Kidney Induction: control by Notch, Wnt and GDNF/Ret signalling

The permanent mammalian kidney (metanephros) develops as a result of complex reciprocal tissue interactions between a ureteric epithelium and the renal mesenchyme. The overall goal of the research in this thesis was to gain data that will eventually help in elucidating the formation of congenital renal malformations. The experiments in my thesis aimed to reveal the mechanisms by which Notch, Wnt and GDNF/Ret signalling pathways regulate the development of functional kidney. The function of Notch pathway was studied by a transgenic mouse model, where it was shown that overactivation of Notch signalling disturbs kidney development and alters the expression of Gdnf and Ret/GFRa1. This indicates that Notch signalling interplays with GDNF/Ret in the regulation of the primary ureteric budding and its subsequent branching. The data also suggested that strict spatio-temporal regulation of these two pathways is required for determination of ureteric tip-identity, which appeared to be crucial for the branch formation. The function of Wnt signalling in the ureteric morphogenesis was studied by in vivo and in vitro methods to show that a canonical pathway is required for ureteric branching. Stabilisation and deletion of the canonical pathway mediator, b-catenin specifically in the ureteric epithelium result in renal aplasia/hypodysplasia. These defects originate from severe blockage of ureteric branching due to the disrupted Ret signalling. Consequently, ureteric tip specific markers are lost and ureteric stalk identity is expanded throughout the whole epithelium. Thus, the data demonstrates that the Wnt/b-catenin pathway plays an essential role in the patterning and branching of the ureteric epithelium. A novel in vitro method was generated and utilised in nephron induction studies to reveal the mechanisms through which nephrogenesis is induced. Transient GSK3 inhibition results in stabilisation of b-catenin in the isolated renal mesenchyme, which efficiently triggers nephron formation. Also genetic stabilisation of b-catenin specifically in the mesenchyme results in spontaneous nephrogenesis. The results show that activation of the canonical Wnt pathway is sufficient to initiate nephrogenesis, and suggest that this pathway mediates the nephron induction in murine kidney mesenchymes. Taken together, this thesis demonstrates Notch and Wnt signalling pathways as novel regulators of ureteric branching morphogenesis, and that activation of the canonical Wnt pathway is sufficient for nephron induction. The studies also indicate that the Notch and Wnt pathways cross-talk with GDNF/Ret signalling in the patterning of ureteric epithelium.

Efeitos transgeracionais da restrição materna de vitamina D em camundongos: rim e metabolismo da glicose

A vitamina D, atualmente, é relacionada também ao metabolismo da glicose e o desenvolvimento de órgãos. Fêmeas de camundongos suíços (F0) foram alimentadas por uma das dietas experimentais: SC (dieta padrão) ou VitD- (dieta sem vitamina D). A prole de machos foi estudada nas idades: nascimento, 10 dias, desmame e seis meses, nas gerações F1 e F2. Avaliou-se a biometria [Massa Corporal (MC), Comprimento nasoanal (CNA) e Pressão Arterial (PA)], urina de 24 horas, glicemia e Teste Oral de Tolerância à Glicose (TOTG). Durante a eutanásia, o sangue foi coletado para análise bioquímica e os tecidos foram removidos para análise estereológica, morfométrica e Western blotting (WB). Não houve diferença de MC ao nascimento. Ao desmame, o grupo F2-VitD- teve maior MC que F2-SC (P=0,03) e aos seis meses, os grupos F1 e F2-VitD- tiveram MC mais elevada (P<0,05 vs SC). A PA foi crescente na prole VitD-, sendo maior em F1-VitD- (P=0,001). A glicemia e TOTG foram alterados somente na F1-VitD-, seguida de esteatose hepática (+99%), hipertrofia da ilhota pancreática (+40%) e elevação do triglicerídeo sanguíneo (P<0,01). O WB de fígado mostrou elevação de FAS (+18%, P<0,01), no grupo com esteatose. Curiosamente, embora a F2-VitD- tenha apresentado elevação de MC, somente o colesterol total fora alterado (P<0,05). Quanto à nefrogênese, houve 50% mais glomérulos imaturos em F1-VitD- que F1-SC (P<0,0001). Porém, na F2 houve aumento somente de 20% (P<0,001). Aos 10 dias, F1-VitD- teve 150% mais glomérulos imaturos e 25% mais glomérulos maduros que SC-F1 (P<0,0001). O WB de rim mostrou que a prole F1-VitD- apresentou maior expressão de renina, ao desmame e aos seis meses, enquanto que a expressão de podocina foi reduzida (P=0,0004). Não houve diferença na análise de WT1. A restrição materna em vitamina D altera a morfologia do pâncreas e fígado, com resistência à insulina, altera a expressão renal de importantes fatores, assim como retarda a maturação glomerular estendendo o período da nefrogênese, principalmente na geração F1.

