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Etablierung neuer Modelle der Expressionsminderung zur funktionellen Analyse des (Pro)Reninrezeptors
(2014)
Im Rahmen der Promotionsarbeit wurden Modelle der Expressionsminderung für In-vitro-Studien zur Wirkung des (Pro)Renin-Rezeptors ((P)RR) etabliert und Analysen hinsichtlich möglicher Effekte auf pH-Werte in Organellen im Vergleich zu den Effekten des spezifischen V-ATPase-Blockers Bafilomycin A durchgeführt. Einerseits erfolgte ein induzierter Knock-out mittels Cre/loxP-System bei embryonalen Fibroblasten der Maus (MEF), andererseits wurde als mildere Alternative eines konsequenten Knock-out eine transiente Downregulation mittels siRNA smart Pool bei Renin sezernierenden As4.1-Zellen durchgeführt. Anhand beider Modelle konnte nachgewiesen werden, dass sich eine Expressionsminderung des (P)RR sowie ein V-ATPase-Block mittels Bafilomycin A1 negativ auf das Zellüberleben und auf die Proliferation der Zellen auswirkte. Bei den (P)RR-Knock-out-MEF kam es zu keinen pH-Wert-Veränderungen, während unter der Behandlung mit Bafilomycin A1 als Ursache für das Zellsterben eine eindeutige pH-Wert-Erhöhung in späten Endosomen und Lysosomen ausgemacht werden konnte. Sekretionsanalysen zur basalen Renin- und Proreninfreisetzung und Analysen zum jeweiligen Proteingehalt der As4.1-Zellen zeigten in den (P)RR-Knock-down-Zellen keine Veränderungen. Nur der spezifische Block der V-ATPasen mittels Bafilomycin A führte zu einer gesteigerten Rate der basalen Reninfreisetzung. Untersuchungen saurer Organellen der As4.1-Zellen ergaben hingegen interessante Ergebnisse: Während ein V-ATPase-Block erwartungsgemäß zu einer geringen Fluoreszenzintensität der pH-sensitiven Farbstoffe Lysosensor und Lysotracker führte, nahm die Intensität in (P)RR-Knock-down-Zellen überraschenderweise zu. Aus diesem gegensinnigen Effekt ließe sich die Hypothese ableiten, der (P)RR sei ein natürlicher Inhibitor der V-ATPase. Die direkte Interaktion beider Proteine und die Hemmung der V-ATPase-Aktivität durch den (P)RR/ATP6ap2 bleiben jedoch durch funktionelle Analysen zu überprüfen. Die Arbeit trägt mit der Etablierung neuer Modelle der (P)RR-Depletion sowie mit den Daten zu pH-Werten in Organellen zur Aufklärung der Wirkungen des (Pro)Renin-Rezeptors bei.
In früheren Studien gelang der Nachweis der Expression eines alternativen Renin-Transkripts im kardialen Gewebe, dessen Konzentration nach Eintritt eines Herzinfarktes deutlich anstieg. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Funktionalität dieses alternativen Renin-Transkripts, mit besonderem Augenmerk auf den Einfluss des Renins hinsichtlich Wachstum und Metabolismus von Herzzellen. In Abhängigkeit vom jeweiligen Promotor des kardialen Renin-Gens enstehen zum einen das sekretorische Exon(1-9)Renin und zum anderen das nicht sekretorische Exon(2-9)Renin, welches zytosolisch gebildet und in der mitochondrialen Fraktion gespeichert wird. Die funktionellen Bedeutungen des nicht-sekretorischen Renins sind bisher nicht gesichert. Aus früheren Beobachtungen ist jedoch bekannt, dass nach einer kardialen Ischämie die Konzentrationen der nicht-sekretorischen Renin-Transkripte erhöht sind und somit hypothetisch von einem Einfluss auf postischämische Prozesse ausgegangen werden kann. Zur Untersuchung dieser Hypothese etablierten wir mittels der H9c2-Zelllinie ein geeignetes Zellmodell, welches uns durch Überexpression der Exon(1A-9)Renin-, Exon(2-9)Renin-bzw. Exon(1-9)Renin-Transkripte die Möglichkeit