京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第12831号 / 論医博第2080号 / 新制||医||1005(附属図書館) / 31369 / (主査)教授 川口 義弥, 教授 柳田 素子, 教授 小川 修 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Renal tissue engineering and regenerative medicine represent a significant clinical objective because of the very limited prospect of cure after classical kidney treatment. Thus, approaches to isolate, manipulate and reintegrate structures or stimulating the selfregenerative potential of renal tissue are of special interest. Such new strategies go back to knowledge and further outcome of developmental biological research. An understanding of extracellular matrix (ECM) structure and composition forms thereby a particularly significant aspect in comprehending the complex dynamics of tissue regeneration. Consequently the reconstruction of these structures offers beneficial options for advanced cell and tissue culture technology and tissue engineering. In an effort to investigate the influence of natural extracellular structures and components on embryonic stem cell and renal embryonic tissue, methodologies which allow the easy application of exogenous signals on tissue in vitro on the one hand and the straight forward evaluation of decellularization methods on the other hand, were developed. Both systems can be used to investigate and modulate behaviour of biological systems and represent novel interesting tools for tissue engineering. The novel technique for culturing tissue in vitro allows the growing of embryonic renal explants in very low volumes of medium and optimized observability, which makes it predestined for testing additives. In particular, this novel culture set up provides an ideal opportunity to investigate renal development and structure formation. Further studies indicated that the set is universally applicable on all kinds of (embryonic) tissue. Following hereon, more than 20 different ECM components were tested for their impact on kidney development under 116 different culture conditions, including different concentrations and being either bound to the substrate or dissolved in the culture medium. This allowed to study the role of ECM constituents on renal structure formation. In ongoing projects, kidney rudiments are exposed to aligned matrix fibrils and hydrogels with first promising results. The insights gained thereof gave rise to a basis for the rational application of exogenous signals in regenerative kidney therapies. Additionally new strategies for decellularization of whole murine adult kidneys were explored by applying different chemical agents. The obtained whole matrices were analysed for their degree of decellularization and their residual content and composition. In a new straight forward approach, a dependency of ECM decellularization efficiency to the different agents used for decellularization could be shown. Moreover the capability of the ECM isolated from whole adult kidneys to direct stem cell differentiation towards renal cell linage phenotypes was proved. The data obtained within this thesis give an innovative impetus to the design of biomaterial scaffolds with defined and distinct properties, offering exciting options for tissue engineering and regenerative kidney therapies by exogenous cues.

Renal tissue engineering and regenerative medicine represent a significant clinical objective because of the very limited prospect of cure after classical kidney treatment. Thus, approaches to isolate, manipulate and reintegrate structures or stimulating the selfregenerative potential of renal tissue are of special interest. Such new strategies go back to knowledge and further outcome of developmental biological research. An understanding of extracellular matrix (ECM) structure and composition forms thereby a particularly significant aspect in comprehending the complex dynamics of tissue regeneration. Consequently the reconstruction of these structures offers beneficial options for advanced cell and tissue culture technology and tissue engineering. In an effort to investigate the influence of natural extracellular structures and components on embryonic stem cell and renal embryonic tissue, methodologies which allow the easy application of exogenous signals on tissue in vitro on the one hand and the straight forward evaluation of decellularization methods on the other hand, were developed. Both systems can be used to investigate and modulate behaviour of biological systems and represent novel interesting tools for tissue engineering. The novel technique for culturing tissue in vitro allows the growing of embryonic renal explants in very low volumes of medium and optimized observability, which makes it predestined for testing additives. In particular, this novel culture set up provides an ideal opportunity to investigate renal development and structure formation. Further studies indicated that the set is universally applicable on all kinds of (embryonic) tissue. Following hereon, more than 20 different ECM components were tested for their impact on kidney development under 116 different culture conditions, including different concentrations and being either bound to the substrate or dissolved in the culture medium. This allowed to study the role of ECM constituents on renal structure formation. In ongoing projects, kidney rudiments are exposed to aligned matrix fibrils and hydrogels with first promising results. The insights gained thereof gave rise to a basis for the rational application of exogenous signals in regenerative kidney therapies. Additionally new strategies for decellularization of whole murine adult kidneys were explored by applying different chemical agents. The obtained whole matrices were analysed for their degree of decellularization and their residual content and composition. In a new straight forward approach, a dependency of ECM decellularization efficiency to the different agents used for decellularization could be shown. Moreover the capability of the ECM isolated from whole adult kidneys to direct