Polyzystische Niere
Podozyten


This website has moved. You will be forwarded automatically.

Forschungsschwerpunkte




Forschungsinteressen

Im Zentrum der wissenschaftlichen Tätigkeit steht die Aufklärung der Mechanismen, die zum akuten und chronischen Nierenversagen führen.  Als Modelle dienen dabei zwei Erbkrankheiten, nämlich die polyzystische Nierenerkrankung und das Nagel-Patella-Syndrom, die wie die erworbenen Formen zum einen die Nierentubuli und zum anderen die Podozyten betreffen.  Die (langfristige) Hoffnung geht dahin, daß ein besseres Verständnis der Krankheitsentstehung zu einer rationelleren und damit wirksameren Entwicklung von Therapien führt.

Pathogenetische Vorgänge folgen oft einem komplexen Ablauf und sind wohl am besten über einen vielschichtigen Forschungsansatz aufzuklären.  Das Institut für Molekulare und Zelluläre Anatomie bemüht sich deshalb, durch die konsequente Kombination molekularbiologischer, zellbiologischer, biochemischer und morphologischer Techniken die entsprechenden Fragen anzugehen (siehe unten).


Polyzystische Nierenerkrankung

Die polyzystische Nierenerkrankung kann autosomal-dominant oder -rezessiv vererbt werden, außerdem werden erworbene Formen beschrieben, auf die hier aber nicht näher eingegangen werden soll.  Während die dominante Form mit einer Prävalenz von ~1 in 1.000 eine der häufigsten monogenetischen Erkrankungen des Menschen ist, kommt die rezessive Form sehr viel seltener vor (genaue Zahlen existieren allerdings nicht); für beide vererbten Formen konnten inzwischen die mutierten Gene identifiziert werden.

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


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.  Ungefähr 50% der Patienten werden bis zum 60. Lebensjahr das Endstadium des chronischen Nierenversagens erreichen, sie repräsentieren damit knapp 10% aller dialysepflichtigen Patienten.  1994 (European Polycystic Kidney Disease Consortium, 1994) und 1996 (Mochizuki et al., 1996) wurde die Klonierung der bei diesen Patienten mutierten Gene berichtet, PKD1 und PKD2 genannt, womit nun prinzipiell eine Diagnosestellung auf molekularer Ebene möglich ist.

Das PKD1 Gen ist bei etwa 85% aller Patienten mit autosomal-dominanter polyzystischer Nierenerkrankung mutiert.  Es kodiert für Polycystin-1, ein sehr großes Protein mit einer Länge von 4.302 Aminosäuren (Hughes et al., 1995; International Polycystic Kidney Disease Consortium, 1995).  Aufgrund seiner Größe und des Vorhandenseins eng verwandter Gene kann sich das Auffinden der Mutation bei PKD1 Patienten sehr schwierig gestalten.  Die Funktion von Polycystin-1 ist bisher nur sehr unvollständig verstanden, weshalb bisher auch nur darüber spekuliert werden kann, wie Mutationen zur Entstehung von Zysten führen.  Möglicherweise 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, daß 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 ist mit einer Länge von 968 Aminosäuren wesentlich kleiner als Polycystin-1.  Deshalb und aufgrund des Fehlens sehr ähnlicher Gene ist PKD2 einer genetischen Diagnose sehr viel einfacher zugänglich als PKD1.  Wahrscheinlich ist Polycystin-2 ein neuartiger Kationenkanal mit einer sehr hohen Leitfähigkeit 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).

Die autosomal-rezessive polyzystische Nierenerkrankung betrifft vornehmlich Patienten im frühen Kindesalter und ist gemeinhin mit einer relativ schlechten Prognose verknüpft.  Im Jahr 2002 wurde nahezu zeitgleich von zwei Gruppen über die Positionsklonierung des bei diesen Patienten mutierten Genes berichtet (Onuchic et al., 2002; Ward et al., 2002).  Das PKHD1 Gen kodiert ebenfalls für ein sehr großes Protein, das wahlweise Fibrocystin und Polyductin genannt und von dem wahrscheinlich aufgrund alternativen Spleißens sehr viele verschiedene Varianten existieren.  Die Funktion von Fibrocystin/Polyductin liegt vollkommen im Dunkeln, es ist nicht einmal seine genaue intrazelluläre Lokalisation bekannt.

