The small molecule, genistein, increases hepcidin expression in human hepatocytes

Hepcidin, a peptide hormone that decreases intestinal iron absorption and macrophage iron release, is a potential drug target for patients with iron overload syndromes because its levels are inappropriately low in these individuals. Endogenous stimulants of Hepcidin transcription include bone morphogenic protein 6 (BMP6) and interleukin-6 (IL-6) by effects on mothers against decapentaplegic homolog (Smad)4 or signal transducer and activator of transcription (Stat)3, respectively. We conducted a small-scale chemical screen in zebrafish embryos to identify small molecules that modulate hepcidin expression. We found that treatment with the isoflavone, genistein, from 28-52 hours postfertilization in zebrafish embryos enhanced Hepcidin transcript levels, as assessed by whole-mount in situ hybridization and quantitative real-time reverse-transcriptase polymerase chain reaction. Genistein's stimulatory effect was conserved in human hepatocytes: Genistein treatment of HepG2 cells increased both Hepcidin transcript levels and promoter activity. We found that genistein's effect on Hepcidin expression did not depend on estrogen receptor signaling or increased cellular iron uptake, but was impaired by mutation of either BMP response elements or the Stat3-binding site in the Hepcidin promoter. RNA sequencing of transcripts from genistein-treated hepatocytes indicated that genistein up-regulated 68% of the transcripts that were up-regulated by BMP6; however, genistein raised levels of several transcripts involved in Stat3 signaling that were not up-regulated by BMP6. Chromatin immunoprecipitation and ELISA experiments revealed that genistein enhanced Stat3 binding to the Hepcidin promoter and increased phosphorylation of Stat3 in HepG2 cells. Conclusion: Genistein is the first small-molecule experimental drug that stimulates Hepcidin expression in vivo and in vitro. These experiments demonstrate the feasibility of identifying and characterizing small molecules that increase Hepcidin expression. Genistein and other candidate molecules may subsequently be developed into new therapies for iron overload syndromes.

Increased hepcidin expression in multibacillary leprosy

Iron is essential for all organisms and its availability can control the growth of microorganisms; therefore, we examined the role of iron metabolism in multibacillary (MB) leprosy, focusing on the involvement of hepcidin. Erythrograms, iron metabolism parameters, pro-inflammatory cytokines and urinary hepcidin levels were evaluated in patients with MB and matched control subjects. Hepcidin expression in MB lesions was evaluated by quantitative polymerase chain reaction. The expression of ferroportin and hepcidin was evaluated by immunofluorescence in paucibacillary and MB lesions. Analysis of hepcidin protein levels in urine and of hepcidin mRNA and protein levels in leprosy lesions and skin biopsies from healthy control subjects showed elevated hepcidin levels in MB patients. Decreases in haematologic parameters and total iron binding capacity were observed in patients with MB leprosy. Moreover, interleukin-1 beta, ferritin, soluble transferrin receptor and soluble transferrin receptor/log ferritin index values were increased in leprosy patients. Hepcidin was elevated in lepromatous lesions, whereas ferroportin was more abundant in tuberculoid lesions. In addition, hepcidin and ferroportin were not colocalised in the biopsies from leprosy lesions. Anaemia was not commonly observed in patients with MB; however, the observed changes in haematologic parameters indicating altered iron metabolism appeared to result from a mixture of anaemia of inflammation and iron deficiency. Thus, iron sequestration inside host cells might play a role in leprosy by providing an optimal environment for the bacillus.

