Ctl) n = 5. Tube formation (B) Boyden chamber (C) and scratch wound assay (D&E&F&G) each with statistics of HUVECs transfected with control siRNA (siScr) or two different PHF8 siRNAs (siPHF8-1, siPHF8-2) or E2F4 siRNAs (siE2F4-1, siE2F4-2) with and without electroporation of plasmids coding for E2F4 and control (DDK (FLAG tag). n = 3. *p<0.05.</p

PHF8 is required for endothelial proliferation and survival.

<p>A: Proliferation analysis determined by cell counting of HUVECs transduced with control shRNA shScrambled (shScr) or shRNA against PHF8 (shPHF8), n = 5. B&C: Flow cytometry analysis of HUVEC proliferation with the CFSE dye (B) or cell cycle analysis (C) with propidium iodide after 72 h RNAi transfection, n = 5. D: Apoptosis/survival assay for late apoptosis (Q3: annexin V and propidium iodide positive cells), early apoptosis (Q2: only annexin V positive) and annexin V/propidium iodide negative cells (Q1: normal). Tumor necrosis factor alpha (TNFα, 20 ng/ml, 3h) and cycloheximide (CHX, 25 μg/ml, 3h) served as positive control. HUVECs were transduced with control shRNA (shGFP) or shPHF8, n = 3, *p<0.05.</p

PHF8 is expressed in endothelial cells.

<p>A: Expression profile of the KDM7 family members PHF8 and JHDM1D as determined by qRT-PCR normalized to β-Actin, n = 3. B: Representative western blot of PHF8 and RNA-polymerase II (Pol II) from the nucleus of human umbilical vein endothelial cell (HUVEC), human microvascular endothelial cell line (HMEC), human aortic smooth muscle cells (HAoSMC), fibroblast and HEK293. C&D: Western blot from the cytosol and nuclear fraction (C) or only nuclear fraction (D) of HUVECs stained with anti-PHF8 (C: abcam #ab36068, D: bethyl #A301-772A) and transfected with siRNA against PHF8 or scrambled as control M = Protein Ladder.</p

PHF8 demethylates H3K9me1/2 and H4K20me1 in endothelial cells.

<p>A: Representative western blot and densitometry for histones and their modifications as indicated from HUVECs with overexpression (A) or knockdown (B) of PHF8 by RNAi. Anti-PHF8 from bethyl was used. Scr = scrambled RNAi, Ctl = pcDNA3-GFP. Numbers above the blots indicate the results of the relative densitometry. n = 3, *p<0.05.</p

Oxidized phospholipids regulate amino acid metabolism through MTHFD2 to facilitate nucleotide release in endothelial cells

Oxidized phospholipids (oxPAPC) induce endothelial dysfunction and atherosclerosis. Here we show that oxPAPC induce a gene network regulating serine-glycine metabolism with the mitochondrial methylenetetrahydrofolate dehydrogenase/cyclohydrolase (MTHFD2) as a causal regulator using integrative network modeling and Bayesian network analysis in human aortic endothelial cells. The cluster is activated in human plaque material and by atherogenic lipoproteins isolated from plasma of patients with coronary artery disease (CAD). Single nucleotide polymorphisms (SNPs) within the MTHFD2-controlled cluster associate with CAD. The MTHFD2-controlled cluster redirects metabolism to glycine synthesis to replenish purine nucleotides. Since endothelial cells secrete purines in response to oxPAPC, the MTHFD2-controlled response maintains endothelial ATP. Accordingly, MTHFD2-dependent glycine synthesis is a prerequisite for angiogenesis. Thus, we propose that endothelial cells undergo MTHFD2-mediated reprogramming toward serine-glycine and mitochondrial one-carbon metabolism to compensate for the loss of ATP in response to oxPAPC during atherosclerosis.DFG Excellence Cluster "Cardiopulmonary System-ECCPS" [SFB 1039, IRTG1874/2, SFB 1118]; German Center for Cardiovascular Research DZHK; Faculty of Medicine, Goethe University, Frankfurt am Main, Germany; NIH [U01HG008451]; US National Institutes of Health [HL30568, HL095070]This item from the UA Faculty Publications collection is made available by the University of Arizona with support from the University of Arizona Libraries. If you have questions, please contact us at [email protected]

Oxidized phospholipids regulate amino acid metabolism through MTHFD2 to facilitate nucleotide release in endothelial cells

Oxidized phospholipids (oxPAPC) induce endothelial dysfunction and atherosclerosis. Here we show that oxPAPC induce a gene network regulating serine-glycine metabolism with the mitochondrial methylenetetrahydrofolate dehydrogenase/cyclohydrolase (MTHFD2) as a causal regulator using integrative network modeling and Bayesian network analysis in human aortic endothelial cells. The cluster is activated in human plaque material and by atherogenic lipoproteins isolated from plasma of patients with coronary artery disease (CAD). Single nucleotide polymorphisms (SNPs) within the MTHFD2-controlled cluster associate with CAD. The MTHFD2-controlled cluster redirects metabolism to glycine synthesis to replenish purine nucleotides. Since endothelial cells secrete purines in response to oxPAPC, the MTHFD2-controlled response maintains endothelial ATP. Accordingly, MTHFD2-dependent glycine synthesis is a prerequisite for angiogenesis. Thus, we propose that endothelial cells undergo MTHFD2-mediated reprogramming toward serine-glycine and mitochondrial one-carbon metabolism to compensate for the loss of ATP in response to oxPAPC during atherosclerosis