stem cell differentiation towards renal cell linage phenotypes was proved. The data obtained within this thesis give an innovative impetus to the design of biomaterial scaffolds with defined and distinct properties, offering exciting options for tissue engineering and regenerative kidney therapies by exogenous cues.:Table of Contents LISTS OF FIGURES AND TABLES VI ACKNOWLEDGEMENTS..................................................................................VII ABSTRACT ............................................................................................................IX NOMENCLATURE ................................................................................................X 1 INTRODUCTION...................................................................................................1 2 FUNDAMENTALS..................................................................................................2 2.1 KIDNEY DEVELOPMENT AND REGENERATION ...............................................................................2 2.1.1 Function of the kidney............................................................................................2 2.1.2 Development of the metanephric kidney ................................................................2 2.1.3 Selfregenerative potential of the kidney.................................................................5 2.2 THE EXTRACELLULAR MATRIX AS BIOLOGICAL SCAFFOLD ...............................................................6 2.2.1 Molecular composition of the ECM........................................................................7 2.2.1.1 An overview of the main ECM components..................................................................................8 2.2.2 Cell/tissue-matrix interactions.............................................................................12 2.2.2.1 Biochemical signals....................................................................................................................13 2.2.2.2 Mechanical signals......................................................................................................................14 2.2.2.3 Structural signals........................................................................................................................15 2.3 TISSUE ENGINEERING FOR THERAPEUTIC PURPOSES .....................................................................15 2.3.1 An overview of tissue engineering and regenerative medicine.............................15 2.3.2 Biomaterials for tissue engineering and regenerative medicine...........................18 2.3.2.1 Decellularization approach as tool to extract natural matrices....................................................19 2.3.3 Tissue engineering and regenerative medicine in kidney treatment.....................19 2.4 ORGAN AND TISSUE CULTURE AS TOOL FOR TISSUE ENGINEERING...................................................22 2.4.1 Common organ culture systems............................................................................24 3 OBJECTIVES AND MOTIVATION...................................................................25 4 RESULTS AND DISCUSSION............................................................................27 4.1 A NOVEL, LOW-VOLUME METHOD FOR ORGAN CULTURE OF EMBRYONIC KIDNEYS THAT ALLOWS DEVELOPMENT OF CORTICO-MEDULLARY ANATOMICAL ORGANIZATION..............................................27 4.1.1 Additional evidences (to Appendix A) for stress reduction of kidney rudiments cultured in the novel system than those grown in conventional organ culture.....28 4.1.2 Additional evidences (to Appendix A) for corticomedullary zonation and improved development of kidney rudiments cultured in the novel system for a period of 12 days......................................................................................................................30 4.1.3 Additional evidences (to Appendix A) for the application of the glass based low volume culture system for other organs................................................................32 4.2 ECM MODULATED EARLY KIDNEY DEVELOPMENT IN ORGAN CULTURE ...........................................34 4.3 ESTABLISHING AND EVALUATING DECELLULARIZATION TECHNIQUES TO ISOLATE WHOLE KIDNEY ECMS FROM ADULT MURINE KIDNEYS................................................................................................37 4.4 THE ABILITY OF WHOLE DECELLULARIZED ECM CONSTRUCTS TO INFLUENCE MURINE EMBRYONIC STEM CELL DIFFERENTIATION AND RENAL TISSUE BEHAVIOUR IN A NEW STRAIGHT FORWARD APPROACH..........38 iv 5 SUMMARY AND OUTLOOK.............................................................................39 5.1 SUMMARY..........................................................................................................................39 5.2 OUTLOOK...........................................................................................................................42 6 BIBLIOGRAPHY.................................................................................................49 7 APPENDICES..........................................................................................................I 7.1 APPENDIX A: A NOVEL, LOW-VOLUME METHOD FOR ORGAN CULTURE OF EMBRYONIC KIDNEYS THAT ALLOWS DEVELOPMENT OF CORTICO-MEDULLARY ANATOMICAL ORGANIZATION......................I 7.2 APPENDIX B: ECM MODULATED EARLY KIDNEY DEVELOPMENT IN EMBRYONIC ORGAN CULTURE ....XIX 7.3 APPENDIX C: THE DEWAXED ECM: AN EASY METHOD TO ANALYZE CELL BEHAVIOUR ON DECELLULARIZED EXTRACELLULAR MATRICES.......................................................................XLIV 7.4 PUBLICATIONS AND SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS......................................................................LXV 7.5 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG......................................................................................LXIX

