In the inner medullary collecting duct (IMCD) cells of the kidney, aquaporin-2 (AQP2) translocates from intracellular vesicles to the apical plasma membrane following hormonal stimulation by arginine-vasopressin (AVP). The membrane insertion facilitates water resorption from tubular fluid (primary urine) and fine-tunes body water homeostasis. AVP binds to the vasopressin type 2 receptors (V2R), initiating an intracellular signaling pathway in which the activation of protein kinase A (PKA) by cyclic adenosine monophosphate (cAMP) leads to the phosphorylation of AQP2, e.g., an increase in serine-256 phosphorylation.
In addition, AVP causes activation of the transcription factor CRE (cAMP responsive element) and increased transcription of the AQP2-encoding gene. While AQP2 transport takes place in seconds, the activation of CRE and transcription takes several hours.
Using in vitro and in vivo models, the present study shows the presence of a third, previously undescribed, mechanism of AQP2 regulation. An increase in cAMP concentration in IMCD cells following stimulation by AVP or Forskolin (FSK), a direct activator of adenylyl cyclases, led to an increase in AQP2 protein abundance by more than 60 percent within 30 minutes.
As a mechanism explaining this observation, the inhibition of proteosomal degradation of AQP2 was identified. The inhibition occurs as a result of AVP-mediated activation of PKA and consequent inhibition of the proteasomal degradation of AQP2. The mechanism is independent of phosphorylation of AQP2 at S256 and of translation and transcription of the AQP2 gene.
Diseases resulting from inadequate water homeostasis leading to either excessive water excretion (diabetes insipidus) or excessive water retention (end-stage congestive heart failure, liver cirrhosis or SIADH (Syndrome of inappropriate antidiuretic hormone)) continue to present many clinical challenges due to a lack of pharmacological treatment options. The findings of this study could aid the development of pharmacological strategies for the treatment of water balance disorders by targeting the metabolism of AQP2.
In den Hauptzellen des Sammelrohres der Nieren (Inner medullary collecting duct IMCD-Zellen) wird Aquaporin-2 (AQP2) unter Kontrolle des antidiuretischen Hormons (Argininvasopressin, AVP) aus intrazellulären Vesikeln in die Zellmembran verlagert und ermöglicht durch Wasserrückresorption aus dem Primärharn die Kontrolle der Wasserhomöostase. AVP bindet hierfür an den AVP-Rezeptor Typ 2 (V2R) und initiiert eine intrazelluläre Signalkaskade, die über das Signalmolekül zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) zu einer Aktivierung der Proteinkinase A (PKA) und Phosphorylierung von AQP2 unter anderem am Serin-Rest 256 (S256) führt. Daneben führt die Aktivierung der cAMP-Signalkaskade zu einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors CRE (cAMP responsive Element). Während die AQP2 Umverteilung innerhalb von Sekunden eintritt, benötigt der zweite Mechanismus Stunden bevor er eine Wirkung entfaltet. In dieser Arbeit kann erstmals sowohl in vitro als auch in vivo ein neuer mittelfristiger Regulationsmechanismus von AQP2 nachgewiesen werden. Bereits 30 Minuten nach Stimulation mit AVP bzw. Forskolin (FSK), einem Reagenz, das die cAMP-Konzentration erhöht, konnte eine mehr als sechzigprozentige Erhöhung der AQP2-Proteinmenge festgestellt werden. Als Mechanismus konnte eine Hemmung des proteosomalen Abbaus identifiziert werden. Die cAMP-vermittelte Aktivierung der PKA ist Teil der Signalkaskade, die zu dieser Wirkung führt, jedoch geschieht dies nicht über eine Phosphorylierung an S256. Weder eine Hemmung der Transkription noch eine Hemmung der Translation heben die Wirkung von AVP und FSK auf. Da eine Hemmung des proteosomalen Abbaus zu einer gleichartigen Vermehrung der Proteinmenge führt, ist zu vermuten, dass AVP und FSK über die Aktvierung der PKA zu einer Hemmung des proteosomalen Abbaus von AQP2 führen. Krankheiten, die mit einer Fehlregulation der Wasserhomöostase in Form von übermäßigem Wasserverlust (Diabetes insipidus) oder übermäßiger Wasserretention wie bei fortgeschrittener Herzinsuffizienz, Leberzirrhose oder dem Syndrom der inadäquaten ADH Sekretion (SIADH) einhergehen, sind nach wie vor eine klinische Herausforderung aufgrund limitierter pharmakologischer Wirkstoffe. Die Erkenntnisse dieser Arbeit könnten in Zukunft die Entwicklung spezifischer Therapeutika ermöglichen, die gezielt in den AQP2-Stoffwechsel eingreifen.