Recapitulation of embryological programmes in renal fibrosis - The importance of epithelial cell plasticity and developmental genes

Chronic fibrosis represents the final common pathway in progressive renal disease. Myofibroblasts deposit the constituents of renal scar, thus crippling renal function. It has recently emerged that an important source of these pivotal effector cells is the injured renal epithelium. This review concentrates on the process of epithelial-mesenchymal transition (EMT) and its regulation. The role of the developmental gene, gremlin, which is reactivated in adult renal disease, is the subject of particular focus. This member of the cysteine knot protein superfamily is critical to the process of nephrogenesis but quiescent in normal adult kidney. There is increasing evidence that gremlin expression reactivates in diabetic nephropathy, and in the diseased fibrotic kidney per se. Known to antagonize members of the bone morphogenic protein (BMP) family, gremlin may also act downstream of TGF-beta in induction of EMT. An increased understanding of the extracellular modulation of EMT and, in particular, of the gremlin-BMP axis may result in strategies that can halt or reverse the devastating progression of chronic renal fibrosis. Copyright (c) 2006 S. Karger AG, Basel.

Le diabète maternel influence la morphogenèse rénale et la programmation périnatale

Le diabète maternel est un facteur de risque majeur pour le développement de malformations congénitales. Dans le syndrome de l’embryopathie diabétique, l’exposition prolongée du fœtus à de hautes concentrations ambientes de glucose induit des dommages qui peuvent affecter plusieurs organes, dont les reins. Les malformations rénales sont la cause de près de 40 pourcent des cas d’insuffisance rénale infantile. L’hyperglycémie constitue un environnement utérin adverse qui nuit à la néphrogenèse et peut causer l’agenèse, la dysplasie (aplasie) ou l’hypoplasie rénale. Les mécanismes moléculaires par lesquels les hautes concentrations ambientes de glucose mènent à la dysmorphogenèse et aux malformations demeurent toutefois mal définis. Le diabète maternel prédispose aussi la progéniture au développement d’autres problèmes à l’âge adulte, tels l’hypertension, l’obésité et le diabète de type 2. Ce phénomène appelé ‘programmation périnatale’ a suscité l’intérêt au cours des dernières décennies, mais les mécanismes responsables demeurent mal compris. Mes études doctorales visaient à élucider les mécanismes moléculaires par lesquels le diabète maternel ou un environnement in utero hyperglycémique affecte la néphrogenèse et programme par la suite la progéniture a développer de l’hypertension par des observations in vitro, ex vivo et in vivo. Nous avons utilisé les cellules MK4, des cellules embryonnaires du mésenchyme métanéphrique de souris, pour nos études in vitro et deux lignées de souris transgéniques (Tg) pour nos études ex vivo et in vivo, soient les souris HoxB7-GFP-Tg et Nephrin-CFP-Tg. Les souris HoxB7-GFP-Tg expriment la protéine fluorescente verte (GFP) dans le bourgeon urétérique (UB), sous le contrôle du promoteur HoxB7. Les souris Nephrin-CFP expriment la protéine fluorescente cyan (CFP) dans les glomérules, sous le contrôle du promoteur nephrin spécifique aux podocytes. Nos études in vitro visaient à déterminer si les hautes concentrations de glucose modulent l’expression du gène Pax2 dans les cellules MK4. Les cellules MK4 ont été traitées pendant 24h avec du milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants ou inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK, PKC et NF-kB. Nos résultats ont démontré que le D-glucose élevé (25mM) augmente la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules MK4 et induit spécifiquement l’expression du gène Pax2. Des analogues du glucose tels le D-mannitol, L-glucose ou le 2-Deoxy-D-glucose n’induisent pas cette augmentation dans les cellules MK4. La stimulation de l’expression du gène Pax2 par le D-glucose dans les cellules MK4 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de NF-kB, mais pas par des inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK ou PKC. Ces