Forschung

Arbeitsgruppe Kurtz

Entwicklung, Struktur und Funktion reninbildender Zellen der Niere

Die Protease Renin ist das Schlüsselenzym des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems (RAAS). Renin wird im Körper hauptsächlich von den juxtaglomerulären Epitheloidzellen (JG-Zellen) in den afferenten Arteriolen der Niere gebildet. Das RAAS regelt die Homoöstase der Extrazellulärvolumens und des Blutdrucks. Eine inadäquate Aktivierung der Reninsynthese und –sekretion stellt einen klinisch bedeutsamen Pathogenesefaktor bei Hypertonie, Ödeme, Gefäßveränderungen, und Nierenschäden dar. Die reninbildenden Zellen weisen Besonderheiten auf, deren Mechanismen noch weitgehend unverstanden sind. Zum einen ist noch unklar, wie sich reninbildende Zellen aus nephrogenen Mesenchym heraus entwickeln. Zum anderen weisen reninbildende Zellen eine außergewöhnliche Plastizität auf, so dass sich die Zahl der reninbildenden bedarfsorientiert reversibel um das 10-20 fache ändern kann. Das von den Zellen produzierte Prorenin wird in große lysosomenähnliche Vesikel gepackt, worin Prorenin proteolytisch zu Renin aktiviert wird und daraus dann geregelt freigesetzt wird. Der Freisetzungsmechanismus von Renin aus den Zellen ist derzeit auch noch spekulativ. Schließlich wird die Freisetzung von Renin durch extrazelluläres Kalzium gehemmt, was in starkem Gegensatz zu den klassischen Sekretionsmechanismen endo- und exokriner Zellen steht.

An diesen noch ungeklärten Aspekten orientieren sich die einzelnen konkreten Arbeitsprojekte.


Aktuelle Projekte

Mechanismen der Reninzellhyperplasie

Genetische Defekte des RAAS führen zu einer starken kompensatorischen Hyperplasie von reninbildenden Zellen, die ektop in mehrschichtigen Zelllagen um afferente Arteriolen herum angeordnet sind. Die Zahl dieser ektopen hyperplastischen Reninzellen ist dabei stark und reversibel durch die orale Salzzufuhr modulierbar, wobei salzarme Ernährung die Ausbildung der Zellen fördert, während salzreiche Ernährung sie unterdrückt. Am Modell der Aldosteronsynthase-defizienten Maus, welche eine ganz deutliche salzabhängige Ausbildung hyperplastischer Reninzellen aufweist, sollen die zugrunde liegenden Mechanismen untersucht werden. Zum einen soll bestimmt werden, welche Rolle Zellproliferation und Apotose dabei spielen, zum anderen soll bestimmt werden über welche Mediatoren die Salzzufuhr kausal eine solch profunde Wirkung auf die Zahl der reninbildenen Zellen ausübt.

Renin (grün) und Glattmuskelaktin (rot) in Nierenschnitten G, Glomerulus; aa, afferente Arteriole; ea, efferente Arteriole; RC, Reninzelle; RCC, perivaskuläres Reninzellcluster.

Literatur: Kurt B, Karger C, Wagner C, Kurtz A. Control of renin secretion from kidneys with renin cell hyperplasia. Am J Physiol Renal Physiol. 2014 Feb 1;306(3):F327-32.

Karger C, Kurtz F, Steppan D, Schwarzensteiner I, Machura K, Angel P, Banas B,Risteli J, Kurtz A. Procollagen I-expressing renin cell precursors. Am J Physiol Renal Physiol. 2013 Aug 1;305(3):F355-61.


Bedeutung des hypoxieinduzierten Transkriptionsfaktors (HIF-2) für die Reninzelldifferenzierung

Ausgehend von unserer initialen Beobachtung, dass Ausschaltung des von Hippel Lindau Proteins in juxtaglomerulären reninbildenden Zellen der Niere die Reninexpression unterdrückt und gleichzeitig die Expression des Hormones Erythropoietin induziert, gehen wir den zellulären Mechanismen nach, welche diesen auffälligen Phänotypwechsel vermitteln und damit elementar in die Differenzierung der reninbildenden Zellen eingreifen. Ein gesichertes Zwischenergebnis hierbei ist, dass dieser Phänotypwechsel essentiell durch eine Stabilisierung des HIF-2 vermittelt wird. Welche Signalwege der Zell(de)differenzierung damit aktiviert bzw. gehemmt werden und welche Rolle der HIF-2 generell bei der fötalen Reninzellentwicklung spielt, wird in diesem Projekt untersucht.

