Urinary peptidomics and $in-silico$ analysis for the molecular characterisation of the cardiorenal syndrome (CRS) and chronic kidney disease (CKD)

Petra, Eleni; Rauen, Thomas; Jankowski, Joachim

doi:HT031516604

Urinary peptidomics and $in-silico$ analysis for the molecular characterisation of the cardiorenal syndrome (CRS) and chronic kidney disease (CKD)

Petra, Eleni^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eleni Petra, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Jankowski, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Rauen, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06040
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037421/files/1037421.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Molekulare Herz-Kreislaufforschung (932310)

Projekte

CaReSyAn - Combatting the CardioRenal Syndrome: towards an integrative Analysis to reduce cardiovascular burden in chronic kidney disease (764474) (764474)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CKD (frei) ; biomarkers (frei) ; cardiorenal syndrome (frei) ; cardiovascular disease (frei) ; chronic kidney disease (frei) ; heart failure (frei) ; in silico analysis (frei) ; molecular characterization (frei) ; proteomics (frei) ; systems biology (frei) ; urinary peptides (frei) ; urinary peptidomics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Das kardiorenale Syndrom (CRS) ist durch simultane bidirektionale Dysfunktionen der Nieren und des Herzens gekennzeichnet. Eine chronische Nierenerkrankung (CKD) wird durch eine Nierenschädigung oder eine geschätzte glomeruläre Filtrationsrate (eGFR) von weniger als 60 ml/min/1,73m2 über einen Zeitraum von mindestens drei Monaten definiert. Da die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen bislang nur ansatzweise bekannt sind, ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen zu leisten und einen neuen prognostischen Ansatz zu etablieren, der auf die Bestimmung spezifischer Peptide fußt.Über die 'Human Urinary Proteome'-Datenbank sind Massenspektrometrie Daten von 3.463Teilnehmern zugänglich. Der Mann-Whitney-Test mit nachfolgender Korrektur für multiple Tests wurde verwendet, um die peptidomischen Profile von Patienten mit CRS (bei denen eine Herzinsuffizienz (HF) und eine eGFR <60 ml/min/1,73m2 vorlagen) oder mit CKD (ohne HF und eGFR <60 ml/min/1,73m2) im Vergleich zu entsprechenden Kontrollgruppen (ohne HF und mit eGFR >60 ml/min/1,73m2) zu analysieren. Die Kontrollgruppen wurden hinsichtlich ihres Geschlechts, Alter und eGFR abgeglichen. Desweiteren wurden mithilfe des Proteasix-Tools Proteasen prognostiziert, die für die Generierung der identifizierten Peptide ursächlich sein könnten.Der Fall-Kontroll-Abgleich ergab einen Vergleich von 353 CRS-Patienten mit 356 Kontrollproben, sowie von 241 CKD-Patienten mit 240 Nicht-CKD-Personen. Insgesamt wurden 559 bzw. 303 Urinpeptide signifikant mit CRS bzw. CKD in Verbindung gebracht, wobei 55,9% bei CRS und 60,4% bei CKD Fibrillen-bildende Kollagenfragmente des Typs I, II und III waren. Bei der in-silico-Protease-Analyse der Peptide wurden 18 für CRS und 16 für CKD Proteasen identifiziert, die an der Peptidspaltung aus den zugrunde liegenden Proteinen ursächlich sind. Die Proteasen der CRS-Gruppe gehörten zu Metalloproteinasen (n=11), Proprotein-Konvertasen (n=4), Cathepsine (n=2) sowie das Protein Kallikrein 4 (KLK4). Mit Ausnahme der beiden Cathepsine wird für alle Proteasen vorhergesagt, dass sie CKD-assoziierte Peptide erzeugen. Eine zusätzliche Kreuzkorrelation der mit CKD assoziierten Proteasen mit Transkriptomik-Datensätzen aus der Nephroseq-Datenbank identifizierte MMP7, PCSK5 und MMP14 als potenzielle Kandidaten.Es wurden hochsignifikante Unterschiede bei mehreren Urinpeptiden zwischen Patienten mit CRS, CKD und der Kontrollgruppe festgestellt. Es wurden deregulierte Peptide identifiziert, die mit Immunreaktionen, insbesondere Entzündungen und Degranulation, in Verbindung gebracht werden können. Darunter sind Clusterin und Thymosin beta-4 (TMSB4X) (für CRS) sowie beta-2-Mikroglobulin (B2M), alpha-2-HS-Glykoprotein (AHSG) und Komplement C3 (für CKD), als auch die Proteasen (MMP8 und MMP9). Dies weist auf eine Beteiligung von Entzündungsprozessen an diesen fibrotischen Erkrankungen hin.Insgesamt weisen das CRS und die CKD unterschiedliche Peptidprofile auf, die auf extrazelluläre Matrix-bezogene Signalwege und Veränderungen im Immunsystem hinweisen. Die Identifizierung von MEP1B, MMP26 und KLK4 für das CRS bzw. MMP7, MMP14 und PCSK5 für die CKD stellt einen wichtigen Schritt für die vertiefte Untersuchung proteolytischer Prozesse im Kontext beider Krankheitsbilder dar. Diese Erkenntnisse legen die Grundlage für zukünftige Studien auf dem Gebiet der CKD und des CRS.

