The VHL/HIF-axis in the regulation of cellular stress resistance
Final Report Abstract
Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurde die Bedeutung der VHL/HIF-Achse für die Regulation zellulärer Stressresistenz, mit dem Ziel neue Ansätze für die Prävention der akuten Nierenschädigung zu identifizieren, untersucht. Hierzu wurden Zelllinien in Kultur, der Nematode Caenorhabditis elegans und ein Mausmodell der hypoxischen Präkonditionierung (HP) vor akuter Nierenschädigung eingesetzt. In C. elegans führte der Verlust von VHL-1 – Wurm-Ortholog des Von-Hippel-Lindau Proteins – zur Reduktion von JNK MAP Kinase-Aktivierung, wobei diese von Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktoren (HIF-1) unabhängig war und somit bei der Vermittlung der protektiven Effekte von HP nur eine untergeordnete Rolle spielen dürfte. Zur weiteren Identifikation der Schlüsselgene, welche diesem Effekt zugrundeliegen, wurde daher HP im Wurmmodell unter Verwendung einer Hypoxie-Kammer optimiert. Hierdurch ließ sich eine deutlich erhöhte und quantitativ titrierbare Stressresistenz im Nematoden erzielen, die eine Korrelation mit Proteomics-Daten möglich gemacht hat. Die mittels Massenspektrometrie identifizierten Proteine, welche mit dem Ausmaß der Protektion korrelieren, sind nun Grundlage weiterer Studien in unserem Labor. Um nicht nur systemische HP zu adressieren, sondern auch parakrine/endokrine Effekte des sogenannten remote ischemic preconditioning besser zu verstehen, wurden verschiedene Modelle - unter Verwendung von zellspezifischer RNA-Interferenz (RNAi) und zellspezifischem Rescue im vhl-1 Knockout Hintergrund in Kombination mit fluoreszierenden HIF-1 Reportern - im Nematoden etabliert. In der phänotypischen Analyse dieser Ansätze ergab sich eine unspezifische - durch die für RNAi verwendeten Bakterien vermittelte - HIF-1 Aktivierung im Hitzeschock als unerwartete Schwierigkeit. Aus diesem Grund wurde hier auf Lebensspannen-Analysen als Surrogatparameter der Stressresistenz im Nematoden gewechselt und die sogenannte „lifespan machine“ (eine automatisierte Plattform zum Screening der Lebensspanne im Wurm) für diesen Zweck bei uns etabliert. Zusätzlich wurde im Mausmodell der Effekt von HP auf Cisplatin-Toxizität untersucht. Hierbei ließ sich ein ausgeprägter Schutz vor akuter Nierenschädigung erzielen. Durch Vergleich von Proteom- und Transkriptomdaten aus Nieren nach HP sowie Kalorienrestriktion als zweiter Präkonditionierungsstrategie konnten neue „danger-associated molecular patterns“ identifiziert werden. Des Weiteren zeigte sich in der N-Degradomics Analyse eine aktivierte Arginin-spezifische proteolytische Prozessierung, welche u.a. zu einem Cisplatin-spezifischen Muster der Komplement-Aktivierung führte. Diese konnte durch HP verhindert werden. Interessant war darüber hinaus eine mit dem Ausmaß der Schädigung korrelierende Dissoziation von Proteom und Transkriptom. Parallel wurde zur weiteren Charakterisierung der molekularen Mechanismen hinter HP das globale Proteom RNA-bindender Proteine in kultivierten Nierenepithelzellen analysiert. Hierbei zeigten sich durch Hypoxie modulierte RNA-Protein Interaktionen, die nun hinsichtlich ihrer funktionellen Bedeutung bei HP untersucht werden. In der Zusammenschau konnte eine ausgeprägte protektive Wirkung einer Aktivierung der VHL/HIF Achse in Maus und Fadenwurm gezeigt werden. Durch mehrschichtige Omics-Analysen nach HP in beiden Modellen wurden Hinweise auf die hierbei entscheidenden Proteine generiert. Die molekularbiologischen Daten aus kultivierten Nierenepithelzellen in Zusammenschau mit den neu etablierten Modellen zur Untersuchung von (remote) HP im Wurm sind nun Grundlage zur detaillierten Entschlüsselung der beteiligten molekularen Mechanismen.
Publications
- Loss of Dgcr8-mediated microRNA expression in the kidney results in hydronephrosis and renal malformation, BMC Nephrol. 16 (2015) 55
M.P. Bartram, C. Dafinger, S. Habbig, T. Benzing, B. Schermer and R.-U. Müller
(See online at https://doi.org/10.1186/s12882-015-0053-1) - Characterization of a splice-site mutation in the tumor suppressor gene FLCN associated with renal cancer, BMC Med. Genet. 18 (2017) 53
M.P. Bartram, T. Mishra, N. Reintjes, F. Fabretti, H. Gharbi, A.C. Adam, H. Göbel, M. Franke, B. Schermer, S. Haneder, T. Benzing, B.B. Beck and R.-U. Müller
(See online at https://doi.org/10.1186/s12881-017-0416-5) - A Single-Cell Transcriptome Atlas of the Mouse Glomerulus. J. Am. Soc. Nephrol. (2018)
Karaiskos, N., Rahmatollahi, M., Boltengagen, A., Liu, H., Hoehne, M., Rinschen, M., Schermer, B., Benzing, T., Rajewsky, N., Kocks, C., Kann, M. and Müller, R.-U.
(See online at https://doi.org/10.1681/ASN.2018030238) - 2019. The proteome microenvironment determines the protective effect of preconditioning in cisplatin-induced acute kidney injury. Kidney International (2018) 95, 333–349
Späth, M.R., Bartram, M.P., Palacio-Escat, N., Hoyer, K.J.R., Debes, C., Demir, F., Schroeter, C.B., Mandel, A.M., Grundmann, F., Ciarimboli, G., Beyer, A., Kizhakkedathu, J.N., Brodesser, S., Göbel, H., Becker, J.U., Benzing, T., Schermer, B., Höhne, M., Burst, V., Saez-Rodriguez, J., Huesgen, P.F., Müller, R.-U., Rinschen, M.M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.kint.2018.08.037) - A knowledge-guided kidney cell census— reconciling bulk omics with cellular heterogeneity? Kidney International 95 (2019), 733–735
Rinschen, M.M. and Müller, R.-U.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.kint.2018.12.016) - The RNA-Protein Interactome of Differentiated Kidney Tubular Epithelial Cells. JASN (2019)
Ignarski, M., Rill, C., Kaiser, R.W.J., Kaldirim, M., Neuhaus, R., Esmaillie, R., Li, X., Klein, C., Bohl, K., Petersen, M., Frese, C.K., Höhne, M., Atanassov, I., Rinschen, M.M., Höpker, K., Schermer, B., Benzing, T., Dieterich, C., Fabretti, F., Müller, R.-U.
(See online at https://doi.org/10.1681/ASN.2018090914)
