内质网相关降解是nephrin成熟和肾小球滤过功能所必需的

Endoplasmic reticulum-associated degradation is required for nephrin maturation and kidney glomerular filtration function

作者信息Sei Yoshida, Xiaoqiong Wei, Gensheng Zhang, Christopher L O'Connor, Mauricio Torres, Zhangsen Zhou, Liangguang Lin, Rajasree Menon, Xiaoxi Xu, Wenyue Zheng, Yi Xiong, Edgar Otto, Chih-Hang Anthony Tang, Rui Hua, Rakesh Verma, Hiroyuki Mori, Yang Zhang, Chih-Chi Andrew Hu, Ming Liu, Puneet Garg, Jeffrey B Hodgin, Shengyi Sun, Markus Bitzer, Ling Qi
PMID33591954
发布时间2021-04
DOI10.1172/JCI143988

实验完整度

包含足细胞特异性基因敲除小鼠模型、细胞系CRISPR敲除、代谢标记、生化实验、电镜及结构预测等多层级验证,并进行了功能与机制验证。

主要模型

足细胞特异性Sel1L敲除小鼠(Sel1LPodCre) HRD1敲除的人足细胞系(CIHP-1) HRD1敲除的HEK293T细胞 HRD1敲除的N2a细胞

重点核对

Sel1LPodCre小鼠中Sel1L在足细胞的特异性敲除效率 足细胞特异性Sel1L敲除后HRD1蛋白水平的降低 5周龄Sel1LPodCre小鼠尿液中白蛋白/肌酐比值升高 通过Western blot检测nephrin b/a比例及EndoH敏感性评估nephrin成熟状态

摘要

足细胞通过形成指状足突之间的裂孔隔膜,是肾小球滤过屏障的关键;然而,内质网中蛋白质折叠和降解的分子细节及功能重要性仍不清楚。在这里,我们证明内质网相关降解(ERAD)的SEL1L-HRD1蛋白复合物是裂孔隔膜形成和肾小球滤过功能所必需的。SEL1L-HRD1 ERAD在小鼠和人类肾脏的足细胞中高表达。足细胞特异性Sel1L缺陷的小鼠在断奶后不久出现足细胞病和严重的先天性肾病综合征,伴有裂孔隔膜受损,并过早死亡,中位寿命约为3个月。我们在机制上证明nephrin是一种1型膜蛋白,与先天性肾病综合征有因果关系,是内源性ERAD底物。ERAD缺陷减弱了新生成nephrin的成熟,导致其滞留在内质网中。我们还表明,多种常染色体隐性nephrin疾病突变体高度不稳定,并被SEL1L-HRD1 ERAD分解,这减弱了突变体对WT等位基因的致病性。这项研究揭示了SEL1L-HRD1 ERAD在肾小球滤过屏障功能中的关键作用,并为与常染色体隐性疾病突变体相关的发病机制提供了见解。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
SEL1L-HRD1 ERAD在足细胞中是否以及如何影响裂孔隔膜形成和肾小球滤过功能?
核心机制
SEL1L-HRD1 ERAD通过降解错误折叠的nephrin,促进其成熟,对裂孔隔膜形成至关重要;ERAD缺陷导致nephrin滞留于内质网并形成聚集体。
主要证据
足细胞特异性Sel1L敲除小鼠出现蛋白尿、足突融合和裂孔隔膜消失;体外实验显示HRD1缺失导致nephrin成熟延迟、与BiP结合增强、泛素化减少和半衰期延长。
研究意义
揭示SEL1L-HRD1 ERAD是肾小球滤过屏障功能的关键调节因子,并为常染色体隐性遗传病突变体的发病机制提供见解。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

表达分析

确定SEL1L-HRD1 ERAD在肾脏和足细胞中的表达情况。

通过单细胞RNA测序分析人类肾脏样本,并通过免疫荧光染色检测SEL1L和HRD1蛋白在人和小鼠肾脏足细胞中的表达。

2

小鼠模型建立及表型分析

研究足细胞特异性SEL1L缺失对小鼠存活、肾脏功能和形态的影响。

通过Sel1Lfl/fl与podocin-Cre小鼠杂交产生Sel1LPodCre小鼠,监测体重、生存率,检测尿液和血液生化指标,并进行组织学检查。

3

超微结构分析

评估足细胞形态和裂孔隔膜完整性。

使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察肾小球和足细胞超微结构,包括足突和裂孔隔膜。

4

nephrin定位和成熟分析

确定SEL1L缺失对nephrin在细胞内定位和成熟的影响。

通过免疫荧光共染检测nephrin与ER标志物KDEL及裂孔隔膜蛋白ZO1的共定位;通过Western blot分析nephrin的a/b形式比例,并通过EndoH消化检测其内质网滞留。

