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Die Umwandlung von Arachidonsäure in Prostaglandin (PG) H2 durch das Enzym Cyclooxygenase (COX) ist ein wichtiger, geschwindigkeitsbestimmender Schritt bei der Biosynthese von Prostanoiden. Zwei Isoformen der Cyclooxygenase sind bekannt: eine konstitutiv gebildete Form (COX-1) und eine induzierbare Form (COX-2). In den letzten Jahren wurde erkannt, dass COX-1 und COX-2 streng lokalisiert in der Niere gebildet werden. Die COX-1 wird neben einer schwächeren Expression in glomerulären Zellen hauptsächlich im Sammelrohr gebildet. Die COX-2 hingegen wird, neben einer schwächeren Expression in glomerulären Zellen und präglomerulären Gefäßen, dominierend in den interstitiellen Zellen des Nierenmarkes und der Pars recta des distalen Tubulus (einschließlich der Macula densa Region) gebildet (Abb.1).
Nach heutigem Kenntnisstand können Prostaglandine den renalen Blutfluss (RBF), die glomeruläre Filtration (GFR), die Bildung und Sekretion von Renin und die tubuläre Resorption von Elektrolyten und Wasser beeinflussen. Befunde einer gleichsinnigen Regulation von COX-2 und Renin in der Nierenrinde (Abb. 2), führten zu der Annahme, dass insbesondere über COX-2 gebildete Prostanoide für die Bildung und Freisetzung von Renin wichtig sein könnten. Deshalb ist es Ziel unserer Untersuchungen die Rolle von über COX-2 gebildeten Prostanoiden für die Reninbildung und -freisetzung zu charakterisieren.
Das Auftreten eines akuten Nierenversagens in der Sepsis stellt eine häufige Diagnose in der Intensivmedizin dar und ist eng verknüpft mit einer hohen Morbidität und Mortalität. Während die Sterblichkeit bei akutem Nierenversagen bei ca. 45% liegt, kommt es beim Auftreten eines akuten Nierenversagens in der Sepsis zu einer Steigerung der Mortalität auf ca. 70%. Deshalb stellt gerade die Kombination ein ernstes medizinisches Problem dar. Eine mögliche Erklärung für das häufige Auftreten eines akuten Nierenversagens in der Sepsis und für die daraus resultierende hohe Mortalität könnte das bis heute begrenzte Wissen über die Entstehung und den daraus resultierenden Folgen sein. Die Arbeit unsere Gruppe konzentriert sich deshalb darauf, die Pathomechanismen des akuten Nierenversagens in der Sepsis, deren Folgen sowie pharmakologische Therapieansätze zu untersuchen.
Die Protease Renin ist das Schlüsselenzym des Renin-Angiotensin-System (RAS). Renin wird im Körper hauptsächlich von den
juxtaglomerulären Epitheloidzellen (JG-Zellen) in der afferenten Arteriole der Niere gebildet. Eine inadäquate Aktivierung
der Reninsynthese stellt einen klinisch bedeutsamen Pathogenesefaktor bei Hypertonie, Ödeme, Gefäßveränderungen, und
Nierenschäden dar.
Die Renin-Gentranskription ist der erste regulierbare Schritt bei der Reninproduktion.
Die Transkription des Reningens bestimmt nicht nur die Sekretionsrate des Renins, welches in Vesikeln gespeichert und durch
regulierbare Exozytose freigesetzt wird, sondern auch die Menge des konstitutiv-sezernierten Prorenins. Letzteres ist auch
deshalb bedeutsam, weil mittlerweile ein (Pro)Renin-Membranrezeptor entdeckt wurde, der Renin und sein nicht-aktives
Prekursormolekül Prorenin spezifisch bindet. Dabei wird Prorenin enzymatisch aktiviert und zelluläre Signalwege werden
eingeschaltet. Die laufende Forschung umfasst molekulare/zellbiologische Verfahren sowie in vivo Nieren-(Patho-)Physiologie
einschließlich die Herstellung von transgenen Mäusen.
Rolle der cAMP-Zielsequenzen in der Regulation des Humanreningens
Obwohl in vitro Studien gezeigt haben, dass der cAMP-Signalweg wichtig für die Renintranskription ist, ist die funktionelle
Relevanz der Reningen-cAMP-Zielsequenzen in vivo noch umstritten. Wir haben eine transgene Mauslinie generiert, die ein
LacZ-Reportergen unter der Kontrolle des 12.2 kb Humanreninpromotors mit funktionslos mutierten CRE (cAMP Response Element)
und CNRE (cAMP and Overlapping Negative Response Element) exprimiert. Die Regulation des humanen Renin-Transgens wird mit der
endogenen Renin-Expression unter physiologischen (Salzdiäten, Adrenorezeptor-Stimulation) und pathophysiologischen
(Nierenarterienstenose, Fettsucht) Bedingungen verglichen. Dieser Ansatz soll zur Aufklärung der Funktion der
cAMP-Zielsequenzen und ferner der Rolle des cAMP-Weges bei der Steuerung des humanen Reningens führen.
