Analysis of intracellular trafficking and localization of the human kidney anion exchanger 1 (kAE1) in yeast

Abstract

The bicarbonate transporter ‘kidney anion exchanger 1’ (kAE1) resides in the basolateral membrane of renal epithelial cells playing an important role in the acid-base homeostasis. Various autosomal mutations in the respective encoding gene resulting in misfolding, ER/Golgi retention, and premature degradation of kAE1 are linked to the medical condition “distal renal tubular acidosis” (dRTA). In this study, Saccharomyces cerevisiae was used as model to further analyze the intracellular trafficking of kAE1. Electron and structured illumination microscopy analyses indicated that kAE1 partially localizes at the yeast plasma membrane, however, most of the protein was accumulated in membrane-like structures of secretory pathway compartments. Further analysis revealed that heterologous expression of kAE1 derivates led to strong UPR activation, which was solely dependent on the expression level and separated from the biological activity of the transporter. Expression of different truncated kAE1 variants also showed that the C-terminal region plays an essential role in the development of ER stress. Furthermore, the total folding capacity of the ER was significantly increased, resulting in a partial redistribution of ER-accumulated kAE1 to the plasma membrane. By providing novel strategies to decrease intracellular kAE1 accumulation, thereby improving the desired targeting to the plasma membrane, this study opened a promising basis for future kAE1-related research.

Der Anionentransporter kAE1 (kidney anion exchanger 1) ist Teil der basolateralen Membran renaler Zellen und essenziell für das Säure-Basen-Gleichgewicht des Organismus. Mutationen des kodierenden Gens führen zu Fehlfaltung, ER/Golgi-Retention und verfrühtem Abbau von kAE1 und stehen in Verbindung mit der Ausbildung von „distaler renaler tubulärer Azidose“ (dRTA). In dieser Arbeit wurde die Hefe Saccharomyces cerevisiae als Modellorganismus zur Untersuchung des intrazellulären kAE1-Transports verwendet. Hochauflösende Mikroskopieverfahren zeigten eine partielle Lokalisation des Transporters an der Plasmamembran, ein Großteil des Proteins akkumulierte jedoch in Membranstrukturen des sekretorischen Weges. Heterologe Expression von kAE1 führte zu einer signifikanten Induktion der UPR, die lediglich vom Expressionslevel und nicht der eigentlichen biologischen Aktivität des Transporters abhängig war. Mittels verkürzter kAE1-Derivate wurde dem C-Terminus des Proteins eine wesentliche Rolle in der Ausbildung von ER-Stress zugewiesen. Durch Steigerung der ER-Faltungskapazität konnte eine partielle Redistribution von akkumulierten kAE1 hin zur Plasmamembran demonstriert werden. Diese Arbeit bietet durch das Aufzeigen unterschiedlicher Strategien zur Verringerung der Akkumulation von kAE1 und zur Steigerung des Transport zur Plasmamembran eine Grundlage für zukünftige Untersuchungen des Anionentransporters oder renalen Proteinen im Allgemeinen im Modellorganismus S. cerevisiae.