Bereich: Grundlagenforschung Urologie und Nephrologie

PD Dr. Eric Féraille Genf

Zusammenfassung
Ungeachtet erheblicher täglicher Schwankungen bei der Aufnahme gelöster Stoffe und von Wasser, sind die Nieren dazu befähigt, die Zusammensetzung der Körperflüssigkeits-Kompatimente innerhalb eines engen Bereichs aufrechtzuerhalten. Der Filtrationsprozess erfolgt durch die Glomeruli und erzeugt tagtäglich fast 120 Liter Ultrafiltrat mit einem Natriumanteil von 140 mM. Entlang der Nierentubuli wird der überwiegende Teil dieser enormen Menge an gefiltertem Wasser und Natrium erneut absorbiert. Als heterogene Struktur kann der Tubulus der Niere anhand von morphologischen wie auch funktionalen Kriterien in aufeinander folgende Segmente unterteilt werden. Das erste Segment wird durch den proximalen Tubulus gebildet, der die Rückabsorption von circa 70% des filtrierten Natriums und Wassers versieht. Durch die Henlesche Schleife werden fast 15 beziehungsweise 20% des gefilterten Natriums und Wasser reabsorbiert. Der Tubulus contortus distalis ist für Wasser nicht durchlässig und reabsorbiert annähernd 5% des filtrierten Natriums. Abschliessend werden in stark regulierter und auf die Anforderungen des Organismus abgestimmter Weise einige wenige Prozent an filtriertem Wasser und Natrium durch das Sammelsystem (Verbindungsstück und Sammelrohr) erneut absorbiert. Unter Extrembedingungen können vom Nierentubulus annähernd 99 beziehungsweise 98% gefiltertes Natrium und Wasser reabsorbiert werden.

Die Nierentubuli sind mit polarisierten Epithelzellen ausgekleidet, die spezifische Proteine exprimieren, und zwar in ihrer dem Tubuluslumen gegenüberliegenden apikalen Membrandomäne und in ihrer benachbarten Zellen und interstitialem Gewebe gegenüberliegenden basolateralen Membrandomäne. In der basolateralen Membrandomäne der Epithelzellen der Nierentubuli lokalisiert, spielt die Na,K-ATPase eine Schlüsselrolle im Prozess der Natriumreabsortion. Durch dieses Enzym wird die ATP-Hydrolyse an den Kationentransport gekoppelt und ein aktiver Prozess des Ionentransports definiert. Für jedes ATP-Molekül werden durch die Na,K-ATPase 3 Natriumionen aus dem intrazellulären Medium in das extrazelluläre Medium gepumpt, und die Na,K-ATPase vermittelt den Einstrom von zwei Kaliumionen aus dem extrazellulären in das intrazelluläre Medium. Durch diesen Prozess werden innerhalb der Zelle niedrige Natrium- und hohe Kalium-Konzentrationen aufrechterhalten. Der Prozess der Rückresorption von Natrium verläuft entlang des Nierentubulus wie folgt: Natriumionen gelangen in das Zellinnere über spezifische apikale Natriumtransporter, deren Antrieb über den grossen elektrochemischen Gradienten erfolgt, der den Natriumeinstrom favorisiert (niedrige versus hohe extrazelluläre Natriumkonzentration), so dass ein passiver Ionentransport definiert wird. Hieran schliesst sich, vermittelt durch die basolaterate Na,K-ATPase, der Austritt in den Interstitialraum an.

Im Sammelrohr wird Natrium von Hauptzellen durch Natriumkanäle reabsorbiert, die in der das Lumen auskleidenden Membran lokalisiert sind. Anschliessend wird Natrium durch die in der basolateralen Membran angeordnete Na,K-ATPase in den Interstitialraum ausgetrieben. In diesem Segment des Nierentubulus wird die Natrium-Rückresorption durch Hormone und lokale Faktoren unter engmaschiger Kontrolle gehalten. Durch die Nebenniere sezerniertes Aldosteron und durch die Hypophyse sezerniertes Vasopressin sind die hauptsächlichen Hormone, durch die die Natrium-Reabsorption im Sammelrohr stimuliert wird. Andererseits wird die Rückabsorption von Natrium durch das Sammelrohr von lokal sekretierten Stoffen, einschliesslich von Prostaglandinen und Bradykinin, gehemmt. Zusätzlich zu zirkulierenden und lokal sezernierten Stoffen unterliegt die Natrium-Reabsorption der Steuerung durch den tubulären Flow, hydrostatischen Druck, die extrazelluläre Osmolarität sowie intrazelluläre Natriumkonzentration.