Identification, characterization and expression analysis of hepcidin gene in sheep

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Cloning, sequencing and expression analysis of the equine hepcidin gene by real-time PCR

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Lack of hepcidin gene expression and severe tissue iron overload in upstream stimulatory factor 2 (USF2) knockout mice

We previously reported the disruption of the murine gene encoding the transcription factor USF2 and its consequences on glucose-dependent gene regulation in the liver. We report here a peculiar phenotype of Usf2−/− mice that progressively develop multivisceral iron overload; plasma iron overcomes transferrin binding capacity, and nontransferrin-bound iron accumulates in various tissues including pancreas and heart. In contrast, the splenic iron content is strikingly lower in knockout animals than in controls. To identify genes that may account for the abnormalities of iron homeostasis in Usf2−/− mice, we used suppressive subtractive hybridization between livers from Usf2−/− and wild-type mice. We isolated a cDNA encoding a peptide, hepcidin (also referred to as LEAP-1, for liver-expressed antimicrobial peptide), that was very recently purified from human blood ultrafiltrate and from urine as a disulfide-bonded peptide exhibiting antimicrobial activity. Accumulation of iron in the liver has been recently reported to up-regulate hepcidin expression, whereas our data clearly show that a complete defect in hepcidin expression is responsible for progressive tissue iron overload. The striking similarity of the alterations in iron metabolism between HFE knockout mice, a murine model of hereditary hemochromatosis, and the Usf2−/− hepcidin-deficient mice suggests that hepcidin may function in the same regulatory pathway as HFE. We propose that hepcidin acts as a signaling molecule that is required in conjunction with HFE to regulate both intestinal iron absorption and iron storage in macrophages.

Hepcidin as a therapeutic tool to limit iron overload and improve anemia in β-thalassemic mice.

Excessive iron absorption is one of the main features of β-thalassemia and can lead to severe morbidity and mortality. Serial analyses of β-thalassemic mice indicate that while hemoglobin levels decrease over time, the concentration of iron in the liver, spleen, and kidneys markedly increases. Iron overload is associated with low levels of hepcidin, a peptide that regulates iron metabolism by triggering degradation of ferroportin, an iron-transport protein localized on absorptive enterocytes as well as hepatocytes and macrophages. Patients with β-thalassemia also have low hepcidin levels. These observations led us to hypothesize that more iron is absorbed in β-thalassemia than is required for erythropoiesis and that increasing the concentration of hepcidin in the body of such patients might be therapeutic, limiting iron overload. Here we demonstrate that a moderate increase in expression of hepcidin in β-thalassemic mice limits iron overload, decreases formation of insoluble membrane-bound globins and reactive oxygen species, and improves anemia. Mice with increased hepcidin expression also demonstrated an increase in the lifespan of their red cells, reversal of ineffective erythropoiesis and splenomegaly, and an increase in total hemoglobin levels. These data led us to suggest that therapeutics that could increase hepcidin levels or act as hepcidin agonists might help treat the abnormal iron absorption in individuals with β-thalassemia and related disorders.

The functional link between HFE and hepcidin- its contribution to iron metabolism regulation

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia Molecular), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2013

Régulation de l'hepcidine et le rôle de la lipocaline 2 dans l'homéostasie du fer / Novel insights into the regulation of hepcidin and the role of lipocalin 2 in iron homeostasis

