AG Molekulare Physiologie

  • Untersuchung der zellulären und organspezifischen Anpassung an Sauerstoffmangelbedingungen
  • Mechanismen der Synthese und der Funktion des Hypoxie-induzierbaren Faktors im akuten Nierenversagen
  • Prävention der chronischen Cyclosporin-A-vermittelten Nierentoxizität
  • Posttranskriptionelle Kontrolle des bHLH-Transkriptionsfaktors hASH1/Mash1
  • Kontrolle der mRNA-Translation in der zellulären Anpassung an Hypoxie

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Forschungsschwerpunkt der AG Molekulare Physiologie

Der Forschungsschwerpunkt der AG Molekulare Physiologie ist auf die Untersuchung der zellulären und organspezifischen Anpassung an Sauerstoffmangelbedingungen (Hypoxie) ausgerichtet. Hypoxie, und die damit verbundene Limitierung des Energiestoffwechsels, ist zentraler Bestandteil einer Vielzahl von pathologischen Prozessen in nahezu allen Organen/ Organsystemen. Eine Übertragung von Hypoxie-Toleranz auf geschädigte Zellen (oder zur Prävention) ist eine attraktive Option zukünftiger Behandlungsmethoden.

Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe

Mechanismen der Synthese und der Funktion des Hypoxie-induzierbaren Faktors im akuten Nierenversagen

(Kooperationsprojekt mit Prof. Dr. med. Christian Rosenberger. Teilprojekt der Forschergruppe "Hemodynamic Mechanisms of Acute Kidney Injury", FOR: 1368)
Der Transkriptionsfaktor Hypoxia Inducible Factor (HIF) nimmt eine zentrale Stellung in der zellulären Anpassung an Sauerstoffmangel (Hypoxie) ein. HIF-Zielgene vermitteln dabei bspw. Anpassungsreaktionen bzgl. des Energiestoffwechsels (Aktivierung der Glykolyse, Glukoseaufnahme, pH-Wert Regulation) oder der Restaurierung der Sauerstoffversorgung (Aktivierung der Gefäßeinsprossung/ Angiogenese).

Im akuten Nierenversagen (AKI, acute kidney injury), wie auch in anderen Formen der Nephropathie, spielt ein Sauerstoffmangel im Nierentubulussystem eine entscheidende Rolle und ist ursächlich für die resultierende Nierenschädigung. Interessanter Weise ist eine HIF-Aktivierung im Tubulussystem der Niere trotz nachweisbarer Hypoxie sehr limitiert. Durch einen in unserem Modell induzierbaren, tubulus-spezifischen VHL-knock-out, konnten wir eine Anreicherung von HIF vor der Induktion des AKI (in unserem Modell ausgelöst durch Rhabdomyolyse) im Nierentubulus erzeugen. Es zeigte sich, dass die HIF-Aktivierung sich protektiv auf die Nierenfunktion auswirkte. Entsprechende Parameter wie Plasma-Kreatinin, Harnstoff und Nekrosemarker waren nach Auslösung des AKI durch den induzierten VHL-knock-out signifikant vermindert. Durch  Microarray-Analysen und anschließender Pathway Enrichment Analysis konnte die VHL-knock out abhängige Aktivierung der Glykolyse, als sauerstoffunabhängiger Stoffwechselprozess zur ATP-Synthese, als ein wichtiger, HIF-gesteuerter, protektiver Mechanismus identifiziert werden. Bei den Untersuchungen zur Frage warum in der Niere die HIF-Antwort trotz nachweisbarer Hypoxie limitiert ist, konnten wir nun eine micro-RNA identifizieren, die unter Hypoxie in Nierenzellen hoch reguliert wird und spezifisch die HIF-1alpha-Synthese hemmt. Gegenwärtig wird die Hemmung der micro-RNA in vivo und die sich daraus ableitende Veränderung der Nierenfunktion im Schädigungsmodell untersucht.

