Modulation of TMEM16 proteins: a novel therapeutic approach to Cystic Fibrosis therapy

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-404123
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.40412

Benedetto, Roberta

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Date of publication of this fulltext: 25 Jun 2019 08:13

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	25 June 2019
Referee:	Prof. Dr. Karl Kunzelmann
Date of exam:	18 June 2019
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Physiologie > Prof. Dr. Karl Kunzelmann
Keywords:	TMEM16A, CFTR, Cystic Fibrosis, Calcium, Mucus
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	40412

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Abstract (English)

Abstract (English)

Cystic Fibrosis (CF) is caused by mutations in the gene encoding the CF transmembrane conductance regulator (CFTR) protein. CFTR is the apical cAMP activated Cl- channel of epithelial cells. Mutations of this protein cause disruption of the electrolyte balance, leading to the formation of thick and sticky mucus in the lungs, and a variety of other problems. Cystic Fibrosis is a multifaceted disease and, despite being monogenic, its treatment is very challenging. Current therapies aim to modulate defective CFTR but are beneficial only to patients harboring a restricted number of mutations including F508del and G551D, thus excluding about 15% of the patients carrying so-called “unrescuable” mutations. Therefore, bypass therapies are of great importance to many patients who could benefit from them regardless of their genotype. This implies that with the increase in the number of mutations that are sensitive to a given therapy, the costs would diminish and the accessibility to the treatment should increase accordingly.
TMEM16A (Anoctamin 1; ANO1) is the major contributor to Ca2+ activated Cl- secretion in the airways and is regarded as the ideal druggable channel to bypass defective CFTR dependent Cl- secretion. In the present work we demonstrate that TMEM16A facilitates compartmentalized Ca2+ store release in membrane microdomains. Modulation of intracellular Ca2+ by TMEM16A is necessary for proper function as well as membrane insertion of CFTR. We showed that cAMP-dependent and Ca2+ activated Cl- currents in airway epithelial cells strongly overlap due to crosstalk of intracellular signaling molecules. Intracellular Ca2+ rise mediated by TMEM16A triggers so-called Store Operated cAMP signaling (SOcAMPs) and activates Ca2+ regulated adenylyl cyclase 1 (ADCY1) and the exchange protein directly activated by cAMP (EPAC1). This crosstalk is compartmentalized and supports activation of both, TMEM16A and CFTR.
Our tissue specific knockout model for TMEM16A showed a peculiar phenotype due to intracellular mucus accumulation. We found that TMEM16A is essential for ATP-dependent constitutive exocytosis of mucus in airways and intestine. Moreover, we demonstrate that TMEM16A is upregulated in inflammatory airway disease. This upregulation occurs in epithelial cells as well as airway smooth muscle. We concluded that the effect of TMEM16A on intracellular Ca2+ signaling contributes to mucus hypersecretion and airways bronchoconstriction. As further shown, inhibition of TMEM16 proteins has beneficial effects in inflammatory airway disease by inhibiting mucus release and promoting bronchorelaxation and in addition, shows anti-inflammatory effects. TMEM16 inhibitors are therefore suggested as novel potential drugs for the treatment of CF lung disease and other inflammatory airway diseases.

Translation of the abstract (German)

Mukoviszidose (Zystische Fibrose, Cystic Fibrosis, CF) wird durch Mutationen im CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) Gen verursacht. CFTR ist der apikale cAMP-aktivierte Cl- Kanal in Epithelzellen. Mutationen im CFTR Protein führen zu einer Störung des Elektrolyttransports, was zur Bildung von hochviskösem und adhäsivem Schleim in Lunge und Darm sowie zu einer Vielzahl von Störungen in anderen Organen führt. Die Mukoviszidose ist eine vielschichtige Krankheit. Obwohl sie monogen vererbt wird, weist sie eine Vielzahl von zellulären Defekten und klinischen Symptomen auf. Die Behandlung der Erkrankung erweist sich als schwierig. Die derzeitigen Therapien zielen darauf ab, die Restfunktion des mutierten CFTRs zu aktivieren. Dies ist aber nur bei etwa 85 % der Patienten möglich. Etwa 15% der Patienten mit nicht korrigierbaren Mutationen sind von diesen Therapien ausgeschlossen. Daher sind neue therapeutische Ansätze erforderlich. Ein möglicher Ansatz besteht in der pharmakologischen Beeinflussung weiterer zellulärer Ionenkanäle, um den CFTR-Defekt zu kompensieren. Viele Patienten könnten von diesen sogenannten Bypass-Therapien unabhängig von ihrem Genotyp profitieren. Darüber hinaus könnte eine solche Behandlung für alle CF-Patienten zugänglich sein und die derzeit enormen Behandlungskosten senken.
TMEM16A (Anoctamin 1; ANO1) ist der Hauptfaktor für die Ca2+ aktivierte Cl- Sekretion in den Atemwegen und gilt als idealer pharmakologischer Angriffspunkt zur Umgehung defekter CFTR-abhängiger Cl- Sekretion. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass TMEM16A die Freisetzung von Ca2+ in Membran-Mikrodomänen erleichtert. Die Modulation von intrazellulärem Ca2+ durch TMEM16A ist für die korrekte Funktion sowie für die Membraninsertion von CFTR notwendig. Weiterhin wurde deutlich, dass sich die cAMP-abhängigen und Ca2+-aktivierten Cl- Ströme in Atemwegsepithelzellen aufgrund des Nebeneinanders von intrazellulären Signalmolekülen stark überlappen. Der intrazelluläre Ca2+-Anstieg, der durch TMEM16A vermittelt wird, löst das so genannte Store Operated cAMP-Signaling (SOcAMPs) aus und aktiviert die Ca2+ regulierte Adenylylcyclase 1 (ADCY1) und das Austauschprotein aktiviert durch cAMP (EPAC1). Diese kompartimentalisierten Wechselwirkungen von Signalmolekülen führen zusammen zur Aktivierung von TMEM16A und CFTR. Gewebespezifische Knockout-Modelle für TMEM16A zeigen in den Atemwegen und im Darm aufgrund der intrazellulären Akkumulation von Schleim einen auffälligen Phänotyp. TMEM16A ist für die ATP-abhängige konstitutive Exozytose von Schleim in Atemwegen und Darm unerlässlich. Darüber zeigt die Arbeit, dass TMEM16A bei entzündlichen Atemwegserkrankungen hochreguliert ist. Die erhöhte Expression von TMEM16A tritt sowohl in Epithelzellen als auch in der glatten Muskulatur der Atemwege auf. Die erhobenen Daten lassen darauf schließen, dass die Wirkung von TMEM16A auf die intrazellulären Ca2+-Signalwege zur Schleimhypersekretion und Atemwegsbronchokonstriktion beiträgt. Wie weiter gezeigt, hat die Hemmung der TMEM16-Proteine positive Auswirkungen auf die entzündliche Atemwegserkrankung durch Hemmung der Schleimfreisetzung und Bronchorelaxation. Darüber hinaus zeigt es entzündungshemmende Effekte. TMEM16-Hemmer werden daher als neuartige potenzielle Medikamente zur Behandlung von CF-Lungenerkrankungen und anderen entzündlichen Atemwegserkrankungen vorgeschlagen.

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