Dissecting the role of autophagy in Polycystic Kidney Disease cellular and animal models

Autosomal polycystic kidney disease (ADPKD) is a common genetic disorder mainly caused by mutations in either PKD1 or PKD2. It is characterized by uncontrolled growth of fluid-filled cysts in the kidneys, eventually leading to the loss of renal function. The mechanisms underlying cystogenesis in ADPKD patients are poorly understood, but it is known that the development of cysts is caused by impairment in the renal epithelial cell growth control, fluid transport and morphogenesis. To date, there are no effective treatments available for ADPKD: the only FDA-approved drug to slow ADPKD progression is Tolvaptan, which has – however – modest efficacy and its long-term use has been linked to many side effects. Therefore, up to now ADPKD therapy is limited to renal replacement therapy and kidney transplant. Recently, altered autophagy has been implicated in ADPKD progression, though its regulation by PKD1 and PKD2 products – respectively polysticin-1 (PC1) and polycystin-2 (PC2) – remains unclear. Polyctystins are involved in several cellular pathways, including mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway, and given that autophagy process is negatively regulated by mTOR, the link between autophagy and ADPKD has been investigated. Basal autophagy and starvation-induced autophagy were shown to be enhanced in murine-derived cells lacking of pkd1, conferring to these cells resistance against stress and starvation-induced cell death. On the other hand, experiments on the same type of cells and on mouse models demonstrated an impairment in the autophagosomal-lysosomal fusion in the last step of autophagy, suggesting a defect in the process and a reduced autophagic flux. Diminished autophagy was confirmed in a pdk1a zebrafish model, in which treatment with different autophagy activators were shown to revert the cystic phenotype and to partially restore kidney function. This thesis aims to analyze the role of autophagy in cellular and animal models of ADPKD in order to delineate cell-specific properties that could be exploited in the future for developing novel ADPKD therapeutic strategies.

La malattia renale policistica autosomica (ADPKD) è una malattia genetica comune causata principalmente da mutazioni in PKD1 o PKD2. È caratterizzata da una crescita incontrollata di cisti piene di liquido nei reni, che possono portare alla perdita della funzione renale. I meccanismi alla base della cistogenesi nei pazienti con ADPKD sono poco conosciuti, ma è noto che lo sviluppo delle cisti è causato da una compromissione del controllo della crescita delle cellule epiteliali renali, del trasporto dei fluidi e della morfogenesi. Ad oggi, non ci sono trattamenti efficaci disponibili per l'ADPKD: l'unico farmaco approvato dalla FDA per rallentare la progressione dell'ADPKD è Tolvaptan, che ha – tuttavia – un'efficacia modesta e il cui uso a lungo termine è stato collegato a molti effetti collaterali. Pertanto, fino ad ora la terapia per l’ADPKD è limitata alla terapia sostitutiva renale e al trapianto di rene. Recentemente, alterazioni dell’autofagia sono state implicate nella progressione dell'ADPKD, sebbene la regolazione autofagica da parte dei prodotti dei geni PKD1 e PKD2 – rispettivamente polisticina-1 (PC1) e policistina-2 (PC2) – rimanga poco chiara. Le polictistine sono coinvolte in diverse vie cellulari, tra cui il pathway del bersaglio meccanicistico della rapamicina (mTOR), e dato che il processo di autofagia è regolato negativamente da mTOR, è stato studiato il legame tra autofagia e ADPKD. L'autofagia basale e l'autofagia indotta hanno dimostrato di essere rafforzate nelle cellule di derivazione murina prive di pkd1, conferendo a queste cellule resistenza contro lo stress e la morte cellulare. D'altra parte, esperimenti sullo stesso tipo di cellule e su modelli murini hanno dimostrato una compromissione della fusione autofagosomica-lisosomiale nell'ultima fase dell'autofagia, suggerendo un difetto nel processo e un ridotto flusso autofagico. La diminuzione dell'autofagia è stata confermata in un modello zebrafish di ADPKD, in cui il trattamento con diversi attivatori dell'autofagia ha dimostrato di invertire il fenotipo cistico e di ripristinare parzialmente la funzione renale. Questa tesi si propone di analizzare il ruolo dell'autofagia in modelli cellulari e animali di ADPKD al fine di delineare proprietà cellulari specifiche che potrebbero essere sfruttate in futuro per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche per l’ADPKD.