Deciphering the pathogenic mechanism of CoQ10-deficient glomerulopathy and optimizing therapeutic effect of drugs

Abstract

Steroid-resistant nephrotic syndrome (SRNS) is characterized by proteinuria and is commonly associated with focal segmental glomerulosclerosis (FSGS), which can result from mutations in genes involved in coenzyme Q10 (CoQ10) biosynthesis, such as PDSS2, COQ2, COQ6, and ADCK4. CoQ10 is an essential component of the mitochondrial inner membrane, playing a crucial role in electron transport in oxidative phosphorylation (OXPHOS) and protection against oxidative stress. While CoQ10 supplementation provides partial therapeutic benefits, its efficacy is inconsistent and has limitations. Therefore, it is crucial to elucidate the pathogenesis of CoQ10-deficient glomerulopathy and establish optimal treatment conditions. This study utilized CoQ10-deficient cell and animal models (podocyte-specific Adck4 knockout mice, Adck4△Podocyte) and kidney organoids to investigate the effects of CoQ10 deficiency. CoQ10 deficiency due to ADCK4 loss led to mitochondrial dysfunction, including a reduction in membrane potential (ΔΨm), which was not observed in HK-2 cells, indicating a greater susceptibility of podocytes to CoQ10 deficiency. In addition, CoQ10-deficient podocytes exhibited increased oxidative stress, further highlighting their vulnerability to mitochondrial impairment. ADCK4 directly interacts with COQ5 and plays a crucial role in stabilizing the COQ complex. Loss of ADCK4 resulted in a decrease in COQ complex protein levels and a mild reduction in OXPHOS complex III expression. Consistent with this, CoQ10-deficient kidney organoids exhibited normal overall morphology but displayed mitochondrial abnormalities in podocytes, reinforcing the importance of CoQ10 in maintaining mitochondrial homeostasis during kidney development. Single-cell RNA sequencing of kidney organoids derived from CoQ10-deficient iPSC lines (PDSS2-, COQ2-, ADCK4-Knockout) revealed preserved cell-type composition but distinct transcriptomic alterations in podocytes. Gene set enrichment analysis identified downregulation of oxidative phosphorylation and upregulation of TGF-β signaling, epithelial-to-mesenchymal transition, and apoptosis pathways, indicating mitochondrial dysfunction and early injury responses in CoQ10-deficient podocytes. Additionally, the therapeutic potential of 2,4-dihydroxybenzoic acid (2,4-diHB), 2-probucol and Aspirin were evaluated using mice model, with a focus on the timing of treatment. Consistent with a previous study, early treatment (at 3 months) with 2,4-diHB successfully preserved kidney function in Adck4△Podocyte mice, whereas delayed treatment (at 5 months) was ineffective. Furthermore, Probucol and Aspirin did not show significant therapeutic effects, suggesting that disease progression limits treatment efficacy and that early intervention is essential. In conclusion, this study emphasizes the role of ADCK4 in maintaining CoQ10 homeostasis and podocyte integrity, demonstrating that CoQ10 deficiency leads to mitochondrial dysfunction and progressive glomerular damage. The establishment of a CoQ10-deficient kidney organoid model offers a robust platform for investigating disease mechanisms and evaluating targeted therapeutic strategies. Notably, early intervention with 2,4-diHB effectively preserved renal function, whereas delayed treatment failed to prevent disease progression, highlighting the urgency of timely therapeutic intervention in CoQ10-associated nephropathy.스테로이드 저항성 신증후군(SRNS)은 단백뇨를 특징으로 하며, 흔히 국소분절성 사구체경화증(FSGS)과 관련되어 나타난다. 이 질환은 PDSS2, COQ2, COQ6, ADCK4 등 코엔자임 Q10(CoQ10) 생합성과 관련된 유전자의 돌연변이로 인해 발생할 수 있다. CoQ10은 미토콘드리아 내막의 필수 성분으로, 산화적 인산화(OXPHOS) 과정에서 전자 전달과 산화 스트레스 방어에 중요한 역할을 한다. CoQ10 보충 요법은 부분적인 치료 효과를 보이기도 하지만, 효과가 일관되지 않고 한계가 있다. 따라서 CoQ10 결핍성 사구체병증의 병태생리를 규명하고 최적의 치료 조건을 확립하는 것이 필요하다. 이 연구에서는 CoQ10이 결핍된 세포 및 동물 모델(Adck4△Podocyte 마우스)과 신장 오가노이드를 이용해 CoQ10 결핍이 미치는 영향을 분석하였다. ADCK4 결실로 인한 CoQ10 결핍은 미토콘드리아 기능 이상을 초래하였고, 특히 막전위(ΔΨm)의 감소가 확인되었다. 이러한 변화는 HK-2 세포에서는 관찰되지 않아, 족세포가 CoQ10 결핍에 더 취약함을 시사한다. 또한, CoQ10 결핍 족세포에서는 산화 스트레스가 증가하였다. ADCK4는 COQ5와 직접 상호작용하며 COQ 복합체의 안정성 유지에 관여하고, ADCK4 결손 시 COQ 단백질 수준과 OXPHOS 복합체 III의 발현이 감소하는 양상이 확인되었다. CoQ10 결핍 신장 오가노이드에서는 전체적인 구조는 유지되었으나, 족세포 내 미토콘드리아 이상이 관찰되어 CoQ10이 신장 발달과 족세포 건강에 중요한 역할을 한다는 점을 보여준다. CoQ10 결핍 iPSC(PDSS2, COQ2, ADCK4-KO 유래)에서 유래한 신장 오가노이드를 단일세포 전사체 분석한 결과, 세포 구성에는 큰 변화가 없었으나, 족세포에서 특징적인 전사체 변화가 확인되었다. 산화적 인산화 경로의 하향 조절과 TGF-β 신호전달, 상피-간엽 전이, 세포사멸 경로의 상향 조절이 나타나, 미토콘드리아 기능 저하와 초기 손상 반응을 반영한다. 또한 마우스 모델을 이용하여 CoQ10 전구체 유사체인 2,4-dihyroxybenzoic acid(2,4-diHB)와 치료 후보 약물인 Probucol와 Aspirin의 치료 효과를 시점에 따라 비교하였고 그 결과, 3개월 시점에서의 조기 투여는 신장 기능을 보존했지만, 5개월 이후의 지연 투여는 효과가 없었음을 밝혔다. 이는 병이 진행된 이후에는 치료 효과가 제한됨을 의미한다. 이 연구는 ADCK4가 CoQ10 항상성과 족세포 유지에 필수적이라는 점을 강조하며, CoQ10 결핍이 미토콘드리아 기능 이상과 진행성 사구체 손상을 유도한다는 것을 입증하였다. CoQ10 결핍 신장 오가노이드는 질병 기전을 연구하고 타겟 치료제를 평가할 수 있는 유용한 플랫폼이 될 수 있다. 특히, 조기 투여의 중요성이 부각되며, CoQ10 결핍성 신증의 임상 개입 시기를 설정하는 데 중요한 근거를 제공한다.