| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (64MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-439907
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.43990
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 27 Oktober 2020 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Karl Kunzelmann und Prof. Dr. Christian Wetzel und Prof. Dr. Frank Schweda |
| Tag der Prüfung: | 22 Oktober 2020 |
| Institutionen: | Nicht ausgewählt |
| Stichwörter / Keywords: | TMEM16A, TMEM16F, TMEM16K, Anoctamin 1, Anoctamin 6, Anoctamin 10, ion channels, Ca2+ signaling, apoptosis, Cystic Fibrosis, asthma, COPD, ADPKD, renal cysts, Niclosamide, Benzbromarone |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 43990 |
Zusammenfassung (Englisch)
Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is characterized by the development of bilateral renal cysts that continuously expand, leading to impaired renal function. ADPKD is originates when mutations occur in the PKD1 or PKD2 genes, whose protein products are collectively called polycystins. Polycystin-1 (encoded by PKD1) is a membrane protein with large extracellular domains, probably ...
Zusammenfassung (Englisch)
Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is characterized by the development of bilateral renal cysts that continuously expand, leading to impaired renal function. ADPKD is originates when mutations occur in the PKD1 or PKD2 genes, whose protein products are collectively called polycystins. Polycystin-1 (encoded by PKD1) is a membrane protein with large extracellular domains, probably working as a receptor for an unidentified ligand. Polycystin-2 (encoded by PKD2) is also a membrane-associated protein that works as a non-selective ion channel with high permeability for calcium ions (Ca2+). Together, these proteins are thought to form a functional complex, which can regulate intracellular Ca2+ signaling. One of the hallmarks of ADPKD is the transepithelial Cl- secretion towards the cyst lumen. This secretion is thought to occur mainly through the cAMP- activated Cl- channel Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR). CFTR is expressed in the apical membrane of epithelial cells of several organs, such as airways and kidney. Its function is proposed to be upregulated in cystic epithelial cells. However, heterogeneity in CFTR expression suggests that this channel may not be the only Cl- channel responsible for transepithelial chloride (Cl-) secretion in ADPKD. In fact, Ca2+- activated Cl- channels (CaCCs) activated through purinergic receptors seem to play a fundamental role in this process. TMEM16A, TMEM16F and TMEM16K represent members of a family of CaCCs and phospholipid scramblases, which are also expressed in airways and renal epithelial cells. Together with CFTR, they could participate in Cl- secretion and may therefore contribute to cyst development. Also, aberrant Ca2+ signaling in ADPKD may further enhance Ca2+-activated Cl- secretion and cell proliferation.
In the present thesis I demonstrate that TMEM16 paralogs facilitate compartmentalized Ca2+ signaling in various tissues. TMEM16A and TMEM16K are shown to enhance Ca2+- dependent intestinal ion secretion. Apart from supporting ion secretion, basic cellular functions such as volume regulation and apoptosis are supported by TMEM16K. Mutations in TMEM16K cause cellular defects and genetic disorders through dysfunctional local Ca2+ signaling. It is concluded that intracellular Ca2+ signals augmented by TMEM16A and TMEM16F support ATP-dependent constitutive mucus secretion in airways and intestine. By knockdown of PKD1 or PKD2 in the mouse collecting duct cell line M1, a cystic phenotype could be induced in an organoid model in vitro. Kidneys of mice with a renal tubular knockdown of Pkd1 or Pkd2 developed a cystic phenotype similar to ADPKD. Cells lacking expression of PKD1 or PKD2 present increased constitutive and ATP-stimulated Cl- secretion, mainly through upregulation of TMEM16A. These cells also show an increase in proliferative activity. It is shown that the increase in TMEM16A-activity enhances endoplasmic reticulum Ca2+ store content and intracellular Ca2+ signaling.
