Epiplakin in einschichtigen Epithelien

Epiplakin gehört zur zytoskelettären Proteinfamilie der Plakine. Im Vergleich zu den anderen Proteinen dieser Familie weist Epiplakin eine ungewöhnliche Struktur aus 16 Plakin-Repeat-Domänen bei der Maus und 13 Plakin- Repeat-Domänen beim Menschen auf. Die Expression von Epiplakin ist auf Epithelien beschränkt und als Bindungspartner wurden Intermediärfilament-Proteine, vor allem Keratine, identifiziert, die bisher die einzigen nachgewiesenen Interaktionspartner darstellen. Epiplakin-defiziente Mäuse zeigten keinen auffälligen Phänotyp mit der Ausnahme einer schwachen Erhöhung der Migrationsgeschwindigkeit von Keratinozyten. Diese Befunde stehen im klaren Gegensatz zu denen für die meisten anderen Proteine der Plakin-Familie wie Plectin, Desmoplakin und BPAG1. Letztere spielen eine wichtige Rolle bei der mechanischen Stabilisierung der Haut, was sich in den Phänotypen der entsprechenden knock-out Mäuse widerspiegelt. Weiterführende Experimente mit primären Keratinozyten, die aus Epiplakin-defizienten Mäusen isoliert wurden, deuten darauf hin, dass die biologische Funktion von Epiplakin von der anderer Plakine stark abweicht und mehr mit zellulärer Stressantwort zusammenhängt. Diese Schutzfunktion scheint eher in einschichtigen Epithelien ausgeprägt zu sein, da der Epiplakin-knock-down in HeLa-Zellen, nicht jedoch in Keratinozyten, zu einem Kollaps des Intermediärfilament- Systems führte. Eine genaue Analyse der in vivo-Funktion von Epiplakin in einschichtigen Epithelien unter Verwendung von definierten Mausmodellen ist jedoch noch ausständig. Erste Pankreatitis-Induktions-Experimente zeigten, dass Epiplakin-defiziente Mäuse unter einem stärkeren Krankheitsverlauf litten als Kontrollmäuse. Für die weitere Funktionsaufklärung von Epiplakin im Maus- Tiermodell plane ich die Verwendung von Stress-Induktions-Modellen in verschieden Organsystemen die durch Experimente mit Primärzellen ergänzt werden. Aufgrund des bereits nachgewiesenen Phänotyps der Epiplakin- defizienten Mäuse im Pankreatitis-Modell soll mit der detaillierten Analyse der Epiplakin-Funktion im Pankreas begonnen werden. Zwei weitere Organe, Leber und Darm, wurden aufgrund der Tatsache ausgewählt, dass erstens etablierte Stress-Modelle verfügbar sind und zweitens, dass Mutationen im Epiplakin-Bindungspartner Keratin 8 in der Maus zu ausgeprägten Phänotypen führen. Ein weiterer Grund für die Auswahl eines Lebermodells ist die Möglichkeit, primäre Hepatozyten für eine weiterführende molekulare Analyse der Epiplakin-Funktion zu isolieren. Diese Studien werden durch biochemische und auf Zellkultur basierende Experimente ergänzt, um die Interaktion von Epiplakin mit Keratinen der einschichtigen Epithelien genauer zu untersuchen, und um die Funktionen von Epiplakin in der Regeneration von Keratin-Netzwerken nach Stress aufzuklären. Ich erwarte nachweisen zu können, dass Epiplakin eine wichtige Rolle als "Stress-Antwort"-Protein in einschichtigen Epithelien spielt, indem es zum Beispiel Keratin-Filament-Netzwerke nach stressinduziertem Kollaps oder Depolymerisierung neu organisiert. Neben der Aufklärung der biologischen Funktion von Epiplakin könnte diese Arbeit vollkommen neue Perspektiven im Verständnis von bestimmten Stress-Antworten in verschiedenen einschichtigen Epithelien eröffnen. Darüber hinaus könnten diese Studien auch dazu beitragen, molekulare Defizite zu identifizieren, die zu menschlichen Erkrankungen wie chronische Leberleiden, chronische Pankreatitis und chronisch-entzündliche Darmerkrankungen führen.

