Zytoskelettdefekte als Risikofaktoren bei Atherosklerose

Atherosklerose ist eine Erkrankung der Arterien, bei der es zu einer vermehrten Ablagerung von Blutfetten, Leukozyten, und Bindengewebe kommt, die letzendlich zu einer Verhärtung und Verdickung der Gefäße führt. Atherosklerose ist eine der häufigsten Todesursachen in der entwickelten Welt. In der sogenannten "Response to injury" Hypothese wird postuliert, dass Atherosklerose durch ein dysfunktionales Endothel bedingt ist. Neben klassischen Faktoren wie zu hohen Blutfettwerten, werden zunehmend auch intrinsische Eigenschaften der vaskulären Zellen als wichtige Faktoren erkannt, wie die zelluläre Signalverarbeitungsmaschinerie, die es diesen Zellen ermöglicht, mechanischen Fluß zu spüren und darauf zu reagieren. Veränderungen an ihr tragen zum Entstehungs- und Fortschreitungsprozess von Atherosklerose bei Endothelzellen an arteriellen Verzweigungspunkten bei, die einem nicht-laminaren Blutfluss ausgesetzt sind. An solchen Stellen haben die Zellen eine weniger elongierte Form, ein verändertes Zytoskelett (insbesondere VE-Cadherin Anheftungsstellen und Actinfasern) und exprimieren vermehrt pro-inflammatorische Moleküle wie ICAM-1 und VCAM-1. Es besteht daher großes Interesse, weitere Moleküle zu indentifizieren, die am Mechanosensing beteiligt sind, und die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären. Im Rahmen des vorgelegten Forschungsprojekts soll die Rolle des Zusammenspiels von nukleo- und zytoskelettären Proteinen beim Mechanosensing in Endothelzellen untersucht werden. Mit Hilfe zweier Modellsysteme, Plectin-defiziente Mäuse und Mäuse mit Hutchinson-Gilford Progeria Syndrom (HGPS), sollen die dabei relevanten molekulareren Mechanismen aufgeklärt werden. Wir glauben, dass in beiden Fällen ein kompromitiertes Zytoskelett im Fall von HGPS eine defekte Zytoskelettanbinding des Kerns, bei Fehlen von Plectin eine Reduzierung bzw. Schwächung der Verbindungen zwischen den Filamentsystemen und diverser Anhaftungsstellen zu einer Veränderung in der Signaltransduktion, die eben durch ein intaktes Zytoskelett vermittelt wird, kommt. Dies führt letztendlich zu einer unzureichenden oder fehlerhaften Zellantwort, insbesondere auf Scherstress. Mutationen im Zytoskelett-Protein Plectin können Epidermolysis bullosa simplex mit muskulärer Dystrophie (EBS-MD) verursachen. Die oft dabei auftretenden hämorrhagischen Blasen sowie eine verlängerte Blutungsdauer bei Plectin-defizienten Mäusen lassen vermuten, dass Plectindefekte auch Auswirkungen auf das vaskuläre System haben. Da Plectin-defiziente Mäuse kurz nach der Geburt sterben und EBS-MD-Patienten ebenfalls eine sehr verkürzte Lebensspanne haben, sind keine Daten über vaskuläre Veränderungen, die üblicherweise in der zweiten Lebenshälfte signifikant werden, vorhanden. Mäuse mit endothelzellspezifischer Inaktivierung von Plectin (VE-Cre PlectinF/F), die im Rahmen des Projekts analysiert werden sollen, bilden die ideale Basis, um die Auswirkungen des Fehlens von Plectin in vakulärem Gewebe zu untersuchen, und damit die Mechanismen an denen Plectin beteiligt ist. HPGS ist eine sehr seltene Erkrankung, bei der es zu vorzeitigem, rapidem Altern kommt. Verursacht wird es durch eine Mutation im Nukleoskelettprotein Lamin A. HPGS-Patienten haben eine ausgeprägte Neigung Atherosklerose zu entwickeln, und sterben zumeist an kardiovaskulären Problemen. Obwohl ein offensichtlicher Zusamnenhang zwischen dem mutierten Lamin A (auch Progerin genannt) und Atherosklerose besteht, sind bis dato die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, insbesondere betreffend das Mechanosensing, weder in Patienten noch im Mausmodell untersucht worden. Wir werden diese mit Hilfe eines Mausmodells untersuchen, in dem gezielt Progerin in Endothelzellen überexpremiert werden kann.

