Modulation of the aquaporin-2 localization in renal principal cells
implications for the treatment of water balance disorders
Baltzer, Sandrine Marina
In response to the antidiuretic hormone arginine-vasopressin (AVP), inducing elevated levels of the second messenger 3’,5’-cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and the activation of the cAMP-dependent protein kinase (protein kinase A, PKA), the water channel aquaporin-2 (AQP2) is redistributed from intracellular vesicles into the plasma membrane of renal collecting duct principal cells. Its insertion into the plasma membrane induces the water reabsorption from primary urine and fine-tunes body water homeostasis. Dysregulation of this process causes or is associated with water balance disorders, such as diabetes insipidus (DI) (Olesen and Fenton, 2021; Christ-Crain and Gaisl, 2021). The mechanisms which control the AQP2 localization are not completely understood.
The main part of this thesis describes the discovery of a hitherto unknown role of aurora kinase A (AURKA) in the control of the AQP2 localization. Two AURKA-selective inhibitors, aurora-A inhibitor I and alisertib, inhibited the cAMP-dependent AQP2 redistribution in two cell models by effects on the actin cytoskeleton. Novel derivatives of aurora-A inhibitor I provided insights into the structure–activity–relationship (SAR) of the inhibitor. Filamentous (F-) actin containing stress fibers can either serve as transport tracks for AQP2-bearing vesicles en route to the plasma membrane (Nedvetsky et al., 2007; Sasaki, Yui and Noda, 2014) or as a physical barrier by blocking the vesicles’ access to the plasma membrane (Klussmann et al., 2001; Tamma et al., 2001; Simon et al., 1993). Aurora-A inhibitor I induced the depolymerization of the actin transport tracks by activating the actin-depolymerizing protein cofilin-1 (CFL1). In contrast, alisertib promoted the formation of the actin barrier. Alisertib did not affect the CFL1 activity and must thus control the actin cytoskeleton and the AQP2 localization via different mechanisms.
The second part builds on published work on the antimycotic drug fluconazole, which elicits antidiuretic effects by inducing the AQP2 redistribution to the plasma membrane of renal principal cells in the absence of AVP (Vukićević et al., 2019). The antimycotic drug tebuconazole was identified as another interesting candidate to modulate the AQP2 localization, which is of potential interest for treating certain forms of DI.
In the third part, the molecular phenotype of a novel heterozygous mutation of the AQP2 gene, causing autosomal dominant nephrogenic DI (NDI), was characterized. The mutation led to an intracellular retention of AQP2 and an increase in the complex glycosylation of the protein.
This thesis contributes to a better understanding of the molecular mechanisms underlying the AVP-induced AQP2 redistribution. Further, it opens new perspectives for the treatment of water balance disorders with modulators of the AQP2 localization.
In Antwort auf das antidiuretische Hormon Arginin-Vasopressin (AVP), welches den Anstieg des Second Messengers 3’,5’-zyklischen Adenosinmonophosphat (cAMP) und die Aktivierung der cAMP-abhängigen Proteinkinase (Proteinkinase A, PKA) bewirkt, wird das Wasserkanalprotein Aquaporin-2 (AQP2) von intrazellulären Vesikeln in die Plasmamembran der Hauptzellen des renalen Sammelrohrs umverteilt. Seine Insertion in die Plasmamembran induziert die Wasserrückresorption aus dem Primärharn und dient der Feinregulation der Wasserhomöostase im Körper. Die Fehlregulation dieses Prozesses ist Ursache von oder assoziiert mit Störungen des Wasserhaushalts, wie z.B. dem Diabetes insipidus (DI) (Olesen and Fenton, 2021; Christ-Crain and Gaisl, 2021). Die Mechanismen, die der Kontrolle der AQP2-Lokalisation dienen, sind noch nicht vollständig aufgeklärt.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschreibt die Entdeckung einer bislang unbekannten Rolle der Aurorakinase A (AURKA) in der Kontrolle der AQP2-Lokalisation. Zwei AURKAselektive Inhibitoren, Aurora-A inhibitor I und Alisertib, inhibierten die cAMP-abhängige AQP2-Umverteilung in zwei Zellmodellen durch Effekte auf das Aktin-Zytoskelett. Neuartige Derivate von Aurora-A inhibitor I ermöglichten Einblicke in die Struktur–Wirkungs–Beziehung (SAR) des Inhibitors. Filamentöses (F-) Aktin-enthaltende Stressfasern können entweder als Transportschienen für AQP2-tragende Vesikel auf dem Weg zur Plasmamembran dienen (Nedvetsky et al., 2007; Sasaki, Yui and Noda, 2014) oder aber als physische Barriere den Zugang der Vesikel zu der Plasmamembran blockieren (Klussmann et al., 2001; Tamma et al., 2001; Simon et al., 1993). Aurora-A inhibitor I induzierte die Depolymerisierung der Aktin-Transportschienen, indem es das Aktin-depolymerisierende Protein Cofilin-1 (CFL1) aktivierte. Im Gegensatz dazu förderte Alisertib die Bildung der Aktin-Barriere. Alisertib beeinflusste nicht die CFL1-Aktivität, weshalb davon ausgegangen werden muss, dass es das Aktin-Zytoskelett und die AQP2-Lokalisation durch andere Mechanismen kontrolliert.
Der zweite Teil baut auf publizierten Erkenntnissen über das Antimykotikum Flukonazol auf, welches antidiuretische Effekte aufweist, indem es die AQP2-Umverteilung in die Plasmamembran renaler Hauptzellen unabhängig von AVP induziert (Vukićević et al., 2019). Das Antimykotikum Tebukonazol wurde als weiterer interessanter Kandidat für die Modulation der AQP2-Lokalisation identifiziert. Dies ist von potentiellem Interesse für die Behandlung bestimmter Formen von DI.
Im dritten Teil wurde der molekulare Phänotyp einer neuen heterozygoten AQP2-Genmutation charakterisiert, welche Ursache für einen autosomal dominanten nephrogenen Zusammenfassung XDI (NDI) ist. Die Mutation führte zu einer intrazellulären Retention von AQP2 und einer Erhöhung der komplexen Glykosylierung des Proteins.
Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen bei, denen die AVP-vermittelte AQP2-Umverteilung unterliegt. Darüber hinaus eröffnet sie neue Perspektiven für die Behandlung von Störungen des Wasserhaushalts mithilfe von Modulatoren der AQP2-Lokalisation.
