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Jahrbuch 2006/2007 | Vestw eber, Dietmar | Entw icklung und Barrierefunktion der Blutgefäßw and
Entwicklung und Barrierefunktion der Blutgefäßwand
Development and function of the blood vessel wall
Vestw eber, Dietmar
Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster
Korrespondierender Autor
E-Mail: vestw [email protected]
Zusammenfassung
Endothelzellen bilden die innere Zellschicht der Blutgefäße. Sie bestimmen darüber, w o und w ann im Körper
die
Abw ehrzellen
des
Immunsystems
aus
dem Blut
in
Gew ebe
übertreten. Dieser Vorgang
leitet
Entzündungsreaktionen ein und hält sie in Gang. Die molekularen Grundlagen der Zell-Erkennung und der
Anheftung von Leukozyten an das Endothel sow ie der Wanderung von Leukozyten durch die Gefäßw and
(Diapedese) bilden eines der Hauptthemen der Abteilung für vaskuläre Biologie am MPI für molekulare
Biomedizin.
Summary
Endothelial cells form the inner cell layer of blood vessels. They determine w hen and w here w ithin the
organism leukocytes enter from the blood into tissue. This step initiates the process of inflammation and keeps
it alive. Understanding the molecular basis of cell cell recognition and capturing of leukocytes to the
endothelium, as w ell as the mechanism of leukocyte-transmigration through the blood vessel w all (diapedesis)
are the major research goals for the Department of Vascular Cell Biology at the MPI for Molecular Biomedicine
in Münster.
Blutgefäße versorgen die Gew ebe des Körpers mit Nahrungsstoffen und ermöglichen es den Leukozyten,
Abw ehrzellen des Immunsystems, im Organismus zu rezirkulieren. Da das Blutvolumen nur circa 5 bis 7% des
Körpervolumens ausmacht, ist es für die Bekämpfung von Infektionen von entscheidender Bedeutung, dass
Leukozyten in der Lage sind, aus dem Blut auszutreten und in Gew ebe einzudringen. Dieser Vorgang leitet
Entzündungsreaktionen ein und hält sie in Gang. Er stellt damit sicher, dass Infektionserreger in den
verschiedenen Gew eben des Körpers überhaupt durch Leukozyten erreicht und bekämpft w erden können.
Auch andere Schädigungen des Körpers durch mechanische oder chemische Reize lösen Entzündungen aus,
locken Leukozyten an und leiten damit den komplexen Vorgang der W undheilung ein.
Dies sind die positiven Aspekte des Entzündungsprozesses, die sicherstellen, dass der Organismus
Infektionen überlebt und verw undetes Gew ebe zumindest in Teilen regenerieren und heilen kann. Die
negative Seite des Entzündungsprozesses kommt zum Tragen, w enn die Abw ehrreaktionen der Leukozyten
sich
durch
pathologische
Regulationsmechanismen
gegen
körpereigenes
Gew ebe
richten
(Autoimmunerkrankungen) oder w enn eine akute und durchaus notw endige, hilfreiche Entzündungsreaktion
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aus verschiedenen (oftmals nicht genau verstandenen) Gründen nicht w ieder abklingt, sondern chronisch w ird.
In diesen Fällen kommt es zur Zerstörung von Gew ebe und zu nur schw er behandelbaren Krankheiten w ie
beispielsw eise rheumatoider Arthritis, Parodontose oder multipler Sklerose.
Es ist also von großer medizinischer Relevanz, die molekularen Grundlagen zu verstehen, die den Eintritt von
Leukozyten aus dem Blut in Gew ebe kontrollieren. Aus den Forschungsarbeiten der letzten 15 Jahre ist
bekannt, dass der Vorgang der Leukozyten-Extravasation (Austritt aus den Blutgefäßen) in mehreren Schritten
erfolgt. Durch das kontrollierte Zusammenspiel verschiedener Klassen von Zelladhäsionsmolekülen und chemoattraktiver Signalstoffe w erden Leukozyten in entzündeten Gew eben aus dem Blutstrom abgefangen und an
die Oberfläche der Endothelzellen gebunden. Daran sind vor allem die Selektine beteiligt, eine kleine Gruppe
von drei Adhäsionsmolekülen, die an bestimmten Kohlenhydratstrukturen auf bestimmten Trägerproteinen
binden. Außerdem sind Integrine und die so genannten Chemokine beteiligt. W ährend die meisten dieser
Moleküle bekannt sind, ist noch w eitgehend ungeklärt, w ie Leukozyten nach der Anheftung ans Endothel die
Blutgefäßw and durchdringen, ein Prozess, der als Diapedese bezeichnet w ird. Prinzipiell scheinen Leukozyten
den Endothelzellverband auf zw ei sehr unterschiedlichen Wegen zu überw inden: zum einen durch die
geöffneten Kontakte zw ischen den Endothelzellen hindurch und zum anderen sogar mitten durch den Körper
von Endothelzellen. Es ist noch unbekannt, ob beide Wege gleichberechtigt benutzt w erden. Allerdings sind
die Mehrzahl der bisher bekannten endothelialen Zelloberflächenmoleküle, die am Prozess der Diapedese
beteiligt sind, an den Kontakten zw ischen Endothelzellen zu finden. Dies spricht dafür, dass Leukozyten
hauptsächlich den W eg zw ischen den Zellen hindurch benutzen.
