Funktionelle Bedeutung von Intermediärfilamenten im Darm von Caenorhabditis elegans

• Functional relevance of intermediate filaments in the C. elegans intestine

Coch, Richard Alexander; Panstruga, Ralph (Thesis advisor); Leube, Rudolf (Thesis advisor); Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Das intestinale Intermediärfilament-Netzwerk von C. elegans weist bemerkenswerte Parallelen zu demjenigen in Vertebraten auf. Sowohl die Verankerung an den Zell-Zell-Kontakten als auch die subapikale Lokalisation unterhalb des Actin-reichen Bürstensaums stellen offenbar über weite Gebiete des Tierreichs hochkonservierte Merkmale des Verdauungstraktes dar. Auch wenn Beeinträchtigungen dieses Systems für den einzelnen Organismus unter Laborbedingungen oftmals keine dramatischen Auswirkungen haben, kann die Unerbittlichkeit limitierender Umwelteinflüsse einen gravierenden Selektionsnachteil für eine betroffene Population darstellen. Der vergleichsweise simpel strukturierte Darm von C. elegans bietet ein hervorragendes Modell, in dem die Bedeutung von Intermediärfilamenten für die Funktionalität der Enterocyten untersucht werden kann. Charakteristisch für dieses System ist eine erstaunliche Vielfalt an Intermediärfilament-Proteinen, die vermutlich gemeinsam in Form des prominenten Netzwerks der Endotube organisiert sind - einer elektronendichten Struktur, welche das Darmlumen auf gesamter Länge umschließt. Mit IFO-1 wurde bereits ein übergeordneter Faktor identifiziert, dessen Verlust zu einer Aggregation des Intermediärfilament-Netzwerks entlang der C. elegans apical junction führt. Dank verbesserter konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie konnte in dieser Arbeit zum ersten Mal eine präzise Kolokalisation der Proteine IFB-2 und IFC-2 innerhalb der Endotube demonstriert werden. Im Gegensatz zu IFB-2 weist IFC-2 allerdings eine deutliche Anreicherung entlang der CeAJ auf, was eine grundlegende Rolle dieses Proteins bei der Verankerung der Intermediärfilamente an den Zell-Kontakten nahelegt. Zusätzlich konnte durch die sequentielle Extraktion von Cytoskelett Bestandteilen das Actin-bindende Protein ERM-1 als potentielles Linkermolekül für die Verknüpfungder Actin-haltigen Wurzeln der Mikrovilli mit dem darunter gelegenen IF-Netzwerk der Endotube identifiziert werden. In funktioneller Hinsicht hat das Ausschalten der Gene ifc-2 und ifb-2 zum Teil unterschiedliche Auswirkungen. Während in beiden Fällen die Aufnahme von Peptiden und Cholesterol aus dem Darmlumen beeinträchtigt ist, führt nur das Fehlen von IFB-2 zu einer Störung des Cholesteroltransports innerhalb der Zellen. Dieser Transportdefekt tritt noch deutlicher zu Tage, wenn mit dem Ausschalten von ifo-1 das gesamte intestinale IF-Netzwerk entlang der CeAJ kollabiert, was tiefgreifende Beeinträchtigungen im Stoffwechsel und Transport von Lipiden vermuten lässt. Die gewonnenen Transkriptomdaten unterstützen diese Hypothese, indem sie bemerkenswerte Überstimmungen mit dem knock out des Gens nhr-8 zeigen, welches eine zentrale Rolle im Lipidstoffwechsel einnimmt. In Übereinstimmung mit der hypothetischen Barrierefunktion des intestinalen IntermediärfilamentNetzwerks konnte keine signifikante Endocytose-Aktivität in den Enterocyten beobachtet werden. Erst eine drohende Zellschädigung durch die Konfrontation mit porenbildenden Toxinen aktiviert die Internalisierung betroffener Membranbereiche - ein Schutzmechanismus, dessen Beeinträchtigung imifo-1 knock out Hintergrund durch eine veränderte Lipidzusammensetzung der apikalen Membran der Enterocyten erklärt werden könnte. Zusammen genommen liefert die vorliegende Arbeit neue Erkenntnisse über die Veränderungen essentieller Prozesse wie Peptidtransport, Lipidmetabolismus und Barrierefunktion im ifo-1 knock out Hintergrund und offenbart bislang unbekannte, spezifische Einflüsse einzelner Intermediärfilamente auf die untersuchten zellulären Vorgänge.