Regulation of components of the renin angiotensin system and the water channel AQP1 in the proximal tubule of the kidney

Die Niere bewältigt eine Vielzahl epithelialer Transportvorgänge, zu denen sowohl Endozytoseschritte als auch der kanalgesteuerte Transport von Wasser, Ionen, Peptiden und weiteren Verbindungen gehören. Fehlleistungen in deren Funktionen spielen im proximalen Tubulus der Niere eine herausragende Rolle und können mit der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen zusammenhängen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei wesentlichen regulatorischen Leistungen hierzu: (1) mit der Funktion der Endozytose am Beispiel des lokalen Renin-Angiotensin Systems (RAS), und (2) mit der Kanalfunktion am Beispiel des Wasserkanals Aquaporin 1 (AQP1) in den Abschnitten des proximalen Tubulus. Die Komponenten des RAS haben renale und systemische Ursprünge. Die Funktion einer eigenständigen, renalen Kaskade der RAS-Komponenten wird diskutiert. Hohe renale Spiegel des Effektorpeptids Angiotensin II sind bekannt. Eine Hypothese der Arbeit war, dass die Analyse der lokalen Verteilung von RAS-Komponenten, ihrer Biosynthese und ihrer zellulären Wege Aufschluss über die Rolle des lokalen RAS in der Niere geben kann. Im Fokus stand insbesondere der Dualismus zwischen Biosynthese und endozytotischer Aufnahme der Komponenten. Renin und Angiotensinogen fanden sich in den frühproximalen Abschnitten endosomal und lysosomal gespeichert. Für Angiotensinogen wurde der Nachweis, dass es aus dem Filtrat aufgenommen und lokal gespeichert wird, über Radioaktivmarkierung geführt. Für Renin war dieser Vorgang bereits belegt. Angiotensinogen wurde weiterhin als Ligand des Endozytoserezeptors Megalin definiert, der für seine frühproximale Endozytose essenziell ist. Die Biosynthese von Angiotensinogen wurde jedoch ortsversetzt, im sich an das frühproximale Konvolut anschließenden geraden Teil des proximalen Tubulus, nachgewiesen, so dass seine lokale Speicherung und Synthese offenbar nicht direkt zusammenhängen. Zusätzliche Information lieferte ein transgenes Rattenmodell, das über den endogenen Promoter Human-Angiotensinogen überexprimiert; auch hier wurde die (verstärkte) Human-Angiotensinogen-mRNA Expression nur spätproximal detektiert. Die lokale Reninsynthese der proximalen Epithelien war hingegen nicht nachweisbar. Ein Ansatz, in dem die Transzytose von Angiotensinogen quantifiziert wurde, zeigte, dass 5% des luminal angebotenen Angiotensinogens nach einer Stunde auf der interstitiellen Seite nachweisbar war. Angiotensin- konvertierendes Enzym (ACE) fand sich in der Bürstensaummembran spätproximaler Abschnitte, während ACE2 im gesamten proximalen Nephron exprimiert war. Beide Enzyme unterschieden sich auch in ihrer Oberflächenexpression abhängig von der Endozytoseaktivität. Zusammengenommen haben diese Daten neues Detail zur Funktion des RAS belegt. Wichtige Informationen für die experimentelle Funktionsanalyse eines möglicherweise in der Niere eigenständig arbeitenden RAS stehen damit zur Verfügung. In einer zweiten Hypothese zur regulatorischen Rolle proximal-tubulärer Parameter wurde die Funktion von AQP1 untersucht. Hintergrund ist die Leistung des proximal-tubulären Epithels, zur glomerulo- tubulären Balance (GTB) beizutragen. Im Abgleich zwischen glomerulärer Filtration und tubulärer Resorption sind hier Anpassungsvorgänge bekannt. Konkret wurde die Hypothese untersucht, ob eine Regelung von AQP1 bei unterschiedlichen tubulären Flussgeschwindigkeiten im Sinn der GTB beobachtet werden kann. An sich war bisher angenommen gewesen, dass AQP1 in der Bürstensaummembran konstitutiv exprimiert ist. Zuerst wurde hier gezeigt, dass die Oberflächenexpression von AQP1 endozytoseabhängig geregelt wird, indem bei Fortfall dieser Funktion eine starke Akkumulation von AQP1 in der Bürstensaummembran beobachtet wurde. In isolierten proximalen Tubuli der Mausniere und in Zellkultur wurden dann die Einflüsse veränderter Flussgeschwindigkeiten des Ultrafiltrates auf die AQP1 Expression modellhaft untersucht. Bei erhöhter Flussgeschwindigkeit des Filtrates konnte eine erhöhte AQP1-Oberflächenexpression sowie auch eine verstärkte Wasserpermeabilität des Epithels beobachtet werden. cGMP- und cAMP-Gabe hatten gleichsinnige Effekte. Diese Resultate gelten - soweit definiert - für den gesamten proximalen Tubulus und weisen darauf hin, dass regulatorische Prozesse den transepithelialen Wassertransport durch AQP1 im proximalen Tubulus im Sinn der GTB steuern können. Beide Teile der Arbeit zeigen, zusammengenommen, neue regulatorische Aspekte der epithelialen Transportleistung des proximalen Tubulus. Im ersten Teil wird die Möglichkeit einer Steuerung durch das RAS im Sinn einer nach Abschnitten des Tubulus gestuften Aufteilung der Kaskade beschrieben. Im zweiten Teil wird anhand des Wasserkanals AQP1 gezeigt, wie