gab, funktionelle Besonderheiten der Prorenine auf Rattenherzzellen zu untersuchen. Dabei konnte eindrucksvoll belegt werden, dass die unterschiedliche Lokalisation der Prorenine die Funktionalität der Kardiomyoblasten massgeblich beeinflusst. So führte die Exon(1-9)Renin-Überexpression zu Veränderungen der metabolischen Aktivität, Hypertrophie und Nekrose. Im Gegensatz dazu kam es bei der Exon(2-9)Renin-Überexpression eher zum Schutz vor Nekroseprozessen. Die beobachteten Effekte lassen sich dabei sowohl bei den Exon(2-9)Renin- als auch bei den Exon(1-9)Renin-transfizierten Zellen auf eine direkte, ANG II-unabhängige Wirkung zurückführen. Das sekretorische Prorenin kann zweifelsfrei pro-inflammatorisch, pro-apoptotisch, pronekrotisch und damit schädigend wirken. Die vorliegende Arbeit weist jedoch nach, dass vom selben Renin-Gen, welches für dieses sekretorische Prorenin kodiert, ein zweites Transkript abgelesen wird, dessen Exon(2-9)Renin intrazellulär verbleibt und antinekrotisch (und damit protektiv) wirkt.
Es wurden die Lokalisation des (P)RR/ATP6ap2 in PC12 Tumorzellen neuronalen Ursprungs, kardialen und renalen Zellen und Geweben sowie die funktionellen Folgen nach Downregulation oder Überexpression (paradoxe Downregulation) des Rezeptors untersucht. Er weist sowohl eine ER-spezifische, Membran-assoziierte als auch eine Lokalisation in der löslichen Fraktion auf.
Als akzessorische Untereinheit der vakuolären H+ ATPase beeinflusst der Rezeptor ihre Integrität und Aktivität. Die Vielzahl differenter Daten zwischen den mit einem V ATPase-Inhibitor behandelten und den (P)RR/ATP6ap2-downregulierten PC12 Zellen verdeutlicht, dass die Funktion des (P)RR/ATP6ap2 insbesondere im Metabolismus über eine bloße Regulation der V ATPase-Aktivität hinausgeht und möglicherweise durch die Integration des (P)RR/ATP6ap2 im Wnt-Pathway bestimmt wird.
Das Ziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung der Rolle des Renin Binding Proteins (RenBP) bei der kardioprotektiven Wirkung des zytosolischen Renins in H9c2 Zellen, die einer Glucosedepletion ausgesetzt waren.
Die Ergebnisse der Immunhistochemie ließen eine Kolokalisation beider Proteine nach Glucosedepletion erkennen. Mittels chemischen Detergenzien und Renin gelang im Nativen Western Blot die Unterscheidung zwischen RenBP Homodimer, Heterodimer und Monomer. Ein artifizieller ATP-Mangel durch Apyrase, ähnlich der Glucosedepletion, bewirkte eine Heterodimerbildung. Allerdings gelang mit dieser Methode kein Nachweis des endogenen zytosolischen Renins mit dem verwendeten Antikörper. Der Abfall der NAGE-Aktivität unter Überexpression des zytosolischen Renins und Glucosemangel in Zusammenhang mit den bisher erhobenen Ergebnissen konnte die initial vermutete Interaktion zwischen RenBP und zytosolischen Renin bestätigen.
Im zweiten Teil der Arbeit sollte geklärt werden, ob ein RenBP Knock down ähnliche Effekte ausübt, wie eine Interaktion zwischen RenBP und zytosolischem Renin. Der Knock down hatte keinen Einfluss auf die Nekroserate unter Kontrollbedingungen. Im Gegensatz zu den Kontrollzelllinien konnte bei Zellen mit einem milden RenBP Knock down ein weiterer Glucosedepletion-induzierter Anstieg der Nekroserate vermieden werden. Anhand dieser Daten schlussfolgern wir, dass unter Ischämie-relevanten Bedingungen, wie einer Glucosedepletion, die zytosolische Bildung von RenBP-Renin-Heterodimeren mit einer Zellprotektion assoziiert ist. Weitere Untersuchungen müssen nach kritischer Betrachtung dieser Erkenntnis zur Verifizierung folgen.
