Reduktion der Viabilität von Zystenepithelzellen durch die Hemmung der Ire1α Endoribonukleaseaktivität als neuer Therapieansatz bei ADPKD

Abstract

Hintergrund: Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD), verursacht durch Mutationen im Pkd1 und Pkd2 Gen, zeigt ein langsam progressives Wachstum von bilateralen Nierenzysten und führt mit Verdrängung von gesundem Nierengewebe zum terminalen Nierenversagen. Die Zysteninitiierung beginnt mit einer Second Hit Mutation des Wildtyp Pkd1. Mit zunehmender Krankheitsprogression sind Zystenepithelzellen ER Faltungsstress ausgesetzt und zeigen einen tumorähnlichen Metabolismus. Der Ire1α-XBP1 Signalweg der Unfolded Protein Response ist ein wichtiger Mechanismus für das Tumorüberleben. Aktuelle Studien zeigen, dass XBP1 ein wichtiger Viabilitätsfaktor für Zystenepithelzellen im ADPKD Mausmodell ist, indem es Pkd1 defiziente Zystenepithelzellen von der Apoptose bewahrt. Pkd1/XBP1 Knockout Mäuse zeigten eine deutliche Reduktion der Zystenlast im Vergleich zu Pkd1 Knockout Mäusen. Wir untersuchen die Rolle von Ire1α in Pkd1/XBP1 null Hintergrund in Sammelrohrzellen sowie die Wirkung von Ire1α Endoribonuklease Inhibitoren auf die Krankheitsprogression in vivo und in vitro. Methode: Wir haben einen Pkd1/XBP1/Ire1α Dreifach Knockout Mausmodell generiert und die Krankheitsprogression mit Pkd1 Knockout und Pkd1/Ire1α Knockout verglichen. Wir untersuchten den Effekt eines Ire1α Endoribonuklease Inhibitor auf die Krankheitsprogression im ADPKD Mausmodell und ADPKD Zellmodell mit einer trunkierenden und einer nicht trunkierenden Pkd1 Mutation. Ergebnis: Es gab keine Veränderung im Krankheitsverlauf von Pkd1/XBP1/Ire1α Dreifach oder Pkd1/Ire1α Doppel Knockout. Die Anwendung von Toyocamycin, einem Ire1α Endoribonuklease Inhibitor, verhinderte die Zystenprogression im Mausmodell. Im Zellmodell reduzierte Toyocamycin die Zystenzellviabilität. Der inhibitorische Effekt war deutlicher in dem ADPKD Zellmodell mit einer nicht-trunkierenden Mutation zu beobachten. Toyocamycin wirkt am ehesten über die spezifische Suppression von XBP1 Splicing. Es inhibiert nur die Ire1α Endoribonuklease Aktivität ohne die Kinase Aktivität oder die totale Ire1α Expression zu beeinflussen. Schlussfolgerung: Die Reduktion der Zystenzellviabilität durch XBP1 Verlust braucht eine intakte Kinasedomäne der Ire1α, da die simultane Inaktivierung die Krankheitsprogression im Pkd1 null Hintergrund nicht verhindert. XBP1 Deprivation durch einen Ire1α Endoribonuklease Inhibitor reduziert die Viabilität der Zystenepithelzellen und verhinderte die Zystenprogression im Mausmodell. Die genauen Ire1α abhängigen Downstream Apoptosewege in XBP1 defizienten Zystenepithelzellen sind noch nicht vollständig verstanden. Substanzen, die die XBP1 Deprivation verursachen, können die Viabilität von Zystenzellen über eine erhöhte Apoptoserate reduzieren, bevor es zu weiteren Zystenexpansion kommt. Wir legten den Grundstein zur Testung weiterer Ire1α Endoribonuklease Inhibitoren, einem vielversprechenden Therapieansatz bei ADPKD. Studien zur Toxizität und Studien mit humanen Modellen sind ausstehend.

Background: Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD), caused by mutations in Pkd1 and Pkd2, is characterized by the slow progressive formation of kidney cysts leading to compression damage of functional kidney tissue and potentially end stage renal failure. Cystic cells, which have acquired the somatic second hit mutation, are prone to metabolic alterations, especially ER stress like in cancer metabolism. The Ire1α-XBP1 pathway, a highly conserved part of the unfolded protein response, has been shown to modify cancer cell survival. Recent studies have demonstrated that XBP1 is an essential viability factor for cystic cells in murine ADPKD models by protecting Pkd1 cyst cells from apoptosis and that Pkd1/XBP1 knockout mice displayed a reduction in cystic load. We explore the role of Ire1α in Pkd1/XBP1 null background, specifically in the collecting ducts of mice. We then investigate whether pharmacological inhibition of the Ire1α endoribonuclease can modulate disease progression in vivo and in vitro. Method: We generated a Pkd1/XBP1/Ire1α triple knockout mouse model and measured disease progression in comparison to the Pkd1 knockout and Pkd1/Ire1α knockout background. We then studied the effects of an Ire1α endoribonuclease inhibitor on disease progression in ADPKD mouse model and in ADPKD cell models with a truncating and a nontruncating Pkd1 mutation. Results: We saw no disease modification in Pkd1/XBP1/Ire1α triple or Pkd1/Ire1α double knockout. Application of Toyocamycin, an Ire1α endoribonuclease inhibitor prevented cyst progression in mouse models. In cell models, Toyocamycin reduces cystic cell viability, the inhibitory effect was more prominent in the ADPKD cell model with non-truncating mutation. Our data suggest that Toyocamycin does not act via unspecific effects but specifically suppresses XBP1 splicing and only inhibits the Ire1α endoribouclease activity without affecting the kinase activity nor total Ire1α expression. Conclusion: The reduction of viability of cystic cells due to XBP1 deprivation needs an intact Ire1α kinase domain as simultaneous inactivation did not show a rescue in Pkd1 null background. XBP1 deprivation via an Ire1α endoribonuclease inhibitor reduces the viability of cyst lining cells and prevents cyst growth in mouse models. We demonstrated that Ire1α- XBP1 pathway can act as a modifier of cyst growth in the context of inactivated Polycystin 1, however Ire1α dependent downstream apoptotic pathways in XBP1 deprived cystic cells are still not fully understood. Agents causing XBP1 deprivation can reduce viability of cystic cells via increased apoptosis. Given the need of new ADPKD disease modifying therapies, Ire1α endoribonuclease inhibitors like Toyocamycin are a viable option to consider. We established the baseline for further testing of new Ire1α endoribonuclease inhibitors in the context of ADPKD. Further studies to toxicity as well as studies on human ADPKD models need to be conducted.