Wie entstehen nun Zysten?  Genetisch spricht sehr viel dafür, daß 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, daß das in der Keimbahn gesunde Allel im Laufe des Lebens eine Mutation erleidet, die betroffenen Zellen erhalten möglicherweise einen Wachstumsvorteil und die Zystenbildung beginnt, weil ihr “Stopsignal” ausgefallen ist.  In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Nierentubuli aus einem bindegewebigen Vorläufergewebe differenzieren, das heißt das Lumen der Tubuli entwickelt sich erst im Laufe der Zeit.  Zu einem genau definierten Zeitpunkt muß die Lumenbildung allerdings zu einem Ende kommen, denn die Nierentubuli sind vergleichbar weit!  Wenn das Stopsignal also nicht mehr existiert, wird mehr Lumen gebildet und es entstehen Zysten (Gallagher et al., 2000).  Über die Natur des Sensors gibt es nur eine vage Vorstellungen, möglicherweise kommt primären Zilien, fingerförmigen Ausstülpungen aus der Zellmembran, eine maßgebliche chemo- und/oder mechanosensorische Rolle zu.  Die dafür sprechenden Befunde sind der Nachweis verschiedener Zystenproteine in primären Zilien (Yoder et al., 2002) und der Verlust ihrer mechanosensorischen Eigenschaften bei Ausfall von Polycystin-1 und -2 (Nauli et al., 2003).

Cai, Y., Maeda, Y., Cedzich, A., Torres, V. E., Wu, G., Hayashi, T., Mochizuki, T., Park, J. H., Witzgall, R., and Somlo, S. (1999). Identification and characterization of polycystin-2, the PKD2 gene product. J. Biol. Chem. 274, 28557-28565.

European Polycystic Kidney Disease Consortium (1994). The polycystic kidney disease 1 gene encodes a 14 kb transcript and lies within a duplicated region on chromosome 16. Cell 77, 881-894.

Gallagher, A. R., Obermüller, N., Cedzich, A., Gretz, N., and Witzgall, R. (2000). An ever-expanding story of cyst formation. Cell Tissue Res. 300, 361-371.

González-Perrett, S., Kim, K., Ibarra, C., Damiano, A. E., Zotta, E., Batelli, M., Harris, P. C., Reisin, I. L., Arnaout, M. A., and Cantiello, H. F. (2001). Polycystin-2, the protein mutated in autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD), is a Ca2+-permeable nonselective cation channel. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 1182-1187.

Hanaoka, K., Qian, F., Boletta, A., Bhunia, A. K., Piontek, K., Tsiokas, L., Sukhatme, V. P., Guggino, W. B., and Germino, G. G. (2000). Co-assembly of polycystin-1 and -2 produces unique cation-permeable currents. Nature 408, 990-994.

Hughes, J., Ward, C. J., Peral, B., Aspinwall, R., Clark, K., San Millán, J. L., Gamble, V., and Harris, P. C. (1995). The polycystic kidney disease 1 (PKD1) gene encodes a novel protein with multiple cell recognition domains. Nat. Genet. 10, 151-159.

International Polycystic Kidney Disease Consortium (1995). Polycystic kidney disease:  The complete structure of the PKD1 gene and its protein. Cell 81, 289-298.

Koulen, P., Cai, Y., Geng, L., Maeda, Y., Nishimura, S., Witzgall, R., Ehrlich, B. E., and Somlo, S. (2002). Polycystin-2 is an intracellular calcium release channel. Nat. Cell Biol. 4, 191-197.

