Forschungsprofil

Der Schwerpunkt unserer wissenschaftlichen Arbeit bezieht sich auf den Ionentransport über Epithelien und seine hormonelle Regulation. Epithelien bilden im Organismus Trennschichten zwischen verschiedenen Kompartimenten und sorgen für einen regulierten vektoriellen Austausch von Substanzen (Resorption und Sekretion). An sogenannten dichten Epithelien findet dieser Transport transzellulär statt, dh. die Ionen werden über ein spezielles Transportsystem der apikalen (luminalen) Membran in die Zelle eingelassen und über ein zweites Transportsystem in der basolateralen Membran auf die andere Seite entlassen. Beide Transportsysteme müssen koordiniert und präzise reguliert werden. Dies geschieht unter anderem durch Steroidhormone (Aldosteron, Corticosteron), Peptidhormone (Antidiuretische Hormone) und Schilddrüsenhormone (Triiodo-Thyronin, Thyroxin) über noch weitgehend unbekannte intrazelluläre Mechanismen.

Wir untersuchen hauptsächlich den elektrogenen Natrium-Transport und seine hormonelle Regulation am Beispiel verschiedener Modellsysteme, von menschlichen Lungen-Epithelzellen, Amphibien-Lungen-Epithelien, bis zu Zellen aus dem Integument des Blutegels und dem Darm von Anneliden. Dabei konzentrieren wir uns auf apikale Natrium-Kanäle, welche die entscheidend regulierten Stellen für den Einlaß von Natrium in die Zelle sind. Obwohl mehrere Arbeitsgruppen inzwischen sogenannte klassische epitheliale Natrium-Kanäle (ENaC) von Mensch, Ratte und Frosch kloniert haben, ist noch unbekannt, ob diese aus 3 Untereinheiten bestehenden Moleküle nur Teile einer komplexeren Anordnung sind, die weitere akzessorische regulatorische Proteine beinhaltet. Überhaupt scheint dieser Kanaltyp, der in der Tierreihe erstmals bei Nematoden auftritt, je nach Aufgabe und vorhandener Hormon-Ausstattung in verschiedenen Versionen angelegt zu sein. Durch vergleichend-physiologische Untersuchungen an den verschiedenen Modellsystemen versuchen wir diesen Fragen nachzugehen. Dabei werden sowohl molekularbiologische Methoden (Heterologe Expression) als auch elektrophysiologische Techniken (Patch Clamp, Voltage Clamp, intrazelluläre Mikroelektroden, Rauschanalyse) und fluoreszenzoptische Methoden (Laser-Konfokal-Mikroskopie) angewendet.

Aktuell sind folgende Projekte in Bearbeitung:

Molekulare Regulation des epithelialen Natrium-Kanals (ENaC) - Berk, Fronius, Clauss

Unsere Arbeitsgruppe hat über Isolierung der m-RNA den epithelialen Natrium-Kanal aus Epithelzellen des Meerschweinchen-Colons (gpENaC) funktionell in Oocyten von Xenopus laevis exprimiert. Dies erlaubte uns eine elektrophysiologische Charakterisierung mittels der Voltage-Clamp-Technik und der Patch-Clamp-Technik. In diesen Versuchen konnten wir den gpENaC in Oocyten mittels cAMP stimulieren [Pflügers Arch.- Eur.J.Physiol 431 (1996) 913-922], was mit den bisher klonierten ENaCs nicht möglich war. Wir vermuten deshalb, daß entweder die molekulare Struktur des gpENaC verschieden ist oder wir bisher noch unbekannte akzessorische regulatorische Proteine mitexprimiert haben. Deshalb haben wir die alpha-Untereinheit des Kanals kloniert und sie zusammen mit den beta- und gamma-Untereinheiten des Ratten-ENaCs in Oocyten exprimiert. Zur Zeit untersuchen wir die elektrophysiologischen Eigenschaften dieser Chimäre. Durch gezielten Austausch der N- und C-Termini zwischen der Ratten-alpha- und Meerschweinchen-alpha-Untereinheit (Domain Swaps) war es uns möglich, die cAMP-Wirkung auf die extrazelluläre Schleife zu lokalisieren [J. Membr. Biol. 183 (2001) 15-23]. Weitere Kombinationen dieser Swaps mit Untereinheiten des Xenopus-ENaC ermöglichen einen molekularen Vergleich bezüglich Funktion und Regulation dieses Kanals.

Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Jean-Daniel Horisberger, Pharmakologisches Institut, Universität Lausanne

Gefördert von der DFG im Normalverfahren

Regulation des Ionentransports im Integument des Blutegels - Clauss

In vorangegangenen Arbeiten konnten wir zeigen, daß im Integument des Blutegels ein Mechanismus zur elektrogenen Natrium-Resorption vorhanden ist [J. Comp. Physiol. B 163 (1993) 153-159; Am. J. Physiol. 37 (1995) R605 - R613 ]. Dieser wird durch Neuropeptide reguliert [J. Biol. Chem. 271 (1996) 7237-7243] und ist unter dem Einfluß von Umweltgiften verändert [Exp. Biol. Online 1:8 (1996) ]. Dieses Transportmodell kann als Bioindikator verwendet werden, da es bereits sehr empfindlich auf geringe Schadstoffkonzentrationen reagiert. Zur Zeit wird die intrazelluläre Regulation dieses Systems (Signalwege des second messenger Systems über cAMP und cGMP) untersucht [J. Exp. Biol. 204 (2001) 1509-1517].

