Zebrafisch mit und ohne tmem63c-Gen

Der Ursprung der undichten Stelle

Ein internationales Team hat sich zusammengetan, um den genetischen Ursprung „undichter“ Nieren zu finden, einem Symptom für deren Erkrankung und Schädigung. Auf dieses Gen könnte die Suche nach neuen Therapien aufbauen, berichteten die Forscherinnen und Forscher unlängst im Open-Acess-Journal „eLife“.

Expertinnen und Experten aus Klinik, Genetik und Molekularbiologie – unter anderem vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) und von der Charité – Universitätsmedizin Berlin – haben gemeinsam ein Gen aufgespürt, das an der Entstehung von Albuminurie beteiligt ist. Dabei handelt es sich um eine Erkrankung, bei der ein Protein namens Albumin über die Nieren aus dem Blut in den Urin austritt.

Albuminurie ist ein Symptom für Nierenschäden. Normalerweise deutet es darauf hin, dass eine bestimmte Filtrationsbarriere nicht richtig funktioniert. Während bei gesunden Nieren nur kleine flüssige Abfallmoleküle durch die Barriere hindurchfließen, gelangen hier auch größere Moleküle hinaus, die im Blut bleiben sollten.

Nur wenn sehr unterschiedliche Forschungsgruppen und Forschende etwas beitragen, kommt man tatsächlich weiter.
Dr. Daniela Panakova
Daniela Panáková Leiterin der AG „Elektrochemische Signalübertragung in der Entwicklung und bei Krankheiten“

Um herauszufinden, welche Gene an dieser Erkrankung mitwirken, kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Methoden aus der Grundlagenforschung an Ratten und Zebrafischen, aktuelle bildgebende und genetische Verfahren sowie klinische Untersuchungen an erkrankten Menschen. „Die Kombination unterschiedlicher Herangehensweisen fasziniert mich an dieser Arbeit besonders“, sagt Dr. Daniela Panáková, die Leiterin der Arbeitsgruppe „Elektrochemische Signalübertragung in der Entwicklung und bei Krankheiten“ am Max-Delbrück-Centrum. „Nur wenn sehr unterschiedliche Forschungsgruppen und Forschende etwas beitragen, kommt man tatsächlich weiter.“

Den Ursprung eingrenzen

Dass eine Schlüsselregion auf einem bestimmten Rattenchromosom im Zusammenhang mit Albuminurie steht, war bereits bekannt. Den Forschenden ist es nun gelungen, diese Region durch einen Prozess namens „Kongenische Substitutionskartierung“ weiter einzugrenzen. Mithilfe dieser Technik können sie die Effekte präziser DNA-Veränderungen in zwei Rattenmodellen vergleichen – eines kann an Albuminurie erkranken und das andere nicht. Danach kamen jedoch immer noch ungefähr 75 Gene als Kandidaten in Frage.

Die Boten-RNA, die die DNA kodiert, half, das Geheimnis zu lüften. Indem sie Boten-RNA aus Glomeruli, den für die Blutfilterung verantwortlichen Blutgefäßstrukturen in den Nieren, sequenzierten, konnten die Forschenden die Liste auf zehn Gene zusammenstreichen. Als sie analysierten, welches davon bei Ausbruch von Albuminerie stärker exprimiert wird, fanden sie letztlich die Antwort: Gen tmem63c, das das transmembrane Protein TMEM63C kodiert.

Nicht nur Ratten, auch Zebrafische und Menschen

Doch trägt dieses Gen tatsächlich zu Albuminurie bei? Zur Bestätigung testete Panákovás Team dessen Funktion in Zebrafischen. Wenn sie das Gen ausschalteten, verloren die Zebrafische ein grün fluoreszierendes Molekül aus den Nieren, dessen Größe der von Albumin ähnelt. Statt im Blutkreislauf zu bleiben, was den gesamten Zebrafisch fluoreszierend grün schimmern lässt, wurde es abgesondert. Dies liefert ein starkes Anzeichen dafür, dass das Gen und das damit zusammenhängende Protein Einfluss auf die glomeruläre Filtrationsbarriere nimmt, ein hochspezialisiertes Blutfilterungssystem in den Nieren.

