Functional analysis of the anion exchanger 1 by knock in mouse models

Mumtaz, Rizwan

The kidney is one of the homeostatic regulators in the human body to maintain electrolyte and acid-base balance. An imbalance in acid-base regulation can lead to serious pathophysiological conditions. Possible reasons for a disturbed pH homeostasis are defects in genes encoding the transport proteins of the kidney. Mutations in the gene encoding the anion exchanger 1 (SLC4A1, AE1) is one of the genes that has been shown to cause distal renal tubular acidosis. During this study I have generated the first knock-in (KI) mouse models for autosomal dominant distal renal tubular acidosis (dRTA). These two independent knock-in (KI) mouse models, R607H and L919X, correspond to the human mutations R589H and R901X, respectively. No morphological and anatomical differences were observed in KI mice compared to WT littermates. In contrast, the established KI mouse models exhibit a renal acid secretion defect in steady state conditions which was also observed during a classical acid loading test. These observations were made on consecutive days while mice were housed in metabolic cages over a period of one week to measure urine pH and electrolytes. The blood gas analysis showed no significant differences in both KI mice compared to WT littermates. Human Patients with these mutations also show dRTA with lower blood pH and bicarbonate levels. A significant reduction of Ae1 expression levels was observed in cortical collecting ducts (CCD) of KI mouse kidneys by immunohistochemical analysis. The reduction in the protein expression is possibly due to the dominant negative effect of the mutations. The decrease in protein expression levels in KI kidney was validated by western blotting. Quantification of the transcript levels in the KI kidney tissues did not support a decrease in mRNA levels due to nonsense medicated mRNA decay. Thus, post-transcriptional effects are responsible for the decrease in Ae1 protein levels and account for dRTA. In summary, both KI mouse models provide valuable tools to further elucidate the pathomechanisms of AE1-related dRTA.

Die Niere ist ein wichtiger Regulator der Homöostase des Elektrolyt-und Säure-Base-Haushalts. Störungen dieser Homöostase sind mit schwerwiegenden klinischen Folgen für die betroffenen Patienten verbunden. Eine der Ursachen einer gestörten pH-Regulation sind Defekte in verschiedenen Ionentransportern, die eine wichtige Rolle in der Regulation des Säure-Base-Haushalts spielen. Ein prominentes Beispiel für einen solchen Defekt sind Mutationen im SLC4A1-Gen, das für den Anionenaustauscher AE1 kodiert. Veränderungen im SLC4A1-Gen führen zum klinischen Bild der distalen renal-tubulären Azidose (dRTA). Im Rahmen meiner Dissertation habe ich die ersten Knockin-Mauslinien (KI) für das Slc4a1-Gen zum Studium des Pathomechanismus der autosomal-dominanten dRTA hergestellt. Es wurden durch homologe Rekombination zwei unabhängige Mauslinien generiert, bei denen die Missense-Mutation R607H in das Slc4a1-Gen eingefügt wurde (diese entspricht der humanen Mutation R589H), sowie im zweiten Fall die Nonsense-Mutation L919X (diese entspricht der humanen Mutation R901X bei Patienten mit dRTA). Die jeweiligen heterozygoten KI-Mäuse wiesen keine offensichtlichen morphologischen Unterschiede im Vergleich zu ihren Wildtyp-Geschwistertieren auf. Daraufhin erfolgte eine Analyse des Säure-Base- sowie Elektrolythaushalts der Mäuse im Rahmen einer Versuchsreihe im metabolischen Käfig. Interessanterweise zeigte sich bei heterozygoten KI-Tieren beider Linien ein massiver Säuresekretionsdefekt, der sowohl unter Ruhebedingungen als auch nach Säurebelastung der Tiere nachweisbar war. Die Blutgasanalyse zeigte demgegenüber keine signifikanten Unterschiede zwischen KI- und Vergleichstieren. Diese Ergebnisse decken sich mit den laborchemischen Befunden von Patienten mit dRTA. Auf zellulärer Ebene konnte in beiden Linien eine signifikante Reduktion des Expressionsniveaus von Ae1 im kortikalen Sammelrohr heterozygoter KI-Tiere durch immunhistochemische Analysen nachgewiesen werden. Die Abnahme der Expression konnte durch Western-Blot Analysen bestätigt werden. Im Gegensatz dazu ergab die Quantifizierung der Ae1-Transkriptmenge in der Niere keine Abnahme der mRNA-Menge von Slc4a1. Somit scheinen posttranskriptionale Effekte für die Abnahme der Ae1-Proteinmenge und somit der dRTA verantwortlich zu sein. Zusammenfassend ist es im Rahmen der Dissertation gelungen, zwei Tiermodelle herzustellen und zu charakterisieren, die zum Verständnis des Pathomechanismus der AE1-assoziierten distal renal-tubulären Azidose beitragen.

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Mumtaz, Rizwan: Functional analysis of the anion exchanger 1 by knock in mouse models. 2012.

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