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.