Inhibition of the poly-ADP-ribosylation activity of tankyrases : role in obesity, diabetes and kidney injury

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7287-7
Title: Inhibition of the poly-ADP-ribosylation activity of tankyrases : role in obesity, diabetes and kidney injury
Author: Kuusela, Sara
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Department of Pathology
Doctoral Programme in Biomedicine
Research program for Clinical and Molecular Metabolism
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-06-11
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7287-7
http://hdl.handle.net/10138/329829
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Background: Type 2 diabetes is characterized by hyperglycemia and insulin resistance, and apart from genetic susceptibility to the disease, its major risk factor is obesity. Diabetic kidney disease is a common complication of diabetes and the leading cause of end-stage renal disease. The complex pathological mechanisms of diabetic kidney disease are not fully understood; however, both glomerular and tubular changes are involved. Tankyrases (TNKS1 and TNKS2) are ADP-ribose transferases that post-translationally modify themselves and their binding partners with ADP-ribose (termed PARylation). TNKS1/2 activity is linked to diverse cellular processes, including Wnt-signaling and cellular energy metabolism. TNKS1/2 and their PARylation activity have not been studied in the context of kidney function and injury. PARylation has been implicated in the pathological mechanism of diabetic kidney disease; however, the involvement of TNKS1/2-mediated PARylation in diabetic kidney disease is not fully understood. In the studies of this thesis, we aimed to define whether TNKS1/2 and their PARylation activity are involved in the pathophysiological processes associated with diabetes and diabetic kidney disease and whether TNKS1/2 could serve as treatment targets in these diseases. Also, we investigated the role of TNKS1/2 and their PARylation activity in kidney injury associated with the loss of CD2AP. Results: Study I of this thesis work showed that the inhibition of TNKS1/2 PARylation activity with a TNKS1/2-specific inhibitor reduces body weight gain, restrains fat accumulation, and alleviates dyslipidemia of diabetic db/db mice. We found that the inhibition of TNKS1/2 increases adiponectin, downregulates proteins associated with lipolysis, and induces browning of white adipose tissue. Furthermore, inhibition of TNKS1/2 stimulated the oxidation of lipids in muscle and reduced liver steatosis. A central finding was that TNKS1/2 inhibition leads to reduced TNKS1/2-mediated PARylation and the consequent increase of the expression of PGC-1α, the key transcriptional regulator of mitochondrial biogenesis and energy metabolism, in white adipose tissue and muscle in the db/db mice. In Study II, concentrating on the potential of TNKS1/2 inhibition to ameliorate diabetic kidney disease in the db/db mice, we found that TNKS1/2 PARylate PGC-1α and that TNKS1/2 inhibition stabilizes PGC-1α in the kidney. We showed that TNKS1/2 inhibition improves mitochondrial function and cristae morphology in the proximal tubule epithelial cells in diabetic db/db mice's kidneys. Furthermore, we found that TNKS1/2 inhibition ameliorates inflammation and fibrosis in the kidneys of db/db mice. In Study III, we showed that CD2AP, an adaptor protein essential for podocyte function, interacts with TNKS1 and TNKS2 and is a negative regulator of TNKS1/2 PARylation activity. We found that TNKS1/2-mediated total PARylation in podocytes is increased in the absence of CD2AP. We also found that active β-catenin accumulates in podocytes in the absence of CD2AP, which leads to upregulation of podocyte injury-associated molecules LEF1 and fibronectin. Inhibition of TNKS1/2 reduced total PARylation and β-catenin activation in cultured podocytes lacking CD2AP. However, knock-down of CD2AP and simultaneous inhibition of TNKS1/2 PARylation activity in zebrafish worsened kidney injury and increased mortality. Conclusion: These thesis studies showed that TNKS1/2 inhibition reduces weight gain and renal inflammation, and fibrosis in the diabetic db/db mice and suggests that TNKS1/2 are novel molecular targets for treating diabetes and diabetic kidney disease. Additionally, we found that TNKS1/2 inhibition in the absence of CD2AP induces injury in cultured podocytes and disables kidney function in zebrafish.Tausta: Tyypin 2 diabetekseen ja kroonisen munuaistautiin sairastuvien määrä on voimakkaassa nousussa. Munuaistauti