Insgesamt weisen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit auf die Notwendigkeit des RenBP beim zytoprotektiven Effekt des zytoslischen Renins in H9c2 Zellen hin. Neben der Suche anderer Interaktionspartner für das zytosolische Renin ist zudem die Klärung des Stellenwertes des RenBP im Zellmetabolismus mit Auswirkung auf Prozesse wie Sialisierung und Glykosylierung zukünftig notwendig.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung eines neu entdeckten Renintranskriptes für das Überleben kardialer Zellen nach Ischämie-relevanten Bedingungen wie der Glukosedepletion, Anoxie sowie Blockierung der Atmungskette mit Rotenon untersucht. Dabei zeigte sich durch Überexpression des zytosolischen Renins eine verbesserte Toleranz der H9c2-Zellen gegenüber den Stressfaktoren, da deren Überexpression sich protektiv auf den ATP-Gehalt und den Zelltod auswirkte. Seit der nach vorangegangenem Myokardinfarkt beobachteten selektiven Hochregulierung eines 1999 neuentdeckten alternativen Renintranskriptes, des Exon(1A-9)Renin-Transkriptes, vermutet man seine Funktion im Rahmen ischämischer Prozesse am Herzen. Das Exon(1A-9)Renin stellt dabei ein verkürztes Transkript dar, das ein nicht-sekretorisches, zytosolisches Protein kodiert. Weitergehende Untersuchungen in vitro weisen auf eine kardioprotektive Funktion des alternativen Renintranskriptes hin. Ferner belegen ex-vivo-Untersuchungen eine signifikant reduzierte Infarktgröße von Herzen transgener Exon(2 9)Renin-überexprimierten Ratten im Vergleich zu den Kontrolltieren. Die zentrale Hypothese der vorliegenden Arbeit war, dass die Hochregulation des alternativen Exon(1A 9)Renin-Transkriptes mit einer protektiven Funktion des entstehenden Renins assoziiert ist. So konnte zunächst molekularbiologisch eine 5 fach zur Basalbedingung erhöhte Expression des Exon(1A 9)Renin-Transkriptes unter Ischämie-relevanten Faktoren wie der 24-stündigen Hypoxie und Glukosedepletion nachgewiesen werden. Des Weiteren erwiesen die H9c2-Zellen durch Überexpression des zytosolischen Renins eine verbesserte Toleranz gegenüber Ischämie-relevanten Bedingungen, denn es zeigte sich eine Aufrechterhaltung des ATP-Gehaltes sowie eine Reduktion des Zellunterganges unter den Stressbedingungen. Dabei konnte vor allem der nekrotische Zelltod verhindert werden, der bekanntlich mit einer Entzündungsreaktion einhergeht und erhebliche Konsequenzen für das folgende Remodelling des Gewebes aufweist. Ferner konnte eine schützende Funktion des zytosolischen Renins im Rahmen des oxidativen Bursts detektiert werden, da ein Anstieg der zytosolisch lokalisierten ROS, der unter Glukosedepletion und Anoxie nachweisbar war, durch die Überexpression des Renins verhindert werden konnte. Die Arbeit weist nach, dass das zytosolische Renin im Gegensatz zum sekretorischen Renin bei Glukosemangel, Hypoxie und oxidativen Stress weiterreichende protektive Wirkungen hat, die möglicherweise zukünftig in der Therapie des Herzinfarktes und Herzinsuffienz ausgenutzt werden könnten.