L’Hypertension Hyperkaliémique Familiale (FHHt) est une forme rare d’hypertension artérielle associée à une hyperkaliémie et une acidose métabolique hyperchlorémique. Ces troubles sont corrigés par les diurétiques thiazidiques qui inhibent le co-transporteur Na+-Cl- NCC exprimé dans le néphron distal. Cette sensibilité aux diurétiques thiazidiques a laissé́ supposer que la FHHt est causée par une activation de NCC. En 2001, des mutations, de type gain-de-fonction, responsables de la FHHt ont été découvertes dans les gènes codant les sérine-thréonine kinases WNK1 et WNK4 [With No (K) lysine]. Des études in vitro ont montré que WNK1 et WNK4 stimulent NCC de façon indirecte, via la phosphorylation et l'activation de la kinase SPAK (Ste20 like Proline-Alanine rich Kinase). In vivo, l’activation de SPAK joue un rôle central dans le développement de la FHHt due aux mutations de WNK4. L'implication de SPAK n'a pas été définie dans le cas des mutations de WNK1. Nous avons donc croisé les souris WNK1+/FHHt, porteuses d'une mutation FHHt de WNK1, avec les souris SPAK243A/243A, porteuses d’une mutation abolissant l’activation de SPAK par les WNK. L’ensemble des phénotypes observés chez les souris WNK1+/FHHt est corrigé chez les souris WNK1+/FHHt:SPAK243A/243A démontrant ainsi le rôle central de SPAK dans la FHHt causée par les mutations WNK1. En 2012, de nouvelles mutations ont été identifiées dans les gènes codant CUL3 et KLHL3, deux composants d’un complexe ubiquitine ligase. Comme les mutations de WNK1 et WNK4, ces mutations entraînent une augmentation de l’expression de WNK1 et de WNK4. De façon inattendue, les patients FHHt porteurs d'une mutation CUL3 présentent un phénotype plus sévère que les autres. Des études suggèrent que ces mutations perturbent la fonction non seulement du néphron distal mais également des artères. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons généré et comparé deux modèles de souris : les souris pgk-Cul3Δ9, exprimant la mutation Cul3 de façon ubiquitaire, comme les patients, et les souris sm22-Cul3Δ9, exprimant la mutation uniquement dans les cellules musculaires vasculaires lisses. Les deux modèles sont hypertendus, mais les souris pgk-Cul3Δ9 le sont significativement plus que les souris sm22-Cul3Δ9, ce qui prouve que l’hypertension causée par les mutations Cul3 résulte du cumul d’une atteinte rénale et vasculaire. Récemment, de nouvelles mutations faux-sens d'un domaine dit acide de WNK1 ont été identifiées dans un petit nombre de patients atteints de FHHt. Ce domaine est nécessaire à la liaison à KLHL3 et donc à l’ubiquitination des WNK. Notre étude montre que, in vitro, ces mutations entraînent une accumulation d'une seule isoforme de WNK1. Chez la souris, la mutation du domaine acide provoque le même phénotype que les patients, ainsi qu’une augmentation de la phosphorylation de SPAK et du co-transporteur NCC. Cette étude a donc permis de démontrer le rôle essentiel de ce domaine dans la régulation de l'abondance de WNK1 dans le néphron distal in vivo. En conclusion, mon travail a permis une meilleure compréhension du rôle joué par SPAK, WNK1 et CUL3 dans le développement de la FHHt et, plus largement, de la physiopathologie de la FHHt. / Familial Hyperkalemic Hypertension (FHHt) is a rare form of hypertension associated with hyperkalemia and hyperchloremic metabolic acidosis. These disorders are all corrected by thiazide diuretics that inhibit the Na+-Cl- NCC cotransporter expressed in the distal nephron. The sensitivity of FHHt patients to thiazide diuretics strongly suggested that FHHt is caused by NCC activation. In 2001, gain-of function-mutations were identified in the genes encoding the serine-threonine kinases WNK1 and WNK4 [With No (K) lysine] in a subst of FHHt patients. In vitro studies demonstrate that WNK1 and WNK4 indirectly stimulate NCC, through the phosphorylation and activation of SPAK (Ste20 like Proline-Alanine rich Kinase). In vivo, SPAK activation plays a central role in the pathogenesis of FHHt caused by WNK4 mutations. However, the implication of SPAK has never been shown for the WNK1 mutations. Thus, we crossed WNK1+/FHHt mice, bearing the WNK1-FHHt mutation, with SPAK243A/243A mice bearing a mutation abolishing SPAK activation by the WNKs. All FHHt phenotypes observed in WNK1+/FHHt were corrected in WNK1+/FHHt:SPAK243A/243A mice demonstrating the central role of SPAK in FHHt caused by WNK1 mutations. In 2012, new mutations have been identified in CUL3 and KLHL3 genes. The products of these genes are both part of a ubiquitin ligase complex. As WNK1 and WNK4 mutations, these mutations lead to an increased expression of L-WNK1 and/or WNK4. Surprisingly, patients with CUL3 mutations display a more severe phenotype. Previous studies have suggested that CUL3 could be involved not only in the regulation of ion transport in the distal nephron but also in the regulation of vascular tone. To verify this hypothesis, we generated and compared two mouse models: pgk-Cul3Δ9 mouse model bearing, as patients, an ubiquitous Cul3 mutation, and sm22-Cul3Δ9 mouse model that express the Cul3 mutation only in vascular smooth muscle cells. Both models are hypertensive, but pgk-Cul3Δ9 mice display a more severe hypertension than sm22-Cul3Δ9 mice. It demonstrates that the hypertension caused by Cul3 mutations results from both renal and vascular disorders. Recently, new missense mutations have been identified in WNK1 acidic motif in a small number of FHHt patients. This acidic motif is necessary for the liaison to KLHL3 and therefore for WNK ubiquitination. Our study shows that, in vitro, these mutations lead to the accumulation of only one isoform of WNK1. In mice, the mutation of WNK1 acidic motif leads to an increased phosphorylation of SPAK and NCC. Therefore, it demonstrates the essential role of the acidic motif in the regulation of WNK1 abundance in vivo in the distal nephron. This work contributes to a better comprehension of the role played by SPAK, WNK1 and CUL3 in FHHt and more generally in the regulation of blood pressure and Na+/K+ homeostasis.

