Analyse fonctionnelle de la polycystine-1 et de son domaine intracellulaire dans le développement de la polykystose rénale autosomique dominante

Abstract

La polykystose rénale autosomique dominante (PKRAD) est la maladie génétique rénale la plus commune touchant 1/500 personnes. Elle se caractérise principalement par la formation de kystes rénaux dans tous les segments du néphron, entraînant l’insuffisance rénale, et par des manifestations extrarénales kystiques (foie, pancréas, rate) et non-kystiques (anomalies cardiaques, vasculaires et cérébrales). Deux gènes, PKD1 et PKD2, sont responsables de 85 et 15% des cas respectivement. Ces gènes encodent les polycystine-1 (PC-1) et -2 (PC-2) qui forment un complexe à la membrane plasmique et ciliaire des cellules épithéliales rénales. PC-1 est une protéine transmembranaire de 4302 acides aminés possédant un court domaine intracellulaire incluant un motif coiled-coil impliqué dans l’interaction entre PC-1 et PC-2 in-vitro. L’importance du coiled-coil est démontrée par des mutations affectant spécifiquement ce motif chez des patients PKRAD. Le mécanisme pathogénétique responsable de la PKRAD est indéterminé. Chez la souris, la PKRAD se développe suite à l’ablation (Pkd1-/-) ou lors de la surexpression (SBPkd1TAG) de Pkd1, ce qui suggère un effet de dosage. Des anomalies ciliaires sont aussi souvent associées à PKRAD. Mon objectif était de déterminer in-vivo le mécanisme pathogénétique de la polycystine-1 dans le développement des symptômes PKRAD rénaux et extrarénaux et plus spécifiquement, le rôle du motif coiled-coil dans le mécanisme de kystogenèse. Pour ce faire, nous avons généré deux constructions, Pkd1 sauvage (Pkd1TAG) et Pkd1 tronquée de son motif coiled-coil (Pkd1ΔCoiled-coil), par recombinaison homologue à partir du BAC-Pkd1 sauvage comprenant la séquence murine entière de Pkd1. Trois lignées de souris Pkd1TAG générées par microinjection démontrent un niveau d’expression de Pkd1 qui corrèle avec le nombre de copie du transgène (2, 5 et 15 copies). Les souris Pkd1TAG reproduisent la PKRAD en développant des kystes rénaux dans toutes les parties du néphron et des cils primaires plus longs que les contrôles non transgéniques. Les analyses physiologiques supportent que les souris Pkd1TAG développent une insuffisance rénale et démontrent une augmentation du volume urinaire de même qu’une diminution de l’osmolalité, de la créatinine et des protéines urinaires. De plus, les souris Pkd1TAG développent des kystes hépatiques, des anomalies cardiaques associées à des dépôts de calcium et des anévrismes cérébraux. La sévérité du phénotype augmente avec l’expression de Pkd1 appuyant l’hypothèse d’un mécanisme de dosage. Nous avons aussi déterminé que l’expression du transgène Pkd1TAG complémente le phénotype létal-embryonnaire des souris Pkd1-/-. D’autre part, nous avons générés 4 lignées de souris Pkd1ΔCoiled-coil (2 et 15 copies du transgène) dont le nombre de copies corrèle avec le niveau d’expression du transgène. Ces souris Pkd1ΔCoiled-coil, contrairement aux Pkd1TAG de même âge, ne développent pas de kystes et possèdent des cils primaires de longueur normale. Afin d’évaluer le rôle du motif coiled-coil en absence de polycystine-1 endogène, nous avons croisé les souris Pkd1ΔCoiled-coil avec les souris Pkd1-/-. Contrairement aux souris Pkd1-/- qui meurent in-utéro, les souris Pkd1ΔCoiled-coil; Pkd1-/- survivent ~10 à 14 jours après la naissance. Elles démontrent des kystes rénaux et pancréatiques sévères, un retard de croissance et des anomalies pulmonaires. Tous les segments du néphron sont affectés. Mon projet démontre que la surexpression de Pkd1 est un mécanisme pathogénique de la PKRAD tant au niveau rénal qu’extrarénal. De plus, il démontre que le motif coiled-coil est un élément déterminant dans la kystogenèse/PKRAD in-vivo.

Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is a common genetic disorder affecting 1:500 people worldwide, independently from sex and origin. ADPKD is characterized by formation of large bilateral kidney cysts affecting all segments of the nephron and increasing progressively in size and number leading to end stage renal failure by mid-fifty. Moreover, this systemic disease includes several extrarenal symptoms such as intracranial aneurysms, valvular defects and cysts formation in the liver and the pancreas. PKD1 and PKD2 genes mutations are involved in 85 and 15 % of the clinical cases. PKD genes encode polycystin-1 (PC-1) and -2 (PC-2), which both form a complex at the cell and ciliary membrane of renal epithelial cells. PC-1 is a large transmembrane protein with a small intracellular tail including a coiled-coil motif implicated in PC-1/PC-2 interaction in-vitro. Interestingly, specific mutations affecting the coiled-coil motif cause ADPKD in humans. The pathogenetic mechanism of ADPKD is unknown. In mice, both ablation (Pkd1-/-) or overexpression (SBPkd1TAG) of Pkd1 cause ADPKD, suggesting a dosage model. Ciliary anomalies are also linked to polycystic kidney disease. Herein, we evaluated in-vivo the role of Pkd1 in the development of renal and extrarenal manifestations of ADPKD and more specifically, the role of the coiled-coil motif in cystogenesis. We generated two constructions, wildtype Pkd1 (Pkd1TAG) and coiled-coil deleted Pkd1 (Pkd1ΔCoiled-coil), by homologous recombination from the wildtype Pkd1-BAC comprising the whole Pkd1 murine sequence. Three Pkd1TAG mice lines have been generated by microinjection and show expression patterns correlating with the copy number of the transgene (2, 5 and 15 copy). All Pkd1TAG mice develop renal cysts affecting all nephron segments as in ADPKD and longer primary cilia compared to wildtype mice. Physiologic analysis supports renal failure by increased urinary output and decreased of urinary proteins, osmolality and creatinin levels. Pkd1TAG mice also show cysts in the liver, cardiac and valvular anomalies associated with calcium deposition and cerebral aneurysms. The severity of the phenotype increased with Pkd1 expression suggesting a dosage model. Importantly, the Pkd1TAG transgene rescue embryonic lethality of Pkd1-/- mice. Furthermore, we generated 4 lines of Pkd1ΔCoiled-coil mice of 2 and 15 copies of the transgene correlating also to the level of expression. Compared to age-matched Pkd1TAG, Pkd1ΔCoiled-coil mice develop no cysts and show normal cilia length. To gain more insights on the role of coiled-coil motif in absence of endogenous Pc-1, we mated Pkd1ΔCoiled-coil with Pkd1-/- mice. Compared to the lethal embryonic Pkd1-/- mice, Pkd1ΔCoiled-coil; Pkd1-/- live ~ 10 to 14 days. They show severe renal and pancreatic cysts as well as growth retardation and pulmonary defects. My study demonstrates that Pkd1 overexpression is a pathogenic mechanism to induce ADPKD renal and extrarenal phenotype. Moreover, this work shows that the coiled-coil motif of polycystin-1 is a critical determinant in ADPKD cystogenesis.