The role of Centrosomal protein 83 (CEP83) in kidney progenitor differentiation from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs)

Abstract

Background: Centrosomal protein 83 (CEP83) is a component of the distal appendages proteins (DAPs) of centrioles, which is necessary for the assembly of primary cilia. Primary cilia play an essential role in early embryonic development, organ development, and tissue homeostasis. Loss of many ciliary proteins in mice models results in kidney agenesis, or embryonic lethality before kidney development. The kidney develops from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) in a stepwise process involving the induction of specialized nephron progenitors (NPs) in the intermediate mesoderm, then differentiation into kidney epithelia. Methods: Here, we used a hiPSCs derived system that models the induction of NPs followed by kidney epithelial differentiation to analyze the role of CEP83 in human kidney epithelial differentiation. We used CRISPR-cas9 technology to induce inactivating deletions of CEP83 in hiPSCs. Then, we differentiated the hiPSCs into NPs and kidney organoids. We used morphological analyses, gene expression studies, and immunostaining to analyze NPs and kidney epithelial differentiation. Results: CEP83-/- hiPSCs failed to differentiate into nephron epithelia compared with the WT hiPSCs, which successfully differentiated into kidney organoids containing differentiated nephron epithelia. In contrast, CEP83-/- differentiated cells and organoids upregulate regulatory genes of lateral plate mesoderm (LPM), including OSR1, FOXF1, FOXF2, and FENDRR. In addition, CEP83-/- organoids upregulate marker genes of cardiovascular progenitors including TBX1, and ISL1. The shifted differentiation of CEP83-/- hiPSCs was associated with defective ciliogenesis. Conclusion: In a human system modeling kidney epithelial differentiation from hiPSCs, our data provide new insight into the essential role of CEP83 in early NPs differentiation. That may help to better understand the pathogenesis of CEP83-associated renal developmental defects.

Hintergrund: Das zentrosomale Protein 83 (CEP83) ist eine Komponente der distalen Anhängselproteine (DAPs) der Zentriolen, die für den Aufbau der primären Zilien notwendig sind. Primäre Zilien spielen eine wesentliche Rolle in der frühen Embryonalentwicklung, der Organentwicklung und der Gewebehomöostase. Der Verlust von Zilienproteinen in Mausmodellen führt zu Nierenagenesie oder embryonaler Letalität vor der Nierenentwicklung. Die Niere entwickelt sich aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) in einem schrittweisen Prozess, der die Induktion spezialisierter Nephronvorläuferzellen (NPs) im intermediären Mesoderm und die anschließende Differenzierung in Nierenepithelien umfasst. Methoden: Wir haben ein von hiPSCs abgeleitetes System verwendet, das die Induktion von NPs und die anschließende Differenzierung zu Nierenepithelien modelliert, um die Rolle von CEP83 bei der epithelialen Differenzierung der menschlichen Niere zu analysieren. Mit der CRISPR-Cas9-Technologie wurden inaktivierende Deletionen von CEP83 in hiPSCs induziert (CEP83-/-). Anschließend wurden die CEP83-/- und Wildtyp (WT) hiPSCs in NPs und Nierenorganoide differenziert. Mit Hilfe von morphologischen Analysen, Genexpressionsstudien und Immunfärbung wurde die Differenzierung von NPs und Nierenepithelien analysiert. Ergebnisse: CEP83-/- hiPSCs, anders als WT hiPSCs, konnten sich nicht erfolgreich in Nierenorganoide mit differenzierten Nephronepithelien differenzieren. CEP83-/- Zellen und Organoide zeigten eine erhöhte Expression von regulatorischen Genen des lateralen Plattenmesoderms, einschließlich OSR1, FOXF1, FOXF2 und FENDRR. Darüber hinaus wurden CEP83-/- Organoiden Markergene für kardiovaskuläre Vorläufer hochreguliert (TBX1 und ISL1). Die veränderte Differenzierung von CEP83-/- hiPSCs war mit einer gestörten Ziliengenese verbunden. Schlussfolgerung: Unsere Daten liefern neue Erkenntnisse über die wesentliche Rolle von CEP83 bei der frühen Differenzierung von NPs. Dies könnte dazu beitragen, die Pathogenese von CEP83-assoziierten Nierenentwicklungsstörungen besser zu verstehen.