résultats indiquent que la stimulation de l’expression du gène Pax2 par les concentrations élevées de glucose est due, au moins en partie, à la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation NF-kB, et non pas via les voies PKC, p38 MAPK et p44/42 MAPK. Nos études ex vivo s’intéressaient aux effets d’un milieu hyperglycémique sur la morphogenèse de la ramification du bourgeon urétérique (UB). Des explants de reins embryonnaires (E12 à E18) ont été prélevés par micro-dissection de femelles HoxB7-GFP gestantes. Les explants ont ensuite été cultivés dans un milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants, catalase ou inhibiteur de PI3K/AKT pour diverses durées. Nos résultats ont démontré que le D-glucose stimule la ramification du UB de manière spécifique, et ce via l’expression du gène Pax2. Cette augmentation de la ramification et de l’expression du gène Pax2 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de PI3K/AKT. Ces études ont démontré que les hautes concentrations de glucose altèrent la morphogenèse de la ramification du UB via l’expression de Pax2. L’effet stimulant du glucose semble s’effectuer via la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation Akt. Nos études in vivo visaient à déterminer le rôle fondamental du diabète maternel sur les défauts de morphogenèse rénale chez la progéniture. Dans notre modèle animal, le diabète maternel est induit par le streptozotocin (STZ) chez des femelles HoxB7-GFP gestantes (E13). Les souriceaux ont été étudiés à différents âges (naissants et âgés de une, deux ou trois semaines). Nous avons examiné leurs morphologie rénale, nombre de néphrons, expression génique et les événements apoptotiques lors de cette étude à court terme. La progéniture des mères diabétiques avait un plus faible poids, taille et poids des reins, et possédait des glomérules plus petits et moins de néphrons par rapport à la progéniture des mères contrôles. La dysmorphogenèse rénale observée est peut-être causée par l’augmentation de l’apoptose des cellules dans la région du glomérule. Nos résultats ont montré que les souriceaux nés de mères diabétiques possèdent plus de podocytes apoptotiques et plus de marquage contre la caspase-3 active dans leurs tubules rénaux que la progéniture des mères contrôles. Les souriceaux des mères diabétiques montrent une augmentation de l’expression des composants du système rénine angiotensine (RAS) intrarénal comme l’angiotensinogène et la rénine, ainsi qu’une augmentation des isoformes p50 et p65 de NF-kB. Ces résultats indiquent que le diabète maternel active le RAS intrarénal et induit l’apoptose des glomérules, menant à une altération de la morphogenèse rénale de la progéniture. En conclusion, nos études ont permis de démontrer que le glucose élevé ou l’environnement in utero diabétique altère la morphogenèse du UB, qui résulte en un retard dans la néphrogenèse et produit des reins plus petits. Cet effet est dû, au moins en partie, à la génération des ROS, à l’activation du RAS intrarénal et à la voie NF-kB. Nos études futures se concentreront sur les mécanismes par lesquels le diabète maternel induit la programmation périnatale de l’hypertension chez la progéniture adulte. Cette étude à long terme porte sur trois types de progénitures : adultes nés de mères contrôles, diabétiques ou diabétiques traitées avec insuline pendant la gestation. Nous observerons la pression systolique, la morphologie rénale et l’expression de divers gènes et protéines. Nous voulons de plus déterminer si la présence d’un système antioxydant (catalase) peut protéger la progéniture des effets néfastes des ROS causés par l’environnement in utero hyperglycémique. Les souris Catalase-Tg expriment la catalase spécifiquement dans les tubules proximaux et nous permettrons d’explorer notre hypothèse sur le rôle des ROS dans notre modèle expérimental de diabète maternel.

Dissection du rôle fondamental de l'hyperglycémie sur la morphogenèse rénale

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Evaluation of mitochondrial function in a model of developmental programming of hypertension associated with transient neonatal oxygen exposure

