| License: Publishing license for publications excluding print on demand (5MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-289755
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.28975
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 3 November 2014 |
| Referee: | Prof. Dr. Richard Warth |
| Date of exam: | 24 October 2013 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Physiologie > Prof. Dr. Richard Warth |
| Keywords: | KCNJ16, EAST-Syndrom, Niere, KCNJ10, SeSAME-Syndrom |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 28975 |
Abstract (German)
Die Rückresorptionsprozesse in der Niere und ihre genaue Regulation sind essentiell für die Wasser- und Elektrolythomöostase sowie die Regulation des Blutdrucks. Auch wenn im distalen Konvolut (DCT) nur ein relativ kleiner Anteil an Elektrolyten rückresorbiert wird, führen Störungen in diesem Segment dennoch zu deutlichen Krankheitssymptomen, wie man an Gitelman-, Bartter Typ III- und ...
Abstract (German)
Die Rückresorptionsprozesse in der Niere und ihre genaue Regulation sind essentiell für die Wasser- und Elektrolythomöostase sowie die Regulation des Blutdrucks. Auch wenn im distalen Konvolut (DCT) nur ein relativ kleiner Anteil an Elektrolyten rückresorbiert wird, führen Störungen in diesem Segment dennoch zu deutlichen Krankheitssymptomen, wie man an Gitelman-, Bartter Typ III- und EAST-Patienten sehen kann. EAST-Patienten leiden zum Beispiel unter Hypomagnesiämie und einer hypokaliämischen metabolischen Alkalose. Das EAST-Syndrom ist durch Mutationen im KCNJ10-Gen bedingt, das für die Kaliumkanaluntereinheit KCNJ10 codiert. KCNJ10 ist in der Niere stark exprimiert und bildet dort heteromere Kaliumkanäle mit der Untereinheit KCNJ16. Die KCNJ10/KCNJ16-Heteromere sind für das K+-Recycling über die basolaterale Membran im distalen Nephron zuständig, so dass der Na+-K+-ATPase ständig ausreichend K+ für weitere Pumpzyklen zur Verfügung steht. Die durch eine Mutation von KCNJ10 verursachten Funktionsstörungen im KCNJ10/KCNJ16-Kanal führen bei EAST-Patienten zu einer Störung im K+-Recycling und damit zu renalen Elektrolytverlusten.
Lange Zeit war nicht viel über die genaue Bedeutung der KCNJ16-Untereinheit bekannt. Daher war es Ziel dieser Arbeit, anhand eines KCNJ16-/- Mausmodells die physiologische und pathophysiologische Bedeutung von KCNJ16 näher zu untersuchen. Dabei sollte vor allem die Auswirkung des Knockouts auf die Nierenfunktion untersucht werden. 2011 erschienen schließlich von den Arbeitsgruppen um Teulon und Tucker zwei Publikationen über eine KCNJ16-/- Maus, die sowohl einen respiratorischen als auch einen renalen Phänotyp aufwies. Der renale Phänotyp äußerte sich in einer Hypokaliämie und Verlusten von K+, Mg2+ und Ca2+ über den Urin. Zudem wurde bei den KCNJ16-/- Mäusen eine metabolische Azidose festgestellt. Da sich die in der vorliegenden Arbeit untersuchte Knockoutmaus in ihrem genetischen Hintergrund von der bereits publizierten KCNJ16-/- Maus unterschied und die beiden Publikationen zudem erst im Verlauf dieser Arbeit erschienen sind, wurde dennoch eine umfassende Phänotypisierung vorgenommen. Dazu wurde zunächst die Expression von KCNJ16 in Wildtypmäusen in verschiedenen Geweben mit Hilfe von Real-Time PCR und immunhistochemischen Färbungen näher untersucht. Dann wurde über die Analyse von Urin- und Plasmaproben die Auswirkung des Knockouts auf die Nierenfunktion untersucht. Es wurden auch Messungen des Blutdrucks, der GFR und der Blutgase durchgeführt.
Die Expressionsanalysen ergaben, dass KCNJ16 bei Wildtypmäusen besonders stark in der Niere exprimiert wird, doch auch in anderen Organen wie Schilddrüse, Magen und Gehirn war KCNJ16 mRNA nachweisbar. In der Niere beschränkte sich die Expression auf die basolaterale Membran von Zellen des distalen Tubulus und des frühen Sammelrohrs. Der Knockout von KCNJ16 wirkte sich besonders stark bei neugeborenen Mäusen aus, deren Nieren noch nicht voll ausgereift sind. Die wenige Tage alten KCNJ16-/- Mäuse zeigten ausgeprägte Störungen in der renalen Elektrolytausscheidung, die sich jedoch nach etwa einer Woche weitgehend normalisierten. In adulten KCNJ16-/- Mäusen war nur noch die PO43- Ausscheidung signifikant verringert. Adulte KCNJ16-/- Mäuse zeigten außerdem eine Hypokaliämie, Hypermagnesiämie und eine metabolische Azidose. Damit unterschied sich der renale Phänotyp dieser Mäuse in einigen wesentlichen Punkten von dem Phänotyp, der von Paulais et al. publiziert wurde.
