Universität zu Köln

Kieckhöfer, Emilia ORCID: 0009-0004-7888-9185 (2025). Regulated cell death in the pathogenesis of renal ciliopathies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The primary cilium is an evolutionary conserved sensory organelle present on most mammalian cell types. In the kidney, cilia project from the apical surface of tubular epithelial cells. Defects in the structure or function of primary cilia lead to ciliopathies, such as autosomal dominant and recessive Polycystic Kidney Disease (ADPKD/ARPKD), and several genetic syndromes, including Nephronophthisis (NPH), Joubert Syndrome (JBTS) or Bardet-Biedl Syndrome (BBS). These syndromes display overlapping symptoms in different organs and tissues, such as retinopathy, polydactyly, neuronal developmental disorders or obesity, and commonly exhibit development of (poly-)cystic kidney disease. The cystic kidney disease observed in NPH and NPH-related ciliopathies (NPH-RC), such as JBTS or BBS, develops during childhood and adolescence and is accompanied by a massive loss of epithelial cells, as well as inflammation and interstitial fibrosis. This thesis, therefore, follows the hypothesis that regulated cell death (RCD) pathways play a role in the pathogenesis of the kidney phenotype in NPH and NPH-RC, and investigates the bidirectional interconnection between RCD and the primary cilium, as well as the role of RCD in NPH/NPH-RC. In the first part, we studied how loss of primary cilia would affect the RCD response in murine inner medullary collecting duct cells. This revealed increased expression of the necroptosis key regulator receptor-interacting protein kinase 3 (RIPK3) in cells lacking primary cilia, and increased phosphorylation of the mixed lineage kinase domain-like pseudokinase (MLKL) suggesting elevated necroptosis. In summary, cells lacking primary cilia were prone to undergo necroptosis upon induction of cell death, which was not observed in ciliated cells. This resulted in the first conclusion that the absence of primary cilia increases susceptibility to necroptotic cell death. Conversely, the presence of cilia to some extent may offer protection against necroptosis. In the second part, we aimed to understand the contribution of RCD pathways to the pathogenesis of cystic kidney disease in the well-established Nphp9/Nek8jck mouse model, in which a point mutation in the Nphp9/Nek8jck gene leads to a severe and early on-set cystic kidney disease. Crossing this mouse with a conventional knockout of Ripk3 led to an amelioration of cystic kidney disease and kidney function. Notably, this double knockout led to an upregulation of key pyroptotic regulators such as the NLR family pyrin domain containing 3 (NLRP3), Caspase-11 or Gasdermin D (GSDMD). Consistently, the deletion of GsdmD a key regulator of pyroptosis in the Nphp9/Nek8jck mouse model also improved the phenotype and function of the kidney. In summary, the in vivo data demonstrate that necroptosis, and to a certain extent pyroptosis and the inflammasome, contribute to the loss of kidney function in the studied ciliopathy model. In the third part of this thesis, we present a mouse model in which the deletion of the Bbs gene, Bbs8, results in the development of a kidney phenotype, in particular, tubule cystic kidney disease. Our data support the hypothesis that in the kidneys of the Bbs8 deficient mice pyroptosis and fibrosis is expressed, without the regulation of necroptosis. Mechanistically, loss of BBS8 resulted in increased expression and activity of the histone deacetylase 2 (HDAC2), which in turn destabilized ciliary microtubules by deacetylation of acetylated alpha-tubulin. In conclusion, the primary cilium exhibits a protective function to prevent RCD, particularly necroptosis and pyroptosis, and both pathways contribute to cystic kidney disease. Future work will have to address to what extent RIPK3 and GSDMD might serve as potential therapeutic targets in NPH or NPH-RC.