Die 2,3-Bisphosphoglyceratmutase (BPGM) ist essentiell für die Aufrechterhaltung der Nieren-Homöostase

Abstract

Hintergrund: Die 2,3-Bisphosphoglyceratmutase (BPGM) synthetisiert in Erythrozyten 2,3-BPG, welches durch Bindung an Hämoglobin dessen Sauerstoffaffinität verringert und somit die Abgabe erleichtert. Die BPGM beeinflusst daher die Sauerstoffverfügbarkeit aller Gewebe und Organe. Eine BPGM Funktion außerhalb von Erythrozyten wurde bisher nicht beschrieben. Ihre weitverbreitete evolutionäre Konservierung deutet jedoch auf eine potenzielle Rolle jenseits der Sauerstoffregulation hin. Transkriptomische Analysen zeigten eine unerwartete Expression der Bpgm in der Niere, welche unter Bedingungen des akuten Nierenversagens verstärkt wurde. Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion der BPGM in der Niere aufzuklären. Methoden: Zur funktionellen Untersuchung wurde ein tubulus-spezifisches, durch Doxycyclin induzierbares Bpgm-Knockout-Mausmodell (Pax8-rtTA/LC1-Bpgmflox/flox; kurz: Bpgm-KO) etabliert. Immunfluoreszenzbasierte Untersuchungen dienten der BPGM-Lokalisation, sowie der Dokumentation tubulärer Schäden nach Bpgm-KO (bspw. anhand der Schadensmarker KIM-1 und NGAL). Histologische Analysen (PAS- und Pikro-Siriusrot Färbungen) wurden zur strukturellen Darstellung und dem Nachweis fibrotischer Veränderungen verwendet. Proteomische Untersuchungen mit Genanreicherungsanalysen dienten zur Untersuchung der zugrundeliegenden Signalwege. Die Verifizierung regulierter Signalwege erfolgte mit Hilfe immunfluoreszenzbasierter Verfahren und quantitativer PCR. Ergebnisse: Die renale BPGM Expression konnte in distalen Abschnitten des Tubulussystems der Maus lokalisiert werden, was in Einzelsequenzierungsanalysen auch bei humanen Nieren nachgewiesen werden konnte. Ein induzierbarer Knockout von Bpgm führte innerhalb von vier Tagen zur signifikanten Schädigung der proximalen Tubuli, zur Erhöhung molekularer Schädigungsmarker und, nach 8 Tagen, zu renaler Fibrose. Proteomische Analysen zeigten, dass der Knockout von Bpgm zu einem übersteigerten Glukosestoffwechsel und Entzündungsreaktionen führte. Darüber hinaus wurde ein komplexes Zusammenspiel zwischen verschiedenen Nephronsegmenten und Immunzellen beobachtet. Als mögliche Signalgeber konnten dabei Advanced Glycation End-Products (AGEs) identifiziert werden. Fazit: Diese Studie zeigt, dass die Expression der BPGM in Tubuluszellen der Niere eine entscheidende Rolle zur Aufrechterhaltung der Nierenhomöostase spielt. Über die tubuläre BPGM-Aktivität werden wichtige Stoffwechselwege und Immunantworten in der Niere beeinflusst. Die Aufklärung der weitreichenden Konsequenzen des Bpgm-KO betont die Bedeutung der glykolytischen Stoffwechselregulation für die Nieren- (patho-) Physiologie.

Background: The enzyme 2,3-bisphosphoglycerate mutase (BPGM) produces 2,3-BPG in erythrocytes, which, by binding to hemoglobin, decreases its oxygen affinity, thereby facilitating oxygen delivery to tissues. BPGM thus influences the oxygen availability of all tissues and organs. Although a function for BPGM outside erythrocytes has not been described, its conservation across organisms suggests additional roles. Transcriptomic analyses revealed an unexpected expression of Bpgm in the kidney, which was enhanced under conditions of acute kidney failure. The aim of this study was to elucidate the function of BPGM in the kidney. Methods: For functional investigation, a tubular-specific, doxycycline-inducible Bpgm knockout mouse model (Pax8-rtTA/LC1-Bpgmflox/flox; abbreviated as Bpgm-KO) was established. Immunofluorescence-based investigations were used for BPGM localization and documentation of tubular damage after Bpgm-KO (e.g., using damage markers KIM-1 and NGAL). Histological analyses (PAS and Picro-Sirius Red staining) depicted structural and fibrotic changes. Proteomic investigations with gene enrichment analyses served to examine the effects of tubular Bpgm knockout and the underlying signaling pathways. Verification of regulated pathways was done using immunofluorescence and quantitative PCR. Results: Renal BPGM expression was localized to distal segments of the mouse tubular system, which was also confirmed in human kidneys through single cell sequencing analyses. An inducible knockout of Bpgm led to significant proximal tubular damage, increased molecular damage markers within four days, and, following 8 days, renal fibrosis. Proteomic analyses showed that the knockout of Bpgm resulted in excessive glucose metabolism and inflammatory responses. Furthermore, a complex interplay between different nephron segments and immune cells was observed and AGEs (advanced glycation end-products) were identified as potential signaling mediators. Conclusion: This study shows that BPGM expression in kidney tubular cells is crucial for maintaining kidney homeostasis. Tubular BPGM activity influences important metabolic pathways and immune responses in the kidney. Elucidating the far-reaching consequences of Bpgm knockout underscores the significance of glycolytic metabolic regulation for kidney (patho-)physiology.