Ultrastrukturforschung an Gen-manipulierten Mäusen

Leitung der Arbeitsgruppe

Prof. Dr. Renate Lüllmann-Rauch

Otto-Hahn-Platz 8, R.215
Telefon: +49 431 880-2427
Telefax: +49 431 880-1557
r.lullmann@anat.uni-kiel.de

Ärztin

Technisches Personal

Dagmar Niemeier

MTA

Otto-Hahn-Platz 8, R.113
Telefon: +49 431 880-2557
Telefax: +49 431 880-1557
d.niemeier@anat.uni-kiel.de

Forschungsschwerpunkte

Lysosomale Enzyme und lysosomale Membranproteine.
Lysosomen sind die Verdauungsorganellen der Zelle. In Zusammenarbeit mit verschiedenen biochemischen Instituten (s.u.) wird untersucht, welche Folgen der genetisch bedingte Funktionsverlust  eines lysosomalen Enzyms oder eines  lysosomalen Membranproteins hat. Dazu wird von den Biochemikern bei Mäusen das Gen des betreffenden Proteins inaktiviert ("Knockout-Maus", KO-Maus). Wir haben uns zur Aufgabe gemacht, die Struktur der Zellen und Gewebe solcher KO-Mäuse licht- und elektronenmikroskopisch zu untersuchen. Zwei Ziele werden mit solchen Experimenten verfolgt: (a) Schaffung von Tiermodellen für erbliche lysosomale Speicherkrankheiten des Menschen,  (b) Aufklärung der physiologischen Bedeutung des betreffenden Proteins.

Lysosomale Enzyme
Das Fehlen eines lysosomalen Enzyms führt meist zur intralysosomalen Anhäufung des entsprechenden Substrats (lysosomale Speicherkrankheiten). Die Speicherkrankheiten des Menschen gehen  häufig  mit schweren Störungen der körperlichen und geistigen Entwicklung einher. Das letztliche Ziel der Untersuchungen an Tiermodellen  ist die  Erkundung von Möglichkeiten der Enzymersatztherapie. Die Morphologie der Organe von Mäusen mit folgenden Enzym-Defizienzen  werden derzeit untersucht:

  • α-Mannosidase. Das Fehlen dieses Enzyms verursacht die lysosomale Speicherung von Mannose-haltigen Oligosacchariden (α-Mannosidose). Diese sind wasserlöslich und nicht fixierbar, sie gehen bei der üblichen Gewebeaufbereitung verloren, die Lysosomen erscheinen daher leer (siehe Abbildung). Dies entspricht den Befunden bei Menschen mit α-Mannosidose. Zur Zeit laufen Untersuchungen zur Enzymersatztherapie. 
  • Fucosidase: Das Fehlen dieses Enzyms  verursacht beim Menschen eine lysosomale Speicherung von Fucose-haltigen Oligosacchariden (Fucosidose), die  ebenfalls wasserlöslich und nicht fixierbar sind.  Die morphologischen Zellveränderungen bei Fucosidase-KO-Mäusen ähneln denen bei Fucosidose-Patienten und bei α-Mannosidase-KO-Mäusen, jedoch mit Unterschieden in der Organverteilung.
  • Arylsulfatasen (ARS): Für  einige Typen dieser Enzym-Familie  ist bekannt, dass ihr Fehlen beim Menschen schwerwiegende Speicherkrankheiten verursacht: z.B. Metachromatische Leukodystrophie, d.h. Speicherung von Sulfatiden; verschiedene Mucopolysaccharidosen, d.h. Speicherung von sulfatierten Glycosaminoglycanen, sGAG). Die physiologische Funktion der kürzlich beschriebenen, lysosomalen  ARS-G war zunächst unbekannt. Daher wurde an KO-Mäusen nach der Speicherung von sGAG gefahndet. In der Tat kommt es bei der Maus zur lysosomalen Speicherung  bestimmter sGAG in verschiedenen Organen sowie zu Retinaveränderungen. Eine humane lysosomale Speicherkrankheit als Folge eines ARS-G-Mangels ist bisher allerdings noch nicht bekannt.  Für zwei andere ARS-Typen  werden gerade die ersten  morphologischen Befunde  erhoben.