UNE EXPOSITION NÉONATALE À L’OXYGÈNE MÈNE À DES MODIFICATIONS DE LA FONCTION MITOCHONDRIALE CHEZ LE RAT ADULTE Introduction: L’exposition à l’oxygène (O2) des ratons nouveau-nés a des conséquences à l’âge adulte dont une hypertension artérielle (HTA), une dysfonction vasculaire, une néphropénie et des indices de stress oxydant. En considérant que les reins sont encore en développement actif lors des premiers jours après la naissance chez les rats, jouent un rôle clé dans le développement de l’hypertension et qu’une dysfonction mitochondriale est associé à une augmentation du stress oxydant, nous postulons que les conditions délétères néonatales peuvent avoir un impact significatif au niveau rénal sur la modulation de l’expression de protéines clés du fonctionnement mitochondrial et une production mitochondriale excessive d’espèces réactives de l’ O2. Méthodes: Des ratons Sprague-Dawley sont exposés à 80% d’O2 (H) ou 21% O2 (Ctrl) du 3e au 10e jr de vie. En considérant que plusieurs organes des rats sont encore en développement actif à la naissance, ces rongeurs sont un modèle reconnu pour étudier les complications d’une hyperoxie néonatale, comme celles liées à une naissance prématurée chez l’homme. À 4 et à 16 semaines, les reins sont prélevés et les mitochondries sont extraites suivant une méthode d’extraction standard, avec un tampon contenant du sucrose 0.32 M et différentes centrifugations. L’expression des protéines mitochondriales a été mesurée par Western blot, tandis que la production d’ H202 et les activités des enzymes clés du cycle de Krebs ont été évaluées par spectrophotométrie. Les résultats sont exprimés par la moyenne ± SD. Résultats: Les rats mâles H de 16 semaines (n=6) présentent une activité de citrate synthase (considéré standard interne de l’expression protéique et de l’abondance mitochondriales) augmentée (12.4 ± 8.4 vs 4.1 ± 0.5 μmole/mL/min), une diminution de l’activité d’aconitase (enzyme sensible au redox mitochondrial) (0.11 ± 0.05 vs 0.20 ± 0.04 μmoles/min/mg mitochondrie), ainsi qu’une augmentation dans la production de H202 (7.0 ± 1.3 vs 5.4 ± 0.8 ρmoles/mg protéines mitochondriales) comparativement au groupe Ctrl (n=6 mâles et 4 femelles). Le groupe H (vs Ctrl) présente également une diminution dans l’expression de peroxiredoxin-3 (Prx3) (H 0.61±0.06 vs. Ctrl 0.78±0.02 unité relative, -23%; p<0.05), une protéine impliquée dans l’élimination d’ H202, de l’expression du cytochrome C oxidase (Complexe IV) (H 1.02±0.04 vs. Ctrl 1.20±0.02 unité relative, -15%; p<0.05), une protéine de la chaine de respiration mitochondriale, tandis que l’expression de la protéine de découplage (uncoupling protein)-2 (UCP2), impliquée dans la dispersion du gradient proton, est significativement augmentée (H 1.05±0.02 vs. Ctrl 0.90±0.03 unité relative, +17%; p<0.05). Les femelles H (n=6) (vs Ctrl, n=6) de 16 semaines démontrent une augmentation significative de l’activité de l’aconitase (0.33±0.03 vs 0.17±0.02 μmoles/min/mg mitochondrie), de l’expression de l’ATP synthase sous unité β (H 0.73±0.02 vs. Ctrl 0.59±0.02 unité relative, +25%; p<0.05) et de l’expression de MnSOD (H 0.89±0.02 vs. Ctrl 0.74±0.03 unité relative, +20%; p<0.05) (superoxide dismutase mitochondriale, important antioxidant), tandis que l’expression de Prx3 est significativement réduite (H 1.1±0.07 vs. Ctrl 0.85±0.01 unité relative, -24%; p<0.05). À 4 semaines, les mâles H (vs Ctrl) présentent une augmentation significative de l’expression de Prx3 (H 0.72±0.03 vs. Ctrl 0.56±0.04 unité relative, +31%; p<0.05) et les femelles présentent une augmentation significative de l’expression d’UCP2 (H 1.22±0.05 vs. Ctrl 1.03±0.04 unité relative, +18%; p<0.05) et de l’expression de MnSOD (H 1.36±0.01 vs. 1.19±0.06 unité relative, +14%; p<0.05). Conclusions: Une exposition néonatale à l’O2 chez le rat adulte mène à des indices de dysfonction mitochondriale dans les reins adultes, associée à une augmentation dans la production d’espèces réactives de l’oxygène, suggérant que ces modifications mitochondriales pourraient jouer un rôle dans l’hypertension artérielle et d’un stress oxydant, et par conséquent, être un facteur possible dans la progression vers des maladies cardiovasculaires. Mots-clés: Mitochondries, Reins, Hypertension, Oxygène, Stress Oxydant, Programmation

Maternal undernutrition and the offspring kidney: from fetal to adult life

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Perfil de expressão dos mIRNAS da família mIR-200 e mIR-192 no rim total e glomérulos isolados de ratos submetidos à restrição protéica in útero

