Aufklärung der Rolle von Piezo-Proteinen in der Mechanotransduktion von Knochenzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Entwicklung, Wachstum und Remodellierung des Skelettsystems sind hochkomplexe Prozesse, an denen viele verschiedene Zelltypen mit spezifischen Funktionen beteiligt sind. Obwohl mechanische Reize einen großen Einfluss auf diese Prozesse haben, war zu Beginn dieses Projekts noch kein definitiver Signalweg etabliert, welcher primär die Mechanobiologie des Knochens kontrolliert. Eine potentiell relevante Familie mechanoresponsiver Ionenkanäle besteht aus zwei Proteinen, Piezo1 und Piezo2, für deren Entdeckung Dr. Ardem Patapoutian im Jahr 2021 mit dem Nobelpreis für Physiologie/Medizin ausgezeichnet wurde. Mit dem hier beschriebenen Projekt konnten wir zeigen, dass Piezo1, nicht jedoch Piezo2, eine duale Funktion im Skelett vermittelt. Zum einen bewirkt seine Anwesenheit in Osteoyzten, dass diese innerhalb der Knochenmatrix sitzenden mechanosensitiven Zellen zu vermehrter Knochenbildung nach mechanischer Stimulation führen. Zum anderen vermittelt die Anwesenheit von Piezo1 in Knorpelzellen (Chondrozyten), dass unterhalb der sogenannten Wachstumsfuge Knochenstrukturen entwickelt werden können. Das Projekt konnte wie geplant durchgeführt werden, und da auch andere Arbeitsgruppen weitere Evidenzen für die Rolle von Piezo-Proteinen in Knochenzellen nachweisen konnten, ist inzwischen etabliert, dass Piezo1 als wichtiger Mechanosensor im Skelett fungiert. Da es sich bei Piezo1 um ein Protein der Zellmembran handelt, bieten diese Erkenntnisse zudem die Möglichkeit, Piezo1-Modulatoren pharmakalogisch zu nutzen, z.B. für die Osteoporose-Therapie. Ob Piezo-Proteine auch im Knorpel eine entscheidende Rolle spielen, wird derzeit in einem weiteren DFG-geförderten Projekt untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Piezo1 Inactivation in Chondrocytes Impairs Trabecular Bone Formation. Journal of Bone and Mineral Research, 36(2), 369-384.
Hendrickx, Gretl; Fischer, Verena; Liedert, Astrid; von Kroge, Simon; Haffner-Luntzer, Melanie; Brylka, Laura; Pawlus, Eva; Schweizer, Michaela; Yorgan, Timur; Baranowsky, Anke; Rolvien, Tim; Neven, Mona; Schumacher, Udo; Beech, David J.; Amling, Michael; Ignatius, Anita & Schinke, Thorsten
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Disuse Osteoporosis: Clinical and Mechanistic Insights. Calcified Tissue International, 110(5), 592-604.
Rolvien, Tim & Amling, Michael
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Mechanical forces couple bone matrix mineralization with inhibition of angiogenesis to limit adolescent bone growth. Nature Communications, 13(1).
Dzamukova, Maria; Brunner, Tobias M.; Miotla-Zarebska, Jadwiga; Heinrich, Frederik; Brylka, Laura; Mashreghi, Mir-Farzin; Kusumbe, Anjali; Kühn, Ralf; Schinke, Thorsten; Vincent, Tonia L. & Löhning, Max
