Funktionelle Charakterisierung des Tight Junction-Proteins Claudin-3 in Epithel- und Endothelzellen

Abstract

Die Tight Junction (TJ) reguliert den parazellulären Transport von Ionen, Wasser und Soluten an Epithelien und Endothelien und ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Funktion von Organen und Geweben. Obwohl Claudin-3 zu den zuerst identifizierten und ubiquitär exprimierten Komponenten der TJ gehört, konnte seine spezifische Funktion bislang nicht geklärt werden. Für die funktionelle Charakterisierung des humanen Claudin-3-Proteins wurden stabile Überexpressionsklone der lecken Nierenepithel-Zelllinie MDCK II generiert. Die Überexpression von Claudin-3 führte zu einer deutlichen Änderung des TJ-Strangmusters sowie zu einer starken Zunahme des transepithelialen Widerstandes und einer verminderten Permeabilität für Ionen und Moleküle der Größe 332 Da und 4000 Da. Der parazelluläre Durchtritt von Wasser war unverändert. Claudin-3 konnte eindeutig als abdichtende Komponente der TJ identifiziert werden. Anhand des endothelialen Zellkulturmodells HUVEC wurden Expression und Regulation von Claudin-3 und anderen TJ-Proteinen unter dem Einfluss mechanischer Strömungsverhältnisse und des Sauerstoffpartialdrucks analysiert. Die Behandlung mit fehlender Wandschubspannung führte zur Hochregulation der abdichtenden TJ-Proteine Occludin, Claudin-3, Claudin-5 und Claudin-11, nicht aber Claudin-23. Die Regulation der einzelnen TJ-Komponenten wurde durch unterschiedliche Signalwege vermittelt, wobei der verstärkten Proteinexpression jeweils eine Hochregulation auf mRNA-Ebene zugrunde lag. Die kombinierte Behandlung mit fehlender Wandschubspannung und Hypoxie resultierte in einer sehr stark erhöhten Expression von Claudin-3. Durch die Hochregulation abdichtender TJ-Komponenten unter Bedingungen fehlender Wandschubspannung und Hypoxie, wie sie in verschiedenen physiologischen und pathologischen Situationen auftreten, könnte einem unerwünschten Durchtritt von Substanzen aus dem Blut in das umliegende Gewebe vorgebeugt werden.

The tight junction (TJ) regulates the paracellular transport of ions, water and solutes in epithelia and endothelia and is of particular importance for a correct function of organs and tissues. Although claudin-3 is one of the first identified and ubiquitously expressed TJ components, its specific function was unsolved as yet. For functional characterization, human claudin-3 was stably overexpressed in the leaky epithelial cell line MDCK II. Overexpression of claudin-3 led to a marked alteration of TJ meshwork pattern, a strong increase in transepithelial resistance and a decrease in permeability for ions and paracellular tracers (332 or 4000 Da). Paracellular water transport was not affected. It was proved that claudin-3 acts as a „tightening“ TJ component. The endothelial cell culture model HUVEC was used for analysis of expression and regulation of claudin-3 and several other TJ proteins under different conditions of wall shear stress and oxygen saturation. Treatment with lacking wall shear stress led to an upregulation of the “tightening” TJ proteins occludin, claudin-3, claudin-5, and claudin-11, but not claudin-23. Upregulation of all proteins was due to increased mRNA levels. Apparently, different signaling pathways were involved in regulation of particular TJ components. Combined treatment with lacking shear stress and hypoxia resulted in drastically increased claudin-3 expression. Upregulation of tightening TJ components under lacking shear stress and hypoxic conditions as occuring in different physiological or pathological situations would limit the passage of solutes from the blood into the surrounding tissue.