Das LacZ-Reportergen wird spezifisch in den Renin-produzierenden JG-Zellen in der Niere exprimiert. G- Glomerulus, α-Aktin ist gefärbt als Gefäßmarker
Rolle des Kernrezeptors PPARgamma
PPARgamma ist ein Transkriptionsfaktor mit zentraler Rolle beim Metabolischen Syndrom (das Zusammentreten von Obesitas,
Hyperlipidämie, Insulin-Resistenz und Hypertonie). Wir haben eine atypische, aber funktionelle PPARgamma-Bindesequenz
(Pal3 genannt) im humanen Reninpromotor entdeckt. Die Identifizierung von Renin als PPARgamma-Zielgen ist hinsichtlich der
Pathogenese der Hypertonie beim Metabolischen Syndrom besonders interessant. Um die Rolle von PPARgamma in der Regulation
des humanen Reningens in vivo aufzuklären generieren wir zurzeit "Renin-humanisierte" Mauslinien mit nativer oder mutierter
Pal3 Sequenz.
PPARgamma- 3D Struktur
Bedeutung der Kernrezeptoren COUP-TF I und II bei der molekularen Regulation der Renintranskription
Die COUP-TF I und II sind entwicklungsaktive Transkriptionsfaktoren. Sie werden während der Entwicklung in der Mausniere
exprimiert und sind auch in adulten Nieren im juxtaglomerulären Bereich nachweisbar.
Expression von COUP-TFII in den Renin-produzierenden JG-Zellen in der adulten Mausniere.
Die COUP-TF Proteine könnten bei der molekularen Kontrolle des Reningens von Bedeutung sein, nicht nur bei der (patho)physiologischen Regulation, sondern auch bei der Rekrutierung Renin-bildender Zellen während der Nierenentwicklung oder bei chronischer Stimulation des Reninsystems in der adulten Niere.
Die Protease Renin als Regulator des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems wird in der Niere von den juxtaglomerulären Epitheloidzellen in der Media der afferenten Arteriolen unmittelbar am Gefäßpol gebildet. Diese klassische Lokalisation ist allerdings nur in der adulten Niere typisch. Während der Nierenentwicklung findet man Reninexpression auch in der Wand größerer präglomerulärer Gefäße bis hin zur Nierenarterie, wobei mit fort-schreitender Reifung diese Gefäße die Reninsynthese einstellen und diese letztendlich im Adultzustand nur in juxtaglomerulärer Position erhalten bleibt. Auch in der adulten Niere ändert sich die Zahl reninbildener Zellen parallel zum Stimulationsgrad des Reninsystemes, wobei Zellen retrograd in den afferenten Arteriolen, aber auch in größeren Arterien zur Reninsynthese rekrutiert werden.
Reninsynthese (grüne Fluoreszenz) in Zellen in der Wand der afferenten Arteriole (rote Fluoreszenz: alpha-smooth muscle cell actin als Gefäßmarker) unter Kontrollbedingungen (A) und nach Stimulation des RAAS-Systems (B) in retrograd rekrutierten Zellen der afferenten Arteriole.
Bislang ist nicht geklärt, wie reninbildende Zellen während der Entwicklung entstehen oder in der adulten Niere neu mit der
Reninsynthese starten und welche Faktoren diese Rekrutierungsprozesse steuern.
Die Arbeit unserer Gruppe konzentriert sich auf die physiologische Rolle von wichtigen lokalen und systemischen Regulatoren des
Reninsystemes bei der Rekrutierung von reninbildenden Zellen in der fötalen und in der adulten Niere untersucht werden.
Insbesondere soll die Bedeutung klassischer Regulationsfaktoren wie der cAMP-Signalweg, die Cyclooxygenase 2 und Angiotensin II
für das An- und Abschaltung der Reninsynthese in Zellen charakterisiert werden. Speziell wird auch die Rolle von Gap junctions
betrachtet, welche sowohl zwischen reninbildenden Zellen als auch zwischen Endothel und reninbildenden Zellen zahlreich ausgebildet
sind.
Charakterisierung des zeitlich-räumlichen Musters der Reninexpression während der Nephrogenese
der normalen Niere.
Diese Daten sollen vor allem dazu dienen, ein Referenzsystem zu etablieren, das Untersuchungen an Knockout Mäusen mit
genetischem Defekt für bestimmte Regulatorgene der Reningenexpression erlaubt und so ermöglicht Faktoren zu identifizieren, die
die Entwicklung der Reninexpression steuern.
3D-Rekonstruktion des renalen Gefäßbaumes (rot) und der Reninexpression (grün) der fötalen Mausniere am Embryonaltag E18.
Charakterisierung der Bedeutung des cAMP -Signalweges für die Rekrutierung von reninbildenden Zellen
während der Nierenentwicklung
in Mäusen mit reninzellspezifischem Knockout des Gs-alpha Protein und in Mäusen mit Doppelknockout des ß1 und ß2-Rezeptors. Erste
Resultate weisen darauf hin, dass der cAMP Signalweg einen wesentlichen Faktor bei der Entwicklung des Reninsystemes darstellt.
Charakterisierung der Bedeutung von gap junctions für die Rekrutierung von reninbildenden Zellen
während der Nierenentwicklung und in der adulten Niere
in Mäusen mit Knockout für das gap junction Protein connexin 40 (Cx40). Unsere Daten zeigen, dass die interzelluläre Kopplung über
Cx40-gap junctions die Rekrutierung von reninbildenden Zellen in der adulten Niere maßgeblich beeinflusst.
Bedeutung von Stickstoffmonoxid (NO) für die Rekrutierung von reninbildenden Zellen während der
Nierenentwicklung und in der adulten Niere.
Für diese Fragestellung wird die Reninexpression in Knockout-Modellen mit genetischem Defekt der endothelialen NO-Synthase (eNOS)
untersucht.
