Chronic kidney disease (CKD) remains a major epidemiological, clinical, and biomedical challenge. During CKD, renal tubular epithelial cells (TECs) present a persistent inflammatory and profibrotic response. Fatty acid oxidation (FAO), the main source of energy for TECs, is reduced in kidney fibrosis and contributes to its pathogenesis. To determine whether gain of function in FAO (FAO-GOF) could protect from fibrosis, we generated a conditional transgenic mouse model with overexpression of the fatty acid shuttling enzyme carnitine palmitoyl-transferase 1A (CPT1A) in TECs. Cpt1a-knockin (CPT1A-KI) mice subjected to 3 models of renal fibrosis (unilateral ureteral obstruction, folic acid nephropathy [FAN], and adenine-induced nephrotoxicity) exhibited decreased expression of fibrotic markers, a blunted proinflammatory response, and reduced epithelial cell damage and macrophage influx. Protection from fibrosis was also observed when Cpt1a overexpression was induced after FAN. FAO-GOF restored oxidative metabolism and mitochondrial number and enhanced bioenergetics, increasing palmitate oxidation and ATP levels, changes that were also recapitulated in TECs exposed to profibrotic stimuli. Studies in patients showed decreased CPT1 levels and increased accumulation of short- and middle-chain acylcarnitines, reflecting impaired FAO in human CKD. We propose that strategies based on FAO-GOF may constitute powerful alternatives to combat fibrosis inherent to CKD.

Abstract Chronic kidney disease (CKD) remains a major epidemiological, clinical and biomedical challenge. During CKD, renal tubular epithelial cells (TECs) suffer a persistent inflammatory and profibrotic response. Fatty acid oxidation (FAO), the main source of energy for TECs, is reduced in kidney fibrosis and contributes to its pathogenesis. To determine if FAO gain-of-function (FAO-GOF) could protect from fibrosis, we generated a conditional transgenic mouse model with overexpression of the fatty acid shuttling enzyme carnitine palmitoyl-transferase 1 A (CPT1A) in TECs. Cpt1a knock-in (CPT1A KI) mice subjected to three different models of renal fibrosis (unilateral ureteral obstruction, folic acid nephropathy-FAN and adenine induced nephrotoxicity) exhibited decreased expression of fibrotic markers, a blunted pro-inflammatory response and reduced epithelial cell damage and macrophage influx. Protection from fibrosis was also observed when Cpt1a overexpression was induced after FAN. FAO-GOF restituted oxidative metabolism and mitochondrial number and enhanced bioenergetics increasing palmitate oxidation and ATP levels, changes also recapitulated in TECs exposed to profibrotic stimuli. Studies in patients evidenced decreased CPT1 levels and increased accumulation of short and middle chain acyl-carnitines, reflecting impaired FAO in human CKD. We propose that strategies based on FAO-GOF may constitute powerful alternatives to combat fibrosis inherent to CKD. Graphical abstract Overexpression of CPT1A impedes tubular epithelial renal cell dedifferentiation and a pro-fibrotic phenotype by restoring mitochondrial metabolic bioenergetics.

MicroRNAs (miRNAs) regulate gene expression post-transcriptionally and control biological processes, including fibrogenesis. Kidney fibrosis remains a clinical challenge and miRNAs may represent a valid therapeutic avenue. We show that miR-9-5p protected from renal fibrosis in the mouse model of unilateral ureteral obstruction (UUO). This was reflected in reduced expression of pro-fibrotic markers, decreased number of infiltrating monocytes/macrophages and diminished tubular epithelial cell injury and transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1)-dependent de-differentiation in human kidney proximal tubular (HKC-8) cells. RNA sequencing (RNA-Seq) studies in the UUO model revealed that this protection was mediated by a global shift in the expression profile of genes related to key metabolic pathways, including mitochondrial dysfunction, oxidative phosphorylation (OXPHOS), fatty acid oxidation (FAO) and glycolysis, preventing their UUO-dependent down-regulation. This effect was mirrored by a prevention in the TGF-β1-induced bioenergetics changes in HKC-8 cells. The expression of the FAO-related axis peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha (PGC-1α)-peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARα) was reduced by UUO, although preserved by the administration of miR-9-5p. We found that in mice null for the mitochondrial master regulator PGC-1α, miR-9-5p was unable to promote a protective effect in the UUO model. We propose that miR-9-5p elicits a protective response to chronic kidney injury and renal fibrosis by inducing reprogramming of the metabolic derangement and mitochondrial dysfunction affecting tubular epithelial cells.

Chronic kidney disease is a highly prevalent condition that remains a major clinical and biomedical challenge. Tubulo-interstitial fibrosis is the common pathological substrate for many causes that lead to chronic kidney disease. It is characterized by profound derangements in metabolic and inflammatory responses, whereby functional tissue is replaced with extracellular matrix, leading to the suppression of renal function. Perturbations in the circadian rhythm have been associated with many human pathologies, including renal disease. However, the role of the molecular clock in the instauration of fibrosis remains incompletely understood. We investigated the relationship between the molecular clock and renal damage in experimental models of injury and fibrosis (UUO, FAN and adenine toxicity), employing genetically-modified mice with selective deficiencies of the clock components Bmal1, Clock and Cry. We found that UUO induced a marked increase in the expression of Bmal1. In human tubular epithelial cells, the pro-fibrotic mediator, TGF-beta, significantly altered the expression of core clock components. We further observed that the absence of Cry drastically aggravated kidney fibrosis, while both Cry and Clock played a role in the neutrophil and macrophage mediated inflammatory response, respectively. Suppression of Cry1/2 was associated with a major shift in the expression of metabolism-related genes, underscoring the importance of metabolic dysfunction in fibrosis. These results support a reciprocal interaction between the circadian clock and the response to kidney injury.