Vitamin D-unabhängige Funktion von Fgf23 und Klotho

Fibroblast growth factor-23 (FGF23) ist ein Hormon, das von Osteoblasten und Osteozyten als Antwort auf erhöhte extrazelluläre Phosphat- und Vitamin-D-Hormonspiegel sezerniert wird. Die Bindung von FGF23 an FGF- Rezeptoren auf Zielzellen benötigt den Korezeptor Klotho. FGF23 erniedrigt die renal-tubuläre Reabsorption von Phosphat und die Synthese des Vitamin-D-Hormons durch Hemmung der renalen 1a-Hydroxylase. Der genaue Mechanismus, wie FGF23 die Membranexpression von Natrium-Phosphat-Kotransportern im proximalen Tubulus erniedrigt, ist nicht bekannt. Weiters ist die physiologische Rolle der möglichen suppressiven Wirkung von FGF23 auf die Parathormon-Sekretion unklar und es war immer ein Rätsel, warum FGF23 nicht die Serumkonzentration von Calcium erniedrigt, obwohl es die Vitamin-D-Hormon-Synthese unterdrückt. Klotho- und Fgf23-Knockout- Mäuse zeigen eine schwere Hypervitaminose D aufgrund der fehlenden Unterdrückung der renalen 1a- Hydroxylase. Die engen Verflechtungen zwischen Fgf23/Klotho-Signaling und dem Vitamin-D-Metabolismus haben es deshalb schwierig gemacht, die Vitamin D-unabhängigen Funktionen von Fgf23 und Klotho in vivo klar zu definieren. Vorläufige Daten von 9 Monate alten Fgf23/Vitamin D-Rezeptor (VDR)-Doppelmutanten auf einer mit Calcium, Phosphor und Laktose angereicherten Rescue diet haben renalen Calcium- und Natriumverlust, Hyperphosphatämie und schweren sekundären Hyperparathyreoidismus in Fgf23/VDR-Doppelmutanten gezeigt. Weitere Experimente legten nahe, dass fehlendes Fgf23-Signaling zu einem verminderten Membrantransport des voll glykosylierten Transient receptor potential vanilloid-5 (TRPV5)-Kanals im distalen Nierentubulus führt, wobei der Mechanismus den Signalweg über With-no-lysine kinase-4 (WNK4) und Serum- and glucocorticoid-inducible kinase-1 (SGK1) involviert. Diese Daten könnten bedeuten, dass Fgf23 nicht nur ein phosphaturisches, sondern auch ein calcium- konservierendes Hormon ist, und dass es eine Verbindung zwischen Fgf23- und Aldosteron-Signaling auf der Ebene der SGK1 und dadurch zwischen Phosphat-, Calcium- und Natriumhomöostase gibt. Zentrales Ziel dieses Projekts ist es, die Vitamin D-unabhängigen molekularen Funktionen von Fgf23 und Klotho in der renalen Calcium-, Phosphat- und Natrium-Reabsorption, in der Regulation der PTH-Sekretion und für das Fortschreiten der experimentellen chronischen Niereninsuffizienz (CKD) weiter zu charakterisieren. Unsere Hypothese ist, dass Fgf23-Signaling die distal-tubuläre Calcium- und Natrium-Reabsorption sowie die proximal- tubuläre Phosphat-Reabsorption direkt über den ERK1/2-SGK1-Signalweg reguliert, und dass Fgf23-Defizienz teilweise Protektion gegenüber dem Fortschreiten der CKD bietet. Um diese Hypothese zu testen, schlagen wir vor, In-vivo-Gain-of-function-Experimente mit rekombinantem FGF23 und akute Loss-of-function-Experimente mit anti-Fgf23-Antikörpern in Wildtyp, VDR, Fgf23/VDR und Klotho/VDR-Mausmutanten sowie In-vitro- Experimente mit isolierten proximalen und distalen Tubulus-Segmenten, kultivierten primären proximalen und distalen Tubuluszellen und kultivierten primären Nebenschilddrüsen-Zellen von Wildtyp, Fgf23, Klotho, VDR, Fgf23/VDR und Klotho/VDR-Mausmutanten durchzuführen. Die vorgeschlagenen Experimente werden unser Wissen über die molekulare Rolle von Fgf23 und Klotho in der Calcium-, Phosphat- und Natriumhomöostase sowie der Progression der CKD wesentlich erweitern. Die vorgeschlagenen Arbeiten könnten deshalb wichtige Auswirkungen auf die klinische Human- und Veterinärmedizin haben.