Prävention der chronischen Cyclosporin-A-vermittelten Nierentoxizität

(Kooperationsprojekt mit Prof. Dr. med. Christian Rosenberger)
Mit Einführung von Cyclosporin A (CsA) vor etwa 35 Jahren gelang in der Transplantationsmedizin ein Durchbruch, sodass die Abstoßungsraten deutlich gesenkt werden konnten. Allerdings kann CsA bei dauerhafter Anwendung zu  Nierenschäden bis hin zur Dialysepflicht führen. Die dafür verantwortlichen Mechanismen sind noch nicht hinreichend verstanden. Es mehren sich Hinweise, dass CsA lokal in der Niere über Änderung des Vasotonus und/oder direkten tubulären Schaden Hypoxie auslöst. Klinische Interventionen mit vasoaktiven Substanzen konnten die CsA-Nephrotoxizität nicht abmildern, ein Hinweis darauf, dass die Pathophysiologie komplex ist. Es konnte von uns vor kurzem gezeigt werden, dass CsA in der Niere zu einer lokalen Hypoxie führt. Täglich wiederholte CsA-Gaben, ähnlich wie in Patienten, ergaben einen episodischen Wechsel von Hypoxie und Reoxygenierung. Das pathophysiologische Phänomen der episodischen Hypoxie, im Vergleich zur anhaltenden oder chronischen Hypoxie, ist weitestgehend unerforscht. 

Ein Ziel dieses Projektes ist es, den Pathomechanismus der CsA-induzierten Nierenschädigung aufzuschlüsseln. Dazu soll systematisch die zelluläre Anpassung unter verschiedenen Hypoxie-Formen (episodisch vs. kontinuierlich) sowie der Einfluss identifizierter Signalwege untersucht werden. 

Posttranskriptionelle Kontrolle des bHLH-Transkriptionsfaktors hASH1/Mash1

Mitglieder der bHLH (basic helix-loop-helix) Familie von Transkriptionsfaktoren spielen für die neuronale Differenzierung während der Entwicklung des Nervensystems eine wichtige Rolle. Ein Vertreter aus dieser Gruppe ist der Transkriptionsfaktor Mash1 (mammalian achaete-scute homologue-1) bzw. das humane Homolog hASH1 (human achaete-scute homologue-1). Mash1/hASH1 steuert die Neurogenese von Stammzellen aus der Neuralleiste, unterstützt die Entwicklung GABAerger Neurone und ist im Hypothalamus an der Differenzierung endokriner Zellen beteiligt. Neben der Differenzierung neuronaler Vorläuferzellen im Gehirn spielt Mash1/hASH1 auch eine wichtige Rolle in der Entwicklung sympathischer und enterischer Nervenzellen, neuronaler Zellen des olfaktorischen Systems sowie neuroendokriner Zellen der Lunge. Darüber hinaus konnte eine Fehlregulation der Mash1/hASH1 Synthese in verschiedenen Tumoren nachgewiesen werden. Trotz der nachgewiesenen Bedeutung von Mash1/hASH1 in der zellulären Differenzierung sowie im Kontext verschiedener Tumorerkrankungen, ist wenig über Faktoren und Bedingungen bekannt, die die Synthese dieses Transkriptionsfaktors beeinflussen.

In unserer Gruppe konnte das Fragil X-Mental Retardation Protein (FMRP) als Aktivator der hASH1-mRNA-Translation identifiziert werden. Trinukleotid-Wiederholungen (CGG)n im FMRP kodierenden Gen, FMR-1, sind beim Menschen mit dem Fragilen X-Syndrom (FXS), einer häufigen Form der hereditären geistigen Retardierung, assoziiert. Somit kann angenommen werden, dass die FMRP vermittelte Kontrolle der hASH1-mRNA-Translation zu neuronalen Differenzierungsstörungen führt, die zum Phänotyp der mentalen Retardation beitragen.