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Les maladies rénales chroniques sont devenues un enjeu majeur de santé publique. Qu’elle qu’en soit la cause initiale, la MRC est caractérisée par une réduction néphronique progressive, aboutissant au remplacement des néphrons sains par un tissu fibreux et au déclin de la fonction rénale. Les mécanismes de progression de la MRC sont encore mal compris, mais il a été suggéré que le développement des lésions tubulo-interstitielles joue un rôle essentiel dans le déclin de la fonction rénale. Deux éléments physiopathologiques cruciaux dans le développement de ces lésions sont représentés par (i) l’activation de la voie du récepteur à l’EGF (epidermal growth factor) (EGFR), et (ii) la protéinurie et ses conséquences pour les cellules tubulaires. Les médiateurs communs à ces deux phénomènes ne sont pas connus. Mon travail de thèse a consisté à caractériser une protéine commune à ces deux voies d’activation, ie la lipocaline2 (Lcn2), petite protéine de transport de fer, en étudiant ses voies d'activation et ses conséquences physiopathologiques. Nous montrons que le rôle pathologique de la voie de l’EGFR est gouverné par la surexpression de Lcn2. En effet, dans le contexte de réduction néphronique chirurgicale, (i) les animaux invalidés pour Lcn2 sont protégés du développement des lésions, et (ii) les souris exprimant un dominant négatif de l’EGFR dans le tubule rénal présentent une diminution de l’expression de Lcn2. Nous montrons également que l’invalidation de Lcn2 permet de ralentir la progression de la MRC dans un modèle de polykystose rénale dépendante de l’EGFR, les souris jck (juvenile cystic kidney). Parallèlement, nous montrons que la protéinurie induit également l’expression de Lcn2 dans les cellules tubulaires rénales dans différents modèles expérimentaux. De plus, nous montrons le rôle majeur de Lcn2 dans la progression de la MRC protéinurique, l’invalidation de Lcn2 limitant le développement des lésions rénales et la mortalité des animaux protéinuriques. Si le rôle délétère de Lcn2 est démontré dans différents modèles de néphropathie chronique, nous montrons que les voies moléculaires impliquées dans l’activation de Lcn2 et le rôle de cette protéine dépendent du contexte cellulaire. Nous prouvons que Lcn2 est un médiateur de l'effet mitogénique de l'EGFR, phénomène essentiel de la progression de la MRC, et nous montrons que l’activation de Lcn2 via l’EGFR est dépendante du facteur HIF1α. Cependant, nous démontrons également que l'expression de Lcn2 dans le contexte de protéinurie est dépendante du facteur ATF4 activé par le stress du reticulum endoplasmique (ER), et que Lcn2 est un médiateur de l'apoptose dépendante du stress de l'ER. Enfin, nous prouvons que l’inhibition pharmacologique du stress de l'ER permet une réduction de l’expression de Lcn2 dans les cellules tubulaires, et surtout, un ralentissement du déclin de la fonction rénale des animaux protéinuriques. Nous démontrons également l’importance de ces résultats chez les patients atteints de MRC. Nous identifions NGAL, l'analogue humain de Lcn2, comme un biomarqueur de progression dans la polykystose rénale dominante, et nous montrons qu’elle est fortement surexprimée dans le tissu rénal de patients protéinuriques. L’ensemble de ce travail permet de montrer que Lcn2 est un nouveau médiateur essentiel de multiples néphropathies chroniques. Lcn2 est impliquée dans l’effet mitogénique de l’EGFR ou la réponse apoptotique associée à la protéinurie durant la MRC. Nous ouvrons également de nouvelles perspectives thérapeutiques avec l'utilisation d'inhibiteurs du stress de l'ER dans les néphropathies protéinuriques humaines / Chronic kidney disease (CKD) is now a major public health concern. Whatever the initial kidney injury, CKD is characterized by progressive nephron reduction and kidney function decline. Tubulointerstitial lesions are an essential component of CKD progression, and are mediated by two crucial pathophysiologic elements: epidermal growth factor receptor (EGFR) activation, and proteinuria responsible of tubular cell damage. The aim of this study was to describe a common mediator of both these pathways, ie lipocalin2, an iron carrier protein, by identifying its activation pathways and its pathophysiologic consequences. We show the deleterious effects of the EGFR pathway during nephron reduction is mediated by the activation of Lcn2, which controls the mitogenic effect of EGFR. In fact, after nephron reduction, animals invalidated for Lcn2 are protected from lesions developpement. Moreover, a similar protective effect is seen in jck (juvenile cytic kidney) mice invalidated for Lcn2, a model of polycystic kidney disease EGFR-dependant. Otherwise, we show proteinuria induces Lcn2 expression in tubular cells of different experimental models, and Lcn2 invalidation slows lesion developpement and reduces mortality