Luo, Y., Vassilev, P. M., Li, X., Kawanabe, Y., and Zhou, J. (2003). Native polycystin 2 functions as a plasma membrane Ca2+-permeable cation channel in renal epithelia. Mol. Cell. Biol. 23, 2600-2607.

Mochizuki, T., Wu, G., Hayashi, T., Xenophontos, S. L., Veldhuisen, B., Saris, J. J., Reynolds, D. M., Cai, Y., Gabow, P. A., Pierides, A., Kimberling, W. J., Breuning, M. H., Deltas, C. C., Peters, D. J. M., and Somlo, S. (1996). PKD2, a gene for polycystic kidney disease that encodes an integral membrane protein. Science 272, 1339-1342.

Nauli, S. M., Alenghat, F. J., Luo, Y., Williams, E., Vassilev, P., Li, X., Elia, A. E. H., Lu, W., Brown, E. M., Quinn, S. J., Ingber, D. E., and Zhou, J. (2003). Polycystins 1 and 2 mediate mechanosensation in the primary cilium of kidney cells. Nat. Genet. 33, 129-137.

Newby, L. J., Streets, A. J., Zhao, Y., Harris, P. C., Ward, C. J., and Ong, A. C. M. (2002). Identification, characterization, and localization of a novel kidney polycystin-1-polycystin-2 complex. J. Biol. Chem. 277, 20763-20773.

Onuchic, L. F., Furu, L., Nagasawa, Y., Hou, X., Eggermann, T., Ren, Z., Bergmann, C., Senderek, J., Esquivel, E., Zeltner, R., Rudnik-Schöneborn, S., Mrug, M., Sweeney, W., Avner, E. D., Zerres, K., Guay-Woodford, L. M., Somlo, S., and Germino, G. G. (2002). PKHD1, the polycystic kidney and hepatic disease 1 gene, encodes a novel large protein containing multiple immunoglobulin-like plexin-transcription-factor domains and parallel beta-helix 1 repeats. Am. J. Hum. Genet. 70, 1305-1317.

Pei, Y. (2001). A 'two-hit' model of cystogenesis in autosomal dominant polycystic kidney disease. Trends Mol. Med. 7, 151-156.

Qian, F., Germino, F. J., Cai, Y., Zhang, X., Somlo, S., and Germino, G. G. (1997). PKD1 interacts with PKD2 through a probable coiled-coil domain. Nat. Genet. 16, 179-183.

Tsiokas, L., Kim, E., Arnould, T., Sukhatme, V. P., and Walz, G. (1997). Homo- and heterodimeric interactions between the gene products of PKD1 and PKD2. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6965-6970.

Vassilev, P. M., Guo, L., Chen, X.-Z., Segal, Y., Peng, J.-B., Basora, N., Babakhanlou, H., Cruger, G., Kanazirska, M., Ye, C.-p., Brown, E. M., Hediger, M. A., and Zhou, J. (2001). Polycystin-2 is a novel cation channel implicated in defective intracellular Ca2+ homeostasis in polycystic kidney disease. Biochem. Biophys. Res. Commun. 282, 341-350.

Ward, C. J., Hogan, M. C., Rossetti, S., Walker, D., Sneddon, T., Wang, X., Kubly, V., Cunningham, J. M., Bacallao, R., Ishibashi, M., Milliner, D. S., Torres, V. E., and Harris, P. C. (2002). The gene mutated in autosomal recessive polycystic kidney disease encodes a large, receptor-like protein. Nat. Genet. 30, 259-269.

Yoder, B. K., Hou, X., and Guay-Woodford, L. M. (2002). The polycystic kidney disease proteins, polycystin-1, polycystin-2, polaris, and cystin, are co-localized in renal cilia. J. Am. Soc. Nephrol. 13, 2508-2516.