Le fer, un métal de transition, est requis pour la survie de presque tout les organismes vivant à cause de son habilité à accepter ou donner un électron et donc à catalyser plusieurs réactions biochimique fondamentales. Cependant, la même propriété permet aussi au fer ionique d’accélérer la formation de radicaux libres et donc le fer peut potentiellement avoir des effets néfastes. Conséquemment, l’homéostasie du fer doit être étroitement régulé, tant au niveau cellulaire que systémique. Notre étude met l’emphase sur deux molécules importante pour régulation du métabolisme du fer : la lipocaline 2 (Lcn2) et l’hepcidine. Lcn2, une protéine de phase aiguë, est impliquée dans le transport du fer par les sidérophores. Lcn2 est un candidat potentiel comme transporteur du fer qui pourrait être responsable de l’accumulation excessive du fer non lié à la transferrine dans le foie des patients atteints d’hémochromatose héréditaire (HH). Nous avons généré des souris double-déficiente HfeLcn2 pour évaluer l’importance de Lcn2 dans la pathogenèse de surcharge en fer hépatique dans les souris knock-out Hfe (Hfe -/-). Notre étude révèle que la délétion de Lcn2 dans les souris Hfe-/- n’influence pas leur accumulation de fer hépatique ou leur réponse à une surcharge en fer. Le phénotype des souries HfeLcn2-/- demeure indiscernable de celui des souris Hfe-/-. Nos données impliquent que Lcn2 n’est pas essentiel pour la livraison du fer aux hépatocytes dans l’HH. L’hepcidine, un régulateur clé du métabolisme du fer, est un petit peptide antimicrobien produit par le foie et qui régule l’absorption intestinale du fer et son recyclage par les macrophages. L’expression de l’hepcidine est induite par la surcharge en fer et l’inflammation, tandis que, à l'inverse, elle est inhibée par l'anémie et l'hypoxie. Dans certaine situations pathologique, l’hepcidine est régulée dans des directions opposées par plus d’un régulateur. Nous avons, en outre, analysé comment les différents facteurs influencent l’expression de l’hepcidine in vivo en utilisant un modèle de souris avec un métabolisme du fer altéré. Nous avons examiné la régulation de l’hepcidine en présence de stimuli opposés, ainsi que la contribution des médiateurs et des voix de signalisation en aval de l’expression de l’hepcidine. Nous avons démontré que l'érythropoïèse, lorsque stimulé par l’érythropoïétine, mais pas par l’hypoxie, diminue l’expression de l’hepcidine d’une façon dépendante de la dose, même en présence de lipopolysaccharides ou de surcharge de fer alimentaire, qui peuvent agir de manière additive. De plus, l’entraînement érythropoïétique inhibe tant la voix inflammatoire que celle de détection du fer, du moins en partie, par la suppression du signal IL-6/STAT3 et BMP/SMAD4 in vivo. Au total, nos données suggèrent que le niveau d’expression de l’hepcidine en présence de signaux opposés est déterminé par la force du stimulus individuel plutôt que par une hiérarchie absolue. Ces découvertes sont pertinentes pour le traitement de l’anémie des maladies chronique et les désordres de surcharge en fer.

RGMa and RGMb expression pattern during chicken development suggest unexpected roles for these repulsive guidance molecules in notochord formation, somitogenesis, and myogenesis

Background: Repulsive guidance molecules (RGM) are high-affinity ligands for the Netrin receptor Neogenin, and they are crucial for nervous system development including neural tube closure; neuronal and neural crest cell differentiation and axon guidance. Recent studies implicated RGM molecules in bone morphogenetic protein signaling, which regulates a variety of developmental processes. Moreover, a role for RGMc in iron metabolism has been established. This suggests that RGM molecules may play important roles in non-neural tissues. Results: To explore which tissues and processed may be regulated by RGM molecules, we systematically investigated the expression of RGMa and RGMb, the only RGM molecules currently known for avians, in the chicken embryo. Conclusions: Our study suggests so far unknown roles of RGM molecules in notochord, somite and skeletal muscle development. Developmental Dynamics, 2012. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

La régulation de l’hepcidine à travers les récepteurs Toll-like dans les macrophages