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Ansatz zur Generierung einer konditionalen, reversiblen Wt1 k.o.-Maus

Ansatz zur Generierung einer konditionalen, reversiblen Wt1 k.o.-Maus Der Wilms-Tumor (WT, Nephroblastom) ist ein embryonaler Nierentumor, der durch die maligne Transformation von undifferenziertem Nierengewebe, sog. nephrogenen Resten, entsteht. WT treten mit einer Inzidenz von 1 in 10.000 Lebendgeburten auf. Das Hauptmanifestationsalter, der normalerweise einseitig und sporadisch auftretenden Tumore, liegt zwischen dem 3. und 4. Lebensjahr. Etwa 10 % der Patienten entwickeln jedoch bilaterale Tumore. In diesen Fällen ist eine Assoziation mit komplexen genetischen Krankheitsbildern (u. a. WAGR-, Denys-Drash-, Frasier- und Beckwith-Wiedemann-Syndrom) festzustellen. In 15 % der sporadischen WT sind Mutationen im WT1 (Wilms-Tumor 1)-Gen beschrieben. WT1 besteht aus zehn Exons und weist typische Merkmale von Transkriptionsfaktoren (z. B. vier Zinkfinger) auf. Zwei alternative Spleißereignisse betreffen Exon 5 (+/−Exon 5) und Exon 9 (Transkripte mit bzw. ohne die codierenden Sequenzen für die AS Lysin-Threonin-Serin; +/−KTS). Die Lage der drei alternativ vorhandenen AS zwischen den Zinkfingern 3 und 4 bestimmt die verschiedenen Funktionen der WT1-Proteine (4 Isoformen) als Transkriptionsfaktor (−KTS) bzw. als RNA-bindendes Protein (+KTS). Das zunächst im Zusammenhang mit WT als Tumorsuppressorgen identifizierte WT1 ist ein Entwicklungsgen mit einem sehr komplexen Expressionsmuster in der Embryonalentwicklung. Dabei ist v. a. die Bedeutung in der Urogenitalentwicklung entscheidend. Konstitutive, homozygote Wt1−/− k.o.-Mäuse sind embryonal (~ E12,5 dpc) letal und bilden u. a. keine Gonaden und keine Nieren. Aus diesem Grund existiert bisher kein Wilms-Tumormodell. Die Herstellung eines konditionalen murinen Tiermodells auf Basis des Tet on/off-Systems zur Untersuchung der Nierenentwicklung bzw. zur Analyse der Wilms-Tumorpathogenese war Ziel dieser Arbeit. Hierfür wurden drei Mauslinien generiert: Zwei transgene sog. Responder-Linien, die eine chimäre spleißbare Wt1-cDNA der Variante musWt1+Exon 5;+/−KTS unter der Kontrolle eines Tet-responsiven Promotors im Genom tragen. Dieses tTA/Dox-abhängig regulierbare Wt1-Transgen (tgWt1) sollte (exogen regulierbar) die Expression des endogenen Wt1-Lokus ausreichend nachahmen, um die kritischen Phasen der Embryogenese zu überwinden und lebensfähige Tiere zu erhalten. Parallel dazu wurde die Wt1-Effektor-Mauslinie (WE2) generiert. Diese trägt einen tetrazyklinabhängigen Transaktivator (tTA) zur Steuerung Tet-regulierbarer Transgene unter der Kontrolle des endogenen Wt1-Promotors. Die durch homologe Rekombination in ES-Zellen erreichte Integration des tTA direkt am Translationsstartpunkt des Wt1-Lokus hat in den Tieren einen heterozygoten Wt1 knock out/tTA knock in zur Folge. Die bisher vorgenommenen Verpaarungen doppelt transgener Wt1-tTA+/−/Resp-Mäuse ergaben keinen Rescue des letalen Wt1 k.o. und es konnten bislang keine Wilms-Tumore induziert werden. Alle im Verlauf der Arbeit generierten Mauslinien wurden umfassend charakterisiert. So konnte für die Tiere der Responder-Linien Wt1-Resp1 (mit zusätzlichen Isolator-Sequenzen zum Schutz des Transgens vor Positionseffekten) und Wt1-Resp2 (ohne Isolatoren) konnte die Tet-induzierbare Expression und die Spleißbarkeit des tgWt1 in MEF-Assays und mittels Effektor-Mäusen auf RNA-Ebene nachgewiesen werden. Die genomische Charakterisierung der WE2-Linie ergab eine ungeklärte etwa 120 kb große Inversion am Wt1-Lokus, die alle 5'-regulatorischen Sequenzen mitsamt des tTA vom Rest von Wt1 trennt. Tiere dieser Linie weisen aber dennoch einen funktionalen Wt1 k.o. auf: Unter den Nachkommen aus Intercross-Verpaarungen von Wt1-tTA+/−-Mäusen lassen sich auf Grund der Letalität keine Wt1−/−-Genotypen nachweisen. Die Charakterisierung der Effektor-Linie auf RNA-Ebene und mittels Reporter-Mäusen liefert ein Wt1-analoges tTA-Expressionsmuster: So findet man eine deutliche tTA-Expression u. a. in Niere (Glomeruli), Uterus, Ovar und Testis. Die hier vorgestellten Experimente ergeben darüber hinaus eindeutige Hinweise einer Beteiligung von Wt1 in der Entstehung der glatten Muskulatur bzw. in der Vaskulogenese.

