Diabetes İnsipidus’lu Hastaların Aqp2 Geninde Tanımlanan Mutasyonların Fonksiyonel Analizleri

ABSTRACT FUNCTIONAL ANALYSIS OF MUTATIONS FOUND IN AQP2 GENE OF PATIENTS WITH DIABETES INSIPIDUS TUĞÇE KARADUMAN Master of Philosophy, Department of Biology Supervisor: Prof. Dr. Hatice MERGEN June 2018, 111 pages The water homeostasis in the body is provided by balancing water loss and intake. Arginine vasopressin (AVP, ADH, antidiuretic hormone) is a hormone synthesized in the hypothalamus region of the brain and stored in the posterior part of the pituitary gland to be secreted when stimulated. In Diabetes Insipidus (DI) patients, production and activity of this hormone is reduced. This hormone regulates a vital function by increasing the reabsorption of water in the kidney collecting channel. Once the AVP hormone is secreted, AVP bounds to the arginine vasopressin receptor 2 (AVPR2) which is a transmembrane protein localized on the basolateral membrane of polarized epithelial cells of kidney nephron. AVPR2 is a G protein bound receptor (GPCR). Thus, G protein becomes active and activates adenylate cyclase. As a result, produced cAMP stimulates protein kinase A. Protein kinase A phosphorylates the aquaporin (AQP2) proteins which are present in the cell to enable localization of these proteins in apical membrane in tetramers. Absorption of water from the urine to the kidney cells is ensured through these channels. When the water reabsorption stimulus is over, AQP2 is removed from the membrane by endocytosis. Any pathology that may occur within this control system causes impairment of water homeostasis of the body and generation of DI. AQP2 is a homotetrameric water channel responsible for the reabsorption of water in the kidney's main collecting duct cells. Mutations in AQP2 gene induce nephrogenic DI (NDI), a pathogenic condition in maintaining body water homeostasis, causing excess volume of urine to be produced. There are several hypotheses that have been proven by clinical and experimental observations in the literature regarding the role of these mutations in the pathogenesis of NDI. It has been proven that AQP2 gene mutations generally lead to misfolding of mutant protein or misleading of this protein; It has also been reported that nonfunctional water channels indicate correct membrane targeting. The purpose of this study is to perform functional analysis of A45T, R85X and A147T mutations identified in the AQP2 gene in NDI patients. It is aimed to contribute to the treatment approaches for the development of pharmacological agents which can be more effective in the treatment of the disease through the evaluation of the results obtained from the experimental studies in correlation with the clinical information of the patients. For the purposes of this study; expression vector carrying the wild-type coding AQP2 sequence was provided and appropriate expression vectors containing mutant AQP2 gene sequences were prepared using the site-directed mutagenesis method. Following this process, stable transfection of wild-type and mutant vectors into MDCK cells was performed. Deglycosylation experiments were conducted to investigate the intracellular maturation process of mutant proteins by expression of the vectors in MDCK cells. Cycloheximide analysis was also performed to determine the half-lives of the proteins and the results of both the deglycosylation experiments and the cyclohexamide experiments were evaluated