Structural and functional analyses of polycystins

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-518196
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.51819

Brunner, Katrin

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Date of publication of this fulltext: 01 Mar 2022 07:46

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	1 March 2022
Referee:	Prof. Dr. Ralph Witzgall
Date of exam:	25 February 2022
Institutions:	UNSPECIFIED
Keywords:	ADPKD Polycystin-1 Polycystin-2 PKD1 PKD2
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 530 Physics 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	51819

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Abstract (English)

Abstract (English)

The autosomal-dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is the most common monogenic disorder with a prevalence of 1:400-1:1000. This inherited multisystem disease is characterized by renal and extrarenal fluid-filled cysts which are progressively growing during a patient’s course of disease. In approximately 70 % patients suffer from end-stage renal disease (ESRD) at a mean age of 58 years making it the fourth leading cause of ESRD globally. This disease can arise by mutations in the genes PKD1 (85 %) or PKD2 (15 %). Both genes encode for the proteins polycystin-1 and polycystin-2 respectively. The membrane protein polycystin-1 comprises a huge extracellular N-terminus with different repetitive motifs like the PKD
domains. Those domains are present in 16 copies but only little information about their functional relevance is known yet. Polycycystin-1 can interact by its C-terminal domain with the second relevant membrane protein polycystin-2 which was suggested to be a calcium conducting cation channel present in the endoplasmic reticulum and in the primary cilia.
In recent years, contradicting results were published about the calcium conduction so that this was questioned intensively. In this thesis, two subprojects were investigated in the context of ADPKD concerning 1) the function of the first PKD domain as arepresentative of the 16 domains in putative ligand-binding and 2) the conduction properties of polycystin-2
by comparing the wild-type protein with an established functional mutant protein with an exchanged pore region. Regarding the first aim, comparison of NMR spectra of expressed and purified 15N-labeled PKD1 PKD domain 1 that was measured before and after incubation with urine of an ADPKD patient or with urine of a control person did not show alterations in the detected peaks. This suggests that compounds of the urine does not bind to the PKD domain 1 implying that this domain is not involved in ligand binding. In terms of aim 2, in vitro and in vivo measurements revealed that the mutant protein polycystin-2poreL1 showed higher intracellular calcium levels compared to the wild-type protein after stimulation with vasopressin or ATP agreeing with the recent doubts of a calcium conductivity of polycystin-2 rather suggesting a passive role in calcium homeostasis. The presented data contribute to better understand the complex cellular processes proceeding in ADPKD to encourage research for making this disease more endurable for patients.

Translation of the abstract (German)

Die autosomal-dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD) ist die häufigste monogenetische Erkrankung mit einer Prävalenz von 1:400-1:1000. Diese vererbte Multisystemerkrankung ist gekennzeichnet durch renal- und extrarenal-gelegene, mit Flüssigkeit gefüllte Zysten, die im Verlauf der Erkrankung progressiv wachsen. Bei etwa 70 % der Patienten tritt eine Nierenerkrankung im Endstadium (ESRD) in einem Durchschnittsalter von 58 Jahren auf und ist damit weltweit die vierthäufigste Ursache für ESRD. Diese Krankheit kann durch Mutationen in den Genen PKD1 (85 %) oder PKD2 (15 %) entstehen. Beide Gene kodieren entsprechend für die Proteine Polycystin-1 bzw. Polycystin-2. Das Membranprotein Polycystin-1 besitzt einen großen extrazellulären N-Terminus mit verschiedenen repetitiven Motiven wie die PKD Domänen. Diese Domänen sind in 16 Kopien vorhanden, aber bisher sind nur wenige Informationen über ihre funktionelle bekannt. Polycycystin-1 kann über seine C-terminale Domäne mit dem zweiten relevanten Membranprotein Polycystin-2 interagieren, bei dem es sich um ein Kalzium leitenden Kationenkanal handelt, der im endoplasmatischen Retikulum und in den primären Zilien vorkommt.
In den letzten Jahren wurden widersprüchliche Ergebnisse über die Kalziumleitung veröffentlicht, so dass diese intensiv hinterfragt wurde.
In dieser Arbeit wurden zwei Teilprojekte über 1) die Funktion der ersten PKD-Domäne als Vertreter der 16 Domänen in einer vermuteten Ligandenbindung und 2) die Kanaleigenschaften von Polycystin-2 durch Vergleich des Wildtyp-Proteins mit einem etablierten funktionellen Mutantenprotein mit ausgetauschter Porenregion untersucht. Im Hinblick auf das erste Ziel wurde ein Vergleich der NMR-Spektren von exprimierter, auf gereinigter 15N-markierter PKD1 PKD-Domäne 1 gemacht, die vor und nach Inkubation mit Urin eines ADPKD-Patienten oder mit Urin einer Kontrollperson gemessen wurden. Diese zeigten dabei keine Veränderungen in den detektierten Peaks. Dies deutet darauf hin, dass die Verbindungen im Urin nicht an die PKD Domäne 1 binden, was bedeutet, dass diese Domäne nicht an der Ligandenbindung beteiligt ist.
Im Hinblick auf Ziel 2 wurde in in-vitro- und in-vivo-Messungen gezeigt, dass das mutierte Protein Polycystin-2poreL1 im Vergleich zum Wildtyp-Protein nach Stimulation mit Vasopressin oder ATP höhere intrazelluläre Kalziumspiegel aufwiesen als das Wildtyp-Protein, was mit den jüngsten Zweifeln an einer Kalziumleitfähigkeit von Polycystin-2 übereinstimmt und was eher auf eine passive Rolle in der Kalzium-Homöostase hindeutet. Die vorgestellten Daten tragen zum besseren Verständnis der komplexen zellulären Prozesse bei ADPKD bei, um das Forschen in diesem Feld voran zu treiben und so diese Krankheit für die Patienten erträglicher zu machen.

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