5

生化验证ERAD底物

证明nephrin是SEL1L-HRD1 ERAD的底物。

通过免疫共沉淀检测nephrin与BiP的相互作用;通过泛素化实验、CHX追踪和35S脉冲追踪分析nephrin的降解和成熟;通过非还原电泳检测高分子量复合物。

6

突变体分析

研究致病性nephrin突变体是否作为ERAD底物,以及ERAD对其致病性的影响。

通过结构预测和突变体构建,分析6个nephrin错义突变体的稳定性、内质网滞留和降解;通过共表达实验评估突变体对WT nephrin的影响。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基Corning10017CV
RPMI 1640培养基Corning10-040-CM
胰岛素-转铁蛋白-硒Gibco, Thermo Fisher Scientific51500-056
ProLong Gold抗淬灭封片剂(含DAPI)Invitrogen, Thermo Fisher ScientificP36931
SEL1L抗体Abcamab78298
podocin抗体MilliporeSigmaP0372
podocin抗体ABclonalA17337
HRD1抗体Proteintech13473-1-AP
synaptopodin抗体Santa Cruz Biotechnologysc-515842
synaptopodin抗体ABclonalA12049
nephrin抗体ABclonalA3048
KDEL抗体Abcamab12223
ZO1抗体Thermo Fisher Scientific33-9100
BiP抗体Abcamab21685
CD2AP抗体Proteintech51046-1-AP
泛素抗体Santa Cruz Biotechnologysc-8017
Myc抗体MilliporeSigmaC3956
Flag抗体MilliporeSigmaF-1804
HSP90抗体Santa Cruz Biotechnologysc-13119
组蛋白H2A抗体Cell Signaling Technology2578
山羊抗兔IgG HRPBio-Rad5196-2504
抗小鼠IgG HRPBio-Rad1706516
抗小鼠IgG Alexa Fluor 594Jackson ImmunoResearch Laboratories115-585-044
抗小鼠IgG Alexa Fluor 488Jackson ImmunoResearch Laboratories715-545-150
抗兔IgG Alexa Fluor 594Jackson ImmunoResearch Laboratories111-585-144
抗兔IgG Alexa Fluor 488Jackson ImmunoResearch Laboratories711-545-152
Sorensen缓冲液Electron Microscopy Sciences11600-05
Tissue-Tek O.C.T.包埋剂Electron Microscopy Sciences--
低温恒温器LeicaCM1950
尼康A1共聚焦显微镜Nikon--
JEOL JEM-1400 Plus透射电子显微镜JEOL--
AMRAY 1910场发射扫描电子显微镜AMRAY--
Thermo Fisher Helios 650 Nanolab扫描电子显微镜Thermo Fisher--
布雷菲德菌素A----
MG132MilliporeSigma--
β-巯基乙醇----
NP-40----
蛋白酶抑制剂混合物MilliporeSigma--
PMSFMilliporeSigma--
N-乙基马来酰亚胺MilliporeSigma--
[35S]-半胱氨酸和甲硫氨酸----
HBSS缓冲液Gibco, Life Technologies, Thermo Fisher Scientific--
Triton X-100----
柠檬酸钠缓冲液----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
小鼠模型
Sel1LPodCre小鼠的构建:Sel1Lfl/fl与podocin-Cre杂交,C57BL/6背景;对照包括WT和杂合子。
阅读提示:Methods: Mice
肾功能评估
尿白蛋白/肌酐比、血清肌酐、胆固醇和BUN的检测时间点(3、5、7、10周)
阅读提示:Results: 图3,Methods: Mouse studies
电镜分析
扫描电镜和透射电镜的样本固定(2.5%戊二醛和4%多聚甲醛)和观察年龄(3、5、10周)
阅读提示:Methods: TEM and advanced SEM, Results: 图4
nephrin成熟分析
Western blot中nephrin抗体(ABclonal A3048)识别a和b形式;EndoH消化条件
阅读提示:Methods: Antibodies, Results: 图5
体外细胞实验
HRD1敲除细胞系的生成(CRISPR,guide序列);CHX实验浓度和时间(1 μg/mL BFA预处理30分钟,CHX 2和4小时)
阅读提示:Methods: Cell lines, In vitro drug treatment