L'interaction entre le système immunitaire et le métabolisme du fer est bien illustrée par l'anémie des maladies chroniques (ACD), qui est fréquemment rencontrée dans les infections chroniques, l'inflammation et le cancer. La majorité des modifications dans les paramètres du fer observées dans l’ACD tient compte des modifications de l’homéostasie du fer, avec la délocalisation du métal de la circulation et les sites de l'érythropoïèse au compartiment de stockage dans les macrophages. Les mécanismes de la réponse hyposidérémique impliquent des cytokines, notamment TNF-alpha et IL-6, qui régulent les niveaux de plusieurs gènes du métabolisme du fer, y compris les transporteurs de fer et de l'hepcidine, un régulateur négatif de l’absorption du fer, ce qui entraîne l'inhibition de l'exportation du fer à travers la ferroportine 1 (FPN1) au niveau de l'intestin et les macrophages. Des études antérieures ont montré que l'IL-6 induit l’expression d’hepcidine dans les hépatocytes, mais il y a très peu de données concernant la façon par laquelle l'hepcidine et la FPN1 sont régulées dans les macrophages. Récemment, nous avons constaté que l'induction de l'hepcidine dans le foie par le lipopolysaccharide (LPS) dépend de la voie de signalisation médiée par le récepteur Toll-like 4 (TLR4). Le but de ce travail est d’identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages et de déterminer l’exigence des TLRs dans l’induction de l’hepcidine et le développement d’hyposidérémie. En plus, nous voulons étudier l’effet de l’inflammation causée par les ligands des TLRs sur le taux de fer sérique, la production des cytokines et l'expression de l’hepcidine et de la ferroportine. D’autre part nous voulons étudier l’effet du taux du fer sur la production d’IL-6 macrophagique en réponse à la stimulation par le TLR4. D'abord, pour identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages, nous avons traité les macrophages RAW 264.7 et les macrophages péritonéaux de souris (MPMs) avec différents ligands TLRs et on a mesuré l’expression de l'hepcidine par qRT-PCR. Nous avons observé que Pam3CSK4 (Pam), un ligand de TLR2/1; LPS, un ligand de TLR-4 et FSL1 un ligand de TLR2/6 induisent l’expression de l'hepcidine dans les cellules RAW 264.7 et les MPMs, contrairement au polyinosinic: polycytidylic acid (Poly I: C), un ligand de TLR3. De plus, LPS était capable de réprimer l’expression de la ferroportine dans les cellules RAW 264.7. Afin de mieux définir la nécessité des TLRs pour assurer cette expression, nous avons utilisé les souris TLR-2 knock-out et on a établi que l'expression de l'hepcidine dans les macrophages par LPS, Pam ou FSL1 est dépendante du TLR2. En accord avec les expériences in vitro, les études effectuées in vivo ont montré que LPS réprime l’expression de la ferroportine, ainsi que PolyI:C n’est pas capable de stimuler l'expression d'hepcidine hépatique, par contre il était efficace pour déclencher une hyposidérémie. Ensuite, on voulait déterminer la voie de signalisation utilisée dans l’induction de l’hepcidine dans les macrophages. Comme il y deux voies majeures connues pour la signalisation des TLRs : une dépendante et l’autre indépendante de la protéine MyD88, on a étudié l’expression de l’hepcidine dans les MPMs isolés des souris MyD88-/- et nous avons constaté que l'absence de signalisation MyD88 abolit l'induction de l'hepcidine déclenchée par Pam, LPS et FSL1. D’autre part, la stimulation avec du LPS induisait in vivo la production d’IL-6 et de TNF-alpha, et la stimulation d’IL-6 était renforcée in vitro par la présence du fer. Ces observations indiquent que l’expression de HAMP (Hepcidin Antimicrobial Peptide) dans les macrophages peut être régulée par différents TLRs, ce qui suggère que la production d'hepcidine macrophagique fait partie d'une réponse immunitaire activées par les TLRs.

Rôle des récepteurs Toll-like et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la régulation de l’hepcidine et le développement des hyposidérémies associées à l’inflammation