by immunoblot analysis. Immunocytochemical analyses were performed to determine the intracellular traffic of mutant AQP2 proteins. Within the framework of functional analysis studies performed on the Xenopus laevis oocyte expression system of AQP2 gene mutations, oocyte expression vectors containing wild type and mutation were injected into oocyte cells and total membrane and plasma membranes were isolated in order to determine the expression levels of AQP2 protein in oocytes; wild type protein and mutant proteins membrane ratios were compared through immunoblot analysis. To determine the effects of mutant AQP2 proteins on water uptake mechanism, oocyte cells were tested for water permeability. As a result, within the framework of this thesis, all mutant AQP2 proteins showed alteration of function compared to the wild type AQP2. Keywords: Diabetes insipidus, AQP2, functional analysisİÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET i ABSTRACT iv TEŞEKKÜR vii İÇİNDEKİLER ix ÇİZELGELER DİZİNİ xiii ŞEKİLLER DİZİNİ xiiii SİMGELER VE KISALTMALAR xvii 1. GİRİŞ 1 2. GENEL BİLGİ 3 2.1. Vücut Su Dengesi ve Böbrek Su Kanalları 3 2.1.1. Böbrek Su Kanalları 3 2.1.2. Vücuttaki Su Dengesinin Vazopressin ile Regülasyonu 6 2.1.3. Renal AQP2’nin Vazopressin ile Regülasyonu 6 2.1.4. AQP2 Regülasyonunun Hücresel ve Moleküler Mekanizması 8 2.2. Diabetes İnsipidus 11 2.2.1. Nefrojenik Diabetes İnsipidus 13 2.2.2. Konjenital NDI 14 2.2.2.1. X-Bağlantılı NDI ve AVPR2 mutasyonları 16 2.2.2.2. AQP2 Mutasyonları 18 2.2.2.3. Otozomal Çekinik NDI 20 2.2.2.4. Otozomal Baskın NDI 23 2.3. Nefrojenik Diabetes İnsipidus’da Genetik Test Değerlendirmesi 25 2.4. Nefrojenik Diabetes İnsipidus’da AQP2-Temelli Terapötik Yaklaşımlar 25 2.4.1. Fosfodiesteraz İnhibitörleri 25 2.4.1.1. Siklik GMP (cGMP) Yolak Aktivasyonu 25 2.4.1.2. Siklik AMP (cAMP) Yolak Aktivasyonu 26 2.4.2. Statinler 26 2.4.3. Prostaglandinler 27 2.4.4. Isı şoku proteini (Hsp90) 27 3. MATERYAL ve YÖNTEM 28 3.1. Fonksiyon Analizi Gerçekleştirilecek Olan Mutasyonların Belirlenmesi 29 3.2. Hücre Kültürü Çalışmalarında Kullanılan Mutant AQP2 Genini İçeren İfade Vektörlerinin Site-Directed Mutagenez Yöntemi ile Hazırlanması 31 3.2.1. AQP2 Geni Taşıyan İfade Vektörünün Temin Edilmesi 31 3.2.2. Yabanıl AQP2 cDNA Dizisinde Site-Directed Mutagenez Yöntemi ile Çalışılacak Olan Mutasyonların Oluşturulması, Oluşturulan Dizilerin İfade Vektörlerine Aktarılması ve DNA Dizi Analizi Yöntemi ile Doğrulanması 33 3.3. MDCK Hücre Hattı ile Gerçekleştirilen Hücre Kültürü Çalışmaları 43 3.3.1. MDCK Hücrelerinin Üretilmesi 44 3.3.2. Dondurulmuş Hücrelerin Açılması 44 3.3.3. Hücrelerin Pasajlanması 45 3.3.4. Hücrelerin Dondurulması 45 3.3.5. Yabanıl Tip ve Mutant AQP2 Dizilerini İçeren İfade Vektörlerinin MDCK Hücrelerine Stabil Transfeksiyon Protokolü 46 3.4. Forskolin Uygulaması 49 3.5. Deglikozilasyon Deneyleri 50 3.6. Siklohekzimid Analizi 52 3.7. İmmünblot Analizi 53 3.8. Yabanıl ve Mutant Tip Hücrelerde İmmünsitokimyasal Analiz 54 3.9. Xenopus laevis Oosit İfade Sistemi Çalışmaları 56 3.9.1. Xenopus laevis Oosit İfade Sistemi Çalışmalarında Kullanılacak Olan Yabanıl Tip ve Mutant pT7TS-AQP2 Vektörlerinin Hazırlanması 59 3.9.2. Xenopus laevis Oositlerine Enjeksiyonu Gerçekleştirilecek Yabanıl Tip ve Mutant cRNA’ların in vitro Eldesi için Yapılan Çalışmalar 60 3.9.2.1. Yabanıl ve Mutant Tip Oosit İfade Vektörlerinin Doğrusal Hale Getirilmesi (Linearizasyonu) 60 3.9.2.2. Yabanıl ve Mutant