ja diabetes ovat merkittäviä riskitekijöitä myös sydän- ja verisuonitautien kehittymisessä ja nämä kolme yhdessä ovat kansanterveydellisesti merkittäviä tekijöitä väestön ikääntyessä ja lihavuuden lisääntyessä. Kolmannes tyypin 1 diabetesta sairastavista ja jopa puolet tyypin 2 diabetesta sairastavista henkilöistä sairastuu munuaistautiin, ja näistä suuri osa etenee loppuvaiheen munuaistautiin. Nykyisillä hoidoilla (tarkka verenglukoositasapainon ylläpitäminen ja verenpaineen alentaminen) munuaisen vajaatoiminnan etenemistä kyetään hidastamaan, mutta ei estämään. Diabeettisen munuaissairauden kehittymiseen vaikuttavat monet molekulaariset mekanismit ja uusien hoitomenetelmien kehittämiseksi tulee munuaissairauteen johtavia mekanismeja tutkia ja tunnistaa tarkemmin myös molekyylitasolla. Tankyraasit ovat ADP-riboosi transferaasientsyymejä, jotka muokkaavat itseään ja interaktiopartnereitaan posttranslaationaalisella modifikaatiolla (PARylaatiolla). Tankyraasit toimivat solutyypistä ja kudoksesta riippuen erilaisissa solun prosesseissa, kuten Wnt-signalointireitin ja energiametabolian säätelyssä. Tankyraaseja ja niiden PARylaatioaktiivisuutta ei ole aikaisemmin tutkittu munuaissolujen toiminnassa tai vauriossa. PARylaation on osoitettu olevan yksi osatekijä diabeettisen munuaistaudin kehittymisessä, mutta tankyraasi-välitteisen PARylaation osallisuudesta näihin patologisiin mekanismeihin ei kuitenkaan ole täyttä selvyyttä. Tämän väitöstyön tavoitteena oli selvittää molekyylimekanismeja tyypin 2 diabeteksen ja diabeettisen munuaistaudin taustalla sekä tutkia tankyraasien toimintaa munuaissoluissa. Tutkimuksen päätavoite oli selvittää, että voidaanko tankyraasien estäjiä hyödyntää kehitettäessä uusia hoitomenetelmiä diabeettisen munuaistaudin etenemisen estämiseen ja hoitoon. Tulokset: Ensimmäisen osajulkaisun tavoitteena oli selvittää, että voidaanko tankyraasien estäjiä hyödyntää kehitettäessä uusia lääkeaineita, joilla voidaan hoitaa lihavuutta ja tyypin 2 diabetesta db/db hiirimallissa. Tutkimuksissa osoitimme, että tankyraasien PARylaatioaktiivisuuden estäminen vähentää painon nousua ja parantaa rasva-arvoja db/db hiirimallissa. Molekyylitasolla havaitsimme, että tankyraasit ovat vuorovaikutukessa mitokondrioiden uudistumisessa keskeisen PGC-1α-proteiinin kanssa lihas- ja rasvakudoksessa ja että tankyraasien PARylaatioaktiivisuuden estäminen stabiloi PGC-1α proteiinin ilmentymisen näissä kudoksissa. Tutkimus osoitti, että tankyraasiestäjät voivat olla hyödyllisiä kehitettäessä uusia hoitoja lihavuuteen ja tyypin 2 diabetekseen. Toisen osajulkaisun tavoitteena oli selvittää tankyraasiestäjien ja PARylaation merkitystä diabeettisen munuaistaudin etenemissä ja sen estämisessä db/db hiirimallissa. Tutkimuksessa osoitimme, että tankyraasien PARylaatioaktiivisuuden estäminen vähentää PGC-1α:n PARylaatiota myös munuaisissa, nostaa PGC-1α:n ilmentymistasoa ja lisäksi parantaa mitokondrioiden toimintaa ja mitokondrioiden sisäkalvon morfologiaa erityisesti proksimaalisen tubuluksen epiteelisoluissa. Lisäksi osoitimme, että tankyraasien PARylaatioaktiivisuuden estäminen vähentää munuaisen tulehdustilaa ja fibroosia db/db hiirissä. Kolmannen osajulkaisun tavoitteena oli selvittää munuaiskeräsen epiteelisolulle eli podosyyteille merkittävän adapteriproteiini CD2AP:n ja tankyraasien interaktion merkitystä ja tutkia tankyraasi-inhibitiota podosyyttivauriossa. Tutkimuksessa osoitimme, että PARylaatio ja Wnt/β-kateniini -signalointikaskadin aktiivisuus ovat koholla CD2AP-/- podosyyteissä, mitkä osaltaan edistävät solujen vauriota. Tankyraasi-inhibitio vähensi PARylaatiota ja Wnt/β-kateniini -signalointikaskadin aktiivisuutta, mutta samalla se aktivoi muita haitallisia molekyylimekanismeja sekä CD2AP-/- podosyyteissä että seeprakaloissa, joissa CD2AP:n ilmentymistä oli vaimennettu kokeellisesti. Tutkimuksemme osoittivat, että tankyraasien PARylaatioaktiivisuuden estämisellä voi olla haitallisia vaikutuksia CD2AP-proteiinin puutostiloissa, kuten CD2AP-mutaatioiden aiheuttamassa FSGS-munuaistaudissa. Johtopäätökset: Väitöstyön tutkimukset osoittivat, että tankyraasi-inhibitio vähentää painon nousua ja munuaisten fibroosia diabeettisessa db/db hiirimallissa puoltaen tankyraasi-estäjien potentiaalia lihavuuden ja diabeettisen munuaistaudin hoidossa. Lisäksi tutkimukset osoittivat, että tankyraasien PARylaatioaktiivisuuden estäminen on haitallista CD2AP-proteiinin puuttuessa.
Subject: biolääketiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
kuusela_sara_dissertation_2021.pdf 2.195Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record