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Cooperative effects of loss of VHL and loss of the primary cilium on renal cyst formation and renal cancer initiation


Lehmann, Holger. Cooperative effects of loss of VHL and loss of the primary cilium on renal cyst formation and renal cancer initiation. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary

Summary von Hippel-Lindau (VHL) disease is an autosomal-dominant monogenetic disorder caused by inheritance of mutations of the VHL gene. Amongst other clinical manifestations, VHL patients have an increased risk of developing renal cysts and bilateral multifocal solid or cystic clear cell renal cell carcinomas (ccRCC). ccRCC in VHL patients is believed to arise from cystic precursor lesions in some cases and independently of cysts in other cases. The VHL gene is also biallelically inactivated in up to 90% of sporadic ccRCC cases, approximately 5% of which are multilocular cystic renal cell carcinomas. This suggests that sporadic ccRCC may also form through cyst-dependent as well as cyst-independent pathways. The protein product of the VHL gene (pVHL) is involved in many molecular processes, including HIFα regulation and stabilization of the microtubule network. The latter function seems to be particularly important for the cyst-dependent progression model due to the role of pVHL in regulating the stability of the primary cilium, a specialized microtubule structure that functions as a cellular antenna. Genetic mutations that compromise the structure or signalling functions of the primary cilium cause diverse types of polycystic kidney diseases, indicating that the primary cilium is an organelle that suppresses the formation of renal cysts. This thesis tested the cooperative effects of loss of Vhl function and loss of the primary cilium in mouse kidneys, to attempt to model the initial cellular changes that occur in the development of ccRCC.



We first developed a µCT imaging approach and validated this technique as a suitable tool to quantitatively monitor cyst formation and progression longitudinally and non-invasively in vivo in mice. This technique will likely be generally beneficial for all future studies of polycystic kidney diseases in rodent models. We show that renal epithelial-specific co-deletion of Vhl together with Kif3a, a key component of the primary cilium, shortens the latency of cyst initiation and enhances cyst formation and size. In addition, combined deletion of Kif3a and Vhl resulted in an ~4 fold increase in the formation of atypical cysts compared to Kif3a deletion alone. These lesions appear similar to the lesions that are proposed to be the precursor lesions of ccRCC in humans. One possible mechanism that may account for the increased formation of simple cysts and increased rate of progression to atypical cysts is an increased frequency of non-planar cellular divisions in Vhl/Kif3a double mutant mice. These studies give rise to a new model of initiation of ccRCC whereby loss of the primary cilium represents a secondary event in VHL mutant cells that cooperates with additional cellular changes that arise due to loss of pVHL function to induce simple and atypical cyst formation. It appears that additional genetic alterations are necessary to allow neoplastic transformation and progression of these precursor lesions to cystic or solid ccRCC. Summary

A second aim of this thesis was to investigate the hypothesis that HIF1α may play a general role in cyst formation in the kidney, based on observations that HIF1α is stabilized in cystic epithelial cells due to microenvironmental hypoxia. Recent studies proposed that HIF1α activation functions to promote cyst formation. In contrast to these studies, we found that cystic lesions induced by Kif3a deletion are not characterized by HIF1α stabilization. Moreover, deletion of Hif1a in the Kif3a knockout model of cyst formation did not alter the timing of initiation or extent of growth of cysts, nor did it affect the frequency of atypical cysts. It appears that HIF1α stabilization in renal cysts may be limited to more severe cystic phenotypes or that additional cellular signaling changes induced by mutations of the PKD1/PKD2 genes in autosomal dominant polycystic kidney disease may contribute to HIF1α activation. Our genetic studies in a physiologically relevant model of polycystic kidney disease clearly indicate that HIF1α stabilization does not modify cystic phenotypes. Summary