Lysosomale Membranproteine
Bemerkenswert ist, dass der Funktionsverlust lysosomaler Membranproteine entweder gar keine morphologisch nachweisbaren Konsequenzen oder unvorhergesehene, vielfältige  Folgen haben kann, deren molekulare Beziehungen zu der  Gen-Defizienz  zur Zeit noch unklar sind.

  • LAMP (lysosomal associated membrane protein). LAMP-1-Defizienz bleibt ohne Folgen für die Morphologie. Bei LAMP-2-Defizienz kommt es zur Anhäufung von autophagischen Vakuolen in diversen Zelltypen. Die Lamp-2-Defizienz liegt auch einer schon länger bekannten Erkrankung des Menschen (Danon-Krankheit, u.a. lysosomale Glykogenspeicherung trotz vorhandener saurer α-Glucosidase) zugrunde, wie sich inzwischen herausgestellt hat.
  • LIMP (lysosomal integrated membrane protein). LIMP-1(=CD63)-Defizienz verursacht keine morphologisch fassbaren Veränderungen.  LIMP-2-Defizienz führt zu einem bunten Spektrum von strukturellen Veränderungen (u.a. Stria vascularis des Innenohrs,  Urothel, segmentale  Demyelinisierung peripherer Nervenfaser, Obstruktion der Nierenbecken-Ureter-Verbindung). Darüber hinaus kommt es zur Anhäufung von Synuclein in Neuronen des ZNS.
  • SPPL (Signal-Peptide-Peptidase-Like) intramembranäre  Proteasen: der Typ 2a (SPPL-2a) hat funktionelle Bedeutung für die B-Lymphozyten-Entwicklung und die intramembranäre Spaltung der Invariant chain des MHC-II-Komplexes. Bei Defizienz  bilden sich in den B-Lymphozyten leere Vakuolen, deren Natur noch nicht geklärt ist. Außerdem kommt es zur Störung der Zahnentwicklung (ungenügende Schmelzreifung). Weitere SPPL-Typen werden zur Zeit  untersucht.
  • Für mehrere andere lysosomale Membranproteine aus verschiedenen Proteinfamilien (z.B. mutmaßlich  Transporter und  Ionenkanäle) wird zur Zeit nach morphologisch fassbaren Folgen der entsprechenden Gen-Inaktivierung gesucht.



Kardiologie.
Unabhängig von den oben erwähnten Fragenkomplexen, besteht Zusammenarbeit mit Kardiologen: Ultrastruktur von Kardiomyozyten bei verschiedenen Arten von experimentell induzierten Kardiomyopathien  infolge Inaktivierung von Genen verschiedener Proteine, die mit dem Sarkomer oder den Zellkontakten in den Glanzstreifen assoziiert sind.

 

Kooperationen

Folgende Wissenschaftler zeichnen verantwortlich für die Initiierung der genannten Projekte, die Generierung der KO-Mäuse und alle biochemischen Untersuchungen.

  • Lysosomale Speicherkrankheiten: P. Saftig, J. Blanz, M. Damme,  Biochemisches Institut,  Universität Kiel sowie  T. Dierks und T. Lübke, Biochemisches Institut, Universität Bielefeld
  • Lysosomale Membranproteine: P. Saftig, B. Schröder, M. Damme: Biochemisches Institut, Universität Kiel.  C. Grimm, Pharmazeutisches Institut, Ludwig-Maximilians-Universität, München
  • Kardiologie: N. Frey, M. Lüdde, D. Frank, C. Kuhn  et al., Medizinische Klinik III, Universitäts-Klinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel

Arbeitstechniken

Die morphologischen Untersuchungen werden mit konventionellen Techniken durchgeführt. Da die Auswirkungen der Geninaktivierung nicht vorhersehbar sind, werden nahezu sämtliche Gewebsarten und zahlreiche Organe von KO-Mäusen und entsprechenden Kontrollmäusen lichtmikroskopisch (Semidünnschnitte) und gegebenenfalls elektronenmikroskopisch untersucht.