Le fer est un oligo-élément nécessaire pour le fonctionnement normal de toutes les cellules de l'organisme et joue un rôle essentiel dans de nombreuses fonctions biologiques. Cependant, le niveau de fer dans le corps doit être bien réglé, sinon la carence en fer entraine des divers états pathologiques tels que l'anémie et la diminution de l’immunité. D'autre part, une surcharge en fer potentialise la multiplication des germes, aggrave l’infection et la formation de radicaux libres ayant des effets toxiques sur les cellules et leurs composants, ce qui favorise les maladies cardio-vasculaires, l'inflammation et le cancer. L'hepcidine (HAMP), un régulateur négatif de l'absorption du fer, induit la dégradation de la ferroportine (FPN), le seul exportateur connu de fer ce qui réduit sa libération par les macrophages et inhibe son absorption gastro-intestinale. HAMP est synthétisé principalement par les hépatocytes, mais aussi par les macrophages. Cependant, il y a très peu de données sur la façon dont HAMP est régulé au niveau des macrophages. Plus récemment, nous avons constaté que l’induction de l’hepcidin dans le foie par le polysaccharide (LPS) est dépendante de la voie de signalisation médiée par « Toll-like receptor 4 » (TLR4). Grâce au TLR4, le LPS induit l'activation des macrophages qui sécrètent de nombreuses différentes cytokines inflammatoires, y compris Interleukine 6 (IL-6), responsable de l'expression de HAMP hépatique. Dans le premier chapitre de la présente étude, nous avons étudié la régulation de HAMP dans la lignée cellulaire macrophagique RAW264.7 et dans les macrophages péritonéaux murins stimulés par différents ligands des TLRs. Nous avons constaté que TLR2 et TLR4 par l'intermédiaire de la protéine adaptatrice « myeloid differentiation primary response gene 88 » (MyD88) activent l'expression de HAMP dans les cellules RAW264.7 et les macrophages péritonéaux sauvages murins, tandis que cette expression a été supprimée dans les macrophages isolés des souris TLR2-/-, TLR4-déficiente ou MyD88-/-. En outre, nous avons constaté que la production d'IL-6 par les cellules RAW264.7 stimulées avec du LPS a été renforcée par l’ajout des quantités élevées de fer dans le milieu de culture. Au cours de l’inflammation, le niveau de HAMP est fortement augmenté. Ainsi, lorsque l'inflammation persiste, l’expression de HAMP continue à être activée par des cytokines pro-inflammatoires conduisant à une hyposidérémie. Malgré que cette dernière soit considérée comme une défense de l'hôte pour priver les micro-organismes de fer, celle ci cause un développement d'anémies nommées anémies des maladies chroniques. Ainsi, dans le deuxième chapitre de la présente étude, nous avons étudié l'implication des TLRs et leurs protéines adaptatrices MyD88 et TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF) dans le développement des hyposidérémies. En utilisant des souris déficientes en MyD88 et TRIF, nous avons montré que les voies de signalisations MyD88 et TRIF sont essentielles pour l’induction de HAMP par le LPS. Malgré l'absence de HAMP, les souris déficientes ont été capables de développer une hyposidérémie, mais la réponse des souris déficientes en MyD88 a été très légère, ce qui indique l'exigence de cette protéine pour assurer une réponse maximale au LPS. En outre, nous avons constaté que la signalisation MyD88 est nécessaire pour le stockage du fer au niveau de la rate, ainsi que l'induction de lipocaline 2 (LCN2), qui est une protéine impliquée dans la fixation du fer pour limiter la croissance bactérienne. Indépendamment de MyD88 ou TRIF, l'activation de TLR4 et TLR3 a conduit, au niveau de la rate, à une diminution rapide de l’expression de FPN et du « Human hemochromatosis protein » (HFE) qui est une protéine qui limite la séquestration du fer cellulaire à partir de la circulation. Cependant, malgré cette baisse d’expression, le manque de la signalisation MyD88 a altéré de manière significative la réponse hyposidérémique. En établissant le rôle des TLRs et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la diminution du taux du fer sérique au cours de la réponse inflammatoire, nous avons remarqué qu’en réponse au surcharge en fer les souris déficientes en MyD88 accumulent de manière significative plus de fer hépatique par rapport aux souris sauvages, et cela indépendamment des TLRs. Ainsi, dans le troisième chapitre de la présente étude, nous avons étudié le phénotype observé chez les souris déficientes en MyD88. Nous avons trouvé que l'expression de HAMP chez ces souris a été plus faible que celle des souris de type sauvage. Pour cela, nous avons exploré la signalisation à travers la voie du « Bone Morphogenetic Proteins 6 » (BMP6) qui est considérée comme étant la voie fondamentale de la régulation de HAMP en réponse aux concentrations du fer intracellulaires et extracellulaires et nous avons trouvé que l'expression protéique de Smad4, un régulateur positif de l'expression de HAMP, est significativement plus faible chez les souris MyD88-/- par rapport aux souris sauvages. En outre, on a montré que MyD88 interagit avec « mothers against decapentaplegic, Drosophila, homolog 4 » (Smad4) et que cette interaction est essentielle pour l’induction de HAMP à travers la voie BMP6. En conclusion, notre étude montre que l'expression de HAMP dans les macrophages est régulée principalement par TLR2 et TLR4 à travers la voie MyD88 et que l'accumulation du fer dans les macrophages peut affecter les niveaux des cytokines pro-inflammatoires. En outre, nos analyses démontrent que le développement d’hyposidérémie en réponse au LPS se produit par l'intermédiaire d’un mécanisme dépendant de MyD88 qui est dissociée de la production de cytokines et de HAMP. En plus, nos recherches montrent que MyD88 est nécessaire pour l'expression de Smad4 et cela pour garantir une réponse optimale à travers la signalisation BMP6, conduisant ainsi à une expression adéquate de HAMP. Enfin, la protéine MyD88 joue un rôle crucial dans, la régulation de HAMP au niveau des macrophages, la diminution du taux du fer sérique en réponse au LPS et le maintien de l'homéostasie du fer.