Valutazione della funzione renale nei nati pretermine alla nascita e a medio termine

La nascita pretermine determina un’alterazione dei normali processi di maturazione dei vari organi ed apparati che durante la gravidanza fisiologica si completano durante le 38-40 settimane di vita intrauterina. Queste alterazioni sono alla base della mortalità e morbilità perinatale che condiziona la prognosi a breve termine di questa popolazione, ma possono determinare anche sequele a medio e lungo termine. E’ stato ampiamente documentato che la nefrogenesi si completa a 36 settimane di vita intrauterina e pertanto la nascita pretermine altera il decorso fisiologico di tale processo; a questa condizione di immaturità si sovrappongono i fattori patogeni che possono determinare danno renale acuto in epoca neonatale, a cui i pretermine sono in larga misura esposti. Queste condizioni conducono ad un rischio di alterazioni della funzione renale di entità variabile in età infantile ed adulta. Nel presente studio è stata studiata la funzione renale in 29 bambini di 2-4 anni di età, precedentemente sottoposti a valutazione della funzione renale alla nascita durante il ricovero in Terapia Intensiva Neonatale. I dati raccolti hanno mostrato la presenza di alterazioni maggiori (sindrome nefrosica, riduzione di eGFR) in un ridotto numero di soggetti e alterazioni minori ed isolate (proteinuria di lieve entità, riduzione del riassorbimento tubulare del fosforo, pressione arteriosa tra il 90° e il 99° percentile per sesso ed altezza). L’età di 2-4 anni, alla luce dei risultati ottenuti, può rappresentare un momento utile per effettuare una valutazione di screening di funzione renale in una popolazione a rischio come i pretermine, con lo scopo di individuare i soggetti che richiedano una presa in carico specialistica ed un follow-up a lungo termine.

Untersuchung der physiologischen Rolle des Wilms-Tumorgens 1 (WT1) im Rahmen der Generierung muriner in-vivo-Modelle für die Wilms-Tumorerkrankung