Die Forschergruppe um Dietmar Vestw eber hat in den letzten Jahren eine ganze Reihe von Glykoproteinen auf
der Oberfläche von Endothelzellen und an Endothelzell-Kontakten identifiziert, die an der Ausw anderung von
Leukozyten aus den Blutgefäßen beteiligt sind. Ein Teil der Arbeitsgruppe w idmet sich den Selektinen, ihren
Liganden und einem humangenetischen Defekt, der die Biosynthese dieser Liganden betrifft; er w ird
Leukozyten-Adhäsions-Defizienz-II (LAD-II) genannt.
Ein größerer Teil der Gruppe konzentriert sich zurzeit darauf, molekulare Mechanismen zu verstehen, die die
Öffnung und Bildung endothelialer Zellkontakte kontrollieren. Das Verständnis dieser Mechanismen w ird es
zum einen ermöglichen, die Einw anderung von Leukozyten in Gew ebe zu beeinflussen. Zum anderen stellt die
Ausbildung endothelialer Zellkontakte einen w esentlichen Schritt bei der Entw icklung des Blutgefäßsystems,
der Angiogenese, dar.
Verschiedene molekulare Defekte, die zur Leukozyten-Adhäsions-Defizienz-II führen
Bei LAD-II handelt es sich um einen bis vor kurzem noch ungeklärten humanen Gendefekt, der zum völligen
Fehlen fukosylierter Glykokonjugate führt. Dies impliziert auch das Fehlen der Selektinliganden. Diese
Krankheit prägt sich zum einen, w eil Selektinliganden fehlen, als Immundefizienz aus, die zu ständigen
Infektionen und Fieberschüben und zu einem dramatischen Anstieg der Leukozytenzahlen im Blut führt. Zum
anderen kommt es zu deutlichen psychomotorischen Entw icklungsstörungen und Defekten höherer neuronaler
Funktionen. In Zusammenarbeit mit der Universitäts-Kinderklinik in Münster konnte jüngst eine Therapie des
immunologischen Teils dieser Krankheit entw ickelt w erden, indem oral die Vorläufersubstanz der fehlenden
Selektinliganden-Zuckerstruktur, die Fucose, gegeben w urde.
Mithilfe der kultivierten Zellen eines Patienten w ar es der Gruppe von Dietmar Vestw eber vor w enigen Jahren
möglich, den Gendefekt der Fukosylierungsdefizienz aufzuklären. Das
defekte Gen w urde kloniert und es stellte sich heraus, dass es für einen GDP-Fucose-Transporter kodierte. Die
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Ursache der Erbkrankheit LAD-II liegt also in der fehlenden Bereitstellung von GDP-Fucose im Golgi, einem für
die Glykosylierung von Glykokonjugaten essentiellen Zellorganell.
In der Zw ischenzeit konnte diese seltene Krankheit bei w eiteren Patienten diagnostiziert w erden. Die genaue
Untersuchung der defekten GDP-Fucose-Transporter zeigte, dass es verschiedene Typen von Mutationen gab.
Weitere
Untersuchungen
erlaubten
die
Identifizierung
struktureller
Abschnitte
des
Transporters
mit
unterschiedlichen Funktionen. Bestimmte Abschnitte sind notw endig für die Lokalisation des Transporters im
Golgi, andere für seine Transportfunktion (Abb. 1) [1,2].
Ve rschie de ne Muta tionstype n de s GDP -Fucose -Tra nsporte rs in
LAD-II-P a tie nte n: Muta tione n im GDP -Fucose -Tra nsporte r
ve rursa che n de n Ausfa ll de r Biosynthe se von fucosylie rte n
Glyk ok onjuga te n und da m it a uch de r Se le k tinliga nde n.
