Pharmakologie – Im Strom der Bläschen

Mikroskopische Aufnahme von Immunzellen der Maus. Frühe Endosomen sind rot gefärbt, späte Endosomen und Lysosomen grün. Das Molekül YM201636 vergrößert selektiv späte Endosomen und Lysosomen (rechts), während eine Kombination zweier Biotoxine selektiv nur die frühen Endosomen vergrößert (links). Bild: C. Grimm, E. Butz

In Tierzellen bilden kleine Bläschen membranumgebene Vesikel, die als Endo- und Lysosomen bezeichnet werden und an zahlreichen Transportprozessen beteiligt sind. Ionenkanäle, durch die geladene Teilchen durch die Vesikelmembran geschleust werden, nehmen dabei eine Schlüsselposition ein. Defekte in diesem System spielen für die Entstehung zahlreicher Stoffwechselkrankheiten eine wichtige Rolle. Deshalb ist die Entschlüsselung ihrer Funktion auch therapeutisch bedeutsam.

PD Christian Grimm und Professor Christian Wahl-Schott vom Department Pharmazie der LMU gehören zu den europaweit führenden Experten für die Untersuchung von endolysosomalen Ionenkanälen mithilfe der sogenannten Patch-Clamp-Technik, die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Protocols beschreiben.

Dem LMU Team ist es am von Professor Martin Biel geleiteten Lehrstuhl für Pharmakologie nun gelungen, die Methode so weiter zu entwickeln, dass spezifisch bestimmte Vesikel analysiert werden können. Dies eröffnet ganz neue Perspektiven, gezielt einzelne Ionenkanäle anzusteuern und zu modifizieren. Über die Weiterentwicklung der Methode berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Journals Cell Chemical Biology.

Das endolysosomale System der Zelle besteht aus sogenannten frühen und späten Endosomen, sowie Recycling-Endosomen und Lysosomen. Die verschiedenen Vesikel-Typen erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Frühe Endosomen nehmen in der Nähe der Zellmembran Partikel auf, die dann entweder über die Recycling-Endosomen zurück an die Zellmembran gelangen, oder zu den späten Endosomen und dann zu den Lysosomen transportiert werden, wo sie mithilfe von Enzymen zerlegt werden.

Dieses System ist an zahlreichen Stoffwechselprozessen beteiligt und spielt auch bei der Regulierung des Schwermetallhaushalts oder für die korrekte Lokalisation bestimmter Membranrezeptoren eine wichtige Rolle. Dabei sind eine Vielzahl verschiedener Ionenkanäle involviert: „Laut Proteomstudien gibt es bis zu 70 verschiedene Ionenkanal-Transportproteine im Lysosom und Endosom“, sagt Grimm.

Mit der Patch-Clamp-Technik können die Wissenschaftler den Stromfluss durch einzelne Ionenkanäle messen und so feststellen, ob der Kanal aktiv oder inaktiv ist. Dazu saugen die Forscher einen kleinen Membranbereich mit einer Mikropipette leicht an. Mit einer Mikroelektrode legen sie anschließend eine Prüfspannung an und schicken einen Strom durch die Saugelektrode.

„Allerdings sind die Vesikel in ihrem ursprünglichen Zustand zu klein, um von der Patch-Pipette erfasst zu werden, deshalb müssen sie vor der Messung vergrößert werden“, sagt Grimm. Die bisherigen pharmakologischen Tools hierfür vergrößerten allerdings unspezifisch alle endolysosomalen Vesikel-Typen.

Auf der Suche nach besseren Wirkstoffen screenten die Wissenschaftler verschiedene Substanzen und entdeckten, dass eine bestimmte Kombination zweier Bio-Toxine sehr selektiv nur frühe Endosomen vergrößert, indem diese Vesikel zur Fusion angeregt werden. Außerdem konnten sie zeigen, dass ein weiteres Molekül selektiv nur späte Endosomen und Lysosomen vergrößert, während Recycling-Endosomen von keinem dieser Stoffe beeinflusst werden.

„Das ist ein großer Fortschritt, weil wir nun zwei Toolsets für eine spezifischere Herangehensweise haben und gezielt untersuchen können, welcher Kanal in welchem Vesikel aktiv ist“, sagt Grimm. Mit ihrem neuen Ansatz konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sogenannte TRPML3-Ionenkanäle, die den Kationenhaushalt und den pH-Wert regulieren, sowohl in frühen als auch in späten Endosomen und Lysosomen aktiv sind, während der verwandte TRPML1-Ionenkanal nur in späten Endosomen und Lysosomen, nicht jedoch in frühen Endosomen vorkommt.

TRPML-Kanäle spielen bei der Entstehung zahlreicher Krankheiten eine Rolle, etwa bei der Mukolipidose, einer seltenen Stoffwechselkrankheit, die das Nervensystem beeinträchtigt. „Mit unserer weiterentwickelten Technik haben wir erstmals einen selektiven Zugang zu diesen Ionenkanälen. Das ist auch wichtig für mögliche therapeutische Anwendungen, mit denen gezielt bestimmte Kanäle gehemmt werden sollen“, sagt Grimm.

Publikationen:
Patch clamp technique to characterize ion channels in enlarged individual endolysosomes
Cheng-Chang Chen, Chunlei Cang, Stefanie Fenske, Elisabeth Butz, Yu-Kai Chao, Martin Biel, Dejian Ren, Christian Wahl-Schott and Christian Grimm
Nature Protocols 2017

Small molecules for early endosome specific patch-clamping
Cheng-Chang Chen, Elisabeth S. Butz, Yu-Kai Chao, Yulia Grishchuk, Lars Becker, Stefan Heller, Susan A. Slaugenhaupt, Martin Biel, Christian Wahl-Schott, Christian Grimm
Cell Chemical Biology 2017

Kontakt:
PD. Dr. Christian Grimm
Department Pharmazie
Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM)
Tel.: +49(0)89/2180-77320
Mobile: +49(0)157/34011173
chgrph@cup.uni-muenchen.de

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Luise Dirscherl Ludwig-Maximilians-Universität München

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