Nagel-Patella-Syndrom

Die an diesem Syndrom leidenden Patienten sind relativ leicht anhand ihrer fehlgebildeten Fingernägel und mißgebildeten oder gar fehlenden Kniescheibe zu diagnostizieren, deshalb auch der Name.  Es handelt sich um eine autosomal-dominant weitergegebene Erbkrankheit, die nur selten beobachtet wird.  Bemerkenswerterweise wurde bei einem Drittel bis zur Hälfte aller Patienten ein sich langsam entwickelndes chronisches Nierenversagen beschrieben.

Podozyten Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Füßchenzellen in der Niere (Podozyten). Deutlich sind die größeren Primärfortsätze sowie die vielen feinen Fußfortsätze zu erkennen.

Im Jahr 1998 wurden Mutationen im LMX1B Gen als krankheitsverursachend identifiziert (Dreyer et al., 1998; McIntosh et al., 1998; Vollrath et al., 1998).  Dieses Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, der eine wichtige Rolle nicht nur bei der Gliedmaßenentwicklung spielt (deshalb die Nagel- und Kniescheibensymptomatik), sondern auch bei der Ausbildung der Niere.  In der Niere ist speziell der Podozyt betroffen, die bei der Filtration des Blutplasmas so wichtige “Füßchenzelle”, denn den Podozyten von Lmx1b Knockout-Mäusen fehlen die Fußfortsätze und die Schlitzmembranen (Miner et al., 2002; Rohr et al., 2002).  Eine wichtige Erkenntnis, die zu einem genaueren Verständnis der Wirkungsweise von LMX1B führen sollte, liegt in der Tatsache begründet, daß 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.  Die Art und Weise, wie LMX1B die Differenzierung der Podozyten reguliert, ist Gegenstand aktiver Forschung.

Dreyer, S. D., Zhou, G., Baldini, A., Winterpacht, A., Zabel, B., Cole, W., Johnson, R. L., and Lee, B. (1998). Mutations in LMX1B cause abnormal skeletal patterning and renal dysplasia in nail patella syndrome. Nat. Genet. 19, 47-50.

McIntosh, I., Dreyer, S. D., Clough, M. V., Dunston, J. A., Eyaid, W., Roig, C. M., Montgomery, T., Ala-Mello, S., Kaitila, I., Winterpacht, A., Zabel, B., Frydman, M., Cole, W. G., Francomano, C. A., and Lee, B. (1998). Mutation analysis of LMX1B gene in nail-patella syndrome patients. Am. J. Hum. Genet. 63, 1651-1658.

Miner, J. H., Morello, R., Andrews, K. L., Li, C., Antignac, C., Shaw, A. S., and Lee, B. (2002). Transcriptional induction of slit diaphragm genes by Lmx1b is required in podocyte differentiation. J. Clin. Invest. 109, 1065-1072.

Morello, R., Zhou, G., Dreyer, S. D., Harvey, S. J., Ninomiya, Y., Thorner, P. S., Miner, J. H., Cole, W., Winterpacht, A., Zabel, B., Oberg, K. C., and Lee, B. (2001). Regulation of glomerular basement membrane collagen expression by LMX1B contributes to renal disease in nail patella syndrome. Nat. Genet. 27, 205-208.

Rohr, C., Prestel, J., Heidet, L., Hosser, H., Kriz, W., Johnson, R. L., Antignac, C., and Witzgall, R. (2002). The LIM-homeodomain transcription factor Lmx1b plays a crucial role in podocytes. J. Clin. Invest. 109, 1073-1082.

Vollrath, D., Jaramillo-Babb, V. L., Clough, M. V., McIntosh, I., Scott, K. M., Lichter, P. R., and Richards, J. E. (1998). Loss-of-function mutations in the LIM-homeodomain gene, LMX1B, in nail-patella syndrome. Hum. Mol. Genet. 7, 1091-1098.