Publikationen

2014

  • Kowalewski B, Heimann P, Ortkras T, Lüllmann-Rauch R, Sawada T, Walkley SU, Dierks T, Damme M. (2014) Ataxia is the major neuropathological finding in arylsulfatase G-deficient mice: similarities and dissimilarities to Sanfilippo disease (mucopolysaccharidosis type III). Hum Mol Genet. 24:1856-1868
  • Rothaug M, Zunke F, Mazzulli JR, Schweizer M, Altmeppen H, Lüllmann-Rauch R, Kallemeijn WW, Gaspar P, Aerts JM, Glatzel M, Saftig P, Krainc D, Schwake M, Blanz J. (2014) LIMP-2 expression is critical for ß-glucocerebrosidase activity and a-synuclein clearance. Proc Natl Acad Sci U S A. 111: 15573-15578.
  • Grimm C, Holdt LM, Chen CC, Hassan S, Müller C, Jörs S, Cuny H, Kissing S, Schröder B, Butz E, Northoff B, Castonguay J, Luber CA, Moser M, Spahn S, Lüllmann-Rauch R, Fendel C, Klugbauer N, Griesbeck O, Haas A, Mann M, Bracher F, Teupser D, Saftig P, Biel M, Wahl-Schott C. (2014) High susceptibility to fatty liver disease in two-pore channel 2-deficient mice. Nat Commun. 5: 4699
  • Luedde M, Lutz M, Carter N, Sosna J, Jacoby C, Vucur M, Gautheron J, Roderburg C, Borg N, Reisinger F, Hippe HJ, Linkermann A, Wolf MJ, Rose-John S, Lüllmann-Rauch R, Adam D, Flögel U, Heikenwalder M, Luedde T, Frey N. (2014) RIP3, a kinase promoting necroptotic cell death, mediates adverse remodelling after myocardial infarction. Cardiovasc Res. 103: 206-216
  • Schneppenheim J, Hüttl S, Mentrup T, Lüllmann-Rauch R, Rothaug M, Engelke M, Dittmann K, Dressel R, Araki M, Araki K, Wienands J, Fluhrer R, Saftig P, Schröder B. (2014) The intramembrane proteases signal Peptide peptidase-like 2a and 2b have distinct functions in vivo. Mol Cell Biol. 34: 1398-1411

 

    2013

    • Bronckers AL, Gueneli N, Lüllmann-Rauch R, Schneppenheim J, Moraru AP, Himmerkus N, Bervoets TJ, Fluhrer R, Everts V, Saftig P, Schröder B. (2013) The intramembrane protease SPPL2A is critical for tooth enamel formation. J Bone Miner Res. 28: 1622-1630
    • Schneppenheim J, Dressel R, Hüttl S, Lüllmann-Rauch R, Engelke M, Dittmann K, Wienands J, Eskelinen EL, Hermans-Borgmeyer I, Fluhrer R, Saftig P, Schröder B. (2013) The intramembrane protease SPPL2a promotes B cell development and controls endosomal traffic by cleavage of the invariant chain. J Exp Med. 210: 41-58

    2012

    • Kowalewski B, Lamanna WC, Lawrence R, Damme M, Stroobants S, Padva M, Kalus I, Frese MA, Lübke T, Lüllmann-Rauch R, D'Hooge R, Esko JD, Dierks T. (2012) Arylsulfatase G inactivation causes loss of heparan sulfate 3-O-sulfatase activity and mucopolysaccharidosis in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 109: 10310-10315

    2011

    • Faldini E, Stroobants S, Lüllmann-Rauch R, Eckhardt M, Gieselmann V, Balschun D, D'Hooge R. (2011) Telencephalic histopathology and changes in behavioural and neural plasticity in a murine model for metachromatic leukodystrophy. Behav Brain Res. 222: 309-314
    • Weber S, Niessen MT, Prox J, Lüllmann-Rauch R, Schmitz A, Schwanbeck R, Blobel CP, Jorissen E, de Strooper B, Niessen CM, Saftig P. (2011) The disintegrin/metalloproteinase Adam10 is essential for epidermal integrity and Notch-mediated signaling. Development. 138: 495-505
    • Damme M, Stroobants S, Walkley SU, Lüllmann-Rauch R, D'Hooge R, Fogh J, Saftig P, Lübke T, Blanz J. (2011) Cerebellar alterations and gait defects as therapeutic outcome measures for enzyme replacement therapy in a-mannosidosis. J Neuropathol Exp Neurol. 70: 83-94 

