Abstract The diagnosis of focal segmental glomerulosclerosis (FSGS) requires a renal biopsy, which is invasive and can be problematic in children and in some adults. We used single cell RNA-sequencing to explore disease-related cellular signatures in 23 urine samples from 12 FSGS subjects. We identified immune cells, predominantly monocytes, and renal epithelial cells, including podocytes. Analysis revealed M1 and M2 monocyte subsets, and podocytes showing high expression of genes for epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). We confirmed M1 and M2 gene signatures using published monocyte/macrophage data from lupus nephritis and cancer. Using renal transcriptomic data from the Nephrotic Syndrome Study Network (NEPTUNE), we found that urine cell immune and EMT signature genes showed higher expression in FSGS biopsies compared to minimal change disease biopsies. These results suggest that urine cell profiling may serve as a diagnostic and prognostic tool in nephrotic syndrome and aid in identifying novel biomarkers and developing personalized therapeutic strategies.

Abstract APOL1 high-risk variants partially explain the high kidney disease prevalence among African ancestry individuals. Many mechanisms have been reported in cell culture models, but few have been demonstrated in mouse models. Here we characterize two models: (1) HIV- associated nephropathy (HIVAN) Tg26 mice crossed with bacterial artificial chromosome (BAC)/APOL1 transgenic mice and (2) interferon-ψ administered to BAC/APOL1 mice. Both models showed exacerbated glomerular disease in APOL1-G1 compared to APOL1-G0 mice. HIVAN model glomerular bulk RNA-seq identified synergistic podocyte-damaging pathways activated by the APOL1-G1 allele and by HIV transgenes. Single-nuclear RNA-seq revealed podocyte-specific patterns of differentially-expressed genes as a function of APOL1 alleles. Eukaryotic Initiation factor-2 pathway was the most activated pathway in the interferon-ψ model and the most deactivated pathway in the HIVAN model. HIVAN mouse model podocyte single-nuclear RNA-seq data showed similarity to human focal segmental glomerulosclerosis (FSGS) glomerular bulk RNA-seq data. Furthermore, single-nuclear RNA-seq data from interferon-ψ mouse model podocytes ( in vivo ) showed similarity to human FSGS single-cell RNA- seq data from urine podocytes ( ex vivo ) and from human podocyte cell lines ( in vitro ) using bulk RNA-seq. These data highlight differences in the transcriptional effects of the APOL1 -G1 risk variant in a model specific manner. Shared differentially expressed genes in podocytes in both mouse models suggest possible novel glomerular damage markers in APOL1 variant-induced diseases. Transcription factor Zbtb16 was downregulated in podocytes and endothelial cells in both models, possibly contributing to glucocorticoid-resistance. In summary, these findings in two mouse models suggest both shared and distinct therapeutic opportunities for APOL1 glomerulopathies. Significance statement Coding variants in APOL1, encoding apolipoprotein L1, contribute to kidney disease in individuals with African ancestry. The mechanisms for glomerular injury remain incompletely understood. We studied two transgenic mouse models, HIV-associated nephropathy and interferon-ψ administration. Using glomerular and single-nuclear RNA sequencing, we identified genes differentially expressed among mice with kidney risk alleles (G1) and the common variant (G0). Both models exhibited up-regulation of genes that indicated podocyte damage with risk alleles compared to the common variant. One gene down-regulated in both models was Zbtb16, encoding a transcription factor, that may contribute to glucocorticoid-resistance. Overall, the findings suggest both shared and distinct alterations in the two disease models.

Abstract African-American women have a maternal mortality rate approximately three times higher than European-American women. This is partially due to hypertensive disorders of pregnancy, including preeclampsia. Fetal APOL1 high-risk genotype increases preeclampsia risk, although mechanisms remain elusive. We characterized two mouse models to investigate whether fetal-origin APOL1 induces preeclampsia and which cell types contribute. We in vitro fertilized mice with sperm from two transgenic mouse lines: APOL1 transgenic mice carrying human genomic locus constructs from bacterial artificial chromosomes (BAC) containing the APOL1 gene, mimicking expression and function of human APOL1 (BAC/APOL1 mice) and albumin promoter APOL1 transgenic mice expressing APOL1 in liver and plasma (Alb/APOL1 mice). Dams carrying either BAC/APOL1-G1 or Alb/APOL1-G1 fetuses had elevated systolic blood pressure, while dams carrying BAC/APOL1-G0 or Alb/APOL1-G0 fetuses did not. BAC/APOL1-G1 and Alb/APOL1-G1 fetuses weighed less than littermates, indicating intrauterine growth restriction. Single-nucleus RNA-seq of APOL1-G1 placentas showed increased expression of osteopontin/Spp1, most prominently in vascular endothelial cells with robust APOL1 expression. Cell-cell interaction analysis indicated pro-inflammatory signaling between placental cells and maternal monocytes. These models show that fetal origin APOL1-G1 causes preeclampsia, inducing pro-inflammatory response in placenta and maternal monocytes. The APOL1-G1 variant poses a multi-generational problem, causing effects in mothers and offspring.

HIV disease remains prevalent in the USA and chronic kidney disease remains a major cause of morbidity in HIV-1-positive patients. Host double-stranded RNA (dsRNA)-activated protein kinase (PKR) is a sensor for viral dsRNA, including HIV-1. We show that PKR inhibition by compound C16 ameliorates the HIV-associated nephropathy (HIVAN) kidney phenotype in the Tg26 transgenic mouse model, with reversal of mitochondrial dysfunction. Combined analysis of single-nucleus RNA-seq and bulk RNA-seq data revealed that oxidative phosphorylation was one of the most downregulated pathways and identified signal transducer and activator of transcription (STAT3) as a potential mediating factor. We identified in Tg26 mice a novel proximal tubular cell cluster enriched in mitochondrial transcripts. Podocytes showed high levels of HIV-1 gene expression and dysregulation of cytoskeleton-related genes; and these cells dedifferentiated and were lost from the glomerular tuft. In injured proximal tubules, cell-cell interaction analysis indicated activation of the profibrogenic PKR-STAT3-platelet derived growth factor (PDGF)-D pathway. These findings suggest that PKR inhibition and mitochondrial rescue are potential novel therapeutic approaches for HIVAN.

Abstract Hyponatremia and salt wasting is a common occurance in patients with HIV/AIDS, however, the understanding of its contributing factors is limited. HIV viral protein R (Vpr) contributes to HIV-associated nephropathy. To investigate the effects of Vpr on the expression level of the Slc12a3 gene, encoding the Na-Cl cotransporter, which is responsible for sodium reabsorption in distal nephron segments, we performed single-nucleus RNA sequencing of kidney cortices from three wild-type (WT) and three Vpr-transgenic (Vpr Tg) mice. The results showed that the percentage of distal convoluted tubule (DCT) cells was significantly lower in Vpr Tg mice compared with WT mice (P < 0.05), and that in Vpr Tg mice, Slc12a3 expression was not different in DCT cell cluster. The Pvalb + DCT1 subcluster had fewer cells in Vpr Tg mice compared with WT (P < 0.01). Immunohistochemistry demonstrated fewer Slc12a3 + Pvalb + DCT1 segments in Vpr Tg mice. Differential gene expression analysis comparing Vpr Tg and WT in the DCT cluster showed Ier3 , an inhibitor of apoptosis, to be the most downregulated gene. These observations demonstrate that the salt-wasting effect of Vpr in Vpr Tg mice is mediated by loss of Slc12a3 + Pvalb + DCT1 segments via apoptosis dysregulation.