Zusammenarbeit mit Prof. M. Salzet, CNRS, Universität Lille

Gefördert im Landesschwerpunkt-Programm 1993-1995

Molekulare Mechanismen der Regulation des Natriumtransports im Darm von Anneliden - Goebel, Krumm, Clauss

Dieses Projekt befindet sich in der Anfangsphase. Es wird am Enddarm von Lumbricus terrestris durchgeführt. Die Osmoregulation von landlebenden Anneliden ist noch weitgehend unbekannt. Obwohl aus Oligochaeten einige Neuropeptide isoliert wurden, ist ihre Wirkung auf epitheliale Transportvorgänge bisher nicht erforscht. Deshalb werden parallel Untersuchungen des Dickdarmepithels in der Ussing-Kammer vorgenommen, um das Vorhandensein eines epithelialen Natrium-Kanals (ENaC) nachzuweisen und seine Regulation durch Neuropeptide zu untersuchen. Durch Isolation der m-RNA aus Epithelzellen des Darms, sowie funktionelle Expression in Oocyten, soll außerdem untersucht werden, wie der ENaC in diesen Invertebraten-Epithelien reguliert wird. Da Anneliden keine Mineralocorticoide, sondern vorwiegend Neuropeptide besitzen, sollen der Einfluß und die Bedeutung dieser Hormone für die Osmoregulation dieser Tiere aufgeklärt werden [Can. J. Zool. 79 (2001) 192-203].

Persistenz von Coccidien in Darmepithelzellen - Behrendt, Schröpfer, Hipke, Clauss

In Fortführung eines Teilprojekts des DFG-Schwerpunktprogramms (molekulare Mechanismen der Persistenz von Parasiten im Wirt) werden fluoreszenzoptische Untersuchungen der intrazellulären Ionenkonzentrationen und des pH mit der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie durchgeführt. Außerdem werden in elektrophysiologischen Untersuchungen von Ionenkanälen die funktionellen Veränderungen in mit Eimerien befallenen Säugetier-Epithelzellen untersucht [Parasitology Res. 86 (2000) 294-300].

Zusammenarbeit mit Prof. Zahner, FB Veterinärmedizin, Universität Giessen

Anfangsförderung durch die DFG im Schwerpunkt-Programm Molekulare Parasitologie

Wirkung von Silber-Ionen auf den epithelialen Natrium-Kanal (ENaC) - Bury, Clauss

Die aus technischen Prozessen (Photo-Entwicklung) abgeschiedenen Silber-Rückstände bilden inzwischen eine erhebliche Belastung unserer Umwelt. Es ist bekannt, dass vor allem wasserlebende Organismen - besonders Fische - dadurch gefährdet werden. Silber-Ionen dringen z.B. über das Kiemenepithel in die Fische ein und führen zu toxischen Schäden. Da vermutet wird, dass solche Vorgänge über epitheliale Natrium-Kanäle ablaufen, untersuchen wir diese Fragestellungen an heterolog exprimierten ENaCs und in nativen Epithelien. Dazu kommt der englische Ökophysiologe Dr. Nic Bury regelmäßig in unser Labor.

Zusammenarbeit mit Dr. Nic Bury, Kings College, London

Gefördert durch den DAAD

Der Einfluß von reaktiven Oxidantien auf die Natriumresorption in der Lunge - Berk, Clauss

Reaktive Oxidantien (O₂-Radikale und Stickstoffverbindungen) befinden sich in der Atemluft und wirken auf das Alveolar-Epithel der Lunge ein. Es ist bekannt, dass solche Oxidantien die Natrium-Resorption in der Lunge hemmen. Die ist aber äußerst wichtig, um die Lunge frei von Flüssigkeits-Ansammlungen zu halten (Lungen-Ödem). In zellphysiologischen Untersuchungen sollen die molekularen Regulationsmechanismen solcher Vorgänge untersucht werden. Dabei wird sowohl mit dem heterolog exprimierten Natrium-Kanal aus der menschlichen Lunge gearbeitet, als auch Untersuchungen am intakten Alveolarepithel durchgeführt. Unsere Arbeiten sollen einen Beitrag zum Verständnis von pathophysiologischen Veränderungen der alveolären Flüssigkeits-Clearance liefern

Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. W. Seeger und Prof. F. Grimminger, Innere Medizin, Universitätsklinikum Giessen;
Prof. M. Lazdunski und Dr. E. Lingueglia, CNRS, Universität Nizza.

Gefördert von der Stiftung VERUM

Regulation des epithelialen Natrium-Transports im Alveolarepithel der Lunge - Fronius, Berk, Clauss

Die Regulation des epithelialen Natrium-Transports in der Lunge dient zur Flüssigkeits-Clearance und damit zur Vermeidung von Ödemen. Natrium strömt dabei über einen amilorid-sensitiven epithelialen Na-Kanal (ENaC) in die Zellen ein. In den Alveolarepithelzellen werden diese Vorgänge anders reguliert als in Epithelien von Darm und Niere. So spielen z.B. Stickstoffmonoxid (NO), entzündliche Mediatoren (Prostaglandine) und Corticosteroide eine große Rolle. Diese Regulationsmechanismen werden an heterolog exprimierten ENaCs aus der menschlichen Lunge, sowie am nativen Alveolar-Epithel untersucht. Dabei besteht eine enge Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen aus dem Zentrum für Innere Medizin, um auch pathophysiologische Befunde sowie pharmakologische Wirkungen näher zu charakterisieren.

Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. W. Seeger und Prof. F. Grimminger, Innere Medizin, Universitätsklinikum Giessen.