    2009

    • Kollmann K, Damme M, Deuschl F, Kahle J, D’Hooge R, Lüllmann-Rauch R, Lübke T (2009) Molecular characterization and gene disruption of mouse lysosomal putative serine carboxypeptidase 1. FEBS J. 276: 1356-1369
    • Matzner U, Lüllmann-Rauch R, Stroobants S, Andersson C, Weigelt C, Eistrup C, Fogh J D’Hooge R, Gieselmann V (2009) Enzyme replacement improves ataxic gait and central nervous system histopathology in a mouse model leukodystrophy. Mol Ther. 17: 600-606
    • Schröder J, Lüllmann-Rauch R, Himmerkus N, Pleines I, Nieswandt B, Orinska Z, Koch-Nolte F, Schröder B (2009) Deficiency of the tetraspanin CD63 associated with kidney pathology but normal lysosomal function. Mol Cell Biol. 29: 1083-1094

    2008

    • Berkovic SF, Dibbens LM, Oahlack A, Silver JD, Katerelos M, Vears DF, Lüllmann-Rauch R, Blanz J, Zhang RM, Dowling JP, Andermann E, Andermann F, Faldini E, D’Hooge R, Vadlamudi L Macdonell RA, Hodgson Mulley JC, Smyth GK, Power DA, Saftig P, Bahlo M (2008) Array-based gene discovery with three unrelated subjects shows SCARB2/LIMP-2 deficiency causes my glomerulosclerosis. AM J Hum Genet 82: 673-684
    • Blanz J, Stroobants S, Lüllmann-Rauch R, Morelle W, Lüdemann M, D’Hooge R, Reuterwall H, Michalski JC, Saftig P (2008) Reversal of peripheral and central neural storage and ataxia after recombinant enzyme replacement ther mannosidosis mice. Hum Mol Genet. 15: 3437-3445
    • Westermann D, Mersmann J, Melchior A, Freudenberger T, Petrik C, Schaefer L, Lüllmann-Rauch R, Lettau Brand-Herrmann SM, Young MF, Schultheiss HP, Levkau B, Baba HA, Unger T, Zacharowski, K, Tschöpe C (2008) Biglycan ist required for adaptive remodeling after myocardial infarction. Circulation 117: 1269-1276

    2007

    • Eckhardt M, Hedayati KK, Pitsch J, Lüllmann-Rauch R, Beck H, Fewou SN, Gieselmann V (2007) Sulfatide storage in neurons causes hyperexcitability and axonal degeneration in a mouse model of metachromatic leukodystrophy. J Neurosci 27: 9009-9021
    • Matzner U, Matthes F, Herbst E, Lüllmann-Rauch R, Callaerts-Vegh Z, D`Hooge R, Weigel C, Eistrup C, Fogh J, Gieselmann V (2007) Induction of tolerance to human arylsulfatase A in a mouse model of metachromatic leukodystrophy. Mol Med 13: 471-479
    • Ramakrishnan H, Hedayati KK, Lüllmann-Rauch R, Wessig C, Fewou SN, Maier H, Goebel HH, Gieselmann V, Eckhardt M (2007) Increasing sulfatide synthesis in myelin-forming cells of arylsulfatase A-deficient mice causes demyelination and neurological symptoms reminiscent of human metachromatic leukodystrophy. J Neurosci 27: 9482-9490

    2006

    • Franken S, Wittke D, Mansson JE, D`Hooge R, DeDeyn PP, Lüllmann-Rauch R, Matzner U, Gieselmann V (2006) Modest phenotypic improvements in ASA-deficient mice with only one UDP-galactose:ceramide-galactosyltransferase gene. Lipids Health Dis 5: 21-28
    • Knipper M, Clausen C, Rüttiger L, Zimmermann U, Lüllmann-Rauch R, Eskelinen EL, Schröder J, Schwake M, Saftig P (2006) Deafness in LIMP-2-deficient mice due to early loss of potassium channel KCNQ1/KCNE1 in marginal cells of the stria vascularis. J Physiol 576: 73-86
    • Strypmann J, Janssen PM, Prestle J, Engelen MA, Kögler H, Lüllmann-Rauch R, Eckhardt L, von Figura K, Landgrebe J, Mleczko A, Saftig P (2006) LAMP-2 deficient mice show depressed cardiac contractile function without significant changes in calcium handling. Basic Res Cardiol 101: 281-291

    2005

    • D`Hooge R, Lüllmann-Rauch R, Beckers T, Balschun D, Schwake M, Reiss K, von Figura K, Saftig P (2004) Neurocognitive and psychotiform behavioral alterations and enhanced hippocampal long-term potentiation in transgenic mice displaying neuropathological features of human alpha-mannosidosis. J Neurosci 25: 6539-6549
    • Matzner U, Herbst E, Hedayati KK, Lüllmann-Rauch R, Wessig C, Schröder S, Eistrup C, Möller C, Fogh J, Gieselmann V (2005) Enzyme replacement improves nervous system pathology and function in a mouse model for metachromatic leukodystrophy. Hum Mol Genet 14: 1139-1152

