Polycystin-2 signalling in Drosophila melanogaster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD) ist eine der häufigsten monogenen Erbkrankheiten. Mutationen in den Genen PKD1 und PKD2 verursachen die Erkrankung, aber die molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung sind bislang ungeklärt. PKD1 kodiert für das Protein Polycystin-1, ein Membranprotein, welches vermutlich als Rezeptor fungiert. PKD2 kodiert für das Protein Transient Receptor Potential Channel Polycystin-2 (TRPP2), einen Ca2+-permeablen nichtselektiven Kationenkanal. Polycystin-1 und TRPP2 bilden einen Rezeptor-Ionenkanalkomplex, der eine wichtige Rolle bei der zellulären Signalübertragung spielt. Es wird vermutet, dass Ca2+ Ionen hierbei als zweiter Botenstoff nach Aktivierung des Polycystin-Komplexes dienen. Ca2+-vermittelte Signaltransduktion unterliegt einer präzisen räumlichen und zeitlichen Kontrolle. Es war bislang unklar wie TRPP2 die räumliche und zeitliche Koordination der Ca2+ Signale in Zellen reguliert und welche nachgeschalteten Ca2+-regulierten Proteine als zelluläre Effektoren in der Signalkaskade operieren. Das Ziel dieses Projekts war deshalb die Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Koordination der TRPP2-abhängigen Signalübertragung sowie die Identifizierung neuer Komponenten in der Signalkaskade. Diese Ziele wurden mit Hilfe der einer Kombination von genetischen, biochemischen und physiologischen Methoden und mit den Modellorganismen Drosophila melanogaster und Zebrafisch adressiert. Unsere Untersuchungen zeigen, dass TRPP2 in verschiedenen zellulären Kompartimenten funktionieren kann. Im Endoplasmatischen Retikulum (ER) reguliert TRPP2 die Ca2+-Homöostase. Diese Funktion moduliert die ER-Mitochondrien Achse der Ca2+-Signalübertragung und beeinflusst so die Empfindlichkeit von Zellen für den programmierten Zelltod (Apoptose). Dieser Mechanismus ist ein potentieller molekularer Mechanismus der fehlgesteuerten Apoptose bei ADPKD. Im primären Zilium ist TRPP2 an der Detektion von Fluss-vermittelten zellulären Ca2+-Signalen beteiligt. Die nachgeschalteten Ca2+-regulierten Prozesse in der Zelle waren bislang unbekannt. Um diese Prozesse in einem hypothesen-freien Ansatz (forward genetic screen) untersuchen zu können, etablierten wir Drosophila als einen genetisch manipulierbaren Modellorganismus zur Untersuchung der TRPP2 Funktion. In Drosophila ist die ziliäre Funktion von TRPP2 evolutionär konserviert. Das Drosophila TRPP2 Homolog (Amo) funktioniert in Spermien und der Verlust von TRPP2 führt zu einem charakteristischen Verlust der männlichen Fertilität durch einen Defekt der Navigation von Spermien im weiblichen Reproduktionstrakt. Wir nutzten diesen Phänotyp um den molekularen Mechanismus von ADPKD Patientenmutationen und pharmakologische Ansatzpunkte zu untersuchen. Darüber hinaus konnten wir in einem genetischen Screen neue Komponenten in der TRPP2-abhängigen Signalkaskade identifizieren, wie z.B. den Ca2+-regulierten mitochondrialen Metaboliten-Transporter SLC25A25. Zusammenfassend konnten wir in diesem Projekt neue molekulare Mechanismen in der TRPP2- abhängigen Signaltransduktion aufdecken. Langfristig hoffen wir über ein besseres Verständnis der molekularen Pathogenese der ADPKD neue Ansatzpunkte für Therapien zu finden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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TRPP2 channels regulate apoptosis through the Ca2+ concentration in the endoplasmic reticulum. EMBO J 28, 490-499 (2009)
Wegierski T, Steffl D, Kopp C, Tauber R, Buchholz B, Nitschke R, Kuehn EW, Walz G, and Köttgen M
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Primary cilia regulate mTORC1 activity and cell size through Lkb1. Nat Cell Biol 12, 1115-1122 (2010)
Boehlke C, Kotsis F, Patel V, Braeg S, Voelker H, Bredt S, Beyer T, Janusch H, Hamann C, Godel M, Muller K, Herbst M, Hornung M, Doerken M, Köttgen M, Nitschke R, Igarashi P, Walz G, and Kuehn EW
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Drosophila sperm swim backwards in the female reproductive tract and are activated via TRPP2 ion channels. PLoS One 6, e20031 (2011)
Köttgen M, Hofherr A, Li W, Chu K, Cook S, Montell C, and Watnick T
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TRPP channels and polycystins. Adv Exp Med Biol 704, 287-313 (2011)
Hofherr A, and Köttgen M
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Induced pluripotent stem cells from polycystic kidney disease patients: a novel tool to model the pathogenesis of cystic kidney disease. J Am Soc Nephrol 24, 1507-1509 (2013)
Hofherr A, and Köttgen M
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N-glycosylation determines the abundance of the transient receptor potential channel TRPP2. J Biol Chem 289, 14854-14867 (2014)
Hofherr A, Wagner C, Fedeles S, Somlo S, and Köttgen M
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The TRPP subfamily and polycystin-1 proteins. Handb Exp Pharmacol 222, 675-711 (2014)
Semmo M, Köttgen M, and Hofherr A
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Polycystic kidney disease: Cilia and mechanosensation revisited. Nat Rev Nephrol 12, 318-319 (2016)
Hofherr A, and Köttgen M
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Targeted rescue of a polycystic kidney disease mutation by lysosomal inhibition. Kidney Int 89, 949-955 (2016)
Hofherr A, Wagner CJ, Watnick T, and Köttgen M
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Efficient genome editing of differentiated renal epithelial cells. Pflugers Arch 469, 303-311 (2017)
Hofherr A, Busch T, Huber N, Nold A, Bohn A, Viau A, Bienaime F, Kuehn EW, Arnold SJ, and Köttgen M
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Polycystic Kidney Disease with Hyperinsulinemic Hypoglycemia Caused by a Promoter Mutation in Phosphomannomutase 2. J Am Soc Nephrol 28, 2529-2539 (2017)
Cabezas OR, Flanagan SE, Stanescu H, Garcia-Martinez E, Caswell R, Lango-Allen H, Anton- Gamero M, Argente J, Bussell AM, Brandli A, Cheshire C, Crowne E, Dumitriu S, Drynda R, Hamilton-Shield JP, Hayes W, Hofherr A, Iancu D, Issler N, Jefferies C, Jones P, Johnson M, Kesselheim A, Klootwijk E, Köttgen M, Lewis W, Martos JM, Mozere M, Norman J, Patel V, Parrish A, Perez-Cerda C, Pozo J, Rahman SA, Sebire N, Tekman M, Turnpenny PD, Hoff WV, Viering D, Weedon MN, Wilson P, Guay-Woodford L, Kleta R, Hussain K, Ellard S, and Bockenhauer D