Zusammenfassung Die von Hippel-Lindau (VHL) Erkrankung ist eine autosomal dominante Erbkrankheit, welche durch Mutationen des VHL Gens verursacht wird. Neben anderen klinischen Erscheinungsformen haben VHL Patienten ein erhöhtes Risiko beidseitig Nierenzysten und multilokuläre solide oder zystische klarzellige Nierenzellkarzinome (NZK) zu entwickeln. Es wird angenommen, dass NZK in VHL Patienten in einigen Fällen aus zystischen Vorläuferläsionen und in anderen Fällen unabhängig von Zysten entstehen. Das VHL Gen ist außerdem in bis zu 90% der sporadischen NZK Fälle biallelisch inaktiviert, ungefähr 5% davon sind multilokulär zystische Nierenzellkarzinome. Dies deutet daraufhin, dass sporadische NZK wahrscheinlich zysten-abhängig, wie auch –unabhängig, entstehen. Das Proteinprodukt des VHL Gens (pVHL) ist in viele molekulare Prozesse involviert, unter anderem auch in die HIFα Regulierung und die Stabilisierung des Mikrotubulinnetzwerkes. Die letztere Funktion scheint besonders wichtig für das zysten-abhängige Entstehungsmodell zu sein, da pVHL eine Rolle in der Regulierung der Stabilität der primären Zilie, eine spezialisierte Mikrotubulistruktur, welches als zelluläre Antenne funktioniert, spielt. Genetische Mutationen, welche die Struktur oder die Signalfunktionen der primären Zilie stören, führen zu diversen Arten von polyzystischen Nierenerkrankungen. Dies deutet daraufhin, dass die primäre Zilie ein Organell ist, welches die Entstehung von Nierenzysten unterdrücken kann. Diese Doktorarbeit untersucht den kooperativen Effekt des Verlustes der Vhl Genfunktion und des Verlustes der primären Zilie in Maus Nieren, um ein Modell für die initialen zellulären Veränderung, welche während der Entwicklung von NZK entstehen, zu entwickeln.



Zuerst haben wir einen Ansatz für bildgebende µCT Daten entwickelt und diese Technik zur quantitativen Überwachung von Zystenbildungen und –entwicklung als geeignetes Mittel zur wiederholten nicht invasiven in vivo Methode in der Maus validiert. Diese Technik wird generell für alle zukünftigen Studien von polyzystischen Nierenerkrankungen in kleinen Nagern nützlich sein. Wir zeigen, dass nierenepithelspezifische zeitgleiche Deletion von Vhl und Kif3a, einer wichtigen Komponente der primären Zilie, die Latenzzeit des Zystenbeginns verkürzt und die Zystenentstehung, sowie die Zystengröße, erhöht. Zusätzlich führt die gleichzeitige Deletion von Vhl und Kif3a zu einer ~4 fachen Erhöhung der Entstehung von atypischen Zysten im Vergleich zur Einzeldeletion von Kif3a. Diese Läsionen scheinen ähnlich zu den Läsionen zu sein, welche als Vorläuferläsionen für NZK im Menschen gelten. Ein möglicher Mechanismus, der die erhöhte Entstehung von einfachen Zysten und die erhöhte Rate zum Übergang in atypische Zysten erklären kann, ist die erhöhte Frequenz von nicht-planaren Zellteilungen in Vhl/Kif3a doppelmutanten Mäusen. Diese Studien zeigen ein Summary

neues Modell der Initiierung von NZK auf, wobei der Verlust der primären Zilie ein sekundäres Ereignis in VHL mutierten Zellen ist, welches mit weiteren zellulären Veränderungen kooperiert, die durch den Verlust der pVHL Funktion entstehen und zu einfachen, sowie atypischen Zysten führen. Es scheint, als wären weitere genetische Veränderungen nötig, um neoplastische Transformation und die Entwicklung von Vorläuferläsionen in zystische oder solide NZK zu erzeugen.



Ein zweites Ziel dieser Doktorarbeit war es die Hypothese, dass HIF1α eine eher generelle Rolle in der Zystenentstehung in der Nieren spielen soll, zu untersuchen. Diese Hypothese beruht auf Beobachtungen, dass HIF1α in zystischen Epithelzellen durch Hypoxie stabilisiert ist. Jüngste Studien schlagen vor, dass HIF1α Aktivität die Entstehung von Zysten fördert. Im Gegensatz zu diesen Studien haben unsere zystischen Läsionen, induziert durch Kif3a Deletion, keine HIF1α Stabilisierung gezeigt. Zusätzlich unterschieden sich die Mäuse mit Deletion von Hif1a im Kif3a knockout Modell für Zystenentstehung weder im Zeitpunkt der Zystenentstehung, dem Ausmaß des Wachstums noch in der Frequenz von atypischen Zysten. Es scheint, als wäre HIF1α Stabilisierung in Nierenzysten auf schwerere zystische Phänotypen beschränkt oder dass zusätzliche zelluläre Mechanismen, wie z.B. durch Mutationen in PKD1/PKD2 Genen, verantwortlich für autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung, die Stabilisierung von HIF1α unterstützen. Unsere genetischen Studien in einem physiologisch relevanten Model für polyzystische Nierenerkrankungen zeigen deutlich, dass die Stabilisierung von HIF1α den zystischen Phänotyp nicht beeinflusst.