Bedeutung der Arbeit
Mitte der Achtziger wurde von zwei französischen Forschergruppen (um Alain Doucet und Jean-Pierre Bonvalet) unabhängig voneinander aufgezeigt, dass die in vitro vorgenommene Erhöhung der intrazellulären Natriumkonzentration beim isolierten Sammelrohr verschiedener Säugetierspezies (Ratte, Kaninchen und Maus) eine Zunahme der Na,K-ATPase-Aktivität hervorruft. An isolierten Sammelrohren der Ratte und an Hauptzellen der Maus konnten wir vor kurzem aufzeigen, dass die intrazelluläre Natriumkonzentration die Anzahl der auf der Zelloberfläche exprimierten Na,K-ATPase Einheiten, d.h. der aktiven Enzyme, kontrolliert, und zwar anhand der Translokation der Na,K-ATPase Einheiten aus einem inaktiven intrazellulären "Aufbewahrungs-Pool" hin zur Plasmamembran. Tatsächlich standen die Spiegel der Na,K-ATPase Expression auf der Zelloberfläche in positivem korrelativem Zusammenhang mit der intrazellulären Natriumkonzentration.
Dieses Ergebnis besitzt folgende Implikation: Damit trotz erheblicher Variationen in der Rate der Natriumreabsorption die intrazelluläre Natriumkonzentration innerhalb eines engen Bereichs gehalten wird, sind die Hauptzellen des Sammelrohrs dazu befähigt, die Na,K-ATPase-Aktivität je nach der Rate des apikalen Natriumeinstroms zu verändern. Faktisch würden persistente Erhöhungen der intrazellulären Natriumkonzentration viele entscheidenden zellulären Prozesse verändern und letztendlich zum Zelltod führen. Die durch Natrium induzierte Rekrutierung von Na,K-ATPase Einheiten stützt sich auf die Aktivierung von Proteinkinase A. Bei der Proteinkinase A handelt es sich um ein Molekül für die zelluläre Signaltransduktion, das spezifische Substratproteine phosphoryliert und hierdurch zahlreiche zelluläre Prozesse reguliert. Hierzu zählen beispielsweise das Zellwachstum, die Steuerung der Bereitstellung neu synthetisierter und recycleter Proteine sowie die Steuerung enzymatischer Aktivitäten ebenso wie der Aktivitäten der Ionen- und Wassertransporter. Herkömmlich entsteht Proteinkinase A unter Ruhebedingungen anhand der Assoziation von zwei katalytischen Untereinheiten mit zwei regulatorischen Untereinheiten. Bindung der regulatorischen Untereinheit an die katalytische Untereinheit erhält die letztgenannte in einem inaktiven Zustand. Im Anschluss an die Bindung von c-AMP - einem durch die Aktivierung von Zelloberflächenrezeptoren gebildeten, intrazellulären Second Messenger - an die regulatorische Untereinheit der Proteinkinase A (PKA) erfolgt die PKA- Aktivierung. Dies induziert die Dissoziierung der regulatorischen von der katalytischen Untereinheit und ermöglicht freigesetzten katalytischen Untereinheiten die Phosphorylierung von Substraten. Interessanterweise konnten wir aufzeigen, dass in den Hauptzellen des Sammelrohrs die Steigerung intrazellulären Natriums die Proteinkinase A unabhängig von jeglicher nachweisbaren Zunahme der zellulären c-AMP-Spiegel induzierte. Unter diesen Umständen wird nach Dissoziierung vom NFkB-IkB -Komplex ein abgegrenzter Pool katalytischer PKA-Untereinheiten aktiviert.

Es gilt zu erwähnen, dass der gleiche Weg der PKA Aktivierung auch von proinflammatorischen Zytokinen, d.h. vom Tumornekrosefaktor a und von Interleukin 1, genutzt wird. Nach Aktivierung des Zytokinrezeptors oder erhöhter intrazellulärer Natriumkonzentration dissoziiert der NFkB-IkB -Komplex, so dass die inhibitorische Wirkung von IkB verringert und die nukleäre Translokation des Transkriptionsfaktors NFkB ermöglicht wird, der die Expression einer Gruppe von Genen steuert, die an inflammatorischen und zytoprotektiven Reaktionen beteiligt sind. Unsere Ergebnisse etablieren mithin einen Zusammenhang zwischen Inflammation und Veränderungen des Natriumtransports bei Nierenkrankheiten, der für die Pathophysiologie der Änderungen der renalen Natriumhandhabung relevant sein könnte, die bei mit einem inflammatorischen Prozess einhergehenden Erkrankungen der Niere beobachtet werden. Hier zu gehören Glomerulonephritis, Pyelonephritis und Harnleiterobstruktion.

Zudem verweisen unsere Resultate darauf, dass zusätzlich zu Calciumionen auch durch Natriumionen multiple Pfade der intrazellulären Signaltransduktion aktiviert werden, die sowohl Enzymaktivitäten als auch Gentranskription steuern. Dies legt das Vorhandensein eines intrazellulären "Natriumsensors" nahe, auf den für die Entwicklung neuer therapeutischer Wirkstoffe für die Behandlung von Erkrankungen abgezielt werden könnte, die mit renaler Natriumretention, einschliesslich Ödem und Hypertonie, in Verbindung stehen.

Vinciguerra M, Deschênes G, Hasler U, Mordasini D, Rousselot M, Doucet A, Vandewalle A, Martin PY, Féraille E.
Intracellular Na+ controls cell surface expression of Na,K-ATPase via a cAMP-independent PKA pathway in mammalian kidney collecting duct cells
MBC in press, published on April 4, 2003 as 10.1091/mbc.E02-11-0720
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Die Forschungsarbeit
Intrazelluläres Natrium steuert bei Nierenzellen die Oberflächenexpression Na, K-ATPase	84 Kb