| License: Publishing license for publications excluding print on demand (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-299360
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.29936
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 21 May 2014 |
| Referee: | Prof. Dr. Richard Warth |
| Date of exam: | 8 May 2014 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Physiologie > Prof. Dr. Richard Warth |
| Keywords: | Aldosteron, Primärer Hyperaldosteronismus, Task3, KCNJ5, adrenales Renin-Angiotensin-System, NCX-Transporter, Aldosteron-produzierendes Adenom |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine 600 Technology > 615 Pharmacy |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 29936 |
Abstract (German)
In 10 % aller Bluthochdruckpatienten wird ein primärer Hyperaldosteronismus (PA), eine unkontrollierte Überproduktion des Mineralokortikoids Aldosteron, als Krankheitsursache diagnostiziert. Aldosteron wird in den Zellen der Zona glomerulosa der Nebenniere produziert und aktiviert die Na+-Rückresorption und K+-Sekretion in der Niere. Bei der Stimulation der Aldosteronsynthese durch das ...
Abstract (German)
In 10 % aller Bluthochdruckpatienten wird ein primärer Hyperaldosteronismus (PA), eine unkontrollierte Überproduktion des Mineralokortikoids Aldosteron, als Krankheitsursache diagnostiziert. Aldosteron wird in den Zellen der Zona glomerulosa der Nebenniere produziert und aktiviert die Na+-Rückresorption und K+-Sekretion in der Niere. Bei der Stimulation der Aldosteronsynthese durch das Renin-Angiotensin-System und durch Hyperkaliämie kommt es zu einer Depolarisation der Zellen der Zona glomerulosa, einem Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration durch die Öffnung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle und letztendlich zur Ca2+-induzierten Transkription der Aldosteronsynthase CYP11B2. Somit ist das Membranpotential der Glomerulosazellen von entscheidender Bedeutung für die Regulation der Aldosteronsekretion. Hauptverantwortlich zur Aufrechterhaltung des hyperpolarisierten Ruhemembranpotentials sind dabei die Kaliumkanäle der TASK-Familie. Task1-/- sowie Task3-/- Mäuse wiesen einen primären Hyperaldosteronismus auf, wobei dieser im Falle von Task3 in neugeborenen Tieren deutlich ausgeprägter war als in adulten Tieren. Auch beim Menschen ist die Kontrolle des Membranpotentials der Glomerulosazellen von großer Bedeutung. So führen somatische Mutationen des Kaliumkanals KCNJ5 in der Nebenniere zur Entstehung von Aldosteron-produzierenden Adenomen (APA).
Ein Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der zellulären Mechanismen, die der Pathogenese von primärem Hyperaldosteronismus in neugeborenen Task3-/- Mäusen zugrunde liegen. Des Weiteren war die Untersuchung der zellulären Auswirkungen von KCNJ5-Mutationen Gegenstand dieser Arbeit. Dabei wurden insbesondere die funktionellen Defekte, die Störung der Ca2+-Homöostase in mutierten Zellen und die pharmakologischen Eigenschaften des mutierten Kanals erforscht.
Die Deletion von Task3 führte in Mäusen zu einem altersabhängigen Hyperaldosteronismus, der sich innerhalb der ersten beiden Wochen normalisierte. Die Plasmakonzentrationen von Corticosteron und Progesteron (Vorstufen von Aldosteron) zeigten eine ähnliche altersabhängige Erhöhung, was auf eine weitreichende Fehlfunktion der Nebennierenrinde hinwies. Um zu überprüfen, welche transkriptionellen Veränderungen mit dem Phänotyp der neonatalen Task3-Maus einhergehen, wurde eine Analyse des adrenalen Expressionsprofils (Genechip) durchgeführt. Diese lieferte mehrere interessante Kandidaten, die zur erhöhten Steroidhormonproduktion in neugeborenen Task3-/- Mäusen beitragen, aber auch Kandidaten, die vermutlich bei der Kompensation des Phänotyps in adulten Tieren beteiligt sind. Am überraschendsten war dabei der Nachweis einer extrarenalen Renin-Expression in den Nebennieren neonataler Task3-/- Mäuse. Offensichtlich trägt in neugeborenen Task3-/- Mäusen nicht alleine der Verlust der Kaliumleitfähigkeit, sondern auch die parakrine Wirkung eines lokalen, adrenalen Renin-Angiotensin-Systems zur Altersabhängigkeit des Hyperaldosteronismus in Task3-/- Mäusen bei.