Atherosklerose ist eine Erkrankung der Arterien, bei der es zu einer vermehrten Ablagerung von Blutfetten, Leukozyten, und Bindegewebe kommt, welche in weiterer Folge zu einer Verhärtung und Verdickung der Blutgefäße bis hin zum Herzinfarkt führt. Eine große Bedeutung bei Prozessen der Atherosklerose werden Funktionsstörungen der innersten Schicht der Blutgefäße (Endothel) zugesprochen. Funktionsstörungen umfassen atherogene Veränderungen in der Gefäßweitenregulation, der Gefäßpermeabilität und der Modulation der adhäsiven Eigenschaften und führen zum so genannten dysfunktionalen Endothel. Atherogene Veränderungen werden unter anderem durch Störungen des Blutflusses an den Gefäßverzweigungsstellen begünstigt. Dabei spielen intrinsische Eigenschaften der vaskulären Zellen eine wichtige Rolle, die es diesen Zellen ermöglicht Blutfluss zu spüren (Mechanosensing) und darauf zu reagieren. Mechanosensing hängt in erster Linie vom strukturellen zellulären Aufbau, dem Zytoskelett, ab und im weiten auch vom Kernaufbau, dem Nukleoskelett. Um bessere Einsicht in die Prozesse, welche zu einem dysfunktionalen Endothel führen zu bekommen, wurde im Rahmen dieses Forschungsprojekts die Rolle von zytoskelettären beziehungsweise nukleoskelettären Proteinen, Plectin und Lamin A, beim Mechanosensing in Endothelzellen untersucht. Mit Hilfe zweier neu generierten Mausmodellsystemen wurden die dabei relevanten molekulareren Mechanismen aufgeklärt. Einerseits mit einem endothelspezifischen, Plectin-Deletion (P0) Mausmodell anderseits mit einem Mausmodell mit einer Lamin A Mutation (Prog-Tg), welche für das Hutchinson-Gilford Progeria Syndrom (HGPS) verantwortlich ist und zur Ausbildung eines mutierten Proteins, dem Progerin führt. In diesem Projekt konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass beide Proteine Plectin und Lamin A, für Mechanosensing der Endothelzellen unentbehrlich sind. Die Abwesenheit von Plectin führt zur drastischen Veränderung der Zell-Zell Verbindungen und zu einem undichtem Endothel in vitro aber auch in vivo in den P0 Mäusen. Anderseits verursacht Progerin Akkumulation im Endothel Defekte in den nukleo-zytoskelettären Verbindungen und damit verbunden, einer Veränderung vom mechanosensitiven, pro-atherogen wirkenden, Myocardin-Related Transcription Factor A (MRTF-A). Demensprechend zeigten Prog-Tg Mäuse drastische pro-atherogene Veränderungen wie massive Kollagen Ablagerungen um die Blutgefäße und Herzfibrose verbunden mit Herzhypertrophie. In Hinsicht dieser kardiovaskulären Veränderungen phenokopieren die Prog-Tg Mäuse HGPS Patienten. Diese Beobachtungen zeigen aber zum ersten Mal die Rolle des dysfunktionalen Endothels in der kardiovaskulären Pathologie des HGPS. Insgesamt deuten erhöhte Endothelpermeabilität in P0 Mäusen und vor allem massive Kollagenablagerungen in Prog-Tg Mäusen auf pro-atherogene Veränderungen hin. Unsere Daten entschlüsseln molekulare Mechanismen der strukturellen Veränderungen des Endothels, welche die Entwicklung von atheroskelrotischen Prozessen begünstigen und essentiell für die Aufklärung der erblich bedingten Neigung zu kardiovaskulären Krankheiten sind.