In situ-Hybridisierungen (ISH) für Renin-mRNA und Erythropoietin-mRNA in Nieren einer Wildtyp Maus und einer Maus mit Deletion des von Hippel Lindau Proteines in juxtaglomerulären Zellen. Stern markiert Glomerulus, Pfeilspitzen weisen auf positive ISH Signale hin.

Literatur: Kurt B, Paliege A, Willam C, Schwarzensteiner I, Schucht K, Neymeyer H,Sequeira-Lopez ML, Bachmann S, Gomez RA, Eckardt KU, Kurtz A. Deletion of vonHippel-Lindau protein converts renin-producing cells into erythropoietin-producing cells. J Am Soc Nephrol. 2013 Feb;24(3):433-44.


Zellbiologie der Reninsekretion

Die aktive Protease Renin wird in großen elektronendichten, lysosomenähnlichen Vesikeln gespeichert und daraus in regulierter Weise freigesetzt. Die Freisetzung von Renin aus den Vesikeln wird antagonistisch über den cAMP-Signalweg (aktivierend) und einen Kalzium-vermittelten Signalweg (hemmend) reguliert. Wir konnten mittels Elektronenmikroskopie bereits die Veränderungen der Vesikel bei kontrollierter Modulation der Sekretion beschreiben. Unklar geblieben ist dabei immer noch, ob der Vesikelinhalt die Zelle über klassische Exozytose verlässt und welche Proteine der klassischen Exozytosemaschinerie dabei kausal beteiligt sein könnten. Diese Fragen sollen mittels weiterführender Elektronenmikroskopie und proteinchemischer Analyse der Vesikel untersucht werden.

a) Elektronenmikroskopische Darstellung von Reninspeichervesikeln
b,c) 3D-ELMI-Rekonstruktion einzelner Reninspeichervesikel
d) 3D-ELMI-Rekonstruktion einer Reninzelle. Nicht miteinander verbundene Speichervesikel sind durch unterschiedliche Farben markiert.

Literatur: Steppan D, Zügner A, Rachel R, Kurtz A. Structural analysis suggests that renin is released by compound exocytosis. Kidney Int. 2013 Feb;83(2):233-41.


Mechanismus der kalziumabhängigen Hemmung der Reninsekretion

Sekretionsvorgänge werden in der Regel durch Kalzium ausgelöst, gefördert und unterhalten. Die Freisetzung von Renin hingegen wird durch kalziumobilisierende Hormone (z.B. Angiotensin II, Endothelin) potent gehemmt und durch eine Absenkung der extrazellulären Kalziumkonzentration stark aktiviert, was zum Begriff des „Kalziumparadoxes“ der Reninsekretion geführt hat. Dieses Kalziumparadox ist im Kern noch unverstanden und wird durch die Beobachtung, dass die stark sekretionssteigernde Wirkung einer erniedrigten Kalziumkonzentration, nicht aber die Hemmung der Sekretion durch Angiotensin II, strikt an das Vorhanden sein funktioneller Connexin 40 Proteine in reninbildenden Zellen gekoppelt ist, noch weiter kompliziert. Aufklärung der Wirkmechanismen von Kalzium auf die Reninsekretion ist daher Ziel dieses Projektes.

Reninsekretion aus den isoliert perfundierten Nieren einer Wildtyp und einer Connexin 40 defizienten Maus. Nach einer Kontrollphase wurde das Katecholamin Isoproterenol dauerhaft dem Perfusat zugesetzt, was zu einer Steigerung der Reninsekretion führt. Zugabe von Angiotensin II hebt die stimulierende Wirkung von Isoproterenol gänzlich auf. Erniedrigung der extrazellulären Kalziumkonzentration von 2 mMol/L auf 1 μMol/L führt zur stark überschießenden Aufhebung der Hemmwirkung von Angiotensin II auf die Reninsekretion von Wildtypnieren, aber nur zur moderaten Aufhebung der Hemmwirkung in Connexin 40 defizienten Nieren.

Literatur:
Wagner C, de Wit C, Kurtz L, Grünberger C, Kurtz A, Schweda F. Connexin40 is essential for the pressure control of renin synthesis and secretion. Circ Res.2007
Schweda F, Friis U, Wagner C, Skott O, Kurtz A. Renin release. Physiology (Bethesda). 2007 Oct;22:310-9. Review


Methoden

Molekularbiologie In vitro In vivo

Arbeitsgruppe Wagner

Rekrutierung von reninbildender Zellen in der 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.

Aktuelle Projekte

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.

Methoden

In vivo Experimente In vitro Techniken Molekularbiologie/Biochemie Optische Analysen