Nephro Lab

Unsere Kollegiatinnen und Kollegiaten im achten Förderjahr

Im Folgenden möchten wir Ihnen unsere  Kollegiatinnen und Kollegiaten im 8. Förderjahr vorstellen. Sie wurden in einem spezifischen Auswahlverfahren von unserem EKFK-Direktorium in Zusammenarbeit mit dem Evaluierungskomitee ausgesucht.

Integrine sind eine Gruppe von heterodimeren Oberflächenrezeptoren die sowohl interzelluläre als auch Interaktionen der Zelle mit der Extrazellulärmatrix modulieren.  Integrin alpha3 (Cd49c) und Integrin ß1 (CD29) bilden einen heterodimeren Rezeptor für Fibronectin, Epiligrin, Thrombospondin und CSPG4 und haben somit eine entscheidende Rolle in der Entwicklung der Basalmembranen in verschiedenen Organen.

Im Rahmen des Projektes „Die Rolle epithelial-mesenchymaler Interaktionen bei Nieren-und Hautfunktionsstörungen“ sollen Integrin alpha3, als wichtiges Adhäsionsmolekül und seine intrazellulären Signaltransduktionwege  im Zentrum der Untersuchungen stehen.

Mutationen im Gen ITGA3, das für Integrin alpha3 kodiert, sind assoziiert mit Interstitieller Lungenerkrankung, Nephrotischem Syndrom und junktionaler Epidermolysis Bullosa (ILNEB) wobei bisher verschiedenen Mutationen bekannt sind, die zu verschiedenen klinischen Phänotypen führen. Die Auswirkungen der ITGA3  Mutation sind bislang auf Proteinebene nicht vollständig verstanden.

Das Ziel der geplanten Studie ist es daher, die molekularen Mechanismen der unterschiedlichen Mutationen in Haut- und Nierenepithelzellen zu erklären. Es handelt sich sowohl um natürliche Mutationen, die bei Patienten identifiziert wurden, als auch um CRISPR/Cas 9 induzierte Aminosäuredeletionen.

Mentoren/innen:

1) Prof. Cristina Has (Klinik für Dermatologie und Venerologie)

2) Prof. Reinhard Voll (Klinik für Rheumatologie und klinische Immunologie)

3) Prof. Anna Köttgen (Abteilung Genetische Epidemiologie)

Es ist bekannt, dass bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung genetische Varianten vorliegen (¹). Interessant ist umgekehrt die Beobachtung, dass einige genetische Defekte des Energiestoffwechsels (M. Fabry, Organoazidurien), aber nicht alle (z.B. Störungen der Fettsäurenoxidation und des Carnitin-Transports, Glykogenspeicherkrankheiten) zu einer Nierenschädigung führen, da offensichtlich Kompensationsvorgänge induziert werden.
Während verschiedene Stoffwechselstörungen charakteristische metabolische Profile aufweisen, die auch diagnostisch nutzbar sind, weisen metabolische Profile außerdem auf systemische und sekundäre Effekte einzelner Enzymdefekte hin. Ziel des aktuellen Projektes ist es, verschiedene angeborene Stoffwechselstörungen mit und ohne Nierenpathologie mittels Metabolomics weiter zu charakterisieren, da die Metabolitenhomöostase (systemisch und organspezifisch) bei den meisten Erkrankungen bisher unbekannt ist. Unser Team hat hierzu bereits gezielte Metabolomik-Methoden für die Erstellung von Profilen in biologischen Flüssigkeiten und Zellen entwickelt (², ³). Wir erwarten, dass die dann identifizierten Metaboliten-Fingerprints weitere Hinweise auf die Auslöser der Nierenschädigung bzw. deren Protektion geben. Wichtig ist hier auch der Vergleich mit Profilen von Patienten mit Nierenerkrankungen, die nicht auf eine genetische Stoffwechselerkrankung zurückzuführen sind.
Das metabolische Profil soll die Produkte der wichtigsten Stoffwechselwege der Energieproduktion einschließen (Glykolyse, Fettsäurenoxidation, Aminosäurenkatabolismus, Vitamine und Kofaktoren) sowie Wege, die für die Redox-Homöostase und die Signalübertragung relevant sind (Glutathion- und Cysteinmetabolismus, cAMP und cGMP). Die Studienkohorte umfasst Patienten mit angeborenen Stoffwechselstörungen ohne renalen Phänotyp, Patienten mit angeborenen Stoffwechselstörungen mit renalem Phänotyp, Patienten mit Nicht-metabolischen Nierenerkrankungen und gesunde Kontrollen.
Das Projekt ist in zwei Teile gegliedert. In Teil 1 werden die metabolischen Profile in Blut und Urin bestimmt. In Teil 2 werden auf der Basis der Ergebnisse des Teils 1 Zellmodelle von einzelnen Patienten oder Krankheitsgruppen entwickelt (Fibroblasten, Tubuluszellen), um die Daten in kultivierten Zellen zu validieren. Ein wichtiger Bestandteil des Projektes ist auch die Datenanalyse (Principal component analysis, hierarchichal clustering, correlation analysis, pathway integration).
Das Projekt soll unser Verständnis der systemischen und sekundären Effekte von angeborenen Erkrankungen des Energiestoffwechsels auf die Niere vertiefen. Unter Umständen finden sich neue metabolische Marker einer frühen Nierenerkrankung bzw. weitere Hinweise auf Kompensationsmechanismen, die erklären, warum manche Patienten vor der Entwicklung einer Nierenerkrankung geschützt sind.

