Human Induced Pluripotent Stem Cell-derived Adrenocortical Cell Model Reveals the Pathophysiology of KCNJ5 Mutation in Primary Aldosteronism

Abstract

The adrenal cortex is a central site of steroidogenesis. Steroid hormones produced in the adrenal cortex regulate essential processes in the body, including electrolyte and fluid homeostasis, blood pressure, and stress-induced metabolisms. Defects in the structure and function of the adrenal cortex result in inappropriately low or high hormone secretion, leading to a number of diseases, including secondary hypertension due to hyperaldosteronism. Adrenocortical research has long suffered from a lack of adequate models, which has hampered advances in understanding disease mechanisms and developing therapies for adrenocortical disorders. Adrenocortical animal models and cell lines in many cases do not fully recapitulate the genotype-phenotype association of adrenocortical disorders. Criteria for ideal human-derived adrenocortical disease models include ease of genomic manipulation and adequate hormone production, which are currently unmet. Here, we developed an improved human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based differentiation system from intermediate mesoderm toward adrenocortical cells. Heterologous forced expression of steroidogenic factor-1 (SF-1) and the addition of adrenal cortex niche factors gave rise to cells that produced a wide range of adrenal steroids, including aldosterone and cortisol, and exhibited typical adrenocortical gene expression profiles. These cells maintained their proliferative capacity during extended cultivation. Using CRISPR/Cas9, we introduced a heterozygous somatic KCNJ5 mutation found in aldosterone-producing adenomas and familial hyperaldosteronism. Besides elevated aldosterone production, mutant cells showed increased proliferation, a hallmark of tumor development, that was missing in prior models. We conclude that our system is a valid tool for studying the pathophysiology of adrenocortical diseases.

Die Nebennierenrinde ist ein zentraler Ort der Steroidogenese. In der Nebennierenrinde gebildete Steroidhormone regulieren wesentliche Prozesse im Körper, darunter die Elektrolyt- und Flüssigkeitshomöostase, den Blutdruck und den stressbedingten Stoffwechsel. Defekte in der Struktur und Funktion der Nebennierenrinde führen zu einer erhöhten oder erniedrigten Hormonausschüttung, die zu mehreren Erkrankungen, einschließlich sekundärem Bluthochdruck aufgrund eines Hyperaldosteronismus führen kann. Die Nebennierenrindenforschung leidet jedoch seit langem unter einem Mangel an geeigneten Modellen, was Fortschritte beim Verständnis der Krankheitsmechanismen und bei der Entwicklung von Therapien für Nebennierenrindenerkrankungen erschwert hat. Tiermodelle (Modelle zur Erforschung der Nebennierenrinde) und Zelllinien können die Genotyp-Phänotyp-Assoziation der genetischen Erkrankungen der humanen Nebennierenrinde in vielen Fällen nicht vollständig rekapitulieren. Idealerweise sollten humane Nebennierenrindenmodelle leicht genomisch zu manipulieren sein und eine nahezu physiologische Hormonproduktion aufweisen, Kriterien, die derzeit nicht erfüllt sind. Wir haben hier ein verbessertes System zur Differenzierung menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) aus intermediärem Mesoderm in adrenokortikale Zellen entwickelt. Die heterologe Expression des steroidogenen Faktors 1 (SF-1) und Zugabe von Nischenfaktoren der Nebennierenrinde führten zu Zellen, die eine breite Palette von Nebennierensteroiden produzierten, einschließlich Aldosteron und Cortisol, und adrenokortikale Genexpressionsprofile aufwiesen. Diese Zellen behielten ihre Proliferationsfähigkeit auch bei längerer Kultivierung bei. Mithilfe von CRISPR/Cas9 haben wir eine heterozygote somatische KCNJ5-Mutation eingeführt, die bei Aldosteron produzierenden Adenomen und familiärem Hyperaldosteronismus vorkommt. Neben einer erhöhten Aldosteronproduktion zeigten die mutierten Zellen eine erhöhte Proliferation, ein Merkmal der Tumorentwicklung, das in früheren Modellen fehlte. Wir schließen daraus, dass unser System ein vielversprechender Ansatz für die Untersuchung der Pathophysiologie von Nebennierenrinden-erkrankungen ist.