Im vorliegenden Projekt haben wir Fibroblast growth factor-23 (FGF23) als einen wichtigen Krankheits-modulierenden Faktor für chronische Nierenerkrankung (CKD) identifiziert. FGF23 ist kein Wachstumsfaktor, wie der Name suggeriert, sondern ein Hormon, das von Knochenzellen als Antwort auf erhöhte extrazelluläre Phosphat- und Vitamin-D-Hormon- Spiegel sezerniert wird. Die Bindung von FGF23 an Fibroblasten Wachstumsfaktor- Rezeptoren auf Zielzellen benötigt die gleichzeitige Expression des Korezeptor-Proteins Klotho, das nach der griechischen Göttin benannt ist, die den Lebensfaden spinnt. Es ist bekannt, dass FGF23 die Reabsorption von Phosphat und die Synthese des Vitamin-D- Hormons in der Niere erniedrigt. Der molekulare Mechanismus, der der FGF23-induzierten Erhöhung der renalen Phosphat-Exkretion zugrunde liegt, war jedoch lange Zeit unbekannt. Darüber hinaus haben klinische Studien gezeigt, dass die Blutspiegel von FGF23 eine große Vorhersagekraft bezüglich des Überlebens, der Krankheits-Progression, sowie von unerwünschten kardiovaskulären Ereignissen bei CKD-Patienten haben. Der Grund für diese Assoziation war jedoch unklar. Das wichtigste Ziel im vorliegenden Projekt war die weitere Aufklärung der Vitamin D-unabhängigen Funktionen von FGF23 und Klotho in der Regulation der renalen Calcium-, Phosphat- und Natrium-Reabsorption, sowie in der Pathogenese von experimentell induzierter CKD. Im vorliegenden Projekt haben wir den molekularen Mechanismus herausgefunden, der der Stimulation der Phosphatexkretion durch FGF23 in der Niere zugrunde liegt. Weiterhin haben wir entdeckt, dass FGF23 nicht nur die Phosphat- Exkretion stimuliert, sondern auch ein Calcium- und Natrium-konservierendes Hormon dar- stellt, das eine Rolle in der Blutdruckregulation spielt. Unsere Experimente in CKD-Mäusen haben gezeigt, dass dieses Ergebnis für die Pathophysiologie von CKD sehr relevant ist, denn wir haben erhöhtes FGF23-Signaling als einen wichtigen Krankheits-modulierenden Faktor bei CKD identifiziert. Bezüglich der Mechanismen haben wir gefunden, dass hohe Blutspiegel von intaktem FGF23 bei CKD-Mäusen Klotho-abhängige und Klotho- unabhängige Signal-Transduktions-Wege aktivieren, die zu einer gesteigerten Calcium- und Natrium- Retention in der Niere führen. Mäuse, die keine funktionelles Gen für Fgf23 besitzen, oder solche, die mit einem Anti-FGF23-Antikörper gespritzt wurden, waren weitgehend geschützt vor CKD-induzierten Veränderungen wie Verschlechterung der Nieren- und Herz- Funktion, Bluthochdruck, Herzhypertrophie, HypercalcämieundGefäßverkalkung. Diese beeindruckenden Ergebnisse könnten eine wichtige Bedeutung für die klinische Medizin haben, weil sie nahelegen, dass die erhöhten FGF23-Blutspiegel bei CKD-Patienten maladaptive Prozesse treiben, und dass CKD-Patienten von einer pharmakologischen Hemmung des verstärkten FGF23-Signalings profitieren könnten.