Erst vor kurzem wurde bei einer Patientin mit EAST-ähnlichen Symptomen zum ersten Mal eine Mutation im KCNJ16 Gen entdeckt (R137C). Auch diese Patientin leidet ähnlich wie EAST-Patienten an renalen Salzverlusten und einer Störung des Säure-Basen-Haushaltes. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher die Auswirkung der Mutation auf das KCNJ10/KCNJ16-Kanalheteromer mit Hilfe der Patch-Clamp Technik an transfizierten Zellen untersucht. Dabei zeigte sich, dass das Membranpotential und der Stromfluss der KCNJ10/R137C-Heteromere gegenüber KCNJ10/KCNJ16 Wildtyp-Heteromeren signifikant verringert waren. Möglicherweise stammten der Reststrom und das Restpotential bei Zellen, die mit KCNJ10/R137C transfiziert waren, von KCNJ10-Homomeren. Es ist auch nicht auszuschließen, dass die mutierte KCNJ16-Untereinheit einen dominant-negativen Effekt ausübt.
Auch wenn sich die Phänotypen der KCNJ16-/- Mausmodelle untereinander und vom humanem Phänotyp unterscheiden, zeigen die erhobenen Daten eindeutig, dass die KCNJ16-Untereinheit für die Regulation der Rückresorptionsprozesse im DCT von Bedeutung ist. Der genetische Hintergrund spielt vermutlich eine große Rolle bei der genauen Ausprägung des Phänotyps. Für die exakte Aufklärung der Bedeutung von KCNJ16 sind jedoch noch weitere Experimente notwendig.
Translation of the abstract (English)
Reabsorption processes of the kidney and their exact regulation are essential for water and electrolyte homeostasis as well as for blood pressure regulation. Although in distal convoluted tubule (DCT) only a small amount of electrolytes is reabsorbed, dysfunctions in this segment lead to clear symptoms like those of Gitelman, Bartter Type III or EAST patients. EAST patients for example suffer ...
Translation of the abstract (English)
Reabsorption processes of the kidney and their exact regulation are essential for water and electrolyte homeostasis as well as for blood pressure regulation. Although in distal convoluted tubule (DCT) only a small amount of electrolytes is reabsorbed, dysfunctions in this segment lead to clear symptoms like those of Gitelman, Bartter Type III or EAST patients. EAST patients for example suffer from hypomagnesemia and a hypokalemic metabolic alkalosis. The EAST syndrome is caused by mutations of the KCNJ10 gene, which encodes for the potassium channel subunit KCNJ10. KCNJ10 is highly expressed in the kidney where it forms heteromeric potassium channels with the subunit KCNJ16. KCNJ10/KCNJ16 heteromers are important for K+-recycling across the basolateral membrane in distal nephron segments and provide K+ to the Na+-K+-ATPase. Mutations of KCNJ10 lead to disturbed K+-recycling and cause renal loss of electrolytes in EAST patients.
For a long time little was known about the impact of the KCNJ16 subunit. Therefore we wanted to analyze the physiological and pathophysiological role of KCNJ16 (especially for kidney function) with the help of a KCNJ16-/- mouse model. In 2011, Teulon and Tucker published two papers about a KCNJ16-/- mouse, which showed a renal phenotype as well as a respiratory phenotype. The renal phenotype included hypokalemia and renal loss of K+, Mg2+ and Ca2+. Additionally, the KCNJ16-/- mice showed a metabolic acidosis. Because our KCNJ16 mouse model had a different genetic background than the KCNJ16-/- mouse model of Tucker and Teulon, we anyhow analyzed the phenotype of our KCNJ16 -/- mouse in detail. First, expression of KCNJ16 in different tissues of KCNJ16 wildtype mice was examined on the basis of real-time PCR and immunohistochemical stainings. Next step was to analyze the effect of KCNJ16 knockout on kidney function via analyses of urine and plasma samples and via measurements of blood pressure, GFR, and blood gases.
The expression analyses showed that KCNJ16 is mainly expressed in kidneys of wildtype mice, but also in other organs like thyroid, stomach, and brain. In kidneys, the expression is restricted to the basolateral membrane of DCT cells and CCD cells. The knockout of KCNJ16 had a strong effect on the function of immature kidneys of newborn mice. At the age of a few days KCNJ16-/- mice showed distinct disturbances of renal electrolyte excretion which was normalized about one week later. Adult KCNJ16-/- mice only showed a decreased renal excretion of PO43-. Furthermore adult KCNJ16-/- mice suffered from hypokalemia, hypermagnesemia, and metabolic acidosis. Therefore the renal phenotype of our KCNJ16-/- mouse differs from the phenotype which was published by Paulais et al.
Recently a mutation of the KCNJ16 gene (R137C) was identified in a patient who suffered from symptoms similar to those of EAST patients. Therefore we examined the impact of this mutation on the function of KCNJ10/KCNJ16 heteromers via patch-clamp experiments. It turned out that membrane potential and current of KCNJ10/R137C heteromers was diminished compared to KCNJ10/KCNJ16 heteromers. It might be that the residual membrane potential and the residual current of cells transfected witch KCNJ10/R137C were due to KCNJ10 homomers. Possibly the mutated KCNJ16 subunit has a dominant-negative effect as well.
Although the phenotypes of the two KCNJ16-/- mouse models differ from the human phenotype, the data show clearly that the KCNJ16 subunit is essential for regulation of reabsorption processes in DCT. Probably the genetic background has a big influence on the phenotype. Further experiments are needed to understand the role of KCNJ16 in more detail.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:42
Owner only: item control page
Download Statistics