Autosomal dominant polycystic kidney disease is an important cause of end-stage renal disease, for which there is no proven therapy1. Mutations in PKD1 (the gene encoding polycystin-1) are the principal cause of this disease. The disease begins in utero2 and is slowly progressive, but it is not known whether cystogenesis is an ongoing process during adult life. We now show that inactivation of Pkd1 in mice before postnatal day 13 results in severely cystic kidneys within 3 weeks, whereas inactivation at day 14 and later results in cysts only after 5 months. We found that cellular proliferation was not appreciably higher in cystic specimens than in age-matched controls, but the abrupt change in response to Pkd1 inactivation corresponded to a previously unrecognized brake point during renal growth and significant changes in gene expression. These findings suggest that the effects of Pkd1 inactivation are defined by a developmental switch that signals the end of the terminal renal maturation process. Our studies show that Pkd1 regulates tubular morphology in both developing and adult kidney, but the pathologic consequences of inactivation are defined by the organ's developmental status. These results have important implications for clinical understanding of the disease and therapeutic approaches.

Abstract The localization and function of Polycystin-1, the protein encoded by the gene most commonly mutated in autosomal dominant polycystic kidney disease, remains controversial. We have recently reported that its C-terminus is cleaved and traffics to the mitochondria rather than to the nucleus as had been previously described, and we found that absence of PC1 resulted in fragmented mitochondrial networks and increased mitochondrial membrane potential. Direct visualization of PC1 in mitochondria was only possible, however, after over-expression of recombinant, fluorescently labeled-PC1 in a cell culture system. To resolve the issue, we generated a new mouse model with three copies of the HA epitope and eGFP knocked-in frame into the endogenous mouse Pkd1 gene by CRISPR/Cas9. We show that the modified allele is fully functional but the eGFP-tagged protein cannot be detected without antibody amplification methods. We were, however, able to use nanobody-coupled beads and large quantities of tissue to isolate a PC1 interactome and verify nicotinamide nucleotide transhydrogenase (Nnt) as a mitochondrial partner, linking PC1 to regulation of reactive oxygen species levels in the mitochondria. Loss of Nnt function had no significant effect on renal cystic disease in Pkd1 mutants but treatment of young mice with early onset cystic disease with n-acetyl-cysteine (NAC) provided modest benefit only in the Nnt +/+ genetic background. These studies suggest that new methods and brighter tags will be required to track endogenous PC1, but this new mouse model will be a valuable resource for characterizing the protein interactome of endogenous PC1. The data also support our prior findings that the PC1 C-terminus localizes to mitochondria and regulates their function.

Abstract Background Multiple studies of tissue and cell samples from patients and pre-clinical models of autosomal dominant polycystic kidney disease report abnormal mitochondrial function and morphology and suggest metabolic reprogramming is an intrinsic feature of this disease. Peroxisomes interact with mitochondria physically and functionally, and congenital peroxisome biogenesis disorders can cause various phenotypes, including mitochondrial defects, metabolic abnormalities and renal cysts. We hypothesized that a peroxisomal defect might contribute to the metabolic and mitochondrial impairments observed in autosomal dominant polycystic kidney disease. Methods Using control and Pkd1 -/- kidney epithelial cells, we investigated peroxisome abundance, biogenesis and morphology by immunoblotting, immunofluorescent and live cell imaging of peroxisome-related proteins and assayed peroxisomal specific β-oxidation. We further analyzed fatty acid composition by mass spectrometry in kidneys of Pkd1 fl/fl ; Ksp-Cre mice. We also evaluated peroxisome lipid metabolism in published metabolomics datasets of Pkd1 mutant cells and kidneys. Lastly, we investigated if the C-terminus or full-length polycystin-1 co-localize with peroxisome markers by imaging studies. Results Peroxisome abundance, morphology and peroxisome-related protein expression in Pkd1 -/- cells were normal, suggesting preserved peroxisome biogenesis. Peroxisomal β-oxidation was not impaired in Pkd1 -/- cells, and there was no obvious accumulation of very long chain fatty acids in kidneys of mutant mice. Re-analysis of published datasets provide little evidence of peroxisomal abnormalities in independent sets of Pkd1 mutant cells and cystic kidneys, while providing further evidence of mitochondrial fatty acid oxidation defects. Imaging studies with either full length polycystin-1 or its C-terminus, a fragment previously shown to go to the mitochondria, showed minimal co-localization with peroxisome markers. Conclusions Our studies showed that loss of Pkd1 does not disrupt peroxisome biogenesis nor peroxisome-dependent fatty acid metabolism. Key points - While mitochondrial abnormalities and fatty acid oxidation impairment have been reported in ADPKD, no studies have investigated if peroxisome dysfunction contributes to these defects. - We investigated peroxisome morphology, biogenesis and function in cell and animal models of ADPKD and investigated whether polycystin-1 co-localized with peroxisome proteins. - Our studies show that loss of Pkd1 does not disrupt peroxisome biogenesis nor peroxisome-dependent fatty acid metabolism.