Tip Lineer Oosit İfade Vektörlerinin Pürifikasyonu 61 3.9.2.3. Yabanıl ve Mutant Tip cRNA’ların Eldesi/Ekstraksiyonu 62 3.9.3. Xenopus laevis Oositlerinin ve İlgili Besiyerlerinin Temini 64 3.9.4. Xenopus laevis Oositlerine Yabanıl Tip ve Mutant pT7TS-AQP2 Vektörlerinden in vitro Olarak Elde Edilen cRNA’ların Enjeksiyonun Yapılması 64 3.9.5. İmmünblot Analizleri/Xenopus laevis Oositlerinden Total ve Plazma Membranlarının İzole Edilerek, Yabanıl ve Mutant Protein Miktarlarının Karşılaştırılması 66 3.9.6. Su Geçirgenlik Testinin Uygulanması 70 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 72 4.1. Hücre Kültürü Çalışmalarında Kullanılacak Mutant AQP2 İçeren İfade Vektörlerinin Site-Directed Mutagenez Yöntemi ile Hazırlanması 72 4.1.1. AQP2 Geni Taşıyan İfade Vektörü İzolasyonu 72 4.1.2. Yabanıl AQP2 cDNA Dizisinde Site-Directed Mutagenez ile Çalışılacak Olan Mutasyonların Oluşturulması, Oluşturulan Dizilerin İfade Vektörlerine Aktarılması ve Doğrulanması 73 4.2. MDCK Hücre Hattı ile Gerçekleştirilen Hücre Kültürü Çalışmalarına İlişkin Sonuçlar 76 4.2.1. Stabil Transfeksiyon Protokolü Uygulanarak Elde Edilen Hücre Hatlarına İlişkin Görüntüler 76 4.2.2. Yabanıl ve mutant AQP2 protein ifadelerinin, stabil MDCK hücre hattı ve Xenopus laevis ifade sisteminde immünblot analiz sonuçlarının değerlendirilmesinde ön bilgi 78 4.2.3. Forskolin Uygulaması Sonuçları 78 4.2.3.1. Forskolin Uygulama Sonuçlarının Değerlendirilmesi 79 4.2.4. Deglikozilasyon Deney Sonuçları 80 4.2.4.1. Deglikozilasyon Deney Sonuçlarının Değerlendirilmesi 80 4.2.5. Siklohekzimid Analizi Sonuçları 81 4.2.5.1. Siklohekzimid Analizi Sonuçlarının Değerlendirilmesi 83 4.2.6. Yabanıl ve Mutant Tip Hücrelerde İmmünsitokimyasal Analiz Sonuçları 83 4.2.6.1. Yabanıl ve Mutant Tip Hücrelerde İmmünsitokimyasal Analiz Sonuçlarının Değerlendirilmesi 84 4.3. Xenopus laevis Oosit İfade Sistemi Çalışmalarında Kullanılacak Olan Yabanıl Tip ve Mutant pT7TS-AQP2 Vektörlerinin Hazırlanmasına İlişkin Sonuçlar 85 4.4. Xenopus laevis Oositlerine İnjeksiyonu Gerçekleştirilecek Yabanıl Tip ve Mutant cRNA’ların in vitro Eldesi için Yapılan Çalışma Sonuçları 88 4.4.1. Yabanıl ve Mutant Tip Oosit İfade Vektörlerinin Linearizasyon Sonuçları 88 4.4.2. Yabanıl ve Mutant Tip cRNA’ların Eldesi/Ekstraksiyonu 88 4.4.3. İmmunblot Analiz Sonuçları/Xenopus laevis Oositlerinden Total ve Plazma Membranlarının İzole Edilerek, Yabanıl ve Mutant Protein Miktarlarının Karşılaştırılmasına İlişkin Veriler 89 4.4.3.1. Xenopus laevis Oosit İfade Sistemi İmmunblot Analiz Sonuçlarının Değerlendirilmesi 91 4.4.4. Su Geçirgenlik Testine İlişkin Sonuçlar 91 4.4.4.1. Su Geçirgenlik Testine İlişkin Sonuçların Değerlendirilmesi 94 KAYNAKLAR 100 ÖZGEÇMİŞ 112ÖZET DİABETES İNSİPİDUS’LU HASTALARIN AQP2 GENİNDE TANIMLANAN MUTASYONLARIN FONKSİYONEL ANALİZLERİ Tuğçe KARADUMAN Doktora, Biyoloji Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Prof. Dr. Hatice MERGEN Haziran 2018, 111 sayfa Vücutta su homeostazı, su alımı ve kaybının dengede olması ile sağlanır. Diabetes insipidus (DI) hastalarında yapımı ve etkisi azalmış olan arjinin vazopressin, (AVP, ADH, antidiüretik hormon) beynin hipotalamus bölgesinde sentezlenen ve hipofiz bezinin arka bölümünde depolanarak uyarılma durumunda salgılanan bir hormondur. Bu hormon, böbrek toplama kanalındaki suyun geri emilimini artırarak, hayati fonksiyona sahip olan bir düzenleme gerçekleştirmektedir. AVP hormonu salgılandıktan sonra, böbrek nefronlarının