Grundsä tzlich wurde n zwe i Type n von Muta tione n ge funde n,
solche , die nur die Tra nsportfunk tion de s Mole k üls ze rstöre n
(Mitte ) und solche , die zusä tzlich noch die Lok a lisa tion de s
Tra nsporte rs im Golgi, e ine m für Glyk osylie runge n
une rlä ssliche n Ze llorga ne ll, be e inträ chtige n (re chts). Link s ist
de r norm a le GDP -Fucose -Tra nsporte r da rge ste llt. Die Se que nz
de s Tra nsporte rs e nthä lt ze hn puta tive Tra nsm e m bra nDom ä ne n, die a ls Kä stche n da rge ste llt sind. Die se s Bild wurde
im FEBS Journa l publizie rt [2].
© Ma x -P la nck -Institut für m ole k ula re Biom e dizin/Ve stwe be r
Ein endotheliales Membranprotein, das Diapedese und endotheliale Permeabilität beeinflusst
Vor w enigen Jahren hat die Arbeitsgruppe ein endotheliales Membranprotein entdeckt, genannt „Endothelial
Specific Adhesion Molecule“ (ESAM), das selektiv an so genannten tight junctions exprimiert w ird. Dies sind
Kontaktstrukturen, die die Polarität von Endothelzellen sow ie die Permeabilitätsbarriere der Gefäßw and
aufrechterhalten. Durch die
Erzeugung
von Mäusen, denen das
Gen
für ESAM fehlt, konnten
die
W issenschaftler zeigen, dass ESAM an einem frühen Schritt der Einw anderung von Leukozyten in entzündetes
Gew ebe beteiligt ist (Abb. 2). Gleichzeitig fanden sie, dass ESAM ganz allgemein in die Öffnung endothelialer
Zellkontakte involviert ist. Bestimmte Substanzen, die die Durchlässigkeit der Gefäßw and für lösliche
Bestandteile
des
Blutes
Permeabilitätssteigerung
steigern,
(Abb.
2).
bew irkten
Damit
in
w urde
ESAM-defizienten
erstmals
gezeigt,
Mäusen
dass
eine
ein
für
deutlich
die
geringere
Öffnung
von
Endothelkontakten verantw ortliches Membranprotein ebenfalls eine Rolle spielt beim Austritt von Leukozyten.
ESAM stellt also einen idealen Ansatzpunkt zur Untersuchung von Mechanismen dar, die vaskuläre
Permeabilität und Leukozytenaustritt regulieren.
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De fe k te in de r Ex tra va sa tion von Le uk ozyte n und in de r
Induk tion va sk ulä re r P e rm e a bilitä t in ESAM-de fizie nte n
Mä use n: A) In norm a le n Mä use n (+/+) und in ESAMde fizie nte n Tie re n (-/-) wurde die Einwa nde rung von
Le uk ozyte n in de n e ntzünde te n Ba uchra um ge m e sse n.
Einge drunge ne Le uk ozyte n wurde n 2, 4 und 6 Stunde n na ch
Induk tion de r Entzündung ge zä hlt. Na ch 2 Stunde n wa re n in
ESAM-de fizie nte n Tie re n de utlich we nige r Le uk ozyte n
e inge wa nde rt a ls in ge ne tisch unve rä nde rte n Mä use n. Zu
spä te re n Ze itpunk te n e rholte sich da s Syste m von de m
De fe k t. B) Ge ne tisch unve rä nde rte n Mä use n (+/+) und ESAMde fizie nte n Mä use n (-/-) wurde zunä chst intra ve nös e in
Fa rbstoff und 10 Minute n spä te r in die Ha ut de r
W a chstum sfa k tor VEGF injizie rt. Als Kontrolle wurde de r P uffe r
P BS injizie rt. 30 m in spä te r wurde de r Austritt de s Fa rbstoffs
a us de n Ge fä ße n in da s um lie ge nde Ha utge we be ge m e sse n.
Es ze igte sich, da ss die durch VEGF a usge löste
P e rm e a bilitä tsste ige rung in ESAM-de fizie nte n Mä use n de utlich
schwä che r a usfie l a ls in ge ne tisch unve rä nde rte n Tie re n. Die se
Erge bnisse wurde n im Journa l of Ex pe rim e nta l Me dicine
publizie rt [3].
Mechanismen, die die Adhäsionsfunktion von VE-cadherin beeinflussen
VE-cadherin ist das w ichtigtse Adhäsionsmolekül, das den Zusammenhalt endothelialer Zellkontakte vermittelt.
W ährend ESAM eher regulatorische Funktionen bei der Öffnung von Endothelkontakten w ahrnimmt (s.o.) und
das Fehlen von ESAM selbst die Bildung des Blutgefäßsystems und die Stabilität endothelialer Kontakte nicht
beeinträchtigt, führt das Fehlen von VE-cadherin in gendefizienten Mäusen dazu, dass die Bildung des
Blutgefäßsystems w ährend der Embryonalentw icklung gestört w ird. Mäuse mit einer Gendefizienz im VEcadherin-Gen sind daher nicht lebensfähig.