1. Li Y, Sekula P, Wuttke M, Wahrheit J, Hausknecht B, Schultheiss UT, Gronwald W, Schlosser P, Tucci S, Ekici AB, Spiekerkoetter U, Kronenberg F, Eckardt KU, Oefner PJ, Kottgen A, and Investigators G. (2018) Genome-Wide Association Studies of Metabolites in Patients with CKD Identify Multiple Loci and Illuminate Tubular Transport Mechanisms. J Am Soc Nephrol 29, 1513-1524.

2. Behringer S, Wingert V, Oria V, Schumann A, Grunert S, Cieslar-Pobuda A, Kolker S, Lederer AK, Jacobsen DW, Staerk J, Schilling O, Spiekerkoetter U, and Hannibal L. (2019) Targeted Metabolic Profiling of Methionine Cycle Metabolites and Redox Thiol Pools in Mammalian Plasma. Cells and Urine, Metabolites 9.

3. Hannibal L, Theimer J, Wingert V, Klotz K, Bierschenk I, Nitschke R, Spiekerkoetter U, Grünert SC. (2020) Metabolic profiling in human fibroblasts enables subtype clustering in glycogen storage disease. Frontiers in Endocrinology. Under review

Mentorinnen:

1) Prof. Ute Spiekerkötter (Allgemeine Kinder- und Jugendmedizin)

2) Dr. Luciana Hannibal (Allgemeine Kinder- und Jugendmedizin)

3) Prof. Anna Köttgen (Abteilung Genetische Epidemiologie)

Die Arbeit im Rahmen des Projektes zur Untersuchung der Entwicklung und Regenerationsfähigkeit von Zilien beschäftigt sich zum einen mit den Strukturen und deren Interaktion, welche an der Entwicklung der Zilien beteiligt sind und zum anderen mit dem Einfluss von PKD2 auf die Regenerationsfähigkeit von Zilien.

Als Modellorganismus wurde der Xenopus laevis gewählt. Diese haben den Vorteil, dass sie epitheliale Zilien-besetzte Zellen aufweisen und auf Grund der relativen genomischen Nähe zu Säugetieren eine gute Übertragbarkeit bieten [1].

Frühere Studien zeigten, dass während der Entwicklung Zilien-besetzter Zellen Microridges, auch Microvilli genannt, entstehen. Dieses subapikale Aktin-Netzwerk steht über fokale Adhäsionsproteine mit den „basal bodies“, der Grundstruktur der Zilien sowie deren „rootlets“ in Verbindung. Weiter wurde gezeigt, dass diese Strukturen an der Verteilung und Ausrichtung der Zilien beteiligt sind [2].  Mittels konfokaler Fluoreszenz-Mikroskopie konnten wir Kalzium getriggerte Ereignisse identifizieren, welche eine Konstriktion der apikalen Zelloberfläche induzieren und im zeitlichen Zusammenhang mit der Entstehung der Microridges stehen. Die zur Bestimmung der Spezifität durchgeführten Experimente mit einem Leichtketten-Inhibitor, untermauern die vorherigen Ergebnisse.

Weiter weisen unsere Daten darauf hin, dass Ezrin, eines der fokalen Adhäsionsproteine, an der Funktionsfähigkeit der „rootlets“, sowie an der Verbindung zwischen Microridges, „basal bodies“ und „rootelts“ beteiligt ist.

Für den zweiten Teil des Projekts modifizierten wir ein Protokoll zur Entfernung der Zilien, ohne dabei das Gesamtkonstrukt der Zellen zu schädigen. Da der ADPKD eine Mutation im PKD2 zu Grunde liegt [3], wollen wir den Effekt eines PKD2 knock-out/-down auf die Regenerationsfähigkeit der Zilien untersuchen.

Das Ziel der geplanten Studie ist die grundlegenden molekularen Mechanismen der Entwicklung und Regenerationsfähigkeit von Zilien zu erklären.

[1] Karimi K, Fortriede JD, Lotay VS, Burns KA, Wang DZ, Fisher ME, Pells TJ, James-Zorn C, Wang Y, Ponferrada VG, Chu S, Chaturvedi P, Zorn AM, Vize PD. Xenbase: a genomic, epigenomic and transcriptomic model organism database. Nucleic Acids Res 2018 Jan 4;46(D1):D861-D868. doi: 10.1093/nar/gkx936. PMID: 29059324; PMCID: PMC5753396.

[2] Werner ME, Hwang P, Huisman F, Taborek P, Yu CC, Mitchell BJ. Actin and microtubules drive differential aspects of planar cell polarity in multiciliated cells. J Cell Biol 2011;195(1):19-26. doi:10.1083/jcb.201106110

[3] Cornec-Le Gall E, Audrézet MP, Renaudineau E, et al. PKD2-Related Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease: Prevalence, Clinical Presentation, Mutation Spectrum, and Prognosis. Am J Kidney Dis 2017;70(4):476-485. doi:10.1053/j.ajkd.2017.01.046

Mentoren/innen:

1) Prof. Gerd Walz (Abteilung Nephrologie)

2) PD Dr. Toma Yakulov (Abteilung Nephrologie)

3) Prof. Michael Köttgen (Abteilung Nephrologie)