The Cardiorenal Syndrome (CRS) manifests as concurrent bidirectional dysfunction of the kidneys and heart. Chronic Kidney Disease (CKD) is characterised by kidney impairment, indicated by either kidney damage or an estimated glomerular filtration rate (eGFR) below 60 ml/min/1.73 m2 sustained for at least three months. Given the incomplete comprehension of the underlying molecular mechanisms in both conditions, the present thesis endeavors to examine disparities in the urinary peptidome between patients afflicted with CRS and CKD, along with their respective matched controls. The primary objectives are to deepen the understanding at the molecular level and to prognosticate the involvement of proteases in the generation of peptides associated with these diseases.The 'Human Urinary Proteome' database supplied mass spectrometry data from a cohort comprising 3,463 individuals. Peptidomic profiles of participants diagnosed with CRS, characterised by both heart failure (HF) and an eGFR <60 ml/min/1.73 m2, or CKD, without concurrent HF and with eGFR <60 ml/min/1.73 m2, were compared against controls. These controls, devoid of HF and exhibiting eGFR>60 ml/min/1.73 m2, were matched for sex, age, and eGFR. Statistical analysis employed the Mann-Whitney test, followed by correction for multiple comparisons. Furthermore, the Proteasix tool predicted proteases generating urinary peptides.Case-control matching yielded 353 CRS patients and 356 controls. Similarly, 241 CKD peptidome profiles were matched with 240 non-CKD individuals. Overall, 559 and 303 urinary peptides were significantly associated with CRS and CKD, respectively, with over half (55.9% for CRS and 60.4% for CKD) being fibril-forming collagen fragments (i.e. collagen types I, II and III). The in-silico protease analysis of the identified peptides revealed the potential involvement of 18 proteases in the context of CRS and 16 proteases in the scenario of CKD. The former 18 proteases were members of three protein families, including metalloproteinases (MMPs, n=11), proprotein convertases (PCSKs, n=4), cathepsins (n=2), as well as the kallikrein 4 (KLK4) protein. All proteases, except the two cathepsins, were also predicted to be involved in generating the CKD-associated peptides. Further cross-correlation of the CKD-associated proteases to transcriptomics datasets from the Nephroseq database highlighted and shortlisted MMP7, PCSK5 and MMP14.Statistically robust distinctions were observed across multiple urinary peptides among patients with CRS, CKD and their corresponding control groups. Major alterations identified are associated with the extracellular matrix (ECM)-related pathways and the collagen turnover reflected in specific affected collagen peptides in both diseases. Furthermore, pathways associated with immune response, mostly inflammation and degranulation, were represented by the deregulated peptides which, among others, were sequenced fragments of clusterin and thymosin beta-4 (TMSB4X) (for CRS) as well as beta-2-microglobulin (B2M), alpha-2-HS-glycoprotein (AHSG) and complement C3 (for CKD) along with the proteases (MMP8 and MMP9) underscore the inflammatory involvement in these fibrotic diseases.In conclusion, CRS and CKD exhibit numerous differentially excreted peptides, reflecting ECM-related pathways and immune response alterations. These peptides should be analysed more closely in the context of CRS and CKD in future studies. Furthermore, shortlisting MEP1B, MMP26 and KLK4 (for CRS) and MMP7, MMP14 and PCSK5 (for CKD) are the basis for the investigation of proteolytic events associated with both diseases, paving the way for future studies.

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