Role of planar cell polarity gene vangl2 in kidney development and disease

The Planar Cell Polarity (PCP) signaling pathway is crucial for tissue morphogenesis. Vangl2 protein is central in the PCP pathway: its loss is embryonic lethal causing neural tube defects in mice and humans. In the kidney, PCP signaling is thought to be important for the organization of glomerular epithelial cells, podocytes, along the glomerular basement membrane. Podocyte cell protrusions, foot processes (FPs), are critical for kidney filtration functions; loss of FP architecture results in proteinuria and, in severe cases, focal segmental glomerulosclerosis (FSGS). Additionally, an effect of PCP pathway on podocyte shape, actin rearrangement and cell motility was previously described. We, therefore, hypothesized that the PCP pathway may be critical for glomerular development and function. We first characterized the Vangl2 expression pattern in developing mouse kidneys and showed that Vangl2 is dynamically expressed in developing glomeruli. To examine whether loss of Vangl2 affects podocyte differentiation and glomerular functions, we created a conditional podocyte-specific Vangl2 knockout mouse (V2-POD). V2-POD E17.5 embryos exhibit a delayed maturation of glomeruli compared with controls. In adult mice, we detected significantly smaller glomeruli, yet filtration functions remained unaffected. However, when challenged with a nephrotoxic agent, V2-POD mice displayed an exacerbated degree of both acute and long-term glomerular injury indicating a function of Vangl2 in both glomerular development and disease (described in Chapter 2).To ascertain the mechanism behind PCP signaling in podocytes, we used both in vivo and in vitro settings (described in Chapter 3). In a Looptail mouse with a ubiquitous germ-line mutation of Vangl2 gene, we detected a profound disruption of renal morphology and glomerular developmental delay. In cultured immortalized human podocytes, stimulation of the PCP pathway with the PCP ligand, Wnt5a, leads to nephrin internalization via clathrin-mediated endocytosis. Furthermore, nephrin does not appear to be targeted for degradation, but rather is held in endocytic vesicles upon stimulation of the PCP signaling. Based on our present and published observations, we propose that the PCP pathway functions to a) regulate proper actin rearrangement in podocyte FPs during glomerular development and maintenance and b) to mediate endocytosis of certain cell adhesion proteins that is important for proper podocyte differentiation. In summary, we uncovered that Vangl2 plays an important role in glomerular development and maintenance. Loss of Vangl2 leads to various defects in kidney morphogenesis and significantly impairs glomerular recovery after glomerular injury. Our work has implicated the PCP pathway as an important regulator of kidney development and function.La voie de signalisation de polarité des cellules planaires (PCP) est cruciale pour la morphogenèse des tissus. La protéine Vangl2 est un élément de premier plan de cette voie de signalisation : l'absence de Vangl2 résulte en des anomalies du tube neural chez l'Être Humain et la souris menant ainsi à la mort de l'organisme dès la phase embryonnaire. Au niveau du rein, on pense que la voie de signalisation PCP est importante pour l'organisation des podocytes (les cellules épithéliales glomérulaires) le long de la membrane basale glomérulaire. Les pédicelles de podocytes (des saillies de cellules épithéliales glomérulaires) sont indispensables afin que le rein assume ses fonctions de filtration : un défaut au niveau des pédicelles de podocytes aboutit à la protéinurie et même, dans des cas plus graves, à la glomérulosclérose segmentaire focale. On a précédemment rapporté que la voie de signalisation de PCP a une influence sur la morphologie des podocytes, sur leur motilité et sur le réarrangement de l'actine. On peut donc émettre l'hypothèse suivante : La voie de signalisation de PCP est critique au développement et au fonctionnement glomérulaire. Nous avons d'abord caractérisé le profil d'expression de Vangl2 dans des reins de souris en phase de développement puis nous avons démontré que l'expression de Vangl2 dans les glomérules est «dynamique». Pour déterminer si l'absence de vangl2 affecte la différenciation des podocytes et les fonctions glomérulaires, nous avons confectionné une souris Vangl2 knockout spécifique aux podocytes (V2-POD). À E17,5 embryonnaire, les glomérules de V2-POD connaissent un retard de maturation comparé aux souris contrôles. Chez les souris V2-POD adultes, bien qu'on y observe des glomérules d'une taille significativement plus petite que celles des souris contrôles, les fonctions de filtration glomérulaire ne sont pas affectées. Cependant, lorsque l'on induit des lésions glomérulaires chez ces mêmes souris, on remarque une exacerbation des dommages aux glomérules chez les souris V2-POD, que ces dommages soient aigües ou causées graduellement au cours du temps. Cela nous indique que Vangl2 joue un rôle dans le développement normal des glomérules (décrit au chapitre 2). Pour établir le mécanisme derrière la voie de signalisation de PCP chez les podocytes, l'étude a été faite in vivo et in vitro (comme décrit au chapitre 3). Chez la souris à queue en boucle (Looptail mouse) caractérisée par une mutation germinale ubiquitaire de Vangl2, on a noté une importante perturbation de la morphologie des reins et un décalage du développement glomérulaire (plus lent). Dans des podocytes humains immortalisés mis en culture, la stimulation de la voie de signalisation de PCP avec le ligand de PCP Wnt5a mène à une internalisation de néphrine par endocytose induite par la clathrine. Outre, il semblerait que la néphrine soit restée prisonnière d'une vésicule d'endocytose plutôt que d'être dégradée suite à la stimulation de signalisation PCP. En se fondant sur les observations nouvelles et celles de nos publications précédentes, on suggère que la voie de signalisation de PCP a pour fonction: a) de réguler le réarrangement d'actine dans les pédicelles de podocytes pendant le développement et l'entretien glomérulaire; b) d'induire l'endocytose de certaines protéines d'adhésion importantes pour la différentiation normale des podocytes. En conclusion, Vangl2 joue un rôle important dans le développement et l'entretien glomérulaire. La perte de Vangl2 se traduit par de nombreux défauts dans la morphogenèse rénale et par une détérioration significative de l'aptitude de régénérescence des glomérules suite aux lésions qui leur sont causées. Notre travail sous-tend que la voie de signalisation PCP est un régulateur des développements et fonctionnement rénaux