Application of RNAi to silence tartrate-resistant acid phosphatase: unexpected effects on the monocyte-macrophage lineage

Tartraatti-resistentin happaman fosfataasin hiljentäminen RNAi menetelmällä: odottamaton vaikutus monosyytti-makrofagi linjan soluissa RNA interferenssi (RNAi) eli RNA:n hiljentyminen löydettiin ensimmäisenä kasveissa, ja 2000-luvulla RNAi menetelmä on otettu käyttöön myös nisäkässoluissa. RNAi on mekanismi, jossa lyhyet kaksi juosteiset RNA molekyylit eli siRNA:t sitoutuvat proteiinikompleksiin ja sitoutuvat komplementaarisesti proteiinia koodaavaan lähetti RNA:han katalysoiden lähetti RNA:n hajoamisen. Tällöin RNA:n koodaamaa proteiinia ei solussa tuoteta. Tässä työssä on RNA interferenssi menetelmän avuksi kehitetty uusi siRNA molekyylien suunnittelualgoritmi siRNA_profile, joka etsii lähetti RNA:sta geenin hiljentämiseen sopivia kohdealueita. Optimaalisesti suunnitellulla siRNA molekyylillä voi olla mahdollista saavuttaa pitkäaikainen geenin hiljeneminen ja spesifinen kohdeproteiinin määrän aleneminen solussa. Erilaiset kemialliset modifikaatiot, mm. 2´-Fluoro-modifikaatio, siRNA molekyylin riboosirenkaassa lisäsivät siRNA molekyylin stabiilisuutta veren plasmassa sekä siRNA molekyylin tehokkuutta. Nämä ovat tärkeitä siRNA molekyylien ominaisuuksia kun RNAi menetelmää sovelletaan lääketieteellisiin tarkoituksiin. Tartraatti-resistentti hapan fosfataasi (TRACP) on entsyymi, joka esiintyy luunsyöjäsoluissa eli osteoklasteissa, antigeenejä esittelevissä dendiriittisissä soluissa sekä eri kudosten makrofageissa, jotka ovat syöjäsoluja. TRACP entsyymin biologista tehtävää ei ole saatu selville, mutta oletetaan että TRACP entsyymin kyvyllä tuottaa reaktiivisia happiradikaaleja on tehtävä sekä luuta hajoittavissa osteoklasteissa sekä antigeenia esittelevissä dendriittisissä soluissa. Makrofageilla, jotka yliekpressoivat TRACP entsyymiä, on myös solunsisäinen reaktiivisten happiradikaalien tuotanto sekä bakteerin tappokyky lisääntynyt. TRACP-geenin hiljentämiseen tarkoitetut spesifiset DNA ja siRNA molekyylit aiheuttivat monosyytti-makrofagilinjan soluviljelymallissa TRACP entsyymin tuoton lisääntymistä odotusten vastaisesti. DNA ja RNA molekyylien vaikutusta TRACP entsyymin tuoton lisääntymiseen tutkittiin myös Tolllike reseptori 9 (TLR9) poistogeenisestä hiirestä eristetyissä monosyyttimakrofaagisoluissa. TRACP entsyymin tuoton lisääntyminen todettiin sekvenssistä ja TLR9:stä riippumattomaksi vasteeksi solun ulkopuolisia DNA ja RNA molekyylejä vastaan. Havainto TRACP entsyymin tuoton lisääntymisestä viittaa siihen, että TRACP entsyymillä on tehtävä solun immuunipuolustusjärjestelmässä.

The role of cathepsin K in lung development and newborn chronic lung injury.

Chronic lung diseases, specifically bronchopulmonary dysplasia (BPD), are still causing mortality and morbidity amongst newborn infants. High protease activity has been suggested to have a deleterious role in oxygen-induced lung injuries. Cathepsin K (CatK) is a potent protease found in fetal lungs, degrading collagen and elastin. We hypothesized that CatK may be an important modulator of chronic lung injury in newborn infants and neonatal mice. First we measured CatK protein levels in repeated tracheal aspirate fluid samples from 13 intubated preterm infants during the first two weeks of life. The amount of CatK at 9-13 days was low in infants developing chronic lung disease. Consequently, we studied CatK mRNA expression in oxygen-exposed wild-type (WT) rats at postnatal day (PN) 14 and found decreased pulmonary mRNA expression of CatK in whole lung samples. Thereafter we demonstrated that CatK deficiency modifies lung development by accelerating the thinning of alveolar walls in newborn mice. In hyperoxia-exposed newborn mice CatK deficiency resulted in increased number of pulmonary foam cells, macrophages and amount of reduced glutathione in lung homogenates indicating intensified pulmonary oxidative stress and worse pulmonary outcome due to CatK deficiency. Conversely, transgenic overexpression of CatK caused slight enlargement of distal airspaces with increased alveolar chord length in room air in neonatal mice. While hyperoxic exposure inhibited alveolarization and resulted in enlarged airspaces in wild-type mice, these changes were significantly milder in CatK overexpressing mice at PN7. Finally, we showed that the expression of macrophage scavenger receptor 2 (MSR2) mRNA was down-regulated in oxygen-exposed CatK-deficient mice analyzed by microarray analysis. Our results demonstrate that CatK seems to participate in normal lung development and its expression is altered during pulmonary injury. In the presence of pulmonary risk factors, like high oxygen exposure, low amount of CatK may contribute to aggravated lung injury while sustained or slightly elevated amount of CatK may even protect the newborn lungs from excessive injury. Besides collagen degrading and antifibrotic function of CatK in the lungs, it is obvious that CatK may affect macrophage activity and modify oxidative stress response. In conclusion, pulmonary proteases, specifically CatK, have distinct roles in lung homeostasis and injury development, and although suggested, broad range inhibition of proteases may not be beneficial in newborn lung injury.