Analysiert wurden Faktoren, die möglicherweise zum Auftreten der arteriellen Hypertonie nach bilateraler Nephrektomie und Transplantation der Niere einer spontan hypertensiven Ratte (SHR) in ein normotensives Empfangertier führen. Als Organempfänger dienten dabei F1 -Hybride (F1H) von SHR und Wistar-Kyoto-Ratten. In der Kontrollgruppe wurden F1H die Nieren anderer F1H transplantiert. Die Auswirkung der Transplantation auf das intravasale Volumen wurde durch eine Farbstoffverdünnungsmethode mit evans blue acht und zwölf Tage nach Transplantation untersucht. Die Plasmareninaktivität wurde am achten, die Plasmaaldosteronkonzentration am zehnten postoperativen Tag gemessen. Nach Transplantation erfolgte zur Untersuchung des Natriumhaushalts eine Haltung in Stoffwechselkäfigen über acht Tage. Zur Beurteilung der endogenen NO-Synthese wurde die renale Nitrat- und Nitritausscheidung über 24 Stunden am achten Tag nach Nierentransplantation bestimmt. Eine vermehrte Volumen- oder Natriumretention sowie Unterschiede im Renin-Angiotensin-Aldosteron-System oder eine geringere NO-Synthese bei Empfängern der Niere einer SHR scheinen als Ursache für die Posttransplantationshypertonie unwahrscheinlich. Auch Unterschiede in der Aktivität des vegetativen Nervensystems zwischen den Gruppen sind aufgrund eines vergleichbaren Blutdruckabfalls nach Ganglienblockade durch Hexamethonium nicht zu vermuten.
Renin ist einer der Hauptbestandteile sowie das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Renin-Angiotensin-Systems (RAS). Der Wirkmechanismus Renins außerhalb des endokrinen RAS ist nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Herzen von transgenen Ratten mit Überexpression nicht-sekretorischen Renins sind ex-vivo vor einer Ischämie-Reperfusions-induzierten Schädigung geschützt und protektive Effekte bei kardialen Zellen mit Überexpression nicht-sekretorischen Renins unter Ischämie-relevanten Bedingungen konnten in-vitro belegt werden.
Durch Transkription alternativer Renin-mRNAs (u.a. 1A-9Renin) verbleibt das translatierte Renin intrazellulär im Zytosol bzw. wird in Mitochondrien aufgenommen. Das nicht-sekretorische 1A-9Renin wird (patho-)physiologischer Weise z.B. nach Myokardinfarkten in kardialen Zellen hochreguliert. Aufgrund der intrazellulären Verteilung liegt eine Beeinflussung mitochondrial regulierter Prozesse, wie der intrinsischen Apoptose/Nekrose, der zellulären Atmung und des Metabolismus nahe.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit war (1) eine Expressionsanalyse der verschiedenen Renintranskripte in H9c2-Kardiomyoblasten, die für 24 h einer kombinierten Sauerstoff- und Glukosedepletion (OGD) ausgesetzt waren, (2) die Bedeutung nicht-sekretorischen Renins für das Zellüberleben von H9c2-Zellen unter OGD zu untersuchen und (3) anhand der Analyse mitochondrialer Parameter, wie der mitochondrialen Aktivität/Integrität, der extra-mitochondrialen und mitochondrialen Sauerstoffverbrauchsraten sowie des Metabolismus, Informationen zum Wirkmechanismus des nicht-sekretorischen Renins abzuleiten.
Die Daten bestätigen eine endogene Regulation der Reninexpression durch Ischämie-relevante Bedingungen in H9c2-Zellen. Nach OGD kam es bei H9c2-Zellen zu einer erhöhten Expression der Renintranskripte. Zellen mit Überexpression des nicht-sekretorischen Renins (1A-9Renin-Zellen) waren vor einer OGD-vermittelten Schädigung geschützt. Dies ging u.a. einher mit einer Aufrechterhaltung des mitochondrialen Membranpotenzials und höherer mitochondrialer Reservekapazität.
Die bei 1A-9Renin-Zellen gezeigten Effekte unterstützen die Hypothese, dass nicht-sekretorisches Renin im Sinne einer Anpassung an wiederholte Ischämien wirksam ist. Die gewonnenen detaillierteren Einblicke in die Wirkung des nicht-sekretorischen Renins könnten bei der Entwicklung neuer Behandlungsstrategien hilfreich sein.