Strukturbasierte Integration von Claudinfunktionen bei der Etablierung epithelialer Barrieren und deren selektiver Permeabilität

• Antragstellerin: Dr. Laura-Sophie Beier
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531212047

Mehrzellige Lebewesen müssen sich von ihrer Umwelt abschließen, um ein internes Milieu ausbilden zu können. In höheren Lebenwesen müssen zudem verschiedene Kompartimente innerhalb des Körpers voneinander getrennt werden. Diese Funktionen werden durch Deckgewebe, sog. Epithelien (in Blutgefäßen Endothelien), übernommen. Epithelien sind nicht undurchlässig, sondern ermöglichen auch einen gerichteten Austausch zwischen den Kompartimenten. Essenziell hierfür sind die Tight Junctions, welche die Räume zwischen den Epithelzellen, die sog. parazellulären Spalten, gegen unkontrollierten Austausch versiegeln, gleichzeitig aber eine größen- und ladungsselektive Diffusion ermöglichen. Verantwortlich dafür sind Proteine aus der Claudinfamilie. Sie polymerisieren innerhalb einer Plasmamembran zu Strängen und Netzwerken, welche die Epithelzellen im apikolateralen Bereich umspannen, und wechselwirken über ihre extrazellulären Domänen miteinenader, um den parazellulären Raum abzudichten. Homo- und heterotypische Interaktionen zwischen der Gesamtheit aller Claudine in einem Epithel bestimmen dessen Dichtheit bzw. Permeabilität, jedoch sind die Prinzipien und Folgen dieser Interaktionen bisher nur unvollständig verstanden. Im Rahmen des beantragten Projektes möchte ich homo- und heterotypische Interaktionen für Claudin-2 untersuchen, das aufgrund seiner Beteiligung an Darm- und Nierenerkrankungen ein relevantes molekulares Target darstellt. Ich werde systematisch die Determinanten der Claudin-2-Homopolymerisation, sowie die molekularen Wechselwirkungen, die zur Claudin-4-induzierten Depolymerisation von Claudin-2-Strängen führen (sog. Interclaudin Interferenz), analysieren. Dazu werde ich die Morphologie von Claudin-2-Netzwerken mit hochauflösender STED-Mikroskopie aufnehmen, quantitativ auswerten und durch Mutationen verändern. Diese Daten werden genutzt, um Interaktionsmodelle zu erstellen, die homo- und heterotypische Claudin-2-Interaktionen vom molekularen Niveau bis hin zur Claudinstrang-Morphologie von mehreren Mikrometern definieren. Anschließend werde ich die funktionelle Relevanz der identifizierten Interfaces auf die Tight Junction, und somit auch epitheliale, Funktion von in vitro-Modellen untersuchen. Die barriere- und kanalbildenden Eigenschaften von Claudin-2 werde ich mithilfe elektrophysiologischer Methoden messen. Durch die Korrelation mit der Morphologie der Claudinstränge in Epithelzellen, die über STED Mikroskopie analysiert wird, werde ich den Zusammenhang zwischen der Tight Junction-Struktur und Funktion charakterisieren. Die Gültigkeit und funktionelle Relevanz dieser Beziehungen werde ich im Kontext des Darmepithels in primären Enteroids untersuchen. Das beantragte Projekt wird Studien von molekularen Interaktionsmodellen bis hin zur Relevanz in organotypischen Modellen umfassen. Die gewonnen Erkenntnisse werden maßgeblich zum molekularen Verständnis von Claudinopathien und zur Entwicklung gerichteter Therapien beitragen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Jerrold R. Turner, Ph.D.