Gegenwärtig untersuchen wir den Einfluss von Sauerstoffmangel auf die hASH1-Synthese. Unter Hypoxie kann eine Hemmung der hASH1-mRNA-Translation beobachtet werden, was im Kontext von hypoxie-induzierter zellulärer Dedifferenzierung, aber auch bei der Ausprägung des Hypoventilationssyndroms relevant sein könnte.

Kontrolle der mRNA-Translation in der zellulären Anpassung an Hypoxie

Unter normalen Bedingungen deckt, mit wenigen Ausnahmen wie in Erythrozyten oder Makrophagen, die oxydative Phosphorylierung den zellulären Energiebedarf. Sauerstoff nimmt daher eine zentrale Stellung im Energiestoffwechsel ein. Die Anpassung an Sauerstoffmangel (Hypoxie) ist essentiell für das Überleben aerober Organismen. Auf zellulärer Ebene ist die Aktivierung des Transkriptionsfaktors Hypoxia Inducible Factor (HIF), aber auch die Unterdrückung energieverbrauchender Prozesse (z.B.: Inhibition von Transkription, mRNA-Translation und Proteinabbau) die allgemeine Antwort und Form der Anpassung. Die Proteinsynthese gehört zu den Prozessen mit dem höchsten Energieverbrauch (ca. 25-30% der zellulären Gesamtenergie unter Ruhebedingungen) und unterliegt unter ATP-Mangelbedingungen einer schnellen Hemmung. Trotz dieser allgemeinen Suppression der mRNA-Translation wird eine Reihe von Genen verstärkt exprimiert (bspw. HIF-Zielgene). Interessant ist, dass diese Sub-Population von mRNAs der allgemeinen Hemmung der Translation entgehen kann und diese Transkripte z.T. sogar verstärkt translatiert werden. Die Aufklärung der zugrundeliegenden molekularen Zusammenhänge ist das zentrale Ziel in diesem Projekt.


Drittmittelgeförderte Projekte der Arbeitsgruppe

Die Forschung der AG Molekulare Physiologie wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Liste der aktuellen Drittmittelprojekte

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): FA 845/4 "Mechanisms Up- and Downstream of Hypoxia-Inducible Factor in Acute Kidney Injury", 2014-2017

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): FA 845/1 & FA 845/2 "Posttranskriptionelle Kontrolle des bHLH Transkriptionsfaktors Mash1", 2008-2014


Kooperationspartner der Arbeitsgruppe

Die Arbeitsgruppe arbeitet mit zahlreichen nationalen und internationalen Wissenschaftlern zusammen.

Liste der Kooperationspartner der Arbeitsgruppe

Dr. M. Hultsröm, Department of Renal Physiology, Uppsala University, Sweden

Dr. A. Henrion-Caude, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Université Paris Descartes, France

Prof. Dr. Antje Ostareck-Lederer & Prof. Dr. Dirk Ostareck, Klinik für Operative Intensivmedizin und Intermediate Care, Uniklinik RWTH Aachen

Prof. Jochen C. Meier, Zoological Institute, Division of Cell Physiology, TU Braunschweig

Prof. Dr. med. Ralf Mrowka, Experimentelle Nephrologie, Universitätsklinikum Jena

Prof. Dr. Christian Rosenberger, Institute für Nephrologie, CharitéUniversitätsmedizin Berlin

Prof. S. Bachmann, Dr. A. Paliege, Institut für Vegetative Anatomie, CharitéUniversitätsmedizin Berlin

Prof. H. Kühn, Dr. C. Ufer, Institut für Biochemie, CharitéUniversitätsmedizin Berlin


Publikationen der Arbeitsgruppe

Die Forschungsergebnisse der Arbeitsgruppe werden in zahlreichen Journalen publiziert.