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das primäre Zilium ist ein evolutionär konserviertes sensorisches Organell, dass bei den meisten Säugetierzelltypen vorhanden ist. In der Niere bilden sich Zilien von der apikalen Oberfläche der Epithelzellen des Nierentubulus aus. Defekte in dieser Struktur oder Störungen der Funktion führen zu Ziliopathien, wie zu autosomal-dominanten und -rezessiven polyzystischen Nierenerkrankung (ADPKD/ARPKD), sowie verschiedenen weiteren genetischen Syndromen, wie zum Beispiel Nephronophthisis (NPH), das Joubert-Syndrom (JBTS) oder das Bardet-Biedl-Syndrom (BBS). Diese Syndrome können überlappende Symptome in diversen Organen und Geweben aufweisen, wie Retinopathie, Polydaktylie, neuronale Entwicklungsstörungen oder Fettleibigkeit. Die Entwicklung einer (poly ) zystischen Nierenerkrankung zeigt sich in diesen regulär als konstante Manifestation. Die zystische Nierenerkrankung, die bei NPH und NPH-verwandten Ziliopathien (NPH-RC) wie bei JBTS oder BBS beobachtet wird, entwickelt sich im Kindes- und Jugendalter und wird von einem massiven Verlust von Epithelzellen der Niere sowie von Entzündungen und interstitieller Fibrose begleitet. Diese Arbeit geht daher von der Hypothese aus, dass regulierter Zelltod (RCD) eine Rolle bei der Entstehung des Nierenphänotyps in NPH und NPH-RC spielt, und untersucht die bidirektionale Verbindung zwischen RCD und dem primären Zilium, sowie die Rolle von RCD in NPH/NPH-RC. Im ersten Teil dieser Thesis wurde untersucht, wie sich der Verlust der primären Zilien auf die RCD-Reaktion in Zellen des inneren medullären Sammelkanals der Niere in der Maus auswirkt. Dabei zeigte sich eine erhöhte Expression von Nekroptose-Schlüsselregulatoren, wie unter anderem von Receptor-interacting protein kinase 3 (RIPK3), sowie eine erhöhte Phosphorylierung der Mixed lineage kinase domain-like pseudokinase (MLKL). Zusammenfassend zeigen Zellen ohne primäre Zilien eine erhöhte Neigung zu Nekroptose nach Induktion von Zelltod, welches in zilierten Zellen nicht beobachtet werden konnte. Hierdurch ließ sich feststellen, dass das Vorhandensein von primären Zilien bis zu einem gewissen Grad Nekroptose verhindert. Darüber hinaus war das Ziel die Rolle von RCD-Signalwege, sowie deren Beitrag zur Pathogenese der Zystennierenerkrankung zu untersuchen. Hierzu wurde das etablierte Mausmodell Nphp9/Nek8jck verwendet, welches durch eine Punktmutation in diesem Gen zu einer schweren und früh einsetzenden Zystennierenerkrankung führt. Die Kreuzung dieser Maus mit einem herkömmlichen Ripk3 Knockout Model führte zu einer Verbesserung der zystischen Nierenerkrankung, sowie der Nierenfunktion. Bemerkenswert war, dass der doppelte Knockout zu einer Hochregulierung von pyroptotischen Schlüsselregulatoren, wie NLR family pyrin domain containing 3 (NLRP3), Caspase 11 oder Gasdermin D (GSDMD) führte. Dem einhergehend verbesserte der zusätzliche Verlust von GsdmD in der Nphp9/Nek8jck Maus ebenfalls den Phänotyp und die Funktion der Niere. Zusammenfassend zeigen die in vivo Daten, dass Nekroptose, sowie zum Teil Pyroptose und das Inflammasom, zum Verlust der Nierenfunktion im untersuchten Ziliopathie-Modell beitrugen. Final konnten wir zeigen, dass die Deletion des Bbs-Gens Bbs8 zur Entwicklung einem tubulären zystischen Nierenphänotyps führt, unter dem potentiellen Einfluss von Pyroptose. Darüber hinaus führte mechanistisch gesehen der Verlust von Bbs8 zu einer erhöhten Expression und Aktivität der Histondeacetylase 2 (HDAC2). Hierbei destabilisiert HDAC2 die primären Zilien durch Deacetylierung von Alpha-Tubulin. Zusammenfassend zeigt sich, dass das primäre Zilium eine Schutzfunktion besitzt, um RCD, insbesondere Nekroptose und Pyroptose, zu verhindern, und dass beide RCD-Wege akut zur zystischen Nierenerkrankung beitragen. Aus diesem Grund sollten sich künftige Arbeiten mit der Frage befassen, inwieweit RIPK3 und GSDMD als potenzielle therapeutische Ziele bei NPH und anderen NPH-RC dienen könnten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kieckhöfer, Emilia emilia.kieckhoefer@uk-koeln.de orcid.org/0009-0004-7888-9185 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-749547
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Regulated cell death English Ciliopathy English Kidney English
Date of oral exam:	21 May 2024
Referee:	Name Academic Title Schermer, Bernhard Prof. Dr. Hofmann, Kay Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74954