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Role of the Transient Receptor Potential Canonical 6 ion channel in genetic and acquired forms of proteinuric kidney disease

Möller, Clemens Claudius

German Title: Rolle des Ionenkanals TRPC6 in hereditären und erworbenen Formen proteinurischer Nierenerkrankungen

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Abstract

Podocyte foot processes and the interposed glomerular slit diaphragm are critical components of the permeability barrier in the kidney. Mutations in several podocyte genes have been identified as the cause for progressive kidney failure and focal segmental glomerulosclerosis (FSGS). Podocyte injury is a hallmark of glomerular disease and usually involves the rearrangement of the podocyte actin cytoskeleton. Cell-specific therapies targeting podocyte injury are currently not available. In 2004, a mutation in the TRPC6 ion channel was found to cosegregate with hereditary FSGS. Based on this finding it was hypothesized that TRPC6 is expressed in podocytes, and that TRPC6-mediated Ca2+ signaling contributes to the regulation of the podocyte actin cytoskeleton. According to this model, dysfunction of TRPC6 leads to a disruption of normal cytoskeletal organization, podocyte injury, and proteinuric disease. To test this hypothesis, four specific aims were outlined. First, to explore TRPC6 mutations in genetic FSGS. Second, to investigate its association with the glomerular filtration barrier. Third, to study TRPC6 expression in acquired forms of proteinuric kidney disease. Fourth, to investigate the molecular basis of TRPC6 contribution to the pathophysiology of proteinuric kidney disease In genetic forms of FSGS, additional TRPC6 mutations were identified in five families with a history of FSGS. TRPC6-related FSGS presented as a late-onset disorder in individuals aged 17-57, and was not restricted to certain ethnic groups. All mutations occured in evolutionary conserved sites, and encoded amino acid substitutions at the amino- and carboxy-terminal ends of TRPC6. Two mutants, R895C and E897K, displayed increased current amplitudes, suggesting a pathogenic role of increased channel activity in TRPC6-related FSGS. In an effort to understand the molecular basis for TRPC6 in the kidney, the association of TRPC6 with the glomerular filter was studied. TRPC6 was found to be expressed in podocytes near the glomerular slit diaphragm. TRPC6 colocalized and associated with the slit diaphragm proteins nephrin and podocin. The presence of TRPC6 in podocyte foot processes and its association with slit diaphragm proteins supports a role of TRPC6 in the regulation of glomerular filtration. Since most proteinuric kidney diseases appear not as genetic but acquired disorders, TRPC6 was studied in humans with acquired glomerular diseases and in experimental models thereof. TRPC6 expression was induced in patients with minimal change disease and membranous glomerulopathy, as well as in passive Heymann nephritis (PHN) rats and puromycin aminonucleoside (PAN) rats. PAN-mediated podocyte injury correlated with increased receptor-operated calcium entry in vitro. TRPC6 gene delivery in mice was sufficient to induce proteinuria, and studies in cultured podocytes suggest that TRPC6 overexpression disrupts the actin cytoskeleton. The present data suggest that in both genetic and acquired forms of proteinuric kidney disease, misregulation of TRPC6 – either by presence of mutated hyperactive channels, or by precence of too many wildtype channels – plays a pathogenic role. Together, the results of this work may have broad implications for the pathophysiology of TRPC6-related human kidney diseases, and promote the development of anti-proteinuric drugs interfering with TRPC6 channel function.

Translation of abstract (German)

Podozyten stellen mit ihren Fußfortsätzen und der sich dazwischen befindenden Schlitzmembran wichtige Bestandteile der glomerulären Filtrationsbarriere in der Niere dar. Mutationen in mehreren Genen für wichtige Proteine in Podozyten führen zu proteinurischen Nierenerkrankungen und fokaler segmentaler Glomerulosklerose (FSGS). Die meisten Nierenerkrankungen gehen mit einer Schädigung von Podozyten einher. Letztere äußert sich vor allem in einer Reorganisation des Aktin- Zytoskeletts. Derzeit gibt es keine zellspezifische Therapie bei Podozytenschädigung. Im Jahr 2004 wurde über eine Mutation im Ionenkanal TRPC6 in Patienten mit hereditärer FSGS berichtet. Hieraus leitete sich die Hypothese dieser Arbeit ab: TRPC6 ist in Podozyten exprimiert und trägt in Podozyten zur Regulation des Aktin- Zytoskeletts bei. Dysregulation von TRPC6 führt demzufolge zu Störungen im Zytoskelett und Podozytenschädigung. Aus dieser Hypothese ergaben sich die Ziele dieser Arbeit: Untersuchung von TRPC6 (1) in hereditärer FSGS, (2) als Bestandteil des glomerulären Nierenfilters, (3) in erworbenen Formen proteinurischer Nierenerkrankungen sowie (4) Identifikation pathophysiologischer Mechanismen von TRPC6. Um die Rolle von TRPC6 in hereditärer FSGS näher zu beleuchten, wurden 71 FSGS-Familien auf Mutationen im TRPC6-Gen untersucht. Es konnten fünf neue Mutationen identifiziert werden, darunter vier Missense-Mutationen in evolutionär konservierten Basenpaaren. Zwei Mutanten wiesen erhöhte Stromstärke-Amplituden auf. Letzteres wäre eine mögliche Erklärung für die Pathologie dieser Mutanten. Um einen Zusammenhang zwischen TRPC6 und dem Nierenfilter zu prüfen, wurden Expressionsstudien durchgeführt. Es zeigte sich, dass TRPC6 in den Glomerula der Niere exprimiert ist; TRPC6 befindet sich u.a. in Podozytenfußfortsätzen nahe der Schlitzmembran. Ferner konnte nachgewiesen werden, dass TRPC6 mit den wichtigen Schlitzmembranproteinen Nephrin und Podocin kolokalisiert und mit diesen koimmunopräzipitiert. Dies deutet darauf hin, dass TRPC6 als Bestandteil der Schlitzmembran an der Regulation der glomerulären Filtration mitwirkt. Tatsächlich ist der Großteil proteinurischer Nierenerkrankungen nicht hereditär, sondern erworben. Um zu klären, ob TRPC6 möglicherweise auch bei diesen Erkrankungen eine Rolle spielt, wurde zunächst die Expression von TRPC6 bei entsprechenden Patienten untersucht. Es zeigte sich, dass die Expression von TRPC6 bei Patienten mit minimal change Glomerulonephritis und membranöser Glomerulonephritis erhöht war. Ähnlich verhielt es sich in Tiermodellen sowie einem Zellkulturmodell von glomerulärer Nierenschädigung. Ferner war die Kalziumaufnahme geschädigter Podozyten in vitro höher als jene von normalen Podozyten. Der Gentransfer von TRPC6 in Mäusen führte zu Proteinurie. Eine mögliche Ursache hierfür könnte die Schädigung des Aktin-Zytoskeletts von Podozyten sein, wie sie bei der Überexprimierung von TRPC6 in kultivierten Podozyten beobachtet wurde. Diese Arbeit impliziert eine Doppelrolle von TRPC6 in hereditären und erworbenen Formen glomerulärer, proteinurischer Nierenerkrankungen. Sowohl im Fall von TRPC6-Mutationen als auch für die erhöhte Expression des Wildtyp-Kanals legen die erhaltenen Daten nahe, dass eine erhöhte Kanalaktivität an der Schädigung von Podozyten beteiligt ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wink, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 17 October 2007
Date Deposited: 19 Oct 2007 13:35
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Ionenkanal, Nierenkrankheit, Glomerulus, Proteinurie
Uncontrolled Keywords: PodozytTRPC6
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