Forschung

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Forschungsschwerpunkte

Im Zentrum der wissenschaftlichen T?tigkeit steht die Aufkl?rung der Mechanismen, die zum akuten und chronischen Nierenversagen führen. Als Modelle dienen dabei zwei Erbkrankheiten, n?mlich das Nagel-Patella-Syndrom und die polyzystische Nierenerkrankung, die wie die erworbenen Formen zum einen die Podozyten und zum anderen die Nierentubuli betreffen. Die (langfristige) Hoffnung geht dahin, da? ein besseres Verst?ndnis der Krankheitsentstehung zu einer rationelleren und damit wirksameren Entwicklung von Therapien führt.

Pathogenetische Vorg?nge folgen oft einem komplexen Ablauf und sind wohl am besten über einen vielschichtigen Forschungsansatz aufzukl?ren. Das Institut für Molekulare und Zellul?re Anatomie bemüht sich deshalb, durch die konsequente Kombination molekularbiologischer, zellbiologischer, biochemischer und morpholo-gischer Techniken die entsprechenden Fragen anzugehen (siehe unten).

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Nagel-Patella-Syndrom

Die Nieren als Ort der Harnproduktion

Zusammen mit der Leber sind die beiden Nieren die ma?geblichen Organe für die Ausscheidung von Stoffwechselprodukten und Giften. Trotz der Tatsache, dass eine Niere nur etwa faustgro? ist, erhalten die Nieren ~20% des vom Herzen ausgeworfenen Blutvolumens. Die Nieren stellen einen sehr wirksamen Filter dar, über den kleine Stoffe wie Stoffwechselprodukte, Salze oder Medikamente ausgeschieden, die meisten der wertvollen Eiwei?moleküle allerdings zurückgehalten werden. Für die Filterfunktion der Nieren sind insbesondere die "Fü?chenzellen" in der Niere, die Podozyten, verantwortlich, welche bei verschiedensten Erbkrankheiten gesch?digt sein k?nnen. Im Laufe eines Tages werden von den Nieren 180 Liter des sogenannten Prim?rfiltrats produziert, von dem bekannterma?en allerdings nur ein oder zwei Liter ausgeschieden werden. Hierfür wiederum ist ein R?hrensystem in den Nieren verantwortlich, die sogenannten Nierentubuli.

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Fü?chenzellen in der Niere (Podozyten). Deutlich sind die gr??eren Prim?rforts?tze sowie die vielen feinen Fu?forts?tze zu erkennen.

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Klinische Aspekte

Die am Nagel-Patella-Syndrom leidenden Patienten sind relativ leicht anhand ihrer fehlgebildeten Fingern?gel und mi?gebildeten oder gar fehlenden Kniescheiben zu diagnostizieren, deshalb auch der Name. Es handelt sich um eine autosomal-dominant weitergegebene Erbkrankheit, die nur selten beobachtet wird. Bemerkenswerterweise wurde bei bis zu 40% aller Patienten eine sich langsam entwickelnde Fehlfunktion der Nieren beschrieben, die von einer leichten Eiwei?ausscheidung bis zum kompletten Funktionsverlust der Nieren führen kann (Sweeney et al., 2003). Urs?chlich hierfür ist ein Podozytenschaden, der sich in einem Verlust der Fu?forts?tze und in charakteristischen Ver?nderungen der glomerul?ren Basalmembran ?u?ert. Des Weiteren scheint das Nagel-Patella-Syndrom mit einem h?heren Risiko verbunden zu sein, am grünen Star (Glaukom) zu erkranken (Bongers et al., 2002; Bongers et al., 2005; Sweeney et al., 2003). Wahrscheinlich h?ngt dieser Befund damit zusammen, dass das entsprechende Gen LMX1B auch bei der Entstehung des vorderen Augenabschnitts beteiligt ist (Pressman et al., 2000).

Aufgrund der Seltenheit des Nagel-Patella-Syndroms – in der wissenschaftlichen Literatur ist regelm??ig eine H?ufigkeit von 1:50.000 zu lesen, ohne dass entsprechende Untersuchungen hierzu vorliegen – existieren keine klinischen Studien zu m?glichen therapeutischen Ma?nahmen. Erstaunlicherweise scheint ein Leben ohne Kniescheiben mit keinen gr??eren Beeintr?chtigungen verbunden zu sein, so dass als wesentliche Symptomatik die Fehlfunktion der Nieren und das Glaukom berücksichtigt werden muss. Da auch hier keine 100%ige Korrelation beobachtet wird (bis zu 40% der Patienten entwickeln eine milde bis schwere Fehlfunktion der Nieren, bis zu 20% leiden an einem hohen Augeninnendruck oder sogar einem Glaukom) sind wahrscheinlich erst einmal nur routinem??ige Kontrollen von N?ten. Erst bei tats?chlich auftretenden Beschwerden müssen entsprechende therapeutische Anstrengungen unternommen werden, die leider nicht kausal angreifen, sondern nur die Symptome behandeln.