of proteinuric mice. We demonstrate that the Lcn2 role and activation pathways are dependant of these different models. We show Lcn2 is a mediator of the mitogenic effect of the EGFR, and Lcn2 activation is dependant of HIF1α stabilisation. However, we also show ATF4 is an activator of Lcn2 during endoplasmic reticulum (ER) stress induced by proteinuria in tubular cells. In this context, Lcn2 controls ER stress-induced apoptosis. Pharmacologic inhibition of ER stress in proteinuric animals decreases Lcn2 overexpression, and slows renal function decline. In patients suffering from CKD, we demonstrated NGAL (neutrophil gelatinase-associated lipocalin), the human analog of Lcn2, appears as a critical biomarker of autosomal dominant polycystic kidney disease progression. NGAL is also highly overexpressed in tubular cells in kidney biopsies of proteinuric patients. This work demonstrates Lcn2 is an essential mediator of multiple pathophysiologic components of CKD progression. Moreover, we open new therapeutic perspectives with the use ER stress modulators in proteinuric CKD

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Le faible poids de naissance et/ou une accélération de la croissance pondérale durant l’enfance sont reconnus actuellement comme facteur de risque de maladies cardiovasculaires (hypertension artérielle, en particulier). Leur rôle dans la progression des maladies rénales chroniques de l’adulte est moins évident. Cette association entre un faible poids de naissance et un risque accru d’hypertension artérielle (HTA) à l’âge adulte ferait intervenir une réduction du nombre de néphrons. Ce déficit néphronique, associé au faible poids de naissance, est responsable d’une hyperfiltration glomérulaire au sein de chaque néphron. Ce mécanisme adaptatif entraîne au fil du temps des lésions rénales, une protéinurie, une insuffisance rénale chronique et une véritable hypertension artérielle. Mais l’hypothèse pathogénique du déficit néphronique reste discutable. De plus peu l’influence de la nutrition postnatale précoce a été très peu étudiée chez l’animal. A travers 2 modèles de restriction de croissance intra-utérine (RCIU) chez le rat, nous avons montré que, plus que la RCIU elle-même, le devenir vasculaire et rénal chez le rat RCIU dépend de la sévérité du déficit néphronique. Un déficit néphronique modéré n’est pas suffisant pour affecter à long terme les fonctions/structures vasculaires et rénales chez le rat RCIU obtenu par une restriction protéique maternelle modérée (caséine 9 %)Nous avons également validé un modèle de rattrapage pondéral précoce, chez le rat. Nous avons montré qu’un rattrapage pondéral et/ou une croissance exagérée durant la période néonatale jouent un rôle primordial sur la pression artérielle, les fonctions et la structure rénale à l’âge adulte. Ces paramètres étaient d’autant plus affectés que la suralimentation néonatale était associé à une RCIU. Les maladies vasculaires et rénales résulteraient, en grande partie, d’une inadéquation entre le nombre de néphrons, réduit lors d’un faible poids de naissance, et la nutrition néonatale/postnatale, surabondante.Chez l’homme, la mise en place de nouvelles cohortes est nécessaire afin de mieux comprendre le rôle de la nutrition durant différentes phases de croissance (fœtale, néonatale, enfance et adolescence) dans le développement des maladies chroniques de l’adulte. Ces études devraient évaluer la pertinence de marqueurs précoces, et permettre la mise en œuvre de stratégies préventives précoces nutritionnelles ou médicamenteuses chez les personnes les plus à risques. / Evidence suggest that low birth weight and/or postnatal catch-up growth increase the risk for long term cardiovascular diseases (hypertension especially). Their role on the progression of chronic kidney disease is less evident. The mechanism is incompletely known. Nephron number deficit, associated with low birth weight, may play an important role. In such a condition, an adaptative single nephron glomerular hyperfiltration to meet excretory demands may lead overtime to renal damages. However this hypothesis is still questionable.In the rat, through two experimental models of intrauterine growth restriction (IUGR), we have shown that adverse long term vascular and renal functions are highly dependent on the severity of nephron number deficit. Moreover, we have demonstrated that a rapid neonatal catch-up growth plays a determinant role. Neonatal overfeeding and a high protein diet following IUGR accelerate the expression of hypertension and the progression of chronic kidney disease. Long term vascular and renal diseases may thus result from a mismatch between adverse fetal environment and postnatal beneficial environment. In human prospective epidemiological studies are needed with the aim to evaluate the effect of postnatal nutrition and to determine early markers for future preventive studies.