Liste der Publikationen (seit 2006)

Editorial:

Fähling M: Regulating Gene Expression at the Post-Transcriptional Level: Spotlight on RNA-Binding Proteins. Current Protein and Peptide Science 13(4): 281-283, 2012

Übersichtsartikel:

Fähling M, Seeliger E, Patzak A, Persson PB: Understanding and preventing contrast-induced acute kidney injury. Nat Rev Nephrol. 13(3): 169-180, 2017

Rosenberger C, Fähling M: Selective endothelin inhibition in diabetic nephropathy: Is it the Icing on the Cake? Acta Physiologica 212: 1-4, 2014

Fähling M, Persson PB: Oxygen Sensing, Uptake, Delivery, Consumption and Related Disorders. Acta Physiol (Oxf.) 205:191-193, 2012

Gorospe M, Tominaga K, Wu X, Fähling M, Ivan M: Post-transcriptional control of the hypoxic response by RNA-binding proteins and microRNAs. Front Mol Neurosci. 4, Article 7:1-14, 2011

Fähling M: Surviving hypoxia by modulation of mRNA translation rate. J Cell Mol Med. 13(9A):2770-2779, 2009

Fähling M: Cellular oxygen sensing, signalling and how to survive translational arrest in hypoxia. Acta Physiol (Oxf.). 195(2):205-230, 2009

Original Artikel:

Seibert FS, Rosenberger C, Mathia S, Arndt R, Arns W, Andrea H, Pagonas N, Bauer F, Zidek W, Westhoff TH: Urinary calprotectin differentiates between prerenal and intrinsic acute renal allograft failure. Transplantation 101(2): 387-394, 2017

Fähling M, Mathia S, Scheidl J, Abramovitch R, Milman Z, Paliege A, Peters H, Persson PB, Heyman SN, Rosenberger C: Cyclosporine a induces renal episodic hypoxia. Acta Physiol (Oxf). 219(3): 625-639, 2017

Kasim M, Heß V, Scholz H, Persson PB, Fähling M: Achaete-Scute homolog 1 expression controls cellular differentiation of neuroblastoma. Front Mol Neurosci. 9: 156, 2016

Staudacher JJ, Naarmann-de Vries IS, Ujvari SJ, Klinger B, Kasim M, Benko E, Ostareck-Lederer A, Ostareck DH, Bondke Persson A, Lorenzen S, Meier JC, Blüthgen N, Persson PB, Henrion-Caude A, Mrowka R, Fähling M: Hypoxia-induced gene expression results from selective mRNA partitioning to the endoplasmic reticulum. Nucleic Acids Research 43: 3219-3236, 2015

Kaufmann J, Martinka P, Moede O, Sendeski M, Steege A, Fähling M, Hultström M, Gaestel M, Moraes-Silva IC, Nikitina T, Liu ZZ, Zavaritskaya O, Patzak A: Noradrenaline enhances angiotensin II responses via p38 MAPK activation after hypoxia/re-oxygenation in renal interlobar arteries. Acta Physiologica 213: 920-932, 2015

Kasim M, Benko E, Winkelmann A, Mrowka R, Staudacher JJ, Persson PB, Scholz H, Meier JC, Fähling M: Shutdown of Achaete-scute Homolog-1 Expression by Heterogeneous Nuclear Ribonucleoprotein (hnRNP)-A2/B1 in Hypoxia. Journal of Biologica Chemistry 289: 26973-26988, 2014

Förstera B, a Dzaye OD, Winkelmann A, Semtner M, Benedetti B, Markovic DS, Synowitz M, Wend P, Fähling M, Junier MP, Glass R, Kettenmann H, Meier JC: Intracellular glycine receptor function facilitates glioma formation in vivo. Journal of Cell Sciences 127: 3687-3698, 2014

Gille C, Fähling M, Weyand B, Wieland T, Gille A: Alignment-Annotator web server: rendering and annotating sequence alignments. Nucleic Acids Research, 42: (Web server issue) W3-W6, 2014 (doi: 10.1093/nar/gku400)

