Extracellular matrix metabolism in bronchopulmonary dysplasia : Focus on lysyl hydroxylases and transglutaminases

Abstract

Bronchopulmonary dysplasia is a complication of premature birth characterized byimpaired alveolar development. Remodeling of the ECM is a driving force foralveolarization and, if pertubated, may impair septation, suggesting dysregulation ofECM remodeling enzymes that drive collagen fiber formation and maturation: theprocollagen-lysine, 2-oxoglutarate 5-dioxygenases (Plod) family, also known as lysylhydroxylases (which catalyzes glycosylation and hydroxylation of collagen), and thetransglutaminases Tgm1 and Tgm2, which cross-link ECM components.Expressions of Plod1, Plod2, Plod3, Tgm1 and Tgm2 were determined using apopular mouse model of BPD, in which mouse pups are exposed to hyperoxia (85%O2) or normoxia (21% O2) for 28 days after birth. The lungs of these mice wereharvested at various time-points and assessed for Plod and Tgm expression andlocalization by semi-quantitative RT-PCR, immunoblotting and immunohistochemistry.Increased expressions of Plods and Tgms could be observed at the geneand protein levels under hyperoxic conditions compared to normoxic conditions.The data suggest that BPD is characterized by elevated levels of ECM-stabilizingmolecules, which may make the ECM more resistant to remodeling. This overstabilizedstate of the ECM may, at least in part, underlie the arrested septationobserved both in the lungs of infants with BPD, and in animal models of BPD. Bronchopulmonale Dysplasie ist eine Komplikation bei Frühgeborenen, welche durcheine fehlgesteuerte Entwicklung der Lungenalveolen charakterisiert ist. Der Umbau der ECM ist die treibende Kraft für die Bildung der Alveolen und kann, falls er behindert wird, zu einer Beeinträchtigung der alveolären Septierung führen. Dies lässt auf eine Fehlregulation der für den Umbau der ECM verantwortlichen Enzyme bei der Entstehung der BPD schließen: Die Prokollagen-Lysin, 2-Oxoglutarat 5-Dioxygenase (Plod) Familie, auch bekannt als Lysyl Hydroxylasen (welche die Glykosylierung und Hydroxylierung von Kollagenmolekülen katalysieren) und die Transglutaminasen Tgm1 und Tgm2, welche die ECM Komponenten quervernetzen.Um die Expression von Plod1, Plod2, Plod3, Tgm1 und Tgm2 zu untersuchen, wurdeein gängiges Maus-Modell der BPD benutzt, bei dem neugeborene Mäuse in denersten 28 postnatalen Tagen entweder hohen Sauerstoff-Konzentrationen (85% O2)oder normalen Sauerstoff-Konzentrationen (21% O2) ausgesetzt wurden. Die Lungendieser Mäuse wurden zu verschiedenen Zeitpunkten entnommen und mittelssemiquantitativer RT-PCR, Western-Blot und Immunhistochemie hinsichtlich derPlod- und Tgm-Expression und -Lokalisation untersucht.Unter dem Einfluss von hohen Sauerstoffkonzentrationen konnte eine Steigerung derPlod- und Tgm-Expression sowohl auf Gen- als auch auf Proteinebene beobachtetwerden, verglichen mit der Expression in der Kontrolle unter normalenSauerstoffkonzentrationen.Diese Daten deuten darauf hin, dass BPD durch eine gesteigerte Synthese vonECM-stabilisierenden Enzymen gekennzeichnet ist, was möglicherweise zu einerBehinderung des notwendigen Umbaus der ECM führt. Dieser über-stabilisierte Zustand könnte, zumindest teilweise, der frühzeitigen Terminierung der alveolärenSeptierung zu Grunde liegen, welche sowohl in den Lungen der an BPDverstorbenen Kinder, als auch in BPD Tiermodellen beobachtet wurde.