polarize epitel hücrelerinin bazolateral membranında lokalize bir transmembran protein olan arjinin vazopressin reseptör 2’ye (AVPR2) bağlanır. AVPR2, bir G protein bağlı reseptördür (GPCR). Bu şekilde G proteini aktive olur ve adenilat siklazı aktive eder. Sonuçta, oluşan cAMP, protein kinaz A’yı stimüle eder. Protein kinaz A, hücre içerisinde bulunan aquaporin su kanalı (AQP2) proteinlerini fosforilleyerek onların tetramerler halinde apikal membrana yerleşimlerini sağlar. Bu kanallar vasıtasıyla suyun idrardan böbrek hücrelerine geçişi sağlanır. Su geri emilimi uyarısı sona erdiğinde, AQP2 endositoz ile membrandan uzaklaştırılır. Bu kontrol sistemi içerisinde oluşabilecek herhangi bir patoloji vücudun su homeostazının bozulmasına ve DI gelişimine neden olur. AQP2, böbrek ana toplayıcı kanal hücrelerinde, suyun geri emiliminden sorumlu olan homotetramerik bir su kanalıdır. AQP2 genindeki mutasyonlar, fazla hacimde idrar üretilmesine neden olarak, vücut su homeostazının sağlanma sürecinde patojenik bir durum olan nefrojenik DI’yi (NDI) indüklemektedir. Bu mutasyonların NDI patogenezindeki rolü için literatürde yer alan klinik ve deneysel gözlemlerle kanıtlanmış çeşitli hipotezler vardır. AQP2 gen mutasyonlarının genelde mutant proteinin yanlış katlanmasına ya da bu proteinin yanlış hedeflenmesine yol açtığı tespit edilmiş olmakla birlikte; işlevsel olmayan su kanallarının, doğru membran hedeflemesi gösterdiği de bildirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, NDI tanısı konmuş hastaların AQP2 geninde grubumuz tarafından tanımlanmış olan A45T, R85X ve A147T mutasyonlarının fonksiyon analizlerini gerçekleştirmektir. Bu amaç kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda; yabanıl tip kodlayıcı AQP2 dizisi taşıyan ifade vektörü temin edilmiş, site-directed mutagenez yöntemi kullanılarak mutant AQP2 gen dizilerini içeren uygun ifade vektörleri hazırlanmıştır. Bu süreci takiben, yabanıl tip ve mutant vektörlerin MDCK hücrelerine stabil transfeksiyonu gerçekleştirilmiştir. Vektörlerin MDCK hücrelerinde ifadesi sağlanarak, mutant proteinlerin hücre içi olgunlaşma sürecinin karakterizasyonun araştırılması için deglikozilasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca proteinlerin yarı-ömürlerinin belirlenmesi amacıyla, siklohekzimid analizi yapılmış ve hem deglikozilasyon deneyleri hem de siklohekzimid deneylerine ait sonuçlar immünblot analizi ile değerlendirilmiştir. Mutant AQP2 proteinlerinin hücre içi trafiğinin belirlenmesi için immünsitokimyasal analizler gerçekleştirilmiştir. AQP2 gen mutasyonlarının Xenopus laevis oosit ifade sisteminde gerçekleştirilecek fonksiyon analiz çalışmaları kapsamında ise, yabanıl tip ve mutasyonu bulunduran oosit ifade vektörlerinden elde edilen cRNA’ların oosit hücrelerine injeksiyonu gerçekleştirilerek, AQP2 proteininin oositlerde ifade düzeylerini tespit edebilmek için total membran ve plazma membranları izole edilmiş, yabanıl tip protein ile mutant proteinlerin membranlardaki oranları immünblot analizi ile karşılaştırılmıştır. Mutant AQP2 proteinlerinin su alım mekanizması üzerine etkilerinin belirlenmesi için oosit hücrelerine su geçirgenliği testi uygulanmıştır. Sonuç olarak tez kapsamında, çalışılan tüm mutant proteinlerin MDCK hücreleri ve Xenopus laevis oosit ifade sisteminde yabanıl tipe göre farklı oranlarda fonksiyon değişikliği gösterdiği belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Diabetes insipidus, AQP2, Fonksiyonel anali