Das transkriptionelle Repressorprotein Kid-1

Aus verschiedensten Untersuchungen ist bekannt, daß Transkriptionsfaktoren eine essentielle Rolle während der Nierenentwicklung spielen.  Außerdem deuten andere Ergebnisse auf gemeinsame Aspekte zwischen Nierenentwicklung und akutem Nierenversagen hin.  Aufgrund dieser Tatsache wurde Kid-1, ein Transkriptionsfaktor aus der Familie der Zinkfingerproteine kloniert (Witzgall et al., 1993).  Kid-1 ist ein Prototyp einer Subklasse von Zinkfingerproteinen, die an ihrem NH2-Terminus eine KRAB-Domäne enthalten.  Die KRAB-Domäne ist eine weit verbreitete und sehr potente transkriptionelle Repressordomäne, die möglicherweise die Ausbildung von Heterochromatin fördert (Margolin et al., 1994; Witzgall et al., 1994).  Dies geschieht über die Interaktion mit einem Adapterprotein, das KAP1, TIF-1b oder KRIP-1 genannt wird (Friedman et al., 1996; Kim et al., 1996; Moosmann et al., 1996).

Das transkriptionelle Repressorprotein Kid-1 ist ein typischer Vertreter einer Subklasse von Zinkfingerproteinen, die sich durch die Anwesenheit von KRAB-Domänen auszeichnen. KRAB-Domänen vermitteln durch die Interaktion mit Heterochromatin-assoziierten Proteinen das Abschalten von Genen.


Friedman, J. R., Fredericks, W. J., Jensen, D. E., Speicher, D. W., Huang, X.-P., Neilson, E. G., and Rauscher, F. J., III (1996). KAP-1, a novel corepressor for the highly conserved KRAB repression domain. Genes Dev. 10, 2067-2078.

Kim, S.-S., Chen, Y.-M., O'Leary, E., Witzgall, R., Vidal, M., and Bonventre, J. V. (1996). A novel member of the RING finger family, KRIP-1, associates with the KRAB-A transcriptional repressor domain of zinc finger proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 15299-15304.

Margolin, J. F., Friedman, J. R., Meyer, W. K.-H., Vissing, H., Thiesen, H.-J., and Rauscher, F. J., III (1994). Kruppel-associated boxes are potent transcriptional repression domains. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 4509-4513.

Moosmann, P., Georgiev, O., Le Douarin, B., Bourquin, J.-P., and Schaffner, W. (1996). Transcriptional repression by RING finger protein TIF1b that interacts with the KRAB repressor domain of KOX1. Nucleic Acids Res. 24, 4859-4867.

Witzgall, R., O´Leary, E., Gessner, R., Ouellette, A. J., and Bonventre, J. V. (1993). Kid-1, a putative renal transcription factor: Regulation during ontogeny and in response to ischemia and toxic injury. Mol. Cell. Biol. 13, 1933-1942.

Witzgall, R., O´Leary, E., Leaf, A., Önaldi, D., and Bonventre, J. V. (1994). The KRAB-A domain of zinc finger-proteins mediates transcriptional repression. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 4514-4518.


Angewendete Methoden (unvollständig)

  • Bindungsstellenselektion

  • “Branching morphogenesis” in dreidimensionalen Kollagengelen

  • CAT-Assay

  • Elektronenmikroskopie

  • Fluorographie 35S-markierter Proteine

  • Gel shift-Assay

  • Herstellung monoklonaler Antikörper

  • Herstellung polyklonaler Antikörper

  • Herstellung von Kernextrakten

  • Hybridisierung

  • Immunpräzipitation

  • 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+-Säulen

  • Präparation von Plasmiden aus Bakterien im kleinen und großen Maßstab

  • Präparation von RNA

  • Random priming

  • RNase protection-Assay

  • Screening von Bibliotheken

  • Sequenzierung

  • Southern Blot

  • Southwestern Blot

  • Transfektion von Säugerzellen (transient und stabil)

  • Transformation von Bakterien und Hefe

  • Transgene Tiere

  • Western Blot

  • Zellproliferationsassays

  • Zweihybrid-Technologie