Die
Forschergruppe
um
Dietmar
Vestw eber
hat
kürzlich
gefunden,
dass
eine
Endothel-spezifische
Phosphatase (VE-PTP) mit VE-Cadherin interagiert und die Adhäsionsfunktion von VE-cadherin dabei
w esentlich unterstützt. Die Untersuchung von gendefizienten Mäusen ergab, dass VE-PTP ebenso w ie VEcadherin für die Aufrechterhaltung und Remodellierung eines primitiven vaskulären Netzw erkes w ährend der
Embryonalentw icklung unverzichtbar sind. Die Defizienz des VE-PTP-Gens führt zu embryonaler Letalität und
zur Zerstörung des Systems der Blutgefäße (Abb. 3). Eine normale Hierarchie von großen und kleineren
Gefäßen konnte sich nicht ausbilden. Außerdem verblieben Endothelzellen in Gew ebeexplantaten der
Embryonen dieser gendefizienten Mäuse nicht im Gefäßverband, sondern verließen diese Strukturen und
w uchsen
als
Zellschichten
w eiter. Andere
Phosphatasen, die
ebenfalls
mit
VE-cadherin
und
damit
komplexierten intrazellulären Proteinen assoziieren, sind nicht essentiell für die embryonale Angiogenese.
Damit kommt VE-PTP w arscheinlich eine w esentliche Rolle als Regulator endothelialer Kontakte zu. Derzeit w ird
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untersucht, ob VE-PTP an der Diapedese von Leukozyten beteiligt ist.
De fe k te in de r Ausbildung de s Blutge fä ßsyste m s in
Em bryone n von VE-P TP -de fizie nte n Mä use n: Be i e ine m
ge sunde n Em bryo (link s) und e ine m VE-P TP -de fizie nte n
Em bryo (re chts), be ide im Em bryona lsta dium E10.0, wurde
da s Ge fä ßsyste m bla u ge fä rbt. De r m utie rte Em bryo ze igt
sta rk e W a chstum sde fe k te und e in ze rstörte s Ge fä ßsyste m .
Die se s Erge bnis wurde in de r Fa chze itschrift Blood publizie rt
[4].
Wie VE-cadherin das Wachstum von Endothelzellen beschränken kann
Die zentrale Bedeutung von VE-cadherin für die Integrität endothelialer Zellkontakte ist der Grund, w arum
intensiv nach w eiteren intrazellulären Bindungspartnern dieses Adhäsionsmoleküls gesucht w urde. Es gelang
der Arbeitsgruppe, eine Kinase zu finden, die in der Tat an eine bestimmte Region im intrazellulären Teil von
VE-cadherin bindet, w enn dieser Teil an einem bestimmten Tyrosinrest phophoryliert w ird. Die Forscher
konnten zeigen, dass die Bindung dieser Kinase, genannt „C-terminal Src Kinase“ (Csk), an VE-cadherin eine
Rolle spielt bei der Inhibition des W achstums von Endothelzellen (Abb. 4).
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VE-ca dhe rin be nötigt zur Kontrolle de s Ze llwa chstum s da s
Tyrosin 685: C HO -Ze lle n (e ine Ha m ste r-Ze lllinie ) wurde n
e ntwe de r m it de m norm a le n Ze lla dhä sionsm ole k ül VEca dhe rin (VE-ca d-wt) ode r m it de r punk tm utie rte n Form (VEca d-Y685F), in de r da s Tyrosin 685 durch P he nyla la nin e rse tzt
wurde , tra nsfizie rt, . Je we ils zwe i unte rschie dliche Ze llk lone
wurde n für je de Tra nsfe k tion unte rsucht. Da s Bild ze igt e ine
W a chstum sk urve de r Ze lle n. Nur die m it norm a le m VEca dhe rin tra nsfizie rte n Ze lle n ze ige n e in Abk nick e n de r
W a chstum sk urve , wä hre nd die m it m utie rte m VE-ca dhe rin
tra nsfizie rte n Ze lle n a uch be i hohe r Ze lldichte unge hinde rt
we ite rwa chse n. Die se Erge bnisse wurde n im EMBO Journa l
publizie rt [5].
Originalveröffentlichungen
Nach
Erw eiterungen
suchenBilderw eiterungChanneltickerDateilisteHTML-
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Editor)Personenerw eiterungPublikationserw eiterungTeaser
mit
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