Systemic regulation of intestinal iron absorption

The intestinal absorption of the essential trace element iron and its mobilization from storage sites in the body are controlled by systemic signals that reflect tissue iron requirements. Recent advances have indicated that the liver-derived peptide hepcidin plays a central role in this process by repressing iron release from intestinal enterocytes, macrophages and other body cells. When iron requirements are increased, hepcidin levels decline and more iron enters the plasma. It has been proposed that the level of circulating diferric transferrin, which reflects tissue iron levels, acts as a signal to alter hepcidin expression. In the liver, the proteins HFE, transferrin receptor 2 and hemojuvelin may be involved in mediating this signal as disruption of each of these molecules decreases hepcidin expression. Patients carrying mutations in these molecules or in hepcidin itself develop systemic iron loading (or hemochromatosis) due to their inability to down regulate iron absorption. Hepcidin is also responsible for the decreased plasma iron or hypoferremia that accompanies inflammation and various chronic diseases as its expression is stimulated by pro-inflammatory cytokines such as interleukin 6. The mechanisms underlying the regulation of hepcidin expression and how it acts on cells to control iron release are key areas of ongoing research.

Decreased hephaestin activity in the intestine of copper-deficient mice causes systemic iron deficiency

Copper and iron metabolism intersect in mammals. Copper deficiency simultaneously leads to decreased iron levels in some tissues and iron deficiency anemia, whereas it results in iron overload in other tissues such as the intestine and liver. The copper requirement of the multicopper ferroxidases hephaestin and ceruloplasmin likely explains this link between copper and iron homeostasis in mammals. We investigated the effect of in vivo and in vitro copper deficiency on hephaestin (Heph) expression and activity. C57BL/6J mice were separated into 2 groups on the day of parturition. One group was fed a copper-deficient diet and another was fed a control diet for 6 wk. Copper-deficient mice had significantly lower hephaestin and ceruloplasmin (~50% of controls) ferroxidase activity. Liver hepcidin expression was significantly downregulated by copper deficiency (~60% of controls), and enterocyte mRNA and protein levels of ferroportin1 were increased to 2.5 and 10 times, respectively, relative to controls, by copper deficiency, indicating a systemic iron deficiency in the copper-deficient mice. Interestingly, hephaestin protein levels were significantly decreased to ~40% of control, suggesting that decreased enterocyte copper content leads to decreased hephaestin synthesis and/or stability. We also examined the effect of copper deficiency on hephaestin in vitro in the HT29 cell line and found dramatically decreased hephaestin synthesis and activity. Both in vivo and in vitro studies indicate that copper is required for the proper processing and/or stability of hephaestin.