eine geregelte Translokation des Kanals unter veränderten Flussbedingungen zur GTB beitragen kann. Schnittstellen beider Projektteile sind die zellulären Wege, ihre Strukturkorrelate, und spezifische Expressionsmuster des proximalen Tubulus, die diese Leistungen ermöglichen.Kidney function includes pivotal epithelial transport mechanisms, including endocytosis of glomerular filtered proteins and the retrieval of water and peptides from the ultrafiltrate. Impairment of proximal tubule endocytosis and transport capacity leads to severe constrictions of body fluid and electrolyte homeostasis, which serves as a pathogenic model for the development of cardiovascular disease. In this present study, two major regulatory mechanisms are elucidated: (1) the role of endocytosis linked to the local renin angiotensin system (RAS), and (2) function of the water channel aquaporin 1 (AQP1) in the proximal tubule. RAS components are of renal and systemic origin. The existence of a local renin angiotensin system of the kidney has been established, and high concentrations of luminal angiotensin II have been found in the proximal tubule. A central thesis of this study was to get further understanding of local RAS function by analysing the distribution, endocytosis, transcytosis and biosynthesis of relevant RAS components in the proximal tubule, focussed on the dualism between local synthesis and endocytotic uptake of the renin substrate angiotensinogen (AGT). Storage of immunoreactive renin and AGT could be found in endosomal and lysosomal compartments, restricted to early proximal tubule sections (i.e. proximal convoluted tubule). Cellular uptake and intracellular storage of AGT was demonstrated by autoradiography of radiolabeled AGT and depended on intact endocytosis. Proximal tubule handling of renin largely followed the patterns of AGT, whereas its local biosynthesis was not significant, as it has been shown earlier. AGT was identified as a ligand of the multiple ligand-binding repeats of megalin, which is essential for its retrieval from the ultrafiltrate. In contrast to this, local AGT biosynthesis was restricted selectively to the latter parts of the proximal tubule (i.e. proximal straight tubule), indicating that local expression of AGT protein is derived from circulation and is not necessarily linked to local biosynthesis. Analysis of transgenic rats, overexpressing human AGT under the control of an endogenous promoter, also clearly demonstrated restriction of local AGT biosynthesis to the straight proximal tubule. Transcytotic transport of AGT in a proximal tubule cell line revealed a 5% recovery rate after 1h. Angiotensin-converting enzyme (ACE) was mainly expressed in brush border membranes (BBM) of late proximal tubule sections, whereas angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) was present along the entire segment of the proximal tubule. Both enzymes likely differed in cell surface expression due to the function and capacity of endocytosis, as revealed here by a transgenic mouse model with a deficiency in megalin expression. These data on the localization and cellular processing of RAS components provide new aspects of the functional concept of a “self- contained” renal RAS. In a second part of this study, proximal tubule handling of AQP1 was analyzed. With respect to glomerular filtration and tubular reabsorption capacity, proximal tubule function occurs in a dynamic manner, which is explained by the model of glomerulo-tubular balance (GTB) by Schnermann et al. In detail, luminal expression of AQP1 was investigated by the influence of fluid shear stress at increased tubular flow rates in proximal tubules. As a major finding AQP1 was shown to redistribute through the endosomal compartment with a more pronounced expression in the BBM of proximal tubule cells that harbour a compromised membrane protein trafficking machinery, displayed by megalin deficiency in a transgenic mouse model. In isolated perfused proximal tubuli of mice kidney, high tubular perfusion rates significantly increased luminal AQP1 expression. In a proximal tubule cell line (Opossum kidney cells), stably transfected with AQP1, luminal shear stress and the second messengers cGMP and cAMP also increased cell surface expression of AQP1 and augmented cellular uptake of radiolabeled water. These findings suggest the existence of regulatory pathways for AQP1 expression and AQP1 mediated water reabsorption linked to the GTB. Both parts of this study display new regulatory aspects of proximal tubule function. The first part elucidates differential expression patterns of local RAS components according to (i) proximal tubule segments and (ii) the integrity of epithelial endocytosis. The second part illustrates that luminal translocation of AQP1, depending on fluid shear stress at increased tubular flow rates, contributes to GTB