Analysis of Wt1 function using a conditional knock-out mouse model

Sierig, Ralph

The Wilms tumor suppressor protein 1 Wt1 is a zinc-finger transcription factor and essential for the development of several organs including heart, gonads and kidneys. WT1 mutations are associated with a variety of human diseases such as Wilms tumor, a frequent pediatric kidney cancer, as well as Denys-Drash and Frasier syndrome. The latter are characterized by genitourinary malformations and impairment of kidney function. In mammals Wt1 is expressed throughout all stages of kidney development and is specifically required for the onset of kidney formation. Wt1 knock-out mice do not form kidneys and die shortly before birth, most probably due to heart failure. In the adult kidney Wt1 is restricted to a single cell population termed podocytes. This particular cell type forms a major part of the renal filtration barrier. Podocyte defects result in severe kidney malfunction. In this work a conditional knock-out mouse model was generated allowing the deletion of Wt1 specifically in podocyte precursor cells of the developing kidney. Mice with podocyte-specific Wt1 inactivation died 24 hours after birth and showed no signs of urine production (anuria). The number of glomeruli, being the basic filtration units of the kidney, was significantly reduced in newborn animals due to enhanced apoptosis. Electron microscopic analyses of remaining glomeruli revealed the degeneration of podocyte structures (foot-processes) essential for the renal filtration capacity. In addition, proximal tubuli were degenerated to a great extent. Thus, Wt1 is important for podocyte development and functionality. Degeneration of developing podocytes as a consequence of Wt1 inactivation leads to the loss of integral parts of the renal filtration apparatus and to loss of kidney function. To assess the role of Wt1 in the maintenance of podocyte and kidney function a system was used whereby Wt1 deletion can be induced by administration of the drug doxycycline. Podocyte restricted inactivation of the gene in adult mice resulted in severe proteinuria, which was accompanied by a significant reduction in the number of foot-processes. In most cases mice were viable over a short period of time. After four months of continuous doxycycline treatment, however, two out of three mice had died. In this study it was demonstrated for the first time that Wt1 is essential for the maintenance and functional integrity of podocytes in adult mice.

Das Wilms Tumorsuppressorprotein 1, WT1, ist ein Zink-Finger Transkriptionsfaktor, der eine essentielle Rolle in der Entwicklung von Herz, Gonaden, Nieren und anderen Organen spielt. WT1-Mutationen stehen im Zusammenhang mit verschiedenen Erkrankungen des Menschen. Dazu gehören Wilms Tumorerkrankungen, das Denys-Drash- und das Frasier-Syndrom. Wilms Tumore gehören zu den häufigsten Nierentumoren bei Kindern. Die beiden genannten Syndrome sind gekennzeichnet durch urogenitale Fehlbildungen und den Verlust der Nierenfunktion. In Säugetieren wird Wt1 während der gesamten Nierenentwicklung exprimiert und ist vor allem für die Einleitung der Nierenentwicklung von besonderer Bedeutung. Wt1-knock-out-Mäuse bilden keine Nieren und sterben, vermutlich aufgrund von Herzfehlern, kurz vor der Geburt. In der adulten Niere ist die Expression von Wt1 begrenzt auf eine einzige Zellpopulation. Hierbei handelt es sich um die Podozyten, welche einen Hauptbestandteil des renalen Filtrationsapparates darstellen. Podozytendefekte führen zu schweren Nierenfunktionsstörungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein konditionales Wt1-knock-out-Mausmodell generiert, das es ermöglicht, Wt1 ausschließlich in Podozyten-Vorläuferzellen der sich entwickelnden Niere zu inaktivieren. Entsprechende Mäuse starben spätestens 24 Stunden nach der Geburt; Harnausscheidung war zu keinem Zeitpunkt nachweisbar (Anurie). Zudem konnte eine signifikante Reduktion der Nierenkörperchen (Glomeruli) in neugeborenen Mäusen mit podozyten-spezifischer Wt1 Inaktivierung festgestellt werden. Die Nierenkörperchen, in denen unter anderem auch die Podozyten lokalisiert sind, sind verantwortlich für die Ultrafiltration des Blutes und somit für die Primärharnbildung. Mithilfe elektronenmikroskopischer Untersuchungen an noch vorhandenen Nierenkörperchen konnte gezeigt werden, dass Podozyten starken strukturellen Veränderungen unterworfen waren. Dies führte zum Verlust von für die Filtrationsfunktion der Niere essentiellen Strukturen, den sogennannten Fußfortsätzen. Außerdem war eine ausgeprägte Degeneration der proximalen Tubuli evident. Aus diesen Befunden läßt sich schlussfolgern, dass Wt1 ein wichtiger Faktor für die Entwicklung und Funktion von Podozyten ist. Wt1-Deletion in sich entwickelnden Podozyten führt demnach zur Degeneration dieser Zellpopulation und dies wiederum zum Verlust der Nierenfunktion. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle von Wt1 in der Erhaltung und Funktion der Podozyten in adulten Mäusen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein System angewendet, mit dem die Inaktivierung von Wt1 über die Applikation des Antibiotikums Doxyzyklin induziert werden kann. Podozyten-begrenzte Wt1-Deletion in adulten Mäusen führte zur Ausscheidung hoher Proteinmengen mit dem Urin (Proteinurie). Die Podozyten dieser Tiere wiesen eine starke Reduktion der Fußfortsätze auf. Letzteres war vermutlich die Ursache für die Proteinurie. Die Tiere waren über einen kurzen Zeitraum lebensfähig. Nach viermonatiger Doxyzyklin-Behandlung jedoch starben zwei von drei Tieren. Diese Studie konnte demnach zum ersten Mal belegen, dass Wt1 auch für die Erhaltung und funktionelle Integrität der Podozyten in adulten Tieren essentiell ist.

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Sierig, Ralph: Analysis of Wt1 function using a conditional knock-out mouse model. 2010.

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