Die Bedeutung der intrazellulären und Membran-assoziierten Mobilität von Crumbs Proteinen für Zellpolarität, Zellkontakte und Signalübertragung in renalen Epithelien. (vormals: Apikale Polaritätsmechanismen in Podozyten)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Weltweit sind über 100 Millionen Menschen von Nierenerkrankungen betroffen. In den meisten Fällen ist die Proteinurie, also der Verlust von Eiweiß über den Urin, ein erster Hinweis auf die zunehmende Schädigung der Nieren. Proteinurie weist auf den Verlust von Podozyten und/oder massive Schädigungen der glomerulären Filtrationsbarriere (Blut-Urin-Schranke) hin. Eine essentielle Komponente der Filtrationsbarriere stellen Podozyten dar. Diese lebenslang aktiven Zellen bilden mit ihren hoch verzweigten Fußfortsätzen die sog. Schlitzmembran aus. Dieser spezielle Zell-Zellkontakt verhindert den Übertritt von Proteinen (v. a. Albumin) in den Primärharn. Schäden der Podozyten oder an dem molekularen Aufbau der Schlitzmembran sind daher an den meisten proteinurischen glomerulären Erkrankungen ursächlich beteiligt. Aufgrund von Patientenmutationen im CRB2 Gen, die mit glomerulären Erkrankung assoziiert worden sind, haben wir uns dazu entschlossen, im Rahmen dieses Projektes, uns auf die Funktion von Crb2 zu fokussieren. Durch Knockout Mäuse, denen Crb2 spezifisch in Podozyten fehlt und Zelllinien, die den Wildtyp oder Mutanten als GFP-getaggtes Fusionsprotein (Crb2-GFP) exprimieren, konnten wir tatsächlich Crb2 als essenzielle Komponente der Schlitzmembran identifizieren. Durch Expansionsmikroskopie wurde klar, dass Crb2 an der Schlitzmembran in Clustern organisiert ist und an das seit vielen Jahren bekannte Schlitzmembranprotein Nephrin bindet. Außerdem konnten wir zeigen, dass Crb2 Varianten, die mit dem Steroid-resistenten nephrotischen Syndroms (SRNS) assoziiert wurden, im endoplasmatischen Retikulum (ER) akkumulieren und eine ER Stressantwort auslösen. Deshalb nehmen wir an, dass Crb2 eine ähnlich wichtige Bedeutung wie das schon gut charakterisierte Nephrin hat, aber auf molekularer Ebene andere oder zusätzliche Funktionen für die glomeruläre Filtrationsbarriere ausübt. Die Analyse der lateralen Mobilität des Proteins in der Membran ergab, dass Crb2 generell nicht so mobil wie Crb3A in der Plasmamembran ist. Zell-Zellkontakte können zudem die Crb2-Mobilität zusätzlich modulieren. Im direkten Bereich der Zell-Zell Kontaktfläche ist der Anteil der immobilen Crb2-Moleküle dreimal so hoch wie in “freien” Membranbereichen. Hierbei scheint vor allem die extrazelluläre Domäne wichtig zu sein. Allerdings anders als man zunächst vermuteten würde: sie verhindert anscheinend eine intrazellulären Arrettierung des Proteins, wenn Zellen Kontakt aufnehmen. Die Crb2- (aber auch Crb3a-) vermittelten Interaktionen an den Zell-Zell-Kontaktflächen sorgen außerdem dafür, dass die Podozyten in deutlich zu erkennenden Cluster-Formationen wachsen. Fraglich ist, ob diese Interaktionen in cis- oder trans-Formation erfolgen müssen, also ob Crb-Moleküle mit benachbarten Molekülen auf derselben Membran (cis) oder mit solchen auf der gegenüberliegenden Membran interagieren (trans). Die bisherigen Experimente geben hier keine eindeutige Information, allerdings weisen erste Resultate der gegenwärtig noch laufenden Kraftmessungen auf eine Trans-Interaktion hin. Zusammenfassend ist anzumerken, dass die Erforschung proteinurischer Erbkrankheiten zur Identifizierung wichtiger Komponenten der Schlitzmembran führte, wie z. B. Nephrin und - im Rahmen dieser Studie - Crb2. Auch wenn bestimmte Varianten dieser Proteine mit klinisch recht ähnlichen Phänotypen verbunden sind, ist dennoch davon auszugehen, dass die unterschiedliche Struktur und Domänen-Architektur dieser Proteine auf molekularer und zellbiologischer Ebene letztendlich mit unterschiedlichen Funktionen für Podozyten und Schlitzmembran verbunden sind. Hierzu wird weitere Forschung nötig sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The C-terminal domain controls the mobility of Crumbs 3 isoforms. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, 1863(6), 1208-1217.
Djuric, Ivona; Siebrasse, Jan Peter; Schulze, Ulf; Granado, Daniel; Schlüter, Marc A.; Kubitscheck, Ulrich; Pavenstädt, Hermann & Weide, Thomas
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Trajectories and single-particle tracking data of intracellular vesicles loaded with either SNAP-Crb3A or SNAP-Crb3B. Data in Brief, 7(2016, 6), 1665-1669.
Siebrasse, Jan Peter; Djuric, Ivona; Schulze, Ulf; Schlüter, Marc A.; Pavenstädt, Hermann; Weide, Thomas & Kubitscheck, Ulrich
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Distinct functions of Crumbs regulating slit diaphragms and endocytosis in Drosophila nephrocytes. Cellular and Molecular Life Sciences, 74(24), 4573-4586.
Hochapfel, Florian; Denk, Lucia; Mendl, Gudrun; Schulze, Ulf; Maaßen, Christine; Zaytseva, Yulia; Pavenstädt, Hermann; Weide, Thomas; Rachel, Reinhard; Witzgall, Ralph & Krahn, Michael P.
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Crumbs2 Is an Essential Slit Diaphragm Protein of the Renal Filtration Barrier. Journal of the American Society of Nephrology, 32(5), 1053-1070.
Möller-Kerutt, Annika; Rodriguez-Gatica, Juan E.; Wacker, Karin; Bhatia, Rohan; Siebrasse, Jan-Peter; Boon, Nanda; Van Marck, Veerle; Boor, Peter; Kubitscheck, Ulrich; Wijnholds, Jan; Pavenstädt, Hermann & Weide, Thomas
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Loss of surface transport is a main cellular pathomechanism of CRB2 variants causing podocytopathies. Life Science Alliance, 6(3),e202201649.
Möller-Kerutt, Annika; Schönhoff, Birgit; Rellmann, Yvonne; George, Britta; Braun, Daniela Anne; Pavenstädt, Hermann & Weide, Thomas
