title: Protein-Components and Transport-Pathways at the Apical Membrane of Polarized Epithelial Cells
title: Proteinkomponenten und Transportwege an der apikalen Membran polarer Epithelzellen
Creators: name: Greb, Christoph
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Polare Epithelzellen
apical protein transport
galectin-3
apikaler Proteintransport
Galectin-3
polarized epithelial cells
Biowissenschaften, Biologie
Mx1

description: Polar epithelial cells are the
      prerequisite for a functional organ. They build a monolayer
      on the outer surface of the organ, providing both a barrier
      and an exchange system to the surrounding environment. To
      fulfill these requirements they have developed a special
      partitioning of their plasma membrane, where the apical part
      faces the exterior and the basolateral part faces the
      neighboring cells or the basal lamina. To keep this polarity,
      epithelial cells possess both a lipid and protein sorting
      system, which follow two known sorting platforms. There is a
      lipid raft associated pathway, where lipid raft proteins
      gather in these detergent resistant membranes to build high
      molecular weight clusters, which are then transported to the
      apical cell surface. In addition there is a lectin based
      pathway, where galectin-3 binds to non-raft glycoproteins to
      also form high molecular weight clusters. Initially the role
      of ALPK1, an alphakinase, was analyzed in the mouse small
      intestinal tract, where an involvement in the transport of
      the lipid-raft proteins SI and DPP IV was discovered. The
      main project dealt with the characterization of the non-raft
      apical sorting pathway. It was revealed that there were no
      coat proteins involved in this galectin-3 dependent post
      golgi trafficking, however a GTPase named Mx1 was discovered
      to be present. When Mx1 was knocked down the transport
      efficiency of P75-GFP, which is sorted by galectin-3, was
      reduced. Furthermore it seems like Mx1 is implicated in
      unconventional galectin-3 secretion. In Mx1 knock down cells
      the lectin was secreted to a much lesser extent and
      interestingly galectin-3 reuptake is dependent on the
      integrity of lipid-rafts as shown by the biochemical and
      microscopic data. With the help of TIRF microscopy it was
      possible to reveal previously unknown details of the apical
      MDCK cell surface. Microvilli were observed, recycling
      endosomes close to the apical plasma membrane, which are
      thought to be sorting stations for galectin-3 and P75-GFP
      were also seen. Besides its role in cell polarization
      galectin-3 seems to be involved in the development of clear
      cell renal cell carcinoma. Here the lectin is expressed at a
      higher level and shown to interact with β-catenin. In summary
      the data shown in this dissertation suggests that galectin-3,
      which is involved in the development of clear cell renal cell
      carcinoma and the apical sorting of non-raft proteins, has an
      alternating preference for detergent resistant membranes
      during its life cycle and that its unconventional secretion
      is dependent on the GTPase Mx1.
description: Polare Epithelzellen stellen einen
      essentiellen Baustein für die korrekte Funktion eines Organes
      dar. Sie bilden ein Monolayer an den Organaußengrenzen aus
      und stellen sowohl eine Barriere gegen, als auch ein
      Austauschsystem mit der Umwelt dar. Um diese speziellen
      Aufgaben wahrzunehmen, bedarf es einer geordneten und
      spezialisierten Aufteilung der Zytoplasmamembran. Die apikale
      Zytoplasmamembran ist dabei zur Außenwelt orientiert, während
      die basolaterale Zytoplasmamembran an benachbarte Zellen oder
      die Basallamina angrenzt. Für die Aufrechterhaltung dieser
      Polarität ist ein spezielles Protein- und Lipidsortiersystem
      nötig. Dabei sind bis dato zwei Grundlegende
      Proteinsortierplattformen bekannt. Zum einen handelt es sich
      um die Lipid-Raft-assoziierte Sortierung, bei der sich
      Proteine mit Vorlieben für solche Detergens-resistenten
      Membranmikrodomänen in diesen sammeln und als hochmolekulare
      Cluster zur Oberfläche transportiert werden. Zum anderen
      existiert ein Sortierweg, der auf der Bindung von Galectin-3
      an die zu sortierenden Glykoproteine basiert. Auch in diesem
      Lipid-Raft-unabhängigen Weg bilden die beteiligten Proteine
      hochmolekulare Cluster. Zunächst wurde die Rolle der
      Alphakinase ALPK1 im Transport apikaler Proteine im Mäusedarm
      untersucht und eine Verwicklung in den Transport der
      Lipid-Raft-Proteine SI und DPP IV festgestellt. Im Hauptteil
      dieser Dissertation ging es um die Erweiterung des
      Verständnisses des Lipid-Raft-unabhängigen
      Proteinsortierweges. Insbesondere wurde festgestellt, dass
      für das vesikuläre post-TGN-Trafficking im Galectin-3-Sorting
      vermutlich keine Mantelproteine nötig sind, wohl aber ein
      Dynamin-ähnliches Protein involviert ist. Dabei handelt es
      sich um die große GTPase Mx1. Der knock-down dieses Proteins
      führte zu einer leicht reduzierten Transporteffizienz des von
      Galectin-3 sortierten Glykoproteins P75-GFP zur apikalen
      Zytoplasmamembran. Des Weiteren konnte durch Mx1 eine
      Verbindung zur unkonventionellen Sekretion von Galectin-3
      gefunden werden. Durch siRNA-Experimente gegen Mx1 wurde
      festgestellt, dass dadurch die Sekretion von Galectin-3
      abnahm. Interessanterweise scheint sekretiertes Galectin-3
      für seine Wiederaufnahme in die Zelle eine Präferenz für
      Lipid-Rafts zu entwickeln, da gezeigt werden konnte, dass die
      Galectin-Endozytose in DRMs abläuft und durch einen Inhibitor
      der Lipid-Raft-abhängigen Endozytose gehemmt werden kann.
      Unter Zuhilfenahme der TIRF-Mikroskopie konnte die Oberfläche
      von MDCK-Zellen in bisher nicht gekannter Detailtreue
      abgebildet werden. Dabei konnten sowohl Mikrovilli, als auch
      dicht unter der apikalen Oberfläche befindliche
      Recycling-Endosomen detektiert werden, die möglicherweise als
      Sortierstation von Galectin-3 und P75-GFP dienen. Neben den
      Aufgaben von Galectin-3 bei der Epithelzellpolarisierung
      scheint dieses Lektin außerdem auch bei der Ausbildung von
      klarzelligen Nierenzellkarzinomen eine Rolle zu spielen. In
      einem Teilprojekt konnte gezeigt werden, dass Galectin-3 dort
      ein erhöhtes Expressionslevel aufweist und verstärkt mit
      β-Catenin interagiert. Zusammengefasst legen die in dieser
      Dissertation vorgelegten Studien nahe, dass das vielseitige
      und in der Entwicklung klarzelliger Nierenzellkarzinome
      beteiligte Protein Galectin-3 während seines Lebenszyklus, zu
      dem die Sortierung apikaler nicht mit Lipid-Rafts
      assoziierter Glykoproteine gehört, eine alternierende
      Präferenz für diese Detergens-resistenten Membranen aufzeigt
      und seine unkonventionelle Sekretion offensichtlich mit der
      Dynamin-ähnlichen GTPase Mx1 in Verbindung steht.