The physiological role of Nrf2 in diabetic kidney disease

Abstract

La néphropathie diabétique (DN) est l’une des premières causes de maladie rénale en phase terminale (ESKD). L’ESKD est un important facteur de risque d'insuffisance cardiaque et d'accidents vasculaires cérébraux. La dysfonction du système rénine-angiotensine intrarénal (iRAS) est considérée comme étant l'une des principales causes du développement de la DN. Tous les composants du iRAS sont identifiés dans les cellules épithéliales des tubules rénaux proximaux (RPTCs), y compris l'angiotensinogène (Agt), le seul précurseur de toutes les angiotensines. Notre laboratoire a rapporté précédemment que la surexpression spécifique de l’Agt dans les RPTCs provoque l’hypertension, la protéinurie, la fibrose rénale, l’apoptose et des lésions rénales. Nrf2 (Nuclear factor erythroid 2-related factor 2) est un facteur de transcription qui est exprimé de façon abondante dans les RPTCs et a été considéré comme étant un régulateur central de l'équilibre redox dans les réponses cytoprotectrices cellulaires. Le rôle de l’activation du Nrf2 dans la DN, toutefois, est controversé. L’objectif général de cette thèse est de comprendre le rôle physiologique du Nrf2 dans la DN et d’étudier le(s) mécanisme(s) moléculaire(s) de l’action de Nrf2. Premièrement, nous avons démontré que la délétion génétique de Nrf2 ou l’inhibition pharmacologique de Nrf2 avec de la trigonelline chez les souris Akita diabétiques de type 1 régule à la hausse la voie Ace2/MasR et supprime l’expression de Agt/ACE dans les RPTCs, ce qui a pour effet d'atténuer l’hypertension systémique et les lésions rénales. Conformément, dans les cellules immoratalisées de tubule proximal de rat (IRPTC) en culture, la transfection de ARNsi ou le traitement à la trigonelline empêche la régulation positive de Agt/ACE induite par le HG, avec une baisse subséquente de l’expression des gènes Ace2/MasR. Ces données identifient un nouveau mécanisme dans lequel l’activation de Nrf2 stimule l’expression et l’activation des gènes du iRAS, menant au développement de l’hypertension et de la néphropathie dans le diabète. Deuxièmement, nous avons généré des souris Nrf2 transgéniques qui surexprime spécifiquement Nrf2 dans les RPTCs (souris Nrf2RPTC Tg), sous le contôle du promoteur KAP (kidney specific androgen-regulated protein). Nous avons ensuite croisé les souris Nrf2RPTC Tg avec les 6 souris Akita Nrf2-/- pour générer des souris Akita Nrf2-/- /Nrf2RPTC Tg. Nous avons trouvé que la surexpression de Nrf2 dans les RPTCs des souris Akita Nrf2-/- augmentait significativement l’expression du gène SGLT2, entraînant une élévation du glucose sanguin, du taux de filtration glomérulaire, du rapport albumine/créatinine urinaire et de la fibrose tubulo-interstitielle. Dans les cellules tubulaires proximales humaines immortalisées (HK2), le traitement à l’oltipraz ou la transfection de l’ADNc du NRF2 stimule l’expression de l’ARNm du SGLT2 et l’activité de son promoteur. De plus, des tests de retard sur gel et d’immunoprécipitation de chromatine ont montrés que NRF2 se lie au NRF2-RE du promoteur du SGLT2. En outre, une expression plus élevée de NRF2 et SGLT2 est observée dans les RPTCs de reins de patients diabétiques que dans les reins de patients non diabétiques. Ces données ont établi un nouveau mécanisme de la régulation du NRF2 sur l’expression et l’activation du gène SGLT2, menant à une exacerbation du glucose sanguin, de l’hyperfiltration et des lésions rénales dans le diabète. En somme, cette thèse a démontré que le stress oxidatif (hyperglycémie) induisait l’activation du Nrf2 qui stimulait le iRAS et l’expression de SGLT2, contribuant ainsi à la progression de la DN. Ces études suggèrent que le Nrf2 pourrait être une cible thérapeutique potentielle dans le traitement de la DN et pourront fournir de valabless données pré-cliniques pour les essais cliniques en cours avec le bardoxolone méthyle (un activateur de Nrf2).

Diabetic nephropathy (DN) is one of the leading causes of end-stage kidney disease (ESKD). ESKD is a major risk factor for heart failure and stroke. Dysfunction of intrarenal renin angiotensin system (iRAS) is considered as one of the main reasons that caused the DN. All components of the iRAS are identified in the renal proximal tubule cells (RPTCs), including angiotensinogen (Agt), the sole precursor of all angiotensins. Our lab has previously reported that specific overexpression of Agt in RPTCs induces hypertension, proteinuria, kidney fibrosis, apoptosis and kidney injury. Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) is a transcription factor that abundantly expresses in RPTCs and has been considered as a master regulator of redox balance in cellular cytoprotective responses. The role of Nrf2 activation in DN, however, is not clear. The overall aim of this study is to understand the physiological role of Nrf2 in DN and investigate the molecular mechanism(s) of Nrf2 action. First, we have demonstrated that genetic deletion of Nrf2 or pharmacological blockade of Nrf2 with trigonelline in type 1 diabetic Akita mice effectively upregulates Ace2/MasR and suppresses Agt/ACE expression in isolated RPTCs, resulting in attenuation of systemic hypertension and kidney injury. Consistently, in cultured IRPTCs, Nrf2 siRNA transfection or trigonelline treatment prevents high glucose-induced upregulation of Agt/ACE with downregulation of Ace2/MasR gene expression. These data identified a novel mechanism in which Nrf2 activation stimulates iRAS gene expression and activation, leading to the development of hypertension and nephropathy in diabetes. Second, we have generated Nrf2 transgenic mice under the kidney specific androgen regulated protein (KAP) promoter which specifically overexpress Nrf2 in RPTCs (Nrf2RPTC Tg mice). We further crossbred the Nrf2RPTC Tg mice with Akita Nrf2-/- mice to generate Akita Nrf2-/- /Nrf2RPTC Tg mice. We have found that overexpression of Nrf2 in RPTCs of Akita Nrf2-/- mice significantly unregulated sodium-glucose transporter-2 (SGLT2) expression, resulting in elevation of blood glucose, glomerular filtration rate, albumin-creatinine ratio and tubulointerstitial fibrosis. In 8 immortalized human proximal tubular cells (HK2), oltipraz treatment or NRF2 cDNA transfection stimulated SGLT2 mRNA expression and its promoter activity. Furthermore, NRF2 bound to NRF2- RE of SGLT2 promoter were identified by gel mobility shift assay and chromatin immunoprecipitation assay. Moreover, human diabetic kidneys exhibited higher expression of NRF2 and SGLT2 in RPTCs than non-diabetic kidneys. These data established a novel mechanism of NRF2’s regulation on SGLT2, leading to exacerbation of blood glucose, hyperfiltration and kidney injury in diabetes. In summary, this study documented that activation of Nrf2 in hyperglycemia contributed to the progression of DN via regulation of iRAS and SGLT2, suggesting that Nrf2 might be a potential therapeutic target in the treatment of DN.