Funktionelle Charakterisierung des konservierten FOXJ1 Effektors CFAP206 in Maus und Xenopus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zilien sind spezialisierte Strukturen auf der Oberfläche eukaryotischer Zellen. Sie haben essentielle Funktionen in einer Vielzahl zellulärer Kontexte. Zilien können vereinfacht in bewegliche und unbewegliche (primäre) Zilien eingeteilt werden. Defekte Zilienfunktionen führen zu Entwicklungsstörungen und pathophysiologischen Zuständen, die beim Menschen kollektiv unter dem Begriff der Ziliopathien zusammengefasst werden. Eingeschränkte oder fehlende Funktion von motilen Zilien führt zu einer spezifischen Gruppe von Ziliopathien, die als primäre Ziliendyskinesie (PCD) bezeichnet werden. PCD geht in Patienten mit Heterotaxie, Atemwegsinfekten sowie männlicher Infertilität einher, seltener mit weiblicher Infertilität und Hydrozephalus, wobei letzteres in Mausmodellen für PCD häufig auftritt. Die Expression der für die Bildung und Funktion motiler Zilien notwendigen Proteine wird vom Transkriptionsfaktor FOXJ1 kontrolliert. Ausgangspunkt für das Projekt war die Identifizierung von Zielgenen des Transkriptionsfaktors FOXJ1 in der Maus. Unter den von uns identifizierten Genen befand sich auch das für CFAP206 kodierende Gen. Bei CFAP206 handelt es sich um ein evolutionär hoch konserviertes Protein, dessen physiologische und zellulären Funktion(en) und biochemische Eigenschaften in diesem Projekt untersucht wurden. In der Maus führt der Verlust von CFAP206 zur Ausbildung von Hydrozephalus, Schleimansammlung in den Nasennebenhöhlen und zu männlicher Sterilität. Die Bildung des Hydrozephalus ließ sich bereits direkt nach der Geburt nachweisen und ging mit einem Verschluss der Verbindung des 3. und 4. Hirnventrikels einher, was auf eine Funktion von CFAP206 bereits vor der Geburt hinweist. Die Analyse des Zilienschlags in explantierten Tracheenabschnitten mittels Hochgeschwindigkeitsvideomikroskopie und fluoreszierenden Perlen zeigte eine erhöhte Schlagfrequenz in den Mutanten. Die dadurch erzeugte Flussgeschwindigkeit erschien jedoch nicht reduziert. Potentielle Änderungen im Schlagmuster, die den verminderten Schleimtransport erklären könnten, konnten in diesen Versuchen nicht analysiert werden. In Xenopus führte die Mutation von CFAP206 ebenfalls zu einer Erhöhung der Schlagfrequenz motiler Zilien, in diesem Fall von Zellen der Epidermis. Im Gegensatz zu respiratorischen Epithel ging die Frequenzerhöhung in Xenopus aber mit einer geringeren Geschwindigkeit des ziliengenerierten Flüssigkeitsstroms einher. Somit ist CFAP206 sowohl in Zilien des respiratorischen Epithels der Maus als auch der epidermalen Zellen in Xenopus für die normale Schlagfrequenz notwendig. Die Spermienmotilität war in den Mutanten erheblich eingeschränkt. Nur ca 30% der Spermien war überhaupt motil, wobei die Bewegungen ineffektiv waren und die Spermien kaum größere Strecken zurücklegten. Auch in in vitro Fertilisierungsversuchen erwiesen sich CFAP206 mutante Spermien als nicht befruchtungsfähig. Antikörperfärbungen zeigten, dass die grundsätzliche Organisation der mutanten Spermien gegeben war, Flagellen aber zum Teil geknickt oder gewickelt waren. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten stark veränderte Strukturen der Spermienschwänze (Flagellen) und dass von den 3 Radialspeichen (RS 1-3), die in wild typ Spermien in 96nm Wiederholungen angeordnet sind, nur eine Radialspeiche (RS1) entsprechend angeordnet war. Somit ist CFAP206 für die Bildung von Radialspeichen in Flagellen notwendig. Dieser Befund ist konsistent mit der Rolle von FAP206 in Tetrahymena: hier wirkt FAP206 als Bindeadaptor für RS2. FAP206 Mutanten fehlt RS2 und gelegentlich auch RS3. Um Interaktionspartner in Gewebe zu identifizieren wurden CFAP206 Komplexe aus Hodenlysaten von wildtyp und CFAP206 mutanten Tieren aufgereinigt und massensspektroskopisch untersucht. Wir haben Kandidaten, die im Zusammenhang mit Radialspeichen bzw. Zentrosomen stehen, weitergehend untersucht, und für 3 Kandidaten Interaktion nachgewiesen. Um die Interaktionen weitergehend zu untersuchen haben wir begonnen Proteine rekombinant herzustellen und aufzureinigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2020). CFAP43 modulates ciliary beating in mouse and Xenopus. Dev Biol 459, 109–125
Rachev, E., Schuster-Gossler, K., Fuhl, F., Ott, T., Tveriakhina, L., Beckers, A., Hegermann, J., Boldt, K., Mai, M., Kremmer, E., Ueffing, Blum, M. and Gossler, A
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(2020). The FOXJ1 target Cfap206 is required for sperm motility, mucociliary clearance of the airways and brain development. Development 147, dev188052
Beckers, A., Adis, C., Schuster-Gossler, K., Tveriakhina, L., Ott, T., Fuhl, F., Hegermann, J., Boldt, K., Serth, K., Rachev, E., Alten, L., Kremmer, E., Ueffing, Blum, M. and Gossler, A.
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(2021). The highly conserved FOXJ1 target CFAP161 is dispensable for motile ciliary function in mouse and Xenopus. Sci Rep-uk 11, 13333
Beckers, A., Fuhl, F., Ott, T., Boldt, K., Brislinger, M. M., Walentek, P., Schuster-Gossler, K., Hegermann, J., Alten, L., Kremmer, E., Przykopanski, A., Serth, K., Ueffing, M., Blum, M. and Gossler, A.
