Molekulare und funktionelle Analyse der interstitiellen Zellen von Cajal als Masterregulatoren gastrointestinaler Motilität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die interstitiellen Zellen von Cajal (ICC) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation gastrointestinaler Motilität und sind vermutlich die Ursprungszellen gastrointestinaler Stromatumore. Sie exprimieren die Rezeptor-Thyrosinkinase c-Kit und generieren als enterische Schrittmacherzellen langsame Depolarisationswellen (slow-waves), die zu rhythmischen Kontraktionen der glatten Muskulatur des Darms führen. Ein ICC Verlust bzw. eine Störung der Signaltransduktion in ICCs spielt bei zahlreichen gastrointestinalen Motilitätsstörungen eine zentrale Rolle. Wir konnten mit Hilfe von genetisch definierten Mausmodellen zeigen, dass ICCs in adulten Tieren eine essentielle Rolle bei der exzitatorischen und inhibitorischen nitrergen Neurotransmission im Gastrointestinaltrakt spielen. Sie sind somit nicht nur Schrittmacherzellen im Darm, sondern integrieren und modulieren zusätzlich nerval induzierte Kontraktionen und Relaxationen des Darms und regulieren somit fundamentale Aspekte gastrointestinaler Motilität. Mit Hilfe einer neu für das DFG Projekt generierten knock-in Mauslinie, die ein CreERT2 Fusionsprotein unter der Kontrolle des endogenen c-Kit Promotors exprimiert (c-KitCreERT2), ist es uns erstmals gelungen Gene und Signalwege in ICCs zu definierten Zeitpunkten in adulten Tieren genetisch zu manipulieren. Die Tamoxifen-induzierte Depletion von ICCs mit Hilfe einer konditionalen Diphterietoxin-A exprimierenden Mauslinie (c-KitCreERT2/+;LSL-R26DTA/+) führt ebenso wie die konditionale Inaktivierung des NO-cGKI Signalwegs in ICCs (c-KitCreERT2/+;Prkg1lox/lox Mauslinie) zu einer massiven gastrointestinalen Motilitätsstörung mit alterierter enterischer Neurotransmission in adulten Tieren. Dieser Phänotyp normalisiert sich interessanterweise nach mehreren Wochen in beiden Modellen. Interessanterweise kommt es hierbei nicht zu einer Regeneration bzw. Neubildung von ICCs. Mit Hilfe von komplexen genetischen Systemen, die zunächst eine genetische Markierung der ICCs mit anschließender partieller Ablation ermöglichen, konnten wir zeigen, dass es zu keiner nennenswerten Regeneration und Proliferation von ICCs kommt. Stattdessen zeigen unsere Ergebnisse eine erstaunliche Plastizität und Anpassungsfähigkeit der gastrointestinalen Motilität. Die ICC Depletion führt zu einer Hypertrophie der glatten Muskultur die es durch verstärkte Kontraktionen ermöglicht die Passagezeit zu normalisieren, obwohl „slow wave“s und die exzitatorische und nitrerge-inhibitorische Neurotransmission weiterhin gestört bleiben. Die so gewonnenen Erkenntnisse haben damit zu einem besseren Verständnis der kurz- und langfristigen Auswirkungen eines ICC Verlustes oder einer gestörten ICC vermittelten Signaltransduktion geführt. Damit Eröffnen sie wichtige Einblicke in die Grundlagen von gastrointestinalen Motilitätsstörungen die die Basis für neuen Therapiemöglichkeiten darstellen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2011). Clonal production and organization of inhibitory interneurons in the neocortex. Science 334, 480-486
Brown, K. N., Chen, S., Han, Z., Lu, C.-H., Tan, X., Zhang, X.-J., Ding, L., Lopez-Cruz, A., Saur, D., Anderson, S. A., Huang, K., and Shi, S.-H.
- (2013). Cell-specific deletion of nitric oxide-sensitive guanylyl cyclase reveals a dual pathway for nitrergic neuromuscular transmission in the murine fundus. Gastroenterology 145, 188-196
Groneberg, D., Lies, B., König, P., Jäger, R., Seidler, B., Klein, S., Saur, D., and Friebe, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1053/j.gastro.2013.03.042) - (2013). CreER(T2) expression from within the c-Kit gene locus allows efficient inducible gene targeting in and ablation of mast cells. Eur J Immunol. 44, 296- 306
Heger, K., Seidler, B., Vahl, J. C., Schwartz, C., Kober, M., Klein, S., Voehringer, D., Saur, D., and Schmidt-Supprian, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/eji.201343731) - (2013). Interstitial cells of Cajal integrate excitatory and inhibitory neurotransmission with intestinal slow-wave activity. Nat Commun 4, 1630
Klein, S., Seidler, B., Kettenberger, A., Sibaev, A., Rohn, M., Feil, R., Allescher, H.-D., Vanderwinden, J.-M., Hofmann, F., Schemann, M., Rad, R., Storr, M. A., Schmid, R. M., Schneider, G., and Saur, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms2626) - (2014). Interstitial cells of Cajal mediate nitrergic inhibitory neurotransmission in the murine gastrointestinal tract. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 307, G98-106
Lies, B., Gil, V., Groneberg, D., Seidler, B., Saur, D., Wischmeyer, E., Jiménez, M., and Friebe, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1152/ajpgi.00082.2014) - (2015). Adult c-Kit(+) progenitor cells are necessary for maintenance and regeneration of olfactory neurons. J Comp Neurol 523, 15-31
Goldstein, B. J., Goss, G. M., Hatzistergos, K. E., Rangel, E. B., Seidler, B., Saur, D., and Hare, J. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cne.23653) - (2015). cKit Lineage Hemogenic Endothelium-Derived Cells Contribute to Mesenteric Lymphatic Vessels. Cell Rep. S2211-1247(15)00172-2
Stanczuk, L., Martinez-Corral, I., Ulvmar, M. H., Zhang, Y., Laviña, B., Fruttiger, M., Adams, R. H., Saur, D., Betsholtz, C., Ortega, S., Alitalo, K., Graupera, M., and Mäkinen, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.celrep.2015.02.026) - (2015). cKit+ cardiac progenitors of neural crest origin. Proc Natl Acad Sci USA 112, 13051-13056
Hatzistergos, K. E., Takeuchi, L. M., Saur, D., Seidler, B., Dymecki, S. M., Mai, J. J., White, I. A., Balkan, W., Kanashiro-Takeuchi, R. M., Schally, A. V., and Hare, J. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1517201112) - (2015). Dominant role of interstitial cells of Cajal in nitrergic relaxation of murine lower oesophageal sphincter. J Physiol 593, 403-414
Groneberg, D., Zizer, E., Lies, B., Seidler, B., Saur, D., Wagner, M., and Friebe, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1113/jphysiol.2014.273540) - (2015). Nitrergic signalling via interstitial cells of Cajal regulates motor activity in murine colon. J Physiol 593, 4589-4601
Lies, B., Beck, K., Keppler, J., Saur, D., Groneberg, D., and Friebe, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1113/JP270511) - (2016). Differentiation potential of individual olfactory c-Kit+ progenitors determined via multicolor lineage tracing. Dev Neurobiol 76, 241-251
Goss, G. M., Chaudhari, N., Hare, J. M., Nwojo, R., Seidler, B., Saur, D., and Goldstein, B. J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/dneu.22310) - (2016). Spontaneous Ca(2+) transients in interstitial cells of Cajal located within the deep muscular plexus of the murine small intestine. J Physiol 594, 3317-3338
Baker, S. A., Drumm, B. T., Saur, D., Hennig, G. W., Ward, S. M., and Sanders, K. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1113/JP271699) - (2016). Stimulatory Effects of Mesenchymal Stem Cells on cKit+ Cardiac Stem Cells Are Mediated by SDF1/CXCR4 and SCF/cKit Signaling Pathways. Circ Res 119, 921-930
Hatzistergos, K. E., Saur, D., Seidler, B., Balkan, W., Breton, M., Valasaki, K., Takeuchi, L. M., Landin, A. M., Khan, A., and Hare, J. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.116.309281) - (2017). Tumor necrosis factor alpha derived from classically activated "M1" macrophages reduces interstitial cell of Cajal numbers. Neurogastroenterol Motil 29
Eisenman, S. T., Gibbons, S. J., Verhulst, P.-J., Cipriani, G., Saur, D., and Farrugia, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/nmo.12984)