Forschenden am MDC ist es mit Hilfe von Zebrafischen gelungen, die Funktionsweise des tmem63c-Gens nachzuweisen. Bei Zebrafischen mit funktionierendem Gen haben kamen grün fluoreszierende Moleküle überall im Blut vor (oben), während ein Zebrafisch mit abgeschaltetem Gen die Fluoreszenz verloren hat (unten). Daraus kann man schließen, dass das Molekül über die Nieren aus dem Blutkreislauf ausgetreten ist.

Die Arbeitsgruppe untersuchte daraufhin, zu welchen Schäden es kam, wenn dieses Gen abgeschaltet war. Die Filtrationsbarriere hat drei Hauptschichten. Sie entdeckten, dass die Zellen der obersten Schicht mit dem Namen Podozyten dort verschoben sind, wo sie sich mit der mittleren Schicht verbinden, der sogenannten Basalmembran. Dies führt letztlich dazu, dass das fluoreszierende Protein austritt.

Egal, welche Spezies – die Filtrationsbarriere funktioniert ähnlich

Wenn sie Boten-RNA für das tmem63c-Protein aus Ratten hinzugaben, hörte das Auslaufen auf. Dies zeigt, dass dieses Gen nicht nur direkt mit dem reibungslosen Funktionieren der Filtrationsbarrieren zusammenhängt, sondern auch, dass es ähnlich bei Ratten, Zebrafischen und Menschen funktioniert.

Patientinnen und Patienten mit narbigen Glomeruli, einer Krankheit namens Fokal segementale Glomerulosklerose, exprimierten tatsächlich im Vergleich mit gesunden Kontrollpersonen wesentlich weniger tmem63c. Die meisten hatten zudem fast keine TMEM63C-Proteine in ihren Glomeruli. Eine weitere Analyse zeigte, dass die Lebensfähigkeit menschlicher Podozyten beeinträchtigt war, wenn das Gen ausgeschaltet war.

„Dass viele Gene der Zebrafische auch bei anderen Wirbeltieren im Laufe der Evolution erhalten blieben, ist mehr oder weniger bekannt“, sagt Nicola Müller, MDC-Doktorandin und Co-Autorin der Veröffentlichung. „Unsere Studien beweisen jedoch sehr schön die genetische Konservierung von tmem63c über die Arten hinweg und machen den Zebrafisch zu einem gültigen Tiermodell, um den möglichen molekularen Mechanismus von TMEM63C weiter zu erforschen.“

Nächste Schritte zum Verständnis der Rolle des Proteins

Obwohl das Protein identifiziert und verifiziert ist, bleibt eine Menge Arbeit. „Wir wissen, dass es wichtig ist. Aber auf zellulärer Ebene verstehen wir noch nicht, wieso“, sagt Panáková. „Wir wollen auf zellulärer und molekularer Ebene verstehen, was falsch läuft, wenn das Protein nicht richtig funktioniert.“

Die Arbeitsgruppe möchte noch tiefer bohren, um dessen Rolle zu verstehen. Andere Mitglieder derselben Familie transmembraner Proteine können als Kanäle, Bindeglieder oder Gerüst wirken. Derartige Einsichten könnten dabei helfen, die Entwicklung neuer Therapien für Patienten mit Nierenschäden anzuregen und möglicherweise auch einem Funktionsverlust im Laufe des normalen Alterungsprozesses entgegenzuwirken.

Text: Laura Petersen

Originalpublikation

Angela Schulz, Nicola Victoria Müller et al. (2019): „Analysis of the genomic architecture of a complex trait locus in hypertensive rat models links Tmem63c to kidney damage“, eLife. DOI: 10.7554/eLife.42068