Abstract

Summary

Summary von Hippel-Lindau (VHL) disease is an autosomal-dominant monogenetic disorder caused by inheritance of mutations of the VHL gene. Amongst other clinical manifestations, VHL patients have an increased risk of developing renal cysts and bilateral multifocal solid or cystic clear cell renal cell carcinomas (ccRCC). ccRCC in VHL patients is believed to arise from cystic precursor lesions in some cases and independently of cysts in other cases. The VHL gene is also biallelically inactivated in up to 90% of sporadic ccRCC cases, approximately 5% of which are multilocular cystic renal cell carcinomas. This suggests that sporadic ccRCC may also form through cyst-dependent as well as cyst-independent pathways. The protein product of the VHL gene (pVHL) is involved in many molecular processes, including HIFα regulation and stabilization of the microtubule network. The latter function seems to be particularly important for the cyst-dependent progression model due to the role of pVHL in regulating the stability of the primary cilium, a specialized microtubule structure that functions as a cellular antenna. Genetic mutations that compromise the structure or signalling functions of the primary cilium cause diverse types of polycystic kidney diseases, indicating that the primary cilium is an organelle that suppresses the formation of renal cysts. This thesis tested the cooperative effects of loss of Vhl function and loss of the primary cilium in mouse kidneys, to attempt to model the initial cellular changes that occur in the development of ccRCC.



We first developed a µCT imaging approach and validated this technique as a suitable tool to quantitatively monitor cyst formation and progression longitudinally and non-invasively in vivo in mice. This technique will likely be generally beneficial for all future studies of polycystic kidney diseases in rodent models. We show that renal epithelial-specific co-deletion of Vhl together with Kif3a, a key component of the primary cilium, shortens the latency of cyst initiation and enhances cyst formation and size. In addition, combined deletion of Kif3a and Vhl resulted in an ~4 fold increase in the formation of atypical cysts compared to Kif3a deletion alone. These lesions appear similar to the lesions that are proposed to be the precursor lesions of ccRCC in humans. One possible mechanism that may account for the increased formation of simple cysts and increased rate of progression to atypical cysts is an increased frequency of non-planar cellular divisions in Vhl/Kif3a double mutant mice. These studies give rise to a new model of initiation of ccRCC whereby loss of the primary cilium represents a secondary event in VHL mutant cells that cooperates with additional cellular changes that arise due to loss of pVHL function to induce simple and atypical cyst formation. It appears that additional genetic alterations are necessary to allow neoplastic transformation and progression of these precursor lesions to cystic or solid ccRCC. Summary

A second aim of this thesis was to investigate the hypothesis that HIF1α may play a general role in cyst formation in the kidney, based on observations that HIF1α is stabilized in cystic epithelial cells due to microenvironmental hypoxia. Recent studies proposed that HIF1α activation functions to promote cyst formation. In contrast to these studies, we found that cystic lesions induced by Kif3a deletion are not characterized by HIF1α stabilization. Moreover, deletion of Hif1a in the Kif3a knockout model of cyst formation did not alter the timing of initiation or extent of growth of cysts, nor did it affect the frequency of atypical cysts. It appears that HIF1α stabilization in renal cysts may be limited to more severe cystic phenotypes or that additional cellular signaling changes induced by mutations of the PKD1/PKD2 genes in autosomal dominant polycystic kidney disease may contribute to HIF1α activation. Our genetic studies in a physiologically relevant model of polycystic kidney disease clearly indicate that HIF1α stabilization does not modify cystic phenotypes. Summary