Potthoff SA, Fähling M, Clasen T, Mende S, Ishak B, Suvorava T, Stamer S, Thieme M, Sivritas SH, Kojda G, Patzak A, Rump LC, Stegbauer J: Angiotensin-(1-7) modulates renal vascular resistance through inhibition of p38 mitogen-activated protein kinase in apolipoprotein E-deficient mice. Hypertension 63: 265-272, 2014

Fähling M, Mathia S, Paliege A, Koesters R, Mrowka R, Peters H, Persson PB, Neumayer HH, Bachmann S, Rosenberger C: Tubular von Hippel-Lindau knockout protects against rhabdomyolysis-induced AKI. Journal of the American Society of Nephrology 24:1806-1819, 2013

Fähling M, Persson AB, Klinger B, Benko E, Steege A, Kasim M, Patzak A, Persson PB, Wolf G, Blüthgen N, Mrowka R: Multi-level regulation of HIF-1 signaling by TTP. Mol Biol Cell 23(20):4129-4141, 2012

Cartault F, Munier P, Benke E, Desguerre I, Hanein S, Boddaert N, Bandiera S, Vellayoudom J, Krejbich-Trotot P, Bintner M, Hoarau JJ, Girard M, Génin E, de Lonlay P, Fourmaintraux A, Naville M, Rodriguez D, Feingold J, Renouil M, Munnich A, Westhof E, Fähling M, Lyonnet S, Henrion-Caude A: Mutation in a primate-conserved retrotransposon reveals a noncoding RNA as a mediator of infantile encephalopathy. PNAS 109 (13): 4980-4985, 2012

Benko E, Winkelmann A, Meier JC, Persson PB, Scholz H, and Fähling M: Phorbol-ester mediated suppression of hASH1 synthesis: Multiple ways to keep the level down. Front Mol Neurosci. 4, Article 1:1-11, 2011

Schildroth J, Rettig-Zimmermann J, Kalk P, Steege A, Fähling M, Sendeski M, Paliege A, Lai EY, Bachmann S, Persson PB, Hocher B, Patzak A: Endothelin type A and B receptors in the control of afferent and efferent arterioles in mice. Nephrol Dial Transplant. 26:779-789, 2011

Perlewitz A, Nafz B, Skalweit A, Fähling M, Persson PB, Thiele BJ: Aldosterone and vasopressin affect alpha- and gamma-ENaC mRNA translation. Nucleic Acids Res. 38(17):5746-60, 2010

Kielbasa SA, Blüthgen N, Fähling M, Mrowka R: Targetfinder.org: A resource for systematic discovery of transcription factor target genes. Nucleic Acids Res. 38 Suppl:W233-8, 2010

Westphal K, Stangl V, Fähling M, Dreger H, Weller A, Baumann G, Stangl K, Meiners S: Human-specific Induction of Glutathione Peroxidase-3 by Proteasome Inhibition in Cardiovascular Cells. Free Radic Biol Med. 47(11):1652-60, 2009

Eichler SA, Förstera B, Smolinsky B, Jüttner R, Lehmann TN, Fähling M, Schwarz G, Legendre P, Meier JC: Splice-specific roles of glycine receptor a3 in the hippocampus. Eur J Neurosci. 30(6):1077-91, 2009

Lai EY, Fähling M, Ma Z, Källskog Ö, Persson PB, Patzak A, Persson AE, Hultström M: Norepinephrine increases calcium sensitivity of mouse afferent arteriole, thereby enhancing angiotensin II-mediated vasoconstriction. Kidney Int. 76(9):953-9, 2009

Fähling M, Mrowka R, Steege A, Kirschner KM, Benko E, Förstera B, Persson PB, Thiele BJ, Meier JC, Scholz H: Translational regulation of the human Achaete-Scute Homologue-1 (hASH1) by Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP). J Biol Chem. 284(7):4255-66, 2009

Lüdemann L, Nafz B, Elsner F, Grosse-Siestrup C, Meissler M, Kaufels N, Rehbein H, Persson PB, Michaely HJ, Lengsfeld P, Voth M, Gutberlet M: Absolute quantification of regional renal blood flow in swine by dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging using a blood pool contrast agent. Invest Radiol. 44(3):125-34, 2009

