Lysosomen sind intrazelluläre Organellen, die neben ihrer Hauptaufgabe als zelluläre Abbau- und Recyclingmaschinerie wichtige physiologische Funktionen bei der Antigenpräsentierung, der Regulation der Zelloberflächen-Konzentration von Rezeptoren, der Pathogenabwehr, der Knochengewebe-remodellierung, der Signalweiterleitung und der Regulation der Energiestoffwechsels besitzen. Für den Abbau von Makromolekülen, den Transport von Metaboliten und die Regulation der Ionenhomöostase und des Stoffwechsels sind ca. 50 verschiedene lösliche lysosomale Proteine und mindestens 100 lysosomale Membranproteine wichtig. Defekte in Genen, die für lysosomale Proteine kodieren, führen in Abhängigkeit vom Gendefekt zur Verminderung oder zum totalen Verlust der enzymatischen Aktivität und zu angeborenen Stoffwechselstörungen, die als lysosomale Speichererkrankungen (LSDs) bezeichnet werden. Während die genetischen Ursachen der LSDs mittlerweile gut charakterisiert sind, sind die komplexen Auswirkungen der Verminderung oder des kompletten Funktionsverlusts der mutierten Proteine für die Homöostase in verschiedenen Zelltypen und Geweben weniger gut verstanden. In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit einer Gruppe von vererbbaren LSDs, den neuronalen Ceroid Lipofuszinosen (NCLs), die zur selektiven Schädigung und Verlust von Neuronen im Gehirn und Photorezeptoren in der Retina führen. Die NCLs werden durch Defekte in dreizehn Genen verursacht und stellen die häufigste Ursache für Neurodegeneration im Kindesalter dar. Ein Schwerpunkt unserer experimentellen Arbeiten ist die CLN7-Erkrankung, die durch mehr als 30 bekannte Defekte im MFSD8-Gen verursacht wird. Das MFSD8-Gen kodiert den potentiellen lysosomalen, sekundär aktiven Major Facilitator Transporter (MFS) CLN7, dessen Transportrichtung und Substrate unbekannt sind.

Cln7-ko-Maus: Akkumulation von autofluoreszierendem Material

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In unserer Arbeitsgruppe haben wir das erste Mausmodell für die CLN7-Erkrankung und anschliessend eine Cln7 knockout (ko) Maus zum Studium der variant spät-infantilen CLN7-Erkrankung generiert ( Damme et al., 2014 ; Brandenstein et al., 2016 ). Die Cln7 ko Maus rekapituliert wichtige neuropathologische Merkmale der CLN7-Erkrankung beim Menschen wie die Akkumulation von autofluoreszierendem Material im Gehirn (siehe Abbildung), lysosomales Speichermaterial mit kurvilinearen und Fingerprint-Strukturen in Neuronen und Neurodegeneration. Aufgrund der neurodegenerativen Veränderungen bei der CLN7-Erkrankung liegt der Fokus unserer Untersuchungen auf Analysen von Gehirn und der Retina. Schwerpunkte unserer Forschungsarbeiten sind die altersabhängige Analyse des Phänotyps der Mausmodelle, Veränderungen des RNA-, Protein-, Lipid- und Metabolitprofils (Transcriptomics, Proteomics, Lipidomics, Metabolomics) in mutanten Mäusen, die Bedeutung von Pathomechanismen bei der CLN7-Erkrankung, die Auswirkungen von CLN7-Patienten-Mutationen auf Proteinstabilität, subzelluläre Lokalisation und Funktion, und die Identifizierung von CLN7-Interaktionspartnern ( Steenhuis et al., 2012 ; Steenhuis et al., 2010 ). Erste Hinweise an Cln7 ko Mäusen zeigten, dass die CLN7-Defizienz zu lysosomaler Dysfunktion in Neuronen und Mikroglia führt. Daher ist geplant, quantitative Analysen des lysosomalen Proteoms an immortalisierten Cln7 ko Neuronen und Mikroglia durchzuführen. Die funktionellen Untersuchungen umfassen die heterologe Expression von CLN7 an der Plasmamembran und die CLN7-vermittelte Aufnahme potentieller Substrate.