Toute maladie rénale chronique (MRC), et ce quelle qu’en soit la cause, aboutit à une réduction néphronique, c’est-à-dire à une diminution du nombre d’unités fonctionnelles qui assurent la fonction rénale. Celle-ci se caractérise initialement par une croissance compensatrice des néphrons sains restants. Néanmoins, elle aboutit, dans certaines circonstances, à une détérioration secondaire de ces néphrons, responsable du déclin progressif de la fonction rénale. L’étude du modèle murin de réduction néphronique par néphrectomie subtotale (Nx) a permis de souligner le rôle des facteurs génétiques dans la susceptibilité de développer une MRC. En particulier, les souris FVB/N (FVB) développent une MRC précoce et sévère après Nx, à la différence des souris C57Bl/6 (B6) qui préservent l’intégrité de leur parenchyme rénal. Mon travail de thèse avait pour objectif d’identifier de nouvelles voies moléculaires impliquées dans les processus d’adaptation et de progression des MRC en réponse à la réduction néphronique. Le projet s’est articulé autour de deux axes menés en parallèle: - une approche « globale » fondée sur l’analyse temporelle et différentielle du transcriptome rénal des souches « sensibles » (FVB) et « résistantes » (B6) après Nx ; - une approche « candidate » centrée sur l’étude du rôle de YAP/TAZ au cours de la réduction néphronique. Dans un premier travail, l’analyse du profil d’expression transcriptomique rénal des souris « résistantes » et « sensibles » a permis d’ identifier une signature Interféron (IFN) de type I uniquement chez les souris FVB pendant la phase de compensation rénale. Cette signature était corrélée à une expression plus importante : (i) de marqueurs des cellules dendritiques plasmacytoïdes, connues pour leur capacité à produire rapidement et en grande quantité de l’IFN de type I ; et (ii) de marqueurs de nécroptose, qui représente une mort cellulaire immunogène associée à la libération par les cellules endommagées de signaux « dangers » pouvant induire l’activation des cellules immunitaires. Nous avons également établi un parallélisme entre cette signature IFN et des perturbations de la prolifération des cellules tubulaires. En effet, il existe 2 jours après la Nx, une activation de p21 dans les cellules tubulaires et un probable blocage des cellules en prolifération à la transition G1/S. Nos résultats suggèrent que ce blocage retentit sur le taux de prolifération des cellules tubulaires et sous-tend une tendance à l’hypertrophie rénale chez les souris FVB au cours de la phase de compensation rénale. Ce premier travail a permis de souligner le lien potentiel entre des processus cellulaires et moléculaires survenant précocement après Nx, au cours de la phase de compensation rénale, et l’évolution ultérieure vers la MRC chez les souris FVB. Dans un second travail découlant de l’étude temporelle et différentielle de l’expression de YAP dans le modèle de Nx chez les souris FVB et B6, nous avons montré que l’expression nucléaire de YAP dans les podocytes était maintenue voire augmentée chez les souris « résistantes » et diminuait fortement chez les souris « sensibles » avec une corrélation entre cette expression et la sévérité des lésions glomérulaires. L’invalidation spécifique dans les podocytes de YAP, ou de son paralogue TAZ, chez des souris initialement « résistantes » a permis de mieux préciser leur rôle respectif dans l’adaptation des podocytes à la réduction néphronique. L’inactivation de YAP s’associe à : (i) l’apparition de lésions de hyalinose segmentaire et focale et de glomérulosclérose; (ii) une augmentation de l’apoptose glomérulaire ; (iii) une altération de l’architecture du cytosquelette des podocytes ; et (iv) une raréfaction podocytaire responsable d’une albuminurie et d’une détérioration de la fonction rénale. L’invalidation de TAZ n’induit pas de phénotype glomérulaire. A la différence de TAZ, YAP joue donc un rôle crucial dans l’adaptation podocytaire à la réduction néphronique. / Chronic kidney disease (CKD), irrespectively of the underlying cause, usually leads to nephron reduction, which is defined by a decrease in the number of the renal functional units. This is first characterized by a compensatory growth of the remaining nephrons, which in some circumstances, may result in the progressive deterioration of the initially healthy nephrons. The study of subtotal nephrectomy (Nx), a murine model of nephron reduction, has outlined the role of genetic factors in the susceptibility of developing CKD after nephron reduction. In particular, FVB/N mice (FVB) develop early and severe CKD after Nx, contrary to C57Bl/6 (B6) mice that are characterized by a preserved renal parenchyma. My work aimed at