Molekulare Architektur Claudin-basierter Tight Junction Stränge und parazellulärer Ionenkanäle

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Jörg Piontek
• Fachliche Zuordnung: Pharmakologie ; Anatomie und Physiologie ; Gastroenterologie ; Nephrologie
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289412825

Tight junctions (TJ) regulieren die parazelluläre Permeabilität für Solute und H2O in epithelialen und endothelialen Gewebebarrieren. Die Hauptdeterminanten dieser Funktion sind die Mitglieder der Claudinfamilie (CLDN), die tetrahelikale Transmembranproteine darstellen. Sie bilden das Rückgrat der intramembranären TJ-Stränge und in Abhängigkeit vom Subtyp entweder Barrieren oder parazelluläre Kanäle für kleine Kationen, Anionen oder Wasser. Fortschritte in Kristallisation, Strukturvorhersage, Molekulardynamik-Simulation und funktioneller Analyse der Claudine haben das Verständnis von Struktur und Funktion der TJ stark verbessert. Allerdings ist die molekulare Architektur der TJ-Stränge und der parazellulären Kanäle in vielen Details weiterhin unklar. Obwohl funktionsbestimmende Bereiche in Claudinsequenzen identifiziert wurden, sind die 3D-strukturellen Unterschiede unklar, die zur funktionellen Diversität der TJs führen (Kanäle für Kationen, Kationen & H2O oder für Anionen oder Barrieren für Ionen). Hauptziel dieses Projekts ist es, Details der molekularen Architektur der TJ-Stränge und parazellulärer Kanäle einschließlich ihrer Claudinsubtyp-abhängigen Diversität aufzuklären. Bisher haben wir verschiedene Methoden entwickelt und erfolgreich angewendet (a) um den mehrstufigen Prozess der TJ-Strang-Assemblierung zu zerlegen, der homo- und heterophile, cis- und trans-Interaktionen zwischen Claudinen beinhaltet, (b) um die Transport-Physiologie der TJs zu untersuchen und (c) um Claudin-Oligomere in ihrer Membranumgebung zu modellieren und ihre Molekulardynamik zu simulieren. Entscheidender Weise für das TJ Feld, fehlt bisher eine Konvergenz von zell-physiologischen, nanoskopischen und strukturellen Daten der TJ-Stränge. Daher ist das übergeordnete Ziel dieser Förderperiode, diese Konvergenz für Claudine zu erreichen, die im gastrointestinalen Trakt und der Niere exprimiert werden. Die konkreten Ziele sind die Aufklärung der strukturellen und mechanistischen Basis (i) der Selektivität von CLDN10b/CLDN15-ähnlichen Kationenkanälen und der von Anionenkanälen, die durch CLDN10a- oder CLDN17 gebildet werden, (ii) der Bildung entweder einer Barriere (CLDN1, -3, -5) oder eines Kanals, (iii) der Zusammenlagerung oder Auftrennung verschiedener Claudine in funktionell unterschiedliche Segmente entlang von TJ-Strängen und (iv) der Störung der Kanal- oder Barriere Funktion der Claudine durch pathogene Mutationen. Dieser Antrag bündelt zellphysiologische und Struktur-bioinformatische Expertise zu klassischen Claudinen. Da die Funktion von TJs für alle Organe essentiell und in einer Vielzahl von Krankheiten, die Darm, Niere, Drüsen oder das Gehirn betreffen, gestört ist, wird dieses Projekt Schlüsseleinsichten von genereller Bedeutung für die molekulare (Patho-)Physiologie von Gewebebarrieren liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen