Analysis of different mutations in the transcription factor LMX1B leading to nail-patella syndrome

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-450392
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.45039

Lucke, Lisa

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Date of publication of this fulltext: 07 Jan 2022 07:39

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	7 January 2022
Referee:	Prof. Dr. Ralph Witzgall and Prof. Dr. Achim Göpferich and Prof. Dr. Eugen Kerkhoff
Date of exam:	12 February 2021
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Anatomie > Lehrstuhl für Molekulare und zelluläre Anatomie > Prof. Dr. Ralph Witzgall
Keywords:	LMX1B; nail-patella syndrome; H54L; C95F; proteasome; bortezomib; PS-341; podocyte; LIM domain; homeodomain; E18.5
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	45039

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Abstract (English)

Abstract (English)

Nail-patella syndrome (NPS) is an autosomal-dominant genetic disorder characterized by malformed fingernails and hypoplastic or completely absent kneecaps. In addition, ~40% of NPS patients develop a nephropathy caused by malfunctioning podocytes. Mutations in the gene LMX1B which encodes a transcription factor of the LIM-homeodomain family are known to be the cause of NPS. It is still not clear what pathogenic mechanism underlies NPS. Notably, only homozygous Lmx1b knock-out mice develop symptoms resembling those in human NPS patients. We therefore hypothesized that human patients suffer from missense mutations which confer either a loss-of-function or a dominant-negative effect. To identify possible molecular pathogenic mechanisms of NPS, Lmx1b knock-in mice were established with point mutations either in the first or the second LIM domain such as those described in patients. Heterozygous Lmx1b knock-in mice showed no NPS phenotype whereas homozygous Lmx1b knock-in mice displayed a reduced number of filtration slits per µm basement membrane and premature ossification of the skeleton, similar to that of the conventional Lmx1b knock-out animals. The presence of the mutated Lmx1b mRNA was confirmed but the protein was not detectable in podocytes. Detailed analyses of mutated LMX1B showed a reduced half-life of H54L and C95F LMX1B mutant proteins in comparison to wild-type LMX1B. Another mutant LMX1B protein with a mutation in the homeodomain, V242D, showed a prolonged half-life compared to the wild-type protein. In addition, the pathway of LMX1B protein degradation was initially demonstrated to be accomplished by the proteasome system. Finally, in preliminary experiments, the effect on proteinuria after application of the proteasomal inhibitor bortezomib, PS-341, was examined in compound heterozygous Lmx1b C95F/loxP. First results revealed a reduced proteinuria in compound heterozygous Lmx1b C95F/loxP after podocyte-specific Lmx1b knock-out. Due to protein instability, the knock-in mutations H54L and C95F lead to a loss of function in Lmx1b knock-in mice. As previously described by Cross et al. (2014), the mutation V242D within the homeodomain leads to a dominant-negative effect which can be explained by an increased stability of the mutant protein. This suggests that different NPS mutations can lead to different pathogenic mechanisms requiring distinct therapeutical approaches.

Translation of the abstract (German)

Nagel-Patella-Syndrom (NPS) ist eine autosomal dominant vererbbare Krankheit und wird durch fehlgeformte und hypoplastische oder vollständig fehlende Kniescheiben charakterisiert. Zusätzlich entwickeln ~40% der NPS Patienten eine Nephropathie, die durch Versagen der Podozytenstruktur verursacht wird. Mutationen im Gen LMX1B, welches für den Transkriptionsfaktor der LIM-Homöodomänen Familie codiert, verursachen NPS. Es ist bislang nicht geklärt, welcher Pathomechanismus NPS unterliegt. Bemerkenswerterweise entwickeln nur homozygote Lmx1b knock-out Mäuse einen Phänotyp, welcher der Symptomatik von NPS Patienten ähnelt. Daher stellt sich die Frage, ob die missense Mutationen entweder eine loss-of-function oder einen dominant-negativen Effekt hervorrufen. Diese Frage sollte mittels der Charakterisierung von Lmx1b knock-in Mauslinien, Lmx1b (H54L) und Lmx1b (C95F), welche Patienten basierte Mutationen aufweisen, beantwortet werden. Heterozygote Lmx1b knock-in Mäuse zeigten keinen NPS Phäntyp, während homozygote Lmx1b knock-in Mäuse eine reduzierte Anzahl an Filtrationsschlitzen pro µm glomerulärer Basalmembran aufzeigten und eine vorzeitige Ossifikation des Skeletts aufwiesen. Die mutierte Lmx1b mRNA wurde bestätigt, jedoch war das Lmx1b Protein in Podozyten nicht detektierbar. Detaillierte Analysen des mutierten Proteins zeigten eine verkürzte Halbwertszeit von H54L und C95F mutiertem LMX1B Protein im Vergleich zum Wild-typ Protein. Ein weiteres mutiertes LMX1B Protein mit einer Mutation in der Homöodomäne, V242D, zeigte eine verlängerte Halbwertszeit verglichen mit dem Wild-typ Protein. Zusätzlich wurde der Abbauweg von LMX1B über das Proteasom bestätigt. Zuletzt wurde in ersten Experimenten der Effekt auf die Proteinurie nach Verabreichung des Proteasominhibitors Bortezomib (PS-341) in gemischt heterozygoten Lmx1b C95F/loxP in vivo untersucht. Erste Daten der Lmx1b C95F/loxP Mäuse zeigten eine reduzierte Proteinurie nach induziertem podozyten-spezifischen Lmx1b knock-out. Aufgrund der Protein Instabilität, führen die Lmx1b knock-in Mutationen H54L und C95F zu einem Funktionsverlust von LMX1B. Es wurde bereits durch Cross et al. (2014) gezeigt, dass die Mutation V242D in der Homöodomäne zu einem dominant-negativen Effekt führt, was auch durch die erhöhte Stabilität des mutierten Proteins erklärt werden kann. Dies würde bedeuten, dass NPS Mutationen unterschiedliche Pathomechanismen hervorrufen, was wiederrum unterschiedliche Therapieverfahren erfordern würde.

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