identifying new molecular pathways involved in the adaptation and progression processes in response to nephron reduction. The project was articulated around two main axes: - a "global" approach with the temporal and differential analysis of the renal transcriptome of "sensitive" (FVB) and "resistant" strains (B6) after Nx ; - a "candidate" approach centered on the study of the role of YAP/TAZ during nephron reduction. In the first work, the analysis of the renal transcriptomic expression profile of "resistant" and "sensitive" mice allowed to identify a type I interferon (IFN) signature only in the FVB mice during the renal compensation phase. This signature was correlated with a more important expression of markers of : (i) plasmacytoid dendritic cells, known for their ability to rapidly produce large amount of type I IFN; and (ii) necroptosis, an immunogenic cell death associated with the release of "danger" signals by the damaged cells that may induce activation of the immune cells. We have also established a parallelism between this IFN signature and alterations of tubular cells proliferation. Indeed, 2 days after Nx, we observed an activation of p21 in the tubular cells associated with a likely G1/S blockade of proliferating cells. Our results suggest that this cell cycle arrest affects the proliferation rate of tubular cells and underlies a trend for renal hypertrophy in FVB mice during the renal compensation phase. This first work pointed to a potential link between cellular and molecular processes occurring early after Nx, during the compensation phase, and the subsequent progression towards CKD in FVB mice. In a second work investigating the temporal and differential expression of YAP in the Nx model in FVB and B6 mice, we showed that the nuclear expression of YAP in podocytes was maintained and even increased in the “resistant” mice, and decreased significantly in "sensitive" mice with a correlation between this expression and the severity of glomerular lesions. The specific knockdown of YAP, or of its paralogous TAZ, in the podocytes of initially "resistant" mice allowed to better determine their respective role in the adaptation of these cells to nephron reduction. YAP podocyte-specific inactivation is associated with: (i) the development of focal and segmental glomerulosclerosis lesions; (ii) an increase of glomerular apoptosis; (iii) an alteration of the architecture of podocytes cytoskeleton; and (iv) podocyte rarefaction responsible for albuminuria and deterioration of renal function. Surprisingly, TAZ podocyte-specific inactivation was not associated with glomerular lesions. Contrary to TAZ, YAP plays a crucial role in podocyte adaptation to nephron reduction.

Abstract Wnt4, a member of the Wnt family of secreted factors, is essential for kidney organogenesis since the kidney fails to develop in its absence. Besides the kidney, Wnt4 signaling is involved in the control of development of several other organs such as the gonads, adrenal glands and pituitary gland. In the context of the embryonic kidney, Wnt4 signaling induces mesenchymal to epithelial transition of the progenitor cells in the metanephric mesenchyme, an early step in nephrogenesis. Wnt4 signaling may also be relevant in the development of a childhood kidney tumor, the Wilms’ tumor, that involves the function of Wilms’ tumor suppressor protein 1 (WT1). Wilms’ tumor is thought to arise from the early metanephric mesenchymal cells of the embryonic kidney, but the detailed mechanisms are not known. The main aim of this project was to study the mechanisms that regulate expression of the Wnt4 gene by using immortalized embryonic kidney mesenchyme-derived mK4 cells as a model. The Wnt4 gene expression was also analyzed in vivo in the frog embryonic pronephros. Through the use of reporter assays and a two-hybrid screen, Sox11, a member of the SoxC family of transcription factors, was identified as a synergistic protein that interacts with WT1. Immunoprecipitation studies provided further evidence that Sox11 and WT1 may physically interact with each other in the developing embryonic kidney. Indeed, Sox11 and WT1 may regulate the Wnt4 gene expression in vivo since the morpholino-based knock-down of either WT1 or Sox11 led to notable downregulation of the Wnt4 gene expression in the frog embryonic pronephros. The other general aim of this thesis was to develop novel tissue targeting and therapy tools to the cell lineages regulated by the Wnt4 signals, including the podocytes. For this purpose, we utilized mice carrying a floxed expression cassette for the avidin-LDL receptor fusion protein, Lodavin, in the constitutively active Rosa-26 locus. Three Cre driver mice, including