miRNA-154 mediates the transdifferentiation of alveolar type II to alveolar type I cells in the mouse model of Bronchopulmonary Dysplasia

Abstract

Previous data from experiments generated by our lab indicate a potential involvement of miR-154-3p and miR-154-5p in the context of lung development, or more precisely in the Fgf and Tgf-beta signaling cascades, which are known to be important for both, prenatal and postnatal lung development. It has been shown that both miRNAs are rather expressed in the embryonic lung than in the postnatal lung. We have decided to examine the role of miR-154-3p and miR-154-5p in the context of postnatal lung development and BPD. For these purposes we applied high oxygen concentrations using a BPD mouse model and used an inducible transgenic mouse line overexpressing both isomiRNAs in the murine airway epithelium, in order 1. to examine the temporo-spatial expression pattern of miR-154-3p and miR-154-5p in the model of hyperoxic lung injury, 2. to show the impact of airway epithelial-specific miR-154-3p (and miR-154-5p) overexpression on lung histology and gene expression in mutants compared to wildtype and under hyperoxia compared to normoxia, and 3. to describe the potential role of miR-154-3p in the BPD mouse model as a potentially protective factor.1. miR-154-3p appeared to be expressed in the proximal and distal airway epithelial cells. Applying hyperoxia to the murine lungs after birth enhanced miR-154-3p (and to a lesser extent miR-154-5p) expression in the distal airway epithelium, especially in AECII cells. 2. A deterioration of alveolar formation was found after hyperoxic lung injury, indicated by increased MLI (mean linear intercept of the alveoli) and septal wall thickness, beside a dynamic change of genetic expression levels for mRNAs, which are involved in Fgf and Tgf-beta signaling. Also AECI cells and alveolar myofibroblasts appeared to be affected. Overexpression of miR-154-3p and miR-154-5p leads to a similar alveolar phenotype and similar alterations of the genetic expression profile as previously seen after hyperoxia. 3. In isolated AECII cells, a more AECI specific transcription profile was found after miR-154-3p and miR-154-5p overexpression compared to controls, potentially indicating a transition from AECII to AECI cells upon miR-154-3p and miR-154-5p induction. Interestingly, this AECII-to-AECI transition has already been described in the context of hyperoxia in rats.As seen in the results of the current study hyperoxia is able to enhance miR-154-3p expression in the AECII cells and both, hyperoxia and miRNA overexpression, lead to similar injurious effects in the murine lung, it appears to be plausible that miR-154-3p might be a mediator of hyperoxic lung injury. In literature we were able to find that AECII-to-AECI transdifferentiation is activated upon hyperoxia. Our findings are possibly indicative for the initiation of the very same process after miR-154-3p and miR-154-5p overexpression.Thus, we hypothesize, that hyperoxia may induce an augmented AECII-to-AECI transdifferentiation in the murine lung epithelium by activating miR-154-3p. Von unserem Labor zuvor generierte Daten deuteten auf eine mögliche Verwicklung von miR-154-3p und miR-154-5p mit der Lungenentwicklung, beziehungsweise mit den Fgf und Tgf-beta Signalkaskaden, welche bekannt für ihre wichtigen Rollen in Bezug auf prä- und postnatale Lungenentwicklung sind. Es wurde bereits gezeigt, dass beide miRNAs eher in der embryonalen und weniger in der postnatalen Lunge exprimiert werden. Wir haben uns entschieden die Rolle von miR-154-3p und miR-154-5p im Zusammenhang mit postnataler Lungenentwicklung und BPD genauer zu untersuchen. Zu diesem Zweck haben wir im BPD Maus Modell die Tiere hohen Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt und durch eine induzierbare transgene Mauslinie beide isomiRNAs im murinen Atemwegsepithel hochreguliert, 1. um das zeitliche und räumliche Expressionsmuster von miR-154-3p und miR-154-5p im Zusammenhang mit Applikation hoher Sauerstoffkonzentrationen zu untersuchen, 2. um den Effekt der atemwegsspezifischen Überexpression von miR-154-3p (und miR-154-5p) auf die Lungenhistologie und das genetische Expressionsprofil darzustellen, und 3. um die potenzielle Rolle von miR-154-3p als möglicherweise protektiver Faktor im BPD Mausmodel zu beschreiben.1. miR-154-3p wird vor allem in den Epithelzellen der proximalen und distalen Atemwege exprimiert. Nach der Applikation von Hyperoxie kommt es zu einer erhöhten Expression von miR-154-3p (in geringerem Maße auch miR-154-5p) im Epithel der distalen Atemwege vor allem in den AECII Zellen. 2. Eine gestörte Formierung der Alveolen lag nach Exposition mit hohen Sauerstoffkonzentrationen vor, was an einem erhöhten alveolären Diameter und einer Verdickung der septalen Wände neben einer dynamischen Änderung der mRNA-Expression von Genen, die zu den Fgf und Tgf-beta Signalwegen zugehörig sind, zu erkennen war. Die Überexprimierung von miR-154-3p und miR-154-5p führte zu einem ähnlichen alveolären Phänotyp und einem ähnlichen genetischen Expressionsprofil wie es im zuvor durchgeführten Hyperoxie-Experiment der Fall war. 3. In isolierten AECII Zellen lag ein eher AECI-typisches genetisches Expressionsprofil vor, wenn man miR-154-3p und miR-154-5p überexprimierende Mäuse mit Kontrolltieren verglich, was möglicherweise mit einer vermehrten, durch die Hochregulierung von miR-154-3p und miR-154-5p induzierten, Transition von AECII zu AECI Zellen vereinbar ist. Ein derartiges Phänomen der AECII-zu-AECI Transdifferenzierung ist im Zusammenhang mit Hyperoxie bereits in Ratten beschrieben worden. Wie den Ergebnissen der aktuellen Arbeit zu entnehmen ist, führt Hyperoxie zu einer Hochregulierung von miR-154-3p in den AECII Zellen und beide Faktoren, Hyperoxie und miRNA Hochregulierung, führen zu ähnlichen schädigenden Effekten im Bezug auf die murine Lunge. Es erscheint naheliegend, dass miR-154-3p wie ein Mediator hyperoxie-bedingter Lungenschädigung fungiert. In der Literatur ist eine vermehrte AECI-zu-AECII Zelltransdifferenzierung in Ratten bereits beschrieben. Unsere Ergebnisse sprechen womöglich dafür, dass eine Überexpression von miR-154-3p und miR-154-5p zu einer Einleitung des gleichen Prozesses führen könnte.Daher formulieren wir die Hypothese, dass Hyperoxie eine vermehrte AECII-zu-AECI Zelltransdifferenzierung im murinen Lungenepithel über eine Aktivierung von miR-154-3p hervorruft.