Epitheliale und endotheliale Effekte der Caveolin-1-Deletion in der Niere

Abstract

Caveolen, cholesterin- und glycosphingolipidhaltige Einstülpungen der Plasmamembran, sind an wichtigen zellulären Leistungen wie der Endozytose und Signaltransduktion beteiligt. Darüber hinaus haben sie einen Einfluss auf die Regulation des vaskulären Tonus und der vaskulären Reaktivität. Zwei Proteinfamilien, Caveolin und Cavin, sind für deren Ausbildung verantwortlich, wobei Caveolin-1 (Cav1) und Cavin-1 die entscheidenden Strukturproteine von Caveolen sind. Die genetische Inaktivierung von Cav1 beeinträchtigt die Lungenfunktion und beeinflusst das kardiovaskuläre System. Über die Rolle von Cav1 in der Niere ist wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit verfolgt die Hypothese, dass Cav1 eine Rolle beim renalen Wasser- und Elektrolythaushalt spielt. Um der Fragestellung nachzugehen, wurden Wildtyp- (WT) Mäuse bezüglich des renalen Vorkommens von Cav1 untersucht und anschließend mit Cav1-defizienten- (Cav1-/-) Mäusen hinsichtlich der renalen physiologischen Eigenschaften, des Profils der renalen Transporter und der renalen vaskulären Kontraktilität verglichen. In WT-Nieren konnte Cav1 im Endothel, im späten distalen Konvolut (DCT2) sowie in den Hauptzellen des Verbindungstubulus (CNT) und des Sammelrohres (CD) nachgewiesen werden, wohingegen in Cav1-/--Nieren kein Cav1 nachweisbar war. Bei den Cav1-/--Mäusen zeigte sich eine gesteigerte Urinausscheidung (+126%, p<0,05) in Kombination mit einer erhöhten fraktionellen Natrium-Ausscheidung (+81%, p<0,05). Biochemische Analysen ausgewählter distaler Transporter und Kanäle zeigten eine um 40% verringerte Anzahl an phosporyliertem und dementsprechend aktivem Na+-Cl--Kotransporter (NCC) im distalen Konvolut der Cav1-/-- verglichen mit den WT-Mäusen. Alle weiteren untersuchten Kanäle und Transporter wiesen keine Unterschiede zwischen Cav1-/-- und WT-Nieren auf. Die Sensitivität der isolierten, renalen interlobulären Arterien gegenüber Phenylephrin war in den Cav1-/--Nieren auf circa ein Viertel reduziert (p<0,05). Zusätzlich zeigte sich eine signifikante Verringerung der maximalen Kontraktilität der renalen Arterien in Cav1-/--Mäusen (-13%, p<0,05) hinweisend auf eine erhöhte Verfügbarkeit an Stickstoffmonoxid (NO). Erklärbar ist die womöglich erhöhte Verfügbarkeit an NO durch eine gesteigerte Expression der endothelialen Stickstoffmonoxid-Synthase (eNOS) in Cav1-/--Nieren (+213%, p<0,05). Als möglicher kompensatorischer Ausgleich für die stimulierte NO-Komponente zeigte sich in Cav1-/--Nieren eine Zunahme der Expression an alpha-adrenergen Rezeptoren (+63%, p<0,05). Zellversuche an humanen Fibroblasten mit gestörter Caveolen-Ausbildung aufgrund einer Cavin-Mutation zeigten ebenfalls eine intrazelluläre Anreicherung an eNOS mit erhöhter NOS-Enzymaktivität, dargestellt durch die NADPH-Diaphorase Reaktion, gegenüber Kontroll-Fibroblasten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Caveolen über den Einfluss auf die NCC- und eNOS-Aktivität die renale Resorption von Elektrolyten und Wasser beeinflussen könnten. Studien mit weiteren Charakterisierungen der funktionellen Effekte von Cav1 auf die renalen Transporter und Kanäle können möglicherweise weitere Einblicke gewähren und zukünftige klinische Einsatzgebiete bei Störungen des renalen Wasser- und Elektrolythaushaltes eröffnen.

Caveolae, cholesterol- and glycosphingolipid-rich invaginations of the plasma membrane are involved in multiple cell functions such as endo- and transcytosis as well as signal transduction. Members of the caveolin and cavin protein families are essential for caveolae biogenesis. Caveolin-1 (Cav1) and Cavin-1 are undispensable structural components of caveolae. Little is known about their role in the kidney. In this study we tested the hypothesis that caveolae interfere with renal salt and water reabsorption. For evaluation Wild-type (WT) and Cav1-deficient (Cav1-/-) mice were studied for their kidney morphology, physiologic kidney performance, profile of renal transporters and channels, as well as for their renal vascular contractility. Renal epithelial expression of Cav1 was limited to the late distal convoluted tubule (DCT2) and principal connecting tubule (CNT) and collecting duct (CD) principal cells in WT mice. Furthermore Cav1 and caveolae were present in vascular cells. Evaluation of urinary volume and electrolyte excretion showed an increase in urine flow (+126%, p<0.05) as well as an increased fractional sodium excretion by 81% (p<0.05). Under water deprivation for 18h no significant differences could be observed. By analysing key distal epithelial transporters and channels under normal conditions a decrease in phosphorylated and thereby activated Na+-Cl--cotransporter (NCC) by 40% was shown in the distal convoluted tubule of Cav1-/- mice. All other investigated transporters and channels revealed no significant differences by comparing both mouse strains. Caveoale have been shown to regulate vascular tone and reactivity to physiologic stimuli. The sensitivity of isolated, renal interlobular arteries to phenylephrine was therefore studied in both strains. Compared to WT mice, sensitivity in Cav1-/- was reduced to 25% (p<0.05). The maximal contractile response was significantly decreased in Cav1-/- renal arteries (-13%, p<0.05) along with increased abundance (+213%, p<0.05) of endothelial nitric oxide synthase (eNOS). Renal expression of alpha-adrenergic receptors was enhanced (+63%, p<0.05), possibly compensating for enhanced vascular nitric oxide (NO) availability. Cultured human fibroblasts lacking caveolae (CGL4 fibroblasts) showed intracellular accumulation of eNOS compared to WT fibroblasts which revealed its concentration at the plasma membrane. Histochemical NADPH diaphorase reaction, reflecting NOS activity, correspondingly displayed enhanced intracellular signal in CGL4 fibroblasts. Our results suggest that renal caveolae promote renal water and salt reabsorption by modulating NCC-mediated Na+-Cl- reabsorption and eNOS activity.