    2004

    • Eskelinen EL, Schmidt CK, Willenborg M, Fuertes G, Salvador N, Tanaka Y, Lüllmann-Rauch R, Hartmann D, Heeren J, von Figura K, Knecht E, Saftig P (2004) Disturbed cholesterol traffic but normal proteolytic function in LAMP-1/LAMP-2 double-deficient fibroblasts. Mol Biol Cell 15: 3132-3145
    • Roces DP, Lüllmann-Rauch R, Peng J, Balducci C, Anderson C, Tollersrud O, Fogh J, Orlacchio A, Beccari T, Saftig P, von Figura K (2004) Efficacy of enzyme replacement therapy in alpha-mannosidosis mice: a preclinical study. Hum Mol Genet 13: 1979-1988
    • Wittke D, Hartmann D, Gieselmann V, Lüllmann-Rauch R (2004) Lysosomal sulfatide storage in the brain of arylsulfatase A-deficient mice: cellular alterations and topographic distribution. Acta Neuropath 108:261-271

    2003

    • Gamp AC, Tanaka Y, Lüllmann-Rauch R, Wittke D, D`Hooge R, DeDeyn PP, Moser T, Maier H, Hartmann D, Reiss K, Illert AL, von Figura K, Saftig P (2003) LIMP-2/LGP85 deficiency causes ureteric pelvic junction obstruction, deafness and peripheral neurophathy in mice. Hum Mol Genet 15: 631-646
    • Gieselmann V, Matzner U, Klein D, Mansson JE, D`Hooge R, DeDeyn PP, Lüllmann-Rauch R, Hartmann D, Harzer K (2003) Gene therapy: prospects for glycolipid storage diseases. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 358: 931-925

    2002

    • Matzner U, Hartmann D, Lüllmann-Rauch R, Coenen R, Rothert F, Mansson JE, Fredman P, D`Hooge R, DeDeyn PP, Gieselmann V (2002) Bone marrow stem cell-based gene transfer in a mouse model for metachromatic leukodystrophy: effects on visceral and nervous system disease manifestations. Gene Ther 9: 53-63

    2001

    • Bredehorn T, Clausen M, Duncker G, Lüllmann-Rauch R (2001) Morphological and functional changes due to drug-induced lysosomal storage of sulphated glycosaminoglycans in the rat retina. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 239: 788-793
    • Coenen R, Gieselmann V, Lüllmann-Rauch R (2001) Morphological alterations in the inner ear of the arylsulfatase A-deficient mouse. Acta Neuropath (Berl) 101: 491-498
    • Lüllmann-Rauch R, Matzner U, Franken S, Hartmann D, Gieselmann V (2001) Lysosomal sulfolipid storage in the
      kidneys of mice deficient for arylsulfatase A (ASA) and of double-knockout mice deficient for ASA and
      galactosylceramide synthase. Histochem Cell Biol 116: 161-169
    • Matzner U, Schestag F, Hartmann D, Lüllmann-Rauch R, D`Hooge R, DeDeyn PP, Gieselmann V (2001) Bone marrow stem cell gene therapy of arylsulfatase A-deficient mice, using an arylsulfatase A mutant that is hypersecreted from retrovirally transduced donor-type cells. Hum Gene Ther 12: 1021-1033
    • Saftig P, Tanaka Y, Lüllmann-Rauch R, von Figura K (2001) Disease model: LAMP-2 enlightens Danon disease. Trends Mol Med 7: 37-39
    • Schott I, Hartmann D, Gieselmann V, Lüllmann-Rauch R (2001) Sulfatide storage in visceral organs of arylsulfatase A-deficient mice. Virchows Arch 439: 90-96
    • Suter A, Everts V, Boyde A, Jones SJ, Lüllmann-Rauch R, Hartmann D, Hayman AR, Cox TM, Evans MJ, Meister T, von Figura K, Saftig P (2001) Overlapping functions of lysosomal acid phosphatase (LAP) and tartrat-resistent acid phosphatase (Acp5) revealed by doubly deficient mice. Development 128: 4899-4910