Die planare Zellpolaritaet in der zystischen Nierenerkrankung

• Applicant: Professor Dr. Matias Simons
• Subject Area: Nephrology
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 106904791

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Der Signalweg der planaren Zellpolarität (PCP) ist essentiell für die Entwicklung und Funktion vieler Organismen. Innerhalb eines Gewebes reguliert dieses Netzwerk die spezielle Ausrichtung von Zellen zueinander oder zur Körper- bzw. Organachse. Als Resultat entsteht eine funktionelle und strukturelle Polarität jeder einzelnen Zelle. Ein Ausfall der Signalkaskade führt in Vertebraten zu Organmalformationen, wie z.B. Neuralrohrdefekte oder Zystennieren. Die planare Zellpolarität wurde zuerst in Drosophila melanogaster beschrieben und ist nach wie vor in keinem anderen Organismus so gut untersucht. Die am Signalweg beteiligten Proteine formen stabile Komplexe und sind asymmetrisch in der Zelle verteilt. Diese Asymmetrie bildet dabei die Grundlage für die Polarität der Zellen. Durch ein Screening des Fliegen-Genoms konnten wir ATP6AP2 als ein neues PCP-Gen identifizieren, dessen Fehlen PCP-Defekte in diversen Geweben der Fliege hervorruft. Unsere Ergebnisse konnten zeigen, dass ATP6AP2 ebenfalls eine asymmetrische Lokalisation vorweist, welche durch das PCP-Kernprotein und Protocadherin Flamingo (Fmi) vermittelt wird. Fmi und ATP6AP2 interagieren bereits kurz nach ihrer Synthese im endoplasmatischen Retikulum. Unsere Beobachtungen lassen vermuten, dass ATP6AP2 als „Chaperone“ gegenüber Fmi fungiert, um so dessen post-translationale Prozessierung sowie Transport an die Oberfläche zu beeinflussen. Neben der PCP-Funktion dient ATP6AP2 im ER als Assemblierungsfaktor der V-ATPase-Protonpumpe. So führte die konditionale Inaktivierung von ATP6AP2 im Epithel des Drosophilaflügels sowie der Mausniere zu schweren Defekten in der lysosomalen Degradation und in der Autophagie. Ausserdem konnten wir eine verminderte Endozytoseaktivität feststellen, was wir auf eine Inaktivierung des mTOR-Signalwegs an den Lysosomen zurückführten. Eine weitere Zielsetzung bestand darin, die Rolle der pH-Regulation in der Zellpolarisierung zu untersuchen. Hierfür etablierten wir eine neue Methode, welche auf der Kontrolle der Polarisierungsrichtung durch elektrische Felder (EF) beruht. Kultivierte Zellen wurden durch Abrundung “entpolarisiert”, um im folgenden durch Anlegen eines EF eine Polarisierung zur Kathode hin zu bewirken. Interessanterweise fanden wir heraus, dass sich durch Erniedrigung des Medium-pH die Polarisierungsrichtung nach anodal umdrehen lässt. Unsere Beobachtungen darauf hin, dass es in der Zelle zwei miteinander in Konkurrenz stehende Polarisierungs-Signalwege gibt. Während unter normalen Bedingungen der kathodale Signalweg dominiert, kann der anodale Weg durch bestimmte Manipulationen, wie z.B. pH-Erniedrigung, in den Vordergrund rücken. Zusammengenommen konnten trotz einiger Abweichungen im experimentellen Vorgehen viele der anvisierten Ziele erreicht werden.

Publications

• Podocyte polarity signaling. Curr Opin Nephrol Hypertens. 2009 Jul;18(4):324-30
  Simons M, Hartleben B, Huber TB
  
• Regulation of Frizzled-Dependent Planar Polarity Signaling by a V-ATPase Subunit, Current Biology 2010 Jul 27(20); 1269-74
  Hermle T, Saltukoglu D, Grünewald J, Walz G, Simons M
  
• The role of proton transport in epithelial Wnt signaling pathways. Pediatr Nephrol. 2011 Sep;26(9):1523-7. Epub 2011 Mar 5
  Hermle T, Petzoldt AG, Simons M
  
• Activation of the proton pump, V-ATPase, triggers epithelial overgrowth and invasion in Drosophila, Dis Model Mech. 2013; 689-700 (2013)
  Petzoldt AG, Gleixner EM, Fumigalli A, Vaccari T, Simons M
  
• Drosophila ATP6AP2/VhaPRR is a novel planar cell polarity core protein that functions in endosomal trafficking, EMBO J. 2013; 32, 245-259
  Hermle T, Guida MC, Beck S, Simons M
  
• V-ATPase/mTOR Signaling Regulates Megalin- Mediated Apical Endocytosis, Cell Reports. 2014; 10;8(1):10-9
  Gleixner EM, Canaud G, Hermle T, Guida MC, Kretz O, Helmstädter M, Huber TB, Eimer S, Terzi F, Simons M
  
• Spontaneous and electric field-controlled front-rear polarization of human keratinocytes, Molecular Biology of the Cell, Vol. 26, No. 24 December 01, 2015, 4295-4521
  Saltukoglu D, Grünewald J, Bensch R, Strohmeyer N, Ulbrich Maximilian H, Ronneberger O, Simons M
  
• Renal Atp6ap2/(Pro)renin Receptor Is Required for Normal Vacuolar H+-ATPase Function but Not for the Renin-Angiotensin System. Journal of the American Society of Nephrology, Vol. 27, Issue 11 November 2016, 3320-3330
  Trepiccione F, Gerber S, Grahammer F, Paunescu T, Huber TB, Brown D, Houillier P, Eladari D, Simons M + 6 weitere