Zusammenfassung Die von Hippel-Lindau (VHL) Erkrankung ist eine autosomal dominante Erbkrankheit, welche durch Mutationen des VHL Gens verursacht wird. Neben anderen klinischen Erscheinungsformen haben VHL Patienten ein erhöhtes Risiko beidseitig Nierenzysten und multilokuläre solide oder zystische klarzellige Nierenzellkarzinome (NZK) zu entwickeln. Es wird angenommen, dass NZK in VHL Patienten in einigen Fällen aus zystischen Vorläuferläsionen und in anderen Fällen unabhängig von Zysten entstehen. Das VHL Gen ist außerdem in bis zu 90% der sporadischen NZK Fälle biallelisch inaktiviert, ungefähr 5% davon sind multilokulär zystische Nierenzellkarzinome. Dies deutet daraufhin, dass sporadische NZK wahrscheinlich zysten-abhängig, wie auch –unabhängig, entstehen. Das Proteinprodukt des VHL Gens (pVHL) ist in viele molekulare Prozesse involviert, unter anderem auch in die HIFα Regulierung und die Stabilisierung des Mikrotubulinnetzwerkes. Die letztere Funktion scheint besonders wichtig für das zysten-abhängige Entstehungsmodell zu sein, da pVHL eine Rolle in der Regulierung der Stabilität der primären Zilie, eine spezialisierte Mikrotubulistruktur, welches als zelluläre Antenne funktioniert, spielt. Genetische Mutationen, welche die Struktur oder die Signalfunktionen der primären Zilie stören, führen zu diversen Arten von polyzystischen Nierenerkrankungen. Dies deutet daraufhin, dass die primäre Zilie ein Organell ist, welches die Entstehung von Nierenzysten unterdrücken kann. Diese Doktorarbeit untersucht den kooperativen Effekt des Verlustes der Vhl Genfunktion und des Verlustes der primären Zilie in Maus Nieren, um ein Modell für die initialen zellulären Veränderung, welche während der Entwicklung von NZK entstehen, zu entwickeln.



Zuerst haben wir einen Ansatz für bildgebende µCT Daten entwickelt und diese Technik zur quantitativen Überwachung von Zystenbildungen und –entwicklung als geeignetes Mittel zur wiederholten nicht invasiven in vivo Methode in der Maus validiert. Diese Technik wird generell für alle zukünftigen Studien von polyzystischen Nierenerkrankungen in kleinen Nagern nützlich sein. Wir zeigen, dass nierenepithelspezifische zeitgleiche Deletion von Vhl und Kif3a, einer wichtigen Komponente der primären Zilie, die Latenzzeit des Zystenbeginns verkürzt und die Zystenentstehung, sowie die Zystengröße, erhöht. Zusätzlich führt die gleichzeitige Deletion von Vhl und Kif3a zu einer ~4 fachen Erhöhung der Entstehung von atypischen Zysten im Vergleich zur Einzeldeletion von Kif3a. Diese Läsionen scheinen ähnlich zu den Läsionen zu sein, welche als Vorläuferläsionen für NZK im Menschen gelten. Ein möglicher Mechanismus, der die erhöhte Entstehung von einfachen Zysten und die erhöhte Rate zum Übergang in atypische Zysten erklären kann, ist die erhöhte Frequenz von nicht-planaren Zellteilungen in Vhl/Kif3a doppelmutanten Mäusen. Diese Studien zeigen ein Summary

neues Modell der Initiierung von NZK auf, wobei der Verlust der primären Zilie ein sekundäres Ereignis in VHL mutierten Zellen ist, welches mit weiteren zellulären Veränderungen kooperiert, die durch den Verlust der pVHL Funktion entstehen und zu einfachen, sowie atypischen Zysten führen. Es scheint, als wären weitere genetische Veränderungen nötig, um neoplastische Transformation und die Entwicklung von Vorläuferläsionen in zystische oder solide NZK zu erzeugen.



Ein zweites Ziel dieser Doktorarbeit war es die Hypothese, dass HIF1α eine eher generelle Rolle in der Zystenentstehung in der Nieren spielen soll, zu untersuchen. Diese Hypothese beruht auf Beobachtungen, dass HIF1α in zystischen Epithelzellen durch Hypoxie stabilisiert ist. Jüngste Studien schlagen vor, dass HIF1α Aktivität die Entstehung von Zysten fördert. Im Gegensatz zu diesen Studien haben unsere zystischen Läsionen, induziert durch Kif3a Deletion, keine HIF1α Stabilisierung gezeigt. Zusätzlich unterschieden sich die Mäuse mit Deletion von Hif1a im Kif3a knockout Modell für Zystenentstehung weder im Zeitpunkt der Zystenentstehung, dem Ausmaß des Wachstums noch in der Frequenz von atypischen Zysten. Es scheint, als wäre HIF1α Stabilisierung in Nierenzysten auf schwerere zystische Phänotypen beschränkt oder dass zusätzliche zelluläre Mechanismen, wie z.B. durch Mutationen in PKD1/PKD2 Genen, verantwortlich für autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung, die Stabilisierung von HIF1α unterstützen. Unsere genetischen Studien in einem physiologisch relevanten Model für polyzystische Nierenerkrankungen zeigen deutlich, dass die Stabilisierung von HIF1α den zystischen Phänotyp nicht beeinflusst.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Frew Ian, Frew Ian J
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
610 Medicine & health
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:07 Mar 2016 09:51
Last Modified:24 Sep 2019 21:49
Number of Pages:101
OA Status:Green
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