Der Wilms-Tumor ist eine embryonale Tumorerkrankung der Niere, als deren Ursprung Nierenvorläuferzellen des metanephrischen Mesenchyms gelten, deren Differenzierung während der frühen Nephrogenese ausbleibt und aus denen nachfolgend durch eine maligne Transformation Wilms-Tumore entstehen. Zwei Gene, die an der Wilms-Tumorgenese beteiligt zu sein scheinen, sind WT1 (Wilms-Tumorgen 1) und CTNNB1 (Catenin, cadherin-associated protein, beta 1). Während WT1 u.a. die Differenzierung des metanephrischen Mesenchyms steuert, begünstigen aktivierende Mutationen von CTNNB1 und eine dadurch bedingte Akkumulation seines Proteins β-Catenin die Tumorgenese vieler Organe. So verwundert es nicht, dass eine alleinige heterozygote Keimbahnmutation von WT1, die einen dominant-negativen Effekt auf funktionsfähiges WT1 ausübt, häufig zur Entstehung von Wilms-Tumoren in Patienten mit Denys-Drash-Syndrom (DDS) führt, sowie in etwa 15 % aller sporadischen Wilms-Tumore WT1 und CTNNB1 mutiert sind.rnDer Mechanismus der Entstehung von Wilms-Tumoren ist weitgehend unbekannt, was u.a. daran liegt, dass homozygote Wt1-Mutationen in der Maus embryonal (~ Tag 13,5 d.p.c.) letal sind. In der vorliegenden Arbeit sollten daher mit Hilfe einer Wt1 k.o.-Effektormaus (WE2) vier murine konditional reversible Wilms-Tumor-Modelle auf Basis des Tet off-Systems hergestellt werden. Dadurch lag in den zu generierenden Tieren Wt1 durch die Integration des WE2-Transgens zwar nur heterozygot mutiert vor, doch durch den endogenen Wt1-Promotor des Transgens sollte es zur zeitlichen und räumlichen Wt1-analogen Expression eines tetrazyklinabhängigen Transaktivators (tTA) kommen, der ohne die Gabe von Doxycyclin Tet-regulierbare Transgene in Wt1-exprimierenden Zellen aktivieren kann, die einen positiven Einfluss auf die Wilms-Tumorgenese haben könnten. So sollte durch das WE2 DDS-Modell ein DDS simuliert werden und es in Tieren der Modelle WE2 TC bCat∆Ex3, WE2 LC bCat∆Ex3 und WE2 Wnt1 zur Akkumulation von β-Catenin in Wt1-exprimierenden Nierenvorläuferzellen kommen, so dass deren Differenzierung ausbleibt und es durch eine maligne Transformation zur Entstehung eines Wilms-Tumors kommt.rnrnMit Hilfe von histologischen Analysen an entsprechenden Responder-Linien konnte zunächst gezeigt werden, dass die embryonale und adulte Expressionsdomäne des WE2-Effektors mit der von endogenen Wt1 übereinstimmt. Gleichzeitig wurden aber auch neue Expressionsorte von Wt1 nachgewiesen. So konnte die Expression des WE2-Effektors z.B. im Endothel der dorsalen Aorta detektiert werden, der als Entstehungsort von hämatopoetischen Stammzellen gilt. Anschließende hier vorgestellte Experimente zeigten, dass Wt1 direkt an diesem Prozess beteiligt ist und belegten eine noch nicht beschriebene Funktion von Wt1 in der frühen Hämatopoese.rnEs war jedoch mit keinem System möglich, eine Wilms-Tumorerkrankung zu simulieren. Während Tiere des WE2 DDS-Modells trotz nachweisbarer Induktion keinen Phänotyp aufwiesen, war wohl in den anderen Modellen eine konstitutive β-Catenin-Aktivierung in der Frühschwangerschaft nicht mit dem embryonalen Überleben vereinbar. Dabei schienen alle tripeltransgenen bzw. doppeltransgenen Embryonen, in denen durch einen frühen Doxycyclinentzug die Entstehung von Wilms-Tumoren möglich gewesen wäre, intrauterin zu sterben. Wurde dagegen Doxycyclin erst in der dritten Lebenswoche entzogen, so entwickelten die Tiere durch eine Wt1-vermittelte β-Catenin-Aktivierung Granulosazelltumore, polyzystische Nieren und Veränderungen der Hoden. Da alle diese organischen Veränderungen während der prä- bis frühen postnatalen Phase induziert wurden, schien die Doxycyclinmenge nicht auszureichen, um eine β-Catenin-Aktivierung zu verhindern. Es hätte also auch zur Entstehung von Wilms-Tumoren kommen können, so dass diese Ergebnisse darauf hinweisen, dass eine β-Catenin-Aktivierung wahrscheinlich nicht der physiologisch entscheidende Schritt bei der Entstehung eines Wilms-Tumors ist.rnrnDie Charakterisierung der WE2-Effektormaus und die Herstellung und Analysen der Systeme geben damit Einblick in die WT1- bzw. WT1/CTNNB1-assoziierte Wilms-Tumorgenese und ermöglichen die weitere Erforschung von Granulosazelltumoren, polyzystsischen Nieren, Veränderungen von Hoden und der Rolle von WT1 in der frühen Hämatopoese.rn

The murine Fgfrl1 receptor is essential for the development of the metanephric kidney

