The relevance of the hypoxia-inducible transcription factor HIF-1alpha for cyst growth in polycystic kidney disease
Final Report Abstract
Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung ADPKD ist eine der häufigsten monogenetischen Erkrankungen weltweit. Dabei kommt es zur Entstehung multipler Zysten in beiden Nieren, die über Jahrzehnte hinweg wachsen und dabei gesundes Nierengewebe verdrängen. Das Wachstum der Zysten unterliegt dabei einem Flüssigkeitstransport in das Zysteninnere, bei dem eine apikale Chloridsekretion maßgeblich beteiligt ist. Wir konnten in Vorarbeiten zeigen, dass das verdrängende Zystenwachstum zu einer progredienten Hypoxie in den Nieren führt, was schließlich eine Aktivierung des Hypoxieinduzierbaren Transkriptionsfaktors HIF-1α im Zystenepithel bewirkt. Die zentrale Frage des DFG geförderten Projektes war, ob und ggfs. durch welche Mechanismen HIF-1α die Zystenexpansion beeinflusst. Wir konnten in einem in vitro Zystenmodell sowie in ex vivo kultivierten zystischen Mausembryonieren mittels pharmakologischer sowie genetischer Ansätze zeigen, dass HIF-1α das Zystenwachstum fördert. Aktuell noch unpublizierte Daten bestätigen dies ergänzend in einem PKD1 Knockoutmausmodell. Bei der Frage nach den zugrundeliegenden Mechanismen zeigte sich in elektrophysiologischen Untersuchungen, dass HIF-1α essentiell für die Ausbildung einer Ca2+ aktivierten Chloridsekretion ist. Bei der Suche nach HIF-1α regulierten Genen, die an der Chloridsekretion beteiligt sein könnten, stießen wir auf den Ca2+ aktivierten Chloridkanal Anoctamin 1 (ANO1). Knockdown sowie pharmakologische Inhibition von ANO1 führte zu einer Reduktion der Ca2+ aktivierten Chloridsekretion und passend hierzu zu einer Hemmung des Zystenwachstums in unseren Modellen. Darüber hinaus konnten wir ANO1 in der apikalen Membran des Zystenepithels der Maus und des Menschen nachweisen. Ergänzend konnten wir zeigen, dass die Aktivierung des Ca2+ aktivierten Chloridkanals durch eine ATP abhängige Stimulation des purinergen Rezeptors P2Y2R vermittelt wird, der darüber hinaus HIF-1α abhängig reguliert wird. Anoctamin 6, ein weiteres Mitglied der Anoctaminfamilie war zwar nicht an der Sekretion beteiligt, förderte jedoch die Apoptose im Zystenmodell durch Ca2+ abhängiges Phospholipid-Scrambling, das zu einer extrazellulären Präsentation negativ geladener Phosphatidylserine führt. Neben der Rolle von HIF-1α bei der Zystennierenprogression entdeckten wir, dass HIF-1α im Ureterknospenepithel essentiell für die Nephrogenese ist, wohingegen eine gesteigerte Hypoxie zur Aktivierung von HIF-Signalwegen in metanephrischen Mesenchymzellen und in der Folge zu einer Vegfa abhängigen Hemmung der Nephrogenese führt. In Zukunft möchten wir die Relevanz der neu identifizierten Mechanismen des Zystenwachstums weiter in vivo verifizieren und charakterisieren, indem wir vor allem den pharmakologischen Effekt von Inhibitoren gegen HIF-1α, ANO1 und P2Y2R auf die Zystenprogression im PKD1 Knockoutmodell untersuchen wollen.
Publications
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Anoctamin 1 induces calcium-activated chloride secretion and proliferation of renal cyst-forming epithelial cells. Kidney Int 85: 1058-1067, 2014
Buchholz B, Faria D, Schley G, Schreiber R, Eckardt KU, and Kunzelmann K
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Hypoxia-inducible factor-1alpha causes renal cyst expansion through calcium-activated chloride secretion. J Am Soc Nephrol 25: 465-474, 2014
Buchholz B, Schley G, Faria D, Kroening S, Willam C, Schreiber R, Klanke B, Burzlaff N, Jantsch J, Kunzelmann K, and Eckardt KU
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Anoctamin 6 is localized in the primary cilium of renal tubular cells and is involved in apoptosis-dependent cyst lumen formation. Cell Death Dis 6: e1899, 2015
Forschbach V, Goppelt-Struebe M, Kunzelmann K, Schreiber R, Piedagnel R, Kraus a, Eckardt K-U, Buchholz B
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Hypoxia inhibits nephrogenesis through paracrine Vegfa despite the ability to enhance tubulogenesis. Kidney Int 88: 1283-1292, 2015
Schley G, Scholz H, Kraus A, Hackenbeck T, Klanke B, Willam C, Wiesener MS, Heinze E, Burzlaff N, Eckardt KU, and Buchholz B
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Glucose promotes secretion-dependent renal cyst growth. J Mol Med 94: 107- 117, 2016
Kraus A, Schley G, Kunzelmann K, Schreiber R, Peters DJ, Stadler R, Eckardt KU, and Buchholz B
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P2Y2R is a direct target of HIF-1alpha and mediates secretion-dependent cyst growth of renal cyst-forming epithelial cells. Purinergic Signal. (2016)
Kraus A, Grampp S, Goppelt-Struebe M, Schreiber R, Kunzelmann K, Peters DJ, Leipziger J, Schley G, Schodel J, Eckardt KU, and Buchholz B
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The impact of hypoxia on nephrogenesis. Curr Opin Nephrol Hypertens 25: 180–6, 2016
Buchholz B, Schley G, Eckardt K-U