Ufer C, Wang CC, Fähling M, Schiebel H, Thiele BJ, Billett EE, Kuhn HH, Borchert A: Translational regulation of glutathione peroxidase 4 expression through guanine-rich sequence binding factor 1 is essential for embryonic brain development. Genes  Dev. 22(13):1838-50, 2008

Steege A, Fähling M, Paliege A, Bondke A, Kaps C, Kirschner KM, Martinka P, Patzak A, Scholz H, Persson PB, Thiele BJ, Mrowka R: Wilms' tumor protein WT1(-KTS) modulates renin gene transcription. Kidney Int. 74(4):458-66, 2008

Mrowka R, Blüthgen N, Fähling M: Seed based systematic discovery of specific transcription factor target genes. FEBS J. 275(12):3178-92, 2008

Martinka P, Lai EY, Fähling M, Jankowski V, Jankowski J, Schubert R, Gaestel M, Persson AE, Persson PB, Patzak A: Adenosine increases calcium sensitivity via receptor-independent activation of p38 MAPK/MK2 pathway in isolated mesenteric arteries. Acta Physiol (Oxf.). 193(1):37-46, 2008

Patzak A, Steege A, Lai EY, Brinkmann JO, Kupsch E, Spielmann N, Gericke A, Skalweit A, Stegbauer J, Persson PB, Seeliger E: Angiotensin II response in afferent arterioles of mice lacking either the endothelial or neuronal isoform of nitric oxide synthase. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 294(2):R429-37, 2008

Patzak A, Lai EY, Fähling M, Sendeski M, Martinka P, Persson PB, Persson AE: Adenosine enhances long-term the contractile response to angiotensin II in afferent arterioles. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 293(6):R2232-42, 2007

Mrowka R, Steege A, Kaps C, Herzel H, Thiele BJ, Persson PB, Blüthgen N: Dissecting the action of an evolutionary conserved non-coding region on renin promoter activity. Nucleic Acids Res. 35(15):5120-9, 2007

Schmidt I, Fähling M,  Nafz B, Skalweit A, Thiele BJ: Induction of translationally controlled tumour protein (TCTP) by transcriptional and posttranscriptional mechanisms. FEBS J. 274(20):5416-24, 2007

Lai EY, Martinka P, Fähling M, Mrowka R, Steege A, Gericke A, Sendeski M, Persson PB, Persson AE, Patzak A: Adenosine Restores Angiotensin II-Induced Contractions by Receptor-Independent Enhancement of Calcium Sensitivity in Renal Arterioles. Circulation Res. 99:1117-1124, 2006

Fähling M, Mrowka R, Steege A, Nebrich G, Perlewitz A, Persson PB, Thiele BJ: Translational Control of Collagen Prolyl 4-Hydroxylase alpha (I) Gene Expression under Hypoxia. J Biol Chem. 281(36):26089-10, 2006

Andree H, Thiele H, Fähling M, Schmidt I, Thiele BJ: Expression of the human TPT1 gene coding for translationally controlled tumor protein (TCTP) is regulated by CREB transcription factors. Gene. 380(2):95-103, 2006

Fähling M, Mrowka R, Steege A, Martinka P, Persson PB, Thiele BJ: Heterogeneous Nuclear Ribonucleoprotein-A2/B1 Modulate Collagen Prolyl 4-Hydroxylase alpha (I) mRNA Stability. J Biol Chem. 281(14):9279-86, 2006

Theilig F, Debiec H, Nafz B, Ronco P, Nüsing R, Seyberth HW, Pavenstädt H, Bouby N, Bachmann S: Renal cortical regulation of COX-1 and functionally related products in early renovascular hypertension (rat). Am J Physiol Renal Physiol. 291(5):F987-94, 2006

Forschungsdatenbank

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