Fgfrl1 is a novel member of the fibroblast growth factor receptor family. Its extracellular domain resembles the four conventional Fgfrs, while its intracellular domain lacks the tyrosine kinase domain necessary for Fgf mediated signal transduction. During embryonic development Fgfrl1 is expressed in the musculoskeletal system, in the lung, the pancreas and the metanephric kidney. Targeted disruption of the Fgfrl1 gene leads to the perinatal death of the mice due to a hypoplastic diaphragm, which is unable to inflate the lungs. Here we show that Fgfrl1-/- embryos also fail to develop the metanephric kidney. While the rest of the urogenital system, including bladder, ureter and sexual organs, develops normally, a dramatic reduction of ureteric branching morphogenesis and a lack of mesenchymal-to-epithelial transition in the nephrogenic mesenchyme result in severe renal dysgenesis. The failure of nephron induction might be explained by the absence of the tubulogenic markers Wnt4, Fgf8, Pax8 and Lim1 at E12.5 of the mutant animals. We also observed a loss of Pax2 positive nephron precursor cells and an increase of apoptosis in the cortical zone of the remnant kidney. Fgfrl1 is therefore essential for mesenchymal differentiation in the early steps of nephrogenesis.

Biogenesis of Polarized Epithelial Cells During Kidney Development In Situ: Roles of E-Cadherin–mediated Cell–Cell Adhesion and Membrane Cytoskeleton Organization

Organization of proteins into structurally and functionally distinct plasma membrane domains is an essential characteristic of polarized epithelial cells. Based on studies with cultured kidney cells, we have hypothesized that a mechanism for restricting Na/K-ATPase to the basal-lateral membrane involves E-cadherin–mediated cell–cell adhesion and integration of Na/K-ATPase into the Triton X-100–insoluble ankyrin- and spectrin-based membrane cytoskeleton. In this study, we examined the relevance of these in vitro observations to the generation of epithelial cell polarity in vivo during mouse kidney development. Using differential detergent extraction, immunoblotting, and immunofluorescence histochemistry, we demonstrate the following. First, expression of the 220-kDa splice variant of ankyrin-3 correlates with the development of resistance to Triton X-100 extraction for Na/K-ATPase, E-cadherin, and catenins and precedes maximal accumulation of Na/K-ATPase. Second, expression of the 190-kDa slice variant of ankyrin-3 correlates with maximal accumulation of Na/K-ATPase. Third, Na/K-ATPase, ankyrin-3, and fodrin specifically colocalize at the basal-lateral plasma membrane of all epithelial cells in which they are expressed and during all stages of nephrogenesis. Fourth, the relative immunofluorescence staining intensities of Na/K-ATPase, ankyrin-3, and fodrin become more similar during development until they are essentially identical in adult kidney. Thus, renal epithelial cells in vivo regulate the accumulation of E-cadherin–mediated adherens junctions, the membrane cytoskeleton, and Na/K-ATPase through sequential protein expression and assembly on the basal-lateral membrane. These results are consistent with a mechanism in which generation and maintenance of polarized distributions of these proteins in vivo and in vitro involve cell–cell adhesion, assembly of the membrane cytoskeleton complex, and concomitant integration and retention of Na/K-ATPase in this complex.

Changes in global gene expression patterns during development and maturation of the rat kidney

We set out to define patterns of gene expression during kidney organogenesis by using high-density DNA array technology. Expression analysis of 8,740 rat genes revealed five discrete patterns or groups of gene expression during nephrogenesis. Group 1 consisted of genes with very high expression in the early embryonic kidney, many with roles in protein translation and DNA replication. Group 2 consisted of genes that peaked in midembryogenesis and contained many transcripts specifying proteins of the extracellular matrix. Many additional transcripts allied with groups 1 and 2 had known or proposed roles in kidney development and included LIM1, POD1, GFRA1, WT1, BCL2, Homeobox protein A11, timeless, pleiotrophin, HGF, HNF3, BMP4, TGF-α, TGF-β2, IGF-II, met, FGF7, BMP4, and ganglioside-GD3. Group 3 consisted of transcripts that peaked in the neonatal period and contained a number of retrotransposon RNAs. Group 4 contained genes that steadily increased in relative expression levels throughout development, including many genes involved in energy metabolism and transport. Group 5 consisted of genes with relatively low levels of expression throughout embryogenesis but with markedly higher levels in the adult kidney; this group included a heterogeneous mix of transporters, detoxification enzymes, and oxidative stress genes. The data suggest that the embryonic kidney is committed to cellular proliferation and morphogenesis early on, followed sequentially by extracellular matrix deposition and acquisition of markers of terminal differentiation. The neonatal burst of retrotransposon mRNA was unexpected and may play a role in a stress response associated with birth. Custom analytical tools were developed including “The Equalizer” and “eBlot,” which contain improved methods for data normalization, significance testing, and data mining.