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Genetik und Funktion des Proteins

Im Jahr 1998 wurden Mutationen im LMX1B Gen als krankheitsverursachend identifiziert (Dreyer et al., 1998; McIntosh et al., 1998; Vollrath et al., 1998). bwin娱乐_bwin娱乐官网欢迎您@es Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, der eine wichtige Rolle nicht nur bei der Gliedma?enentwicklung spielt (deshalb die Nagel- und Kniescheibensymptomatik), sondern auch bei der Ausbildung der Nieren. In den Nieren sind speziell die Podozyten betroffen, die bei der Filtration des Blutplasmas so wichtigen “Fü?chenzellen”, denn den Podozyten von Lmx1b Knockout-M?usen fehlen die Fu?forts?tze und die Schlitzmembranen (Miner et al., 2002; Rohr et al., 2002).? Eine wichtige Erkenntnis, die zu einem genaueren Verst?ndnis der Wirkungsweise von LMX1B führen sollte, liegt in der Tatsache begründet, da? LMX1B zwei Gene reguliert, die bei anderen erblichen Nierenerkrankungen mutiert sind. Es sind dies die für Kollagen IV (Morello et al., 2001) und Podocin (Miner et al., 2002; Rohr et al., 2002) kodierenden Gene, in denen Mutationen bei Patienten mit Alport-Syndrom bzw. steroidresistentem nephrotischen Syndrom beschrieben wurden.

Der endgültige Nachweis, dass der Transkriptionsfaktor LMX1B in den Nieren ausschlie?lich die Funktion der Podozyten beeintr?chtigt, stammt von Untersuchungen bei M?usen, in denen das Lmx1b Gen ausschlie?lich in den Podozyten inaktiviert wurde. Hierbei stellte sich heraus, dass Lmx1b sowohl bei der Entstehung von Podozyten im fetalen Organismus (Suleiman et al., 2007) als auch bei der Aufrechterhaltung der Podozytenfunktion im adulten Organismus (Burghardt et al., 2013) von essentieller Bedeutung ist. Die derzeitige Arbeitshypothese geht davon aus, dass das Aktinzytoskelett bei einer Fehlfunktion von LMX1B seine spezifische Aufgabe nicht l?nger erfüllen kann (Burghardt et al., 2013).

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Autosomal-dominante polyzystische Nierenerkrankung

Formenkreis der zystischen Nierenerkrankungen

Als Zysten bezeichnet man mit Flüssigkeit gefüllte und von einem Epithel ausgekleidete Hohlr?ume. Sie kommen nicht nur in den Nieren, sondern auch zum Beispiel in der Leber oder in der Bauchspeicheldrüse vor. Einzelne Nierenzysten besitzen in aller Regel keinen Krankheitswert und werden gar nicht so selten als Zufallsbefund nachgewiesen. Bei einem geh?uften Auftreten von Zysten spricht man demgegenüber von Zystennieren, sie sind ein wichtiges, oft sogar die Prognose bestimmendes Symptom eines ganzen Blumenstrau?es verschiedener genetischer Erkrankungen. Hierzu geh?ren unter anderem die Nephro-nophthise als h?ufigste Ursache des Nierenversagens bei Kindern, das Bardet-Biedl-Syndrom, die tuber?se Sklerose, das Joubert-Syndrom, das Meckel-Gruber-Syndrom und die autosomal-rezessive und autosomal-dominante polyzystische Nierenerkrankung. Je nachdem, welche anderen Symptome bei den Patienten auftreten (diese k?nnen sehr heterogen sein wie Fettleibigkeit, geistige Retardierung oder eingeschr?nkte Sehf?higkeit), werden die Patienten den entsprechenden Syndromen zugeordnet – eine wichtige Voraussetzung für eine m?gliche genetische Diagnostik.

