Die physiologische und pathophysiologische Bedeutung von KCNJ16

Die Rückresorptionsprozesse in der Niere und ihre genaue Regulation sind essentiell für die Wasser- und Elektrolythomöostase sowie die Regulation des Blutdrucks. Auch wenn im distalen Konvolut (DCT) nur ein relativ kleiner Anteil an Elektrolyten rückresorbiert wird, führen Störungen in diesem Segment dennoch zu deutlichen Krankheitssymptomen, wie man an Gitelman-, Bartter Typ III- und EAST-Patienten sehen kann. EAST-Patienten leiden zum Beispiel unter Hypomagnesiämie und einer hypokaliämischen metabolischen Alkalose. Das EAST-Syndrom ist durch Mutationen im KCNJ10-Gen bedingt, das für die Kaliumkanaluntereinheit KCNJ10 codiert. KCNJ10 ist in der Niere stark exprimiert und bildet dort heteromere Kaliumkanäle mit der Untereinheit KCNJ16. Die KCNJ10/KCNJ16-Heteromere sind für das K+-Recycling über die basolaterale Membran im distalen Nephron zuständig, so dass der Na+-K+-ATPase ständig ausreichend K+ für weitere Pumpzyklen zur Verfügung steht. Die durch eine Mutation von KCNJ10 verursachten Funktionsstörungen im KCNJ10/KCNJ16-Kanal führen bei EAST-Patienten zu einer Störung im K+-Recycling und damit zu renalen Elektrolytverlusten. Lange Zeit war nicht viel über die genaue Bedeutung der KCNJ16-Untereinheit bekannt. Daher war es Ziel dieser Arbeit, anhand eines KCNJ16-/- Mausmodells die physiologische und pathophysiologische Bedeutung von KCNJ16 näher zu untersuchen. Dabei sollte vor allem die Auswirkung des Knockouts auf die Nierenfunktion untersucht werden. 2011 erschienen schließlich von den Arbeitsgruppen um Teulon und Tucker zwei Publikationen über eine KCNJ16-/- Maus, die sowohl einen respiratorischen als auch einen renalen Phänotyp aufwies. Der renale Phänotyp äußerte sich in einer Hypokaliämie und Verlusten von K+, Mg2+ und Ca2+ über den Urin. Zudem wurde bei den KCNJ16-/- Mäusen eine metabolische Azidose festgestellt. Da sich die in der vorliegenden Arbeit untersuchte Knockoutmaus in ihrem genetischen Hintergrund von der bereits publizierten KCNJ16-/- Maus unterschied und die beiden Publikationen zudem erst im Verlauf dieser Arbeit erschienen sind, wurde dennoch eine umfassende Phänotypisierung vorgenommen. Dazu wurde zunächst die Expression von KCNJ16 in Wildtypmäusen in verschiedenen Geweben mit Hilfe von Real-Time PCR und immunhistochemischen Färbungen näher untersucht. Dann wurde über die Analyse von Urin- und Plasmaproben die Auswirkung des Knockouts auf die Nierenfunktion untersucht. Es wurden auch Messungen des Blutdrucks, der GFR und der Blutgase durchgeführt. Die Expressionsanalysen ergaben, dass KCNJ16 bei Wildtypmäusen besonders stark in der Niere exprimiert wird, doch auch in anderen Organen wie Schilddrüse, Magen und Gehirn war KCNJ16 mRNA nachweisbar. In der Niere beschränkte sich die Expression auf die basolaterale Membran von Zellen des distalen Tubulus und des frühen Sammelrohrs. Der Knockout von KCNJ16 wirkte sich besonders stark bei neugeborenen Mäusen aus, deren Nieren noch nicht voll ausgereift sind. Die wenige Tage alten KCNJ16-/- Mäuse zeigten ausgeprägte Störungen in der renalen Elektrolytausscheidung, die sich jedoch nach etwa einer Woche weitgehend normalisierten. In adulten KCNJ16-/- Mäusen war nur noch die PO43- Ausscheidung signifikant verringert. Adulte KCNJ16-/- Mäuse zeigten außerdem eine Hypokaliämie, Hypermagnesiämie und eine metabolische Azidose. Damit unterschied sich der renale Phänotyp dieser Mäuse in einigen wesentlichen Punkten von dem Phänotyp, der von Paulais et al. publiziert wurde. Erst vor kurzem wurde bei einer Patientin mit EAST-ähnlichen Symptomen zum ersten Mal eine Mutation im KCNJ16 Gen entdeckt (R137C). Auch diese Patientin leidet ähnlich wie EAST-Patienten an renalen Salzverlusten und einer Störung des Säure-Basen-Haushaltes. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher die Auswirkung der Mutation auf das KCNJ10/KCNJ16-Kanalheteromer mit Hilfe der Patch-Clamp Technik an transfizierten Zellen untersucht. Dabei zeigte sich, dass das Membranpotential und der Stromfluss der KCNJ10/R137C-Heteromere gegenüber KCNJ10/KCNJ16 Wildtyp-Heteromeren signifikant verringert waren. Möglicherweise stammten der Reststrom und das Restpotential bei Zellen, die mit KCNJ10/R137C transfiziert waren, von KCNJ10-Homomeren. Es ist auch nicht auszuschließen, dass die mutierte KCNJ16-Untereinheit einen dominant-negativen Effekt ausübt. Auch wenn sich die Phänotypen der KCNJ16-/- Mausmodelle untereinander und vom humanem Phänotyp unterscheiden, zeigen die erhobenen Daten eindeutig, dass die KCNJ16-Untereinheit für die Regulation der Rückresorptionsprozesse im DCT von Bedeutung ist. Der genetische Hintergrund spielt vermutlich eine große Rolle bei der genauen Ausprägung des Phänotyps. Für die exakte Aufklärung der Bedeutung von KCNJ16 sind jedoch noch weitere Experimente notwendig