Beim Menschen sind hingegen nach neuesten Befunden Mutationen des Kaliumkanals KCNJ5 an der Entstehung von primärem Hyperaldosteronismus beteiligt. Die in Aldosteron-produzierenden Adenomen gefundenen KCNJ5-Mutationen führen zu einem pathologischen Verlust der Ionenselektivität des Kanals. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals die Na+-Durchlässigkeit und depolarisierende Wirkung der G151E-Mutation beschrieben. Der für die Aldosteronproduktion essentielle Anstieg der intrazelluläre Ca2+-Konzentration wurde zudem in einem Adenom-ähnlichen Zellmodell für die drei häufigsten APA-assoziierten KCNJ5-Mutationen nachgewiesen. Dabei wurde neben der klassischen Aktivierung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle ein für Nebennieren-Zellen noch unbeschriebener Ca2+-Import-Weg über den Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) beobachtet. Die pharmakologische Charakterisierung der KCNJ5 L168R-Mutation lieferte überraschende Befunde, wie die Inhibierung des mutierten Kanals durch Blocker des Na+- und Ca2+-Transports. Der Nachweis der inhibitorischen Wirkung von Verapamil ist dabei von besonderer klinischer Relevanz, da Verapamil bereist als Blutdruck-senkendes Medikament in Patienten mit primärem Hyperaldosteronismus eingesetzt wird. Die in dieser Arbeit erhobenen pharmakologischen Befunde bieten eine vielversprechende Basis zur Verbesserung der therapeutischen Behandlungsmethoden von Patienten mit Aldosteron-produzierendem Adenom.
Zusammenfassend verdeutlichen die Daten dieser Arbeit die Wichtigkeit von Kaliumkanälen zur Regulation der Aldosteronsynthese und wie Funktionsverluste dieser Kanäle auf unterschiedliche Weise zur Entstehung von primärem Hyperaldosteronismus beitragen können.
Translation of the abstract (English)
Primary hyperaldosteronism (PA), an uncontrolled overproduction of the mineralocorticoid aldosterone, is causative for elevated blood pressure in 10 % of all hypertensive patients. Aldosterone is produced in the zona glomerulosa of the adrenal gland and controls renal Na+ reabsorption and K+ secretion. Depolarization of zona glomerulosa cells, either by stimulation of the renin-angiotensin-system ...
Translation of the abstract (English)
Primary hyperaldosteronism (PA), an uncontrolled overproduction of the mineralocorticoid aldosterone, is causative for elevated blood pressure in 10 % of all hypertensive patients. Aldosterone is produced in the zona glomerulosa of the adrenal gland and controls renal Na+ reabsorption and K+ secretion. Depolarization of zona glomerulosa cells, either by stimulation of the renin-angiotensin-system or hyperkalemia, leads to opening of voltage-gated Ca2+ channels and Ca2+ activated transcription of the aldosterone synthase CYP11B2. Therefore, controlling the plasma membrane potential of adrenal zona glomerulosa cells is a pivotal event for the secretion of aldosterone and is mainly carried out by potassium channels of the TASK family. Task1-/- and Task3-/- mice suffer from primary hyperaldosteronism which was most pronounced in newborn Task3-/- animals. In humans the potassium channel KCNJ5 seems to be involved in the pathogenesis of primary hyperaldosteronism indicated by its high mutation rate in aldosterone-producing adenomas (APA) of the adrenal gland.
The aim of this study was to identify the cellular mechanisms underlying the adrenal phenotype of newborn Task3-/- mice. Furthermore, effects of an APA-associated KCNJ5 mutation on an adrenal cell system were investigated focusing on functional and pharmacological properties of the mutated channel, as well as the Ca2+ signaling of KCNJ5 mutated cells.
The deletion of Task3 in mice resulted in a severe age-dependent hyperaldosteronism. Neonatal Task3-/- mice showed higher plasma aldosterone levels compared to wildtype animals. These high aldosterone levels decreased within the first two weeks of life. Plasma concentrations of progesterone and corticosterone (precursors of aldosterone) showed the same age-dependent dysregulation pointing to a broader adrenal dysfunction in newborn Task3-/- mice. An analysis of the adrenal mRNA profile (genechip) was performed to determine possible transcriptional changes contributing to the phenotype of the neonatal Task3-/- mouse. This chip-based analysis revealed candidates explaining the high steroid levels in newborn Task3-/- animals, as well as candidates possibly compensating the phenotype in adult animals. Interestingly, an extrarenal renin expression was detected in the adrenal glands of newborn Task3-/- mice. These data suggest that in addition to the loss of potassium conductance a transient activation of the local adrenal renin-angiotensin-system contributes to the age-dependence of hyperaldosteronism in Task3-/- mice.
Mutations of the KCNJ5 potassium channel have recently been identified in aldosterone-producing adenomas causing primary hyperaldosteronism in humans. Characteristic for APA-associated KCNJ5 mutations is the pathological loss of ion selectivity of the channel. This study described for the first time the Na+ permeability and depolarizing effect of the KCNJ5 G151E mutation. In addition, the aldosterone-promoting increase of intracellular Ca2+ was shown for the three most common APA-associated KCNJ5 mutations in an adenoma-like cell system. Besides the classical activation of voltage-gated Ca2+ channels a new Ca2+ import mechanism via the Na+/Ca2+ exchanger NCX was observed. The mutated KCNJ5 channel showed a pharmacological profile that is completely different from the one of the wildtype channel. Interestingly, inhibitors for Na+ or Ca2+ transport turned out to be potent blockers for mutated KCNJ5 currents. The inhibitory potential of Verapamil should be highlighted in particular because of its clinical use as an antihypertensive drug in patients with primary hyperaldosteronism. Altered pharmacology of mutated KCNJ5 may provide new therapeutic strategies for the treatment of patients suffering from aldosterone-producing adenomas.
Taken together this study illustrates the importance of potassium channels for the regulation of aldosterone synthesis and how functional defects of these channels can cause primary hyperaldosteronism via different mechanisms.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:09
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