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Polyzystische Niere einer????? 48 Jahre alten Frau. ??????????????? W?hrend eine normale???????? Niere nur etwa 150 g???? wiegt, kann eine polyzystische Niere ein Gewicht von über 4 kg erreichen! (freundlichst überlassen von N. Gassler)

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Klinische Aspekte

Die dominante Form ist mit einer Pr?valenz von?~1:1.000 eine der h?ufigsten monogenetischen Erkrankungen des Menschen. Patienten mit autosomal-dominanter polyzystischer Nierenerkrankung erfahren oft erst im zweiten oder dritten Lebensjahrzehnt von ihrer Krankheit, zum Beispiel im Rahmen einer anderweitig durchgeführten Ultraschalluntersuchung. Ungef?hr 50% der Patienten werden bis zum 60. Lebensjahr das Endstadium des chronischen Nierenversagens erreichen (Churchill et al., 1984; Gabow et al., 1992; Parfrey et al., 1990), sie repr?sentieren damit knapp 10% aller dialysepflichtigen Patienten. Erstaunlicherweise ist es so, dass Patienten, die an einer Mutation im PKD1 Gen leiden, eine schlechtere Prognose besitzen als Patienten mit Mutationen im PKD2 Gen: Es kommt früher zum terminalen Nierenversagen, so dass die Patienten dialysepflichtig werden oder eine neue Niere ben?tigen.

Bedauerlicherweise existiert nach wie vor keine kausale Therapie bei den polyzystischen Nierenerkrankungen. Aufgrund ihrer H?ufigkeit wurden bislang nur Studien für die autosomal-dominante Form durchgeführt. W?hrend sich die Hoffnungen in Therapiestudien mit Everolimus (Walz et al., 2010) und Sirolimus (Serra et al., 2010), zweier auch als Immunsuppressiva eingesetzter Medikamente, zerschlugen, stimmen die Studienergebnisse mit Tolvaptan optimistischer (Torres et al., 2012). Bei Tolvaptan handelt es sich um ein Medikament, das die Wirkung des antidiuretischen Hormons (auch Vasopressin genannt) an seinem Rezeptor in der Niere blockiert. Dadurch soll eine Signalkaskade gehemmt werden, die auch das Wachstum von Nierenzysten bef?rdert. Daraus erkl?rt sich eine der Nebenwirkungen von Tolvaptan, n?mlich die erh?hte Harnproduktion, au?erdem kann die Einnahme von Tolvaptan zur Beeintr?chtigung der Leberfunktion führen.

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Genetik und Funktion der Proteine

In den Jahren 1994 (European Polycystic Kidney Disease Consortium, 1994) und 1996 (Mochizuki et al., 1996) wurde von der Klonierung der bei diesen Patienten mutierten Gene berichtet, PKD1 und PKD2 genannt, womit nun prinzipiell eine Diagnosestellung auf molekularer Ebene m?glich ist.

Das PKD1 Gen ist bei etwa 85% aller Patienten mit autosomal-dominanter polyzystischer Nierenerkrankung mutiert. Es kodiert für Polycystin-1, ein sehr gro?es Protein mit einer L?nge von 4.302 Aminos?uren (Hughes et al., 1995; International Polycystic Kidney Disease Consortium, 1995). Aufgrund seiner Gr??e und des Vorhandenseins eng verwandter Gene kann sich das Auffinden der Mutation bei PKD1 Patienten schwierig gestalten. Die Funktion von Polycystin-1 ist bisher nur sehr unvollst?ndig verstanden, weshalb nur darüber spekuliert werden kann, wie Mutationen zur Entstehung von Zysten führen. M?glicherweise ist Polycystin-1 bei der Ausbildung von Zell-Zell- und/oder Zell-Matrix-Kontakten beteiligt, hierfür gibt es bisher aber nur vereinzelte Hinweise. Allerdings wird gemeinhin akzeptiert, da? Polycystin-1 mit Polycystin-2 interagieren kann, dem von PKD2 kodierten Protein (Newby et al., 2002; Qian et al., 1997; Tsiokas et al., 1997).

Mutationen im PKD2 Gen wurden bei der Mehrzahl der restlichen Patienten, die an der autosomal-dominanten Form leiden, beschrieben. Das Polycystin-2 Protein des Menschen ist mit einer L?nge von 968 Aminos?uren wesentlich kleiner als Polycystin-1. Deshalb und aufgrund des Fehlens sehr ?hnlicher Gene ist PKD2 einer genetischen Diagnose wesentlich einfacher zug?nglich als PKD1. Wahrscheinlich ist Polycystin-2 ein neuartiger Kationenkanal mit einer sehr hohen Leitf?higkeit von über 100 pS (González-Perrett et al., 2001; Hanaoka et al., 2000; Koulen et al., 2002; Vassilev et al., 2001), wobei aber kontrovers diskutiert wird, ob das Protein in der Zellmembran (Hanaoka et al., 2000; Luo et al., 2003) oder im endoplasmatischen Retikulum lokalisiert ist (Cai et al., 1999; Koulen et al., 2002).