the Wnt4-Cre knock-in line, were used to activate Lodavin expression in the respective cells of the embryonic kidney. Moreover, we generated a podocyte injury model by expressing the human receptor for diphtheria toxin specifically in the podocytes. This was achieved by crossing mice containing a floxed expression cassette for this receptor in the Rosa-26 locus with those expressing the Cre recombinase under the nephrin promoter. Administration of diphtheria toxin led initially to podocyte damage only, followed by a progression to glomerular sclerosis. As a summary, Sox11 and WT1 serve as synergistic transcription factors that may regulate expression of the Wnt4 gene in vivo. The transgenic mouse models generated and used provide the basis to generate acute and chronic kidney disease models and the potential to purify the respective cells for developing cell-based therapy avenues for the kidney. Moreover, the Lodavin-based approaches may enable targeted delivery of biotinylated small compounds, proteins, viruses or even cells and novel means for in vivo imaging and functional studies. / Tiivistelmä Wnt-4 kuuluu signaloivien proteiinien Wnt-perheeseen ja sen toiminta on välttämätöntä munuaisen kehityksessä. Ilman Wnt-4 proteiinia munuainen ei kehity. Munuaisen lisäksi Wnt4-signalointi on mukana useiden muiden elinten, kuten sukurauhasten, lisämunuaisen ja aivolisäkkeen säätelyssä. Alkion munuaisessa Wnt4-signalointi saa aikaan mesenkymaalisen kantasolukon epitelisoitumisen, edustaen näin ollen nefronin kehityksen varhaisia vaiheita. Wnt4-signaloinnilla on myös merkittävä asema lapsuusiän munuaiskasvaimen, niin kutsutun Wilmsin kasvaimen kehittymisessä. Tämän tyyppisessä kasvaimessa keskeisenä on Wilmsin tuumoriproteiinin WT1:n toiminta, mutta myös Wnt4:n toiminnalla voi olla merkitystä. Wilmsin kasvaimen arvellaan saavan alkunsa varhaisista sikiöaikaisista jälkimunuaisen soluista, mutta yksityiskohtaisia mekanismeja ei vielä tunneta. Tämän projektin tarkoituksena oli tutkia Wnt4-geenin ilmentymistä sääteleviä mekanismeja käyttäen mallina mK4-soluja eli alkion munuaisesta saatuja, immortalisoituja soluja. Wnt4-geenin ilmentymistä analysoitiin myös in vivo sammakon alkion alkumunuaisessa. Tuplahybridi-analysoinnin avulla tunnistettiin transkriptiotekijäperhe SoxC:n jäsen Sox11 samantoimiseksi proteiiniksi transkriptiotekijä WT1:n kanssa Wnt4-geenin ilmentymisen säätelyssä. Immunopresipitaatiotutkimukset tukivat ajatusta, että Sox11 ja WT1 voisivat olla fyysisessä vuorovaikutuksessa säädellessään nefroninmuodostuksen alullepanossa ratkaisevan Wnt4-geenin ilmentymistä. Sox11 ja WT1 voivat mahdollisesti säädellä Wnt4-geenin ilmentymistä myös in vivo, sillä morfoliineihin perustuvissa kokeissa sekä WT1:n että Sox11:n hiljennys laski Wnt4-geenin ilmentymistasoa sammakon alkumunuaisessa. Tämän väitöstutkimuksen toinen yleinen tavoite oli kehittää uusia kudoskohdennus- ja terapiakeinoja Wnt4-signaloinnin säätelemille solulinjoille, kuten podosyyteille. Tätä tarkoitusta varten kloonattiin siirtogeeninen hiiri, jossa floksattu avidiini-LDL -reseptorifuusioproteiini, Lodavin, kohdennettiin jatkuvasti aktiiviseen Rosa-26 -lokukseen. Kolmea eri Cre-hiirilinjaa käytettiin aktivoimaan Lodavinin ilmentyminen kussakin tietyssä alkion munuaisen solupopulaatiossa. Yksi näistä Cre-linjoista oli Wnt4-Cre. Jotta kyettäisiin vahingoittamaan samoja soluja, jotka ilmentävät Lodavinia, hyödynnettiin difteriamyrkyn ihmisen reseptoria (iDTR). IDTR:n ilmentäminen tietyissä hiiren soluissa tekee ne alttiiksi tappavalle difteriamyrkylle. IDTR-perusteisen munuaisvauriomallin kehittämiseksi käytettiin floksattua iDTR-hiirimallia, ja geenin ilmentyminen aktivoitiin Wnt4-indusoiduissa munuaissolulinjoissa, erityisesti podosyyteissä Nephrin Cre -välitteisesti. NephrinCre;R26RiDTR hiiriä altistettiin difteriamyrkylle ja niiden munuaiskerästen muutoksia seurattiin. Tutkimukset antavat viitteitä siitä, että R26R-floksatut iDTR-hiiret toimivat hyvänä mallina kehitettäessä sekä akuutteja että kroonisia munuaistautimalleja. Yhteenvetona voidaan todeta, että Sox-11 ja WT-1 ovat samantoimisia transkriptiotekijöitä, jotka voivat säädellä Wnt4-geenin ilmentymistä in vivo. Tutkimuksessa kehitetyt ja käytetyt siirtogeeniset hiirimallit tarjoavat perustan kehittää sekä akuutteja että kroonisia munuaistautimalleja. Samalla ne mahdollistavat kulloistenkin solujen eristämisen uusien soluperusteisten hoitomenetelmien kehittelemiseksi. Lisäksi Lodavin-perusteiset lähestymistavat voivat mahdollistaa biotinyloitujen pienten yhdisteiden, proteiinien, virusten tai jopa solujen kuljetuksen kohdennetusti sekä avata uusia mahdollisuuksia in vivo -kuvantamiselle ja toiminnallisille tutkimuksille.