In additional studies it is demonstrated that inhibition of TMEM16A by the FDA-approved drugs niclosamide or benzbromarone, reduces airway inflammation, attenuates mucus secretion, and promotes bronchorelaxation. The same inhibitors are shown to potently suppress cyst formation in a mouse model for ADPKD, essentially by inhibiting increased intracellular Ca2+ signals, Cl- secretion and cell proliferation. Thus, therapeutic inhibition of TMEM16 paralogs lays the groundwork for a novel treatment of both inflammatory airway disease and polycystic kidney disease. The results presented here may also establish a novel therapeutic concept for several additional diseases in which TMEM16A and other TMEM16 paralogs play a central role.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD) ist durch die Entwicklung bilateraler Nierenzysten gekennzeichnet, die sich kontinuierlich ausdehnen und zu einer Beeinträchtigung der Nierenfunktion führen. ADPKD entsteht durch Mutationen in den Genen PKD1 oder PKD2, deren Proteine kollektiv als Polyzystine bezeichnet werden. Polyzystin-1 (kodiert durch PKD1) ist ein Membranprotein ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD) ist durch die Entwicklung bilateraler Nierenzysten gekennzeichnet, die sich kontinuierlich ausdehnen und zu einer Beeinträchtigung der Nierenfunktion führen. ADPKD entsteht durch Mutationen in den Genen PKD1 oder PKD2, deren Proteine kollektiv als Polyzystine bezeichnet werden. Polyzystin-1 (kodiert durch PKD1) ist ein Membranprotein mit großer extrazellulärer Domäne, das vermutlich als Rezeptor für einen bislang nicht identifizierten Liganden dient. Polycystin-2 (kodiert durch PKD2) ist ebenfalls ein membranassoziiertes Protein, das als nicht-selektiver Ionenkanal mit hoher Permeabilität für Kalzium- (Ca2+) Ionen operiert. Man nimmt an, dass beide Proteine zusammen einen funktionellen Komplex bilden, der intrazelluläre Ca2+ -Signale reguliert. Eines der Kennzeichen der ADPKD ist die transepitheliale Chloridionensekretion in Richtung des Zystenlumens. Bisherige Untersuchungen ließen vermuten, dass die Sekretion hauptsächlich durch den cAMP- aktivierten Cl--Ionenkanal CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) erfolgt. CFTR ist in der apikalen Membran von Epithelzellen verschiedener Organe wie z.B. solchen in Luftwegen und der Niere exprimiert. Die Funktion von CFTR scheint in Epithelzellen, die das Zystenlumen auskleiden, hochreguliert zu sein. Heterogenitäten der CFTR-Expression legen jedoch nahe, dass dieser Kanal möglicherweise nicht alleinig für die transepitheliale Chloridsekretion bei ADPKD verantwortlich ist. Tatsächlich dient eine weitere Klasse von Chloridionenkanälen der Chloridsekretion, die sog. Ca2+ aktivierten Cl- Kanäle (CaCCs). Diese werden beispielsweise über purinerge Rezeptoren aktiviert. TMEM16A, TMEM16F und TMEM16K gehören zu einer Familie von Proteinen, die CaCCs und Phospholipid-Scramblasen bilden. Diese sind ebenfalls in Epithelzellen der Luftwege und in Nierentubuli exprimiert. Wahrscheinlich nehmen diese TMEM16-Paraloge zusammen mit CFTR an der Cl- Sekretion teil und tragen so zur Zystenentwicklung bei. Die aberranten Ca2+-Signale bei ADPKD könnten die Ca2+-aktivierte Cl- Sekretion sowie die Zellproliferation weiter verstärken.
In der vorliegenden Arbeit zeige ich, dass TMEM16-Paraloge intrazelluläre submembranär lokalisierte Ca2+ -Signale in verschiedenen Geweben verstärken. Neben TMEM16A erhöht auch TMEM16K die Ca2+-abhängige intestinale Ionensekretion. Abgesehen von der Unterstützung der Anionensekretion werden auch grundlegende zelluläre Funktionen wie die Volumenregulation und die Apoptose durch TMEM16K unterstützt. Mutationen in TMEM16K verursachten zelluläre Defekte und genetische Störungen durch dysfunktionale lokale Ca2+-Signale. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass intrazelluläre Ca2+-Signale, welche durch TMEM16A und TMEM16F verstärkt werden, die ATP-abhängige konstitutive Schleimsekretion in den Luftwegen und im Darm unterstützen. shRNA-Knockdown in derSammelrohr-Zelllinie M1, sowie Knockdown von Pkd1 oder Pkd2 in Tubuluszellen der Maus induzierten einen zystischen Phänotyp, ähnlich wie bei ADPKD. Zellen ohne Pkd1 oder Pkd2 weisen eine erhöhte konstitutive und ATP-stimulierte Cl- Sekretion auf, die wesentlich durch die Hochregulierung von CFTR und TMEM16A bedingt ist. Die betroffenen Zellen zeigen eine Zunahme der Proliferation. Wir konnten nachweisen, dass die Zunahme der TMEM16A-Aktivität die Ca2+ Füllung des endoplasmatischen Retikulums und die Rezeptor- vermittelte Ca2+-Freisetzung erhöht.
Die hier vorgestellten Ergebnisse könnten ein neuartiges therapeutisches Konzept darstellen, einerseits für die Behandlung von Luftwegserkrankungen wie auch zur Unterdrückung der Zystenbildung bei polyzystischer Nierendysplasie. Die Untersuchungen konnten zeigen, dass die Hemmung von TMEM16A durch die zugelassenen Medikamente Niklosamid und Benzbromaron, die Entzündung der Atemwege reduziert, die Schleimsekretion dämpft und die Weitstellung der Bronchien fördert. Die gleichen Inhibitoren unterdrücken ebenfalls die Zystenbildung in einem Mausmodell für ADPKD, indem sie pathologisch verstärkte Ca2+-Signale normalisierten und die Cl-Sekretion sowie die
Zellproliferation hemmten. Die therapeutische Hemmung der TMEM16-Paraloge legt somit den Grundstein für eine neuartige Behandlung von entzündlichen Atemwegserkrankung und der polyzystischen Nierendysplasie.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 15:52
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