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Die Bildung von Zysten – prim?re Zilien im Mittelpunkt der Wissenschaft

Wie entstehen nun Zysten? Genetisch spricht sehr viel dafür, da? jeweils beide Allele von PKD1 und PKD2 inaktiviert sein müssen, damit sich Zysten bilden (Pei, 2001). In Analogie zu den Tumorsuppressorgenen geht man zur Zeit davon aus, da? das in der Keimbahn gesunde Allel im Laufe des Lebens eine Mutation erleidet, die betroffenen Zellen erhalten m?glicherweise einen Wachstumsvorteil und die Zystenbildung beginnt, weil ihr “Stopsignal” ausgefallen ist. In diesem Zusammenhang sei erw?hnt, da? die Nierentubuli aus einem bindegewebigen Vorl?ufergewebe differenzieren, das hei?t das Lumen der Tubuli entwickelt sich erst im Laufe der Zeit. Zu einem genau definierten Zeitpunkt mu? die Lumenbildung allerdings zu einem Ende kommen, denn die Nierentubuli sind vergleichbar weit! Wenn das Stopsignal nicht mehr existiert, wird mehr Lumen gebildet und es entstehen Zysten (Gallagher et al., 2000).

?ber die Natur des Stopsignals oder Sensors für die Weite der Nierentubuli gibt es nur vage Vorstellungen, m?glicherweise kommt prim?ren Zilien, fingerf?rmigen Ausstülpungen der Zellmembran, eine ma?gebliche chemo- und/oder mechanosensorische Rolle zu. Die dafür sprechenden Befunde sind der Nachweis verschiedenster Zystenproteine in prim?ren Zilien (Yoder et al., 2002) und der Verlust ihrer mechanosensorischen Eigenschaften bei Ausfall von Polycystin-1 und -2 (Nauli et al., 2003). Andere Untersuchungen wiederum weisen prim?ren Zilien chemosensorische Eigenschaften zu, insbesondere sind hier Experimente bei Modellorganismen zu nennen. Wie oben bereits erw?hnt, entsteht der Tubulusapparat der Niere aus einer bindegewebigen Vorl?uferstruktur, mit anderen Worten müssen Hohlr?ume einer bestimmten Weite angelegt werden. Wie der dabei beteiligte Regelkreis ausschaut, ist vollkommen unverstanden. Vorstellbar ist zum Beispiel, dass die Weite des Lumens über die Flussgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Nierentubuli gemessen wird: Bei einer hohen Flussgeschwindigkeit (in engen Tubuli) wird das prim?re Zilium st?rker abgeknickt, bei einer niedrigen Flussgeschwindigkeit (in weiten Tubuli) dagegen weniger. Gegen dieses auf den ersten Blick sehr plausible Modell k?nnen verschiedene theoretische Einw?nde erhoben werden, so dass bislang nicht entschieden ist, ob eher die mechano- oder die chemosensorische Funktion von prim?ren Zilien ausschlaggebend ist (Witzgall, 2005).

Literatur

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Angewendete Methoden (unvollst?ndig)
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Bindungsstellenselektion

“Branching morphogenesis” in dreidimensionalen Kollagengelen

CAT-Assay

Elektronenmikroskopie

Fluorographie ³⁵S-markierter Proteine

Gel shift-Assay

Herstellung monoklonaler Antik?rper

Herstellung polyklonaler Antik?rper

Herstellung von Kernextrakten

Hybridisierung

Immunpr?zipitation

Immunzytochemie

In situ-Hybridisierung

In vitro-Transkription/Translation

LDH-Assay

Luziferase-Assay

Metabolische Markierung

Mutagenese-Studien

Northern Blot

Organkulturen

PCR

Proteinaufreinigung über GST- und Ni²⁺-S?ulen

Pr?paration von Plasmiden aus Bakterien im kleinen und gro?en Ma?stab

Pr?paration von RNA

Random priming

RNase protection-Assay

Screening von Bibliotheken

Sequenzierung

Southern Blot

Southwestern Blot

Transfektion von S?ugerzellen (transient und stabil)

Transformation von Bakterien und Hefe

Transgene Tiere

Western Blot

Zellproliferationsassays

Zweihybrid-Technologie

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Forschungsschwerpunkte

Nagel-Patella-Syndrom

Autosomal-dominante polyzystische Nierenerkrankung

Literatur

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Angewendete Methoden (unvollst?ndig)
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