Das Protein Epiplakin zeichnet sich durch ungewöhnliche Größe und strukturellen Aufbau aus. Die einzigen bisher identifizierten Bindungspartner für Epiplakin sind Keratine, Proteine die Filamente des Zytoskeletts in Epithelien ausbilden. Um die bisher unbekannte Funktion von Epiplakin in einfachen Epithelien aufzuklären, wurde vorerst das Expressionsmuster dieses Proteins in der Bauchspeicheldrüse, der Leber und des Darms unter normalen Bedingungen sowie während Stress- Situationen untersucht. Zusätzlich wurden sowohl gesunde Mäuse als auch Mäuse, denen mit Hilfe von gentechnischen Methoden Epiplakin aus dem Körper entfernt wurde, in Bezug auf ihre Empfindlichkeit für verschiedenen Stress-Bedingungen in diesen Organen verglichen. Es zeigte sich, dass Epiplakin in Gangzellen und den so genannten Azinarzellen der Bauchspeicheldrüse, in den Gangzellen und den Hepatozyten der Leber sowie in den Epithelzellen des Darmes exprimiert wird. In all diesen Zelltypen zeigte Epiplakin eine mit den Keratinfilamenten des Zytoskeletts übereinstimmende Lokalisation. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Epiplakin mittels mehrerer Domänen an jene Keratin-Varianten, nämlich Keratin 8 (K8), K18 und K19, bindet, die in einfachen Epithelien am häufigste vorkommen. Interessanterweise wiesen Epiplakin und K8 in allen durchgeführten Stress-Modellen identische Expressionshöhen auf. Während Mäuse die kein Epiplakin besitzen in einer Darmentzündung ähnlich wie normale Mäuse reagierten, zeigten sie in Lebererkrankungen, die zu einer markanter Hochregulation von K8 und Epiplakin führten, stärker ausgeprägte Leberschäden. Epiplakin-freie Lebern wiesen außerdem eine größere Zahl von Zellen auf die Keratin- Aggregate ausbildeten, was auf eine Störung der stressinduzierten Keratin-Reorganisation schließen lässt. Ein ganz ähnlicher Befund konnte in der Bauchspeicheldrüse von Mäusen ohne Epiplakin-Protein gemacht werden, die an stärkerer experimentell induzierter Bauchspeicheldrüsenentzündung litten als ihre Epiplakin-exprimierenden Geschwister. In Übereinstimmung mit diesen Daten zeigten aus Epiplakin-freien Lebern entnommene Zellen nach induzierter Überexpression von K8 eine erhöhte Zahl von Keratin-Aggregaten in Kombination mit Zelltod. Dieser Effekt konnte durch die Gabe einer Substanz verhindert werden, die die Bildung von Keratin-Aggregaten unterbindet. Diese Studien zeigen, dass Epiplakin während unterschiedlicher Formen von experimenteller Schädigung der Bauchspeicheldrüse und der Leber eine schützende Rolle spielt, indem es die krankheitsinduzierte Keratin- Reorganisation überwacht. Wir haben deutliche Hinweise dass die gesteigerte Bildung von Keratin- Aggregaten in der Abwesenheit von Epiplakin für den schwereren Verlauf von stressinduzierter Organschädigung in Epiplakin-losen Mäusen verantwortlich ist. Diese Daten deuten darauf hin, dass Epiplakin ein für Keratine maßgeschneidertes Hilfsprotein während ihrer Reorganisation in einfachen Epithelien ist. Daher ist es denkbar, dass das Fehlen von Epiplakin verantwortlich für den negativen Verlauf von verschiedenen Erkrankungen des Verdauungstraktes ist.