In der Erforschung der Funktion und Pathophysiologie der glomerulären Filtrationsbarriere gab es in den letzten Jahren herausragende Fortschritte. Dabei wurde durch die Erforschung zum Teil seltener genetischer Erkrankungen ein Zugang im Verständnis der molekularen Details des glomerulären Filters geschaffen. Die menschlichen Nieren produzieren am Tag etwa 180 Liter Primärharn. Dies geschieht durch Filtration von Plasma an der glomerulären Filtrationsbarriere, durch die größere und negativ geladene Proteine im Blut zurückgehalten werden. Die glomeruläre Filtrationsbarriere besteht aus drei Schichten, dem fenestrierten Endo­thel spezialisierter glomerulärer Endothelzellen, der glomerulären Basalmembran und den Fußfort- sätzen von Podozyten mit der Schlitzmembran, die Podozytenfortsätze lückenlos verbindet (Pavenstädt H, Physiol Rev 83:253-307, 2003). Die Fußfortsätze der Podozyten sind reiß- verschlussartig miteinander verzahnt und umwi­ckeln die gesamte Kapillare von außen (Abb. 1). Über Jahrzehnte wurde dieser Filter als passives Sieb betrachtet und diskutiert, welche der beteiligten Schichten nun für die Filtration maßgeblich verantwortlich ist (Farquhar MG, Trans N Y Acad Sci 23:346-351, 1961; Farquhar MG, J Exp Med 113:47-66, 1961; Graham RC, Jr., J Exp Med 124:1123-1134, 1966). Neue Untersuchungen zeigen nun, dass es sich beim glomerulären Filter nicht um ein passives Sieb, sondern um eine hoch dynamische Struktur handelt, an deren Ausgestaltung und Funktion alle drei Schichten, Endothel, Basalmembran und Podozyten, maßgeblich beteiligt sind (Jarad G, Curr Opin Neph­rol Hypertens 18:226-232, 2009).

Der wissenschaftliche Durchbruch bei der Klärung der Frage nach der Funktionsweise des Filters wurde eingeleitet durch die Positionsklonierung des verantwortlichen Gens für das seltene autosomal-rezessive, kongenitale nephrotische Syndrom vom Finnischen Typ im Jahr 1998 (Kestila M, Mol Cell 1:575-582, 1998). Hier konnte gezeigt werden, dass Mutationen im Gen NPHS1 für die Entstehung eines angeborenen schweren nephrotischen Syndroms verantwortlich sind. NPHS1 kodiert für das Membranprotein Nephrin, ein Adhäsionsprotein, welches im Podozyten an der Schlitzmembran lokalisiert ist (Tryggvason K, N Engl J Med 354:1387-1401, 2006). Die Erkenntnis, dass der Ausfall eines Schlitzmembranproteins ein schweres nephrotisches Syndrom zur Folge haben kann, konnte im Mausmodell bestätigt werden und leitete intensive Arbeiten zur Analyse der molekularen Funktion von Nephrin ein. Es konnte gezeigt werden, dass Nephrin nicht nur als Strukturprotein der Schlitzmembran und damit eines passiven Filters fungiert, sondern dass Nephrin mit assoziierten Proteinen Signaltransduktion in den Podozyten vermittelt. Damit änderte sich das Konzept der glomerulären Filtrationsbarriere: Wurde sie zuvor als ein passives mechanisches Sieb betrachtet, so wurde durch das Studium der Funktion von Nephrin und die Erkenntnis, dass Nephrin Signale ins Innere der Podozyten überträgt, welche Morphologie, Funktion und Überleben der Zellen kontrollieren klar, dass der glomeruläre Filter eine hoch dynamische, feinst regulierte Struktur ist, die Sig­nalübertragung für die Intaktheit des Nierenfilters benötigt. Störungen in der Signaltransduktion resultieren in der Entstehung einer Proteinurie (Hartleben B, J Biol Chem 283:23030-23038, 2008; Jones N, Nature 440:818-823, 2006). Die Schlitzmembran fungiert also als die Signaltransduktionsplattform des Podozyten (Benzing T, J Am Soc Nephrol 15:1382-1391, 2004; Huber TB, Curr Opin Nephrol Hypertens 14:211-216, 2005).

Kurze Zeit nach der Klonierung von Nephrin wurde durch Positionsklonierung mit NPHS2 ein Gen identifiziert, dessen Mutationen Ursache einer familiären Form der fokal-segmentalen Glomerulosklerose (FSGS) sind (Boute N, Nat Genet 24:349-354, 2000). Es ist nun klar, dass NPHS2-Mutationen nicht nur für familiäre Formen der FSGS, sondern auch häufig für sporadische Steroid-refraktäre nephrotische Syndrome beim Kind verantwortlich sind. NPHS2 kodiert für das Protein Podocin, welches ausschließlich in Podozyten exprimiert wird und an der Schlitzmembran zusammen mit Nephrin die Signalübertragung steuert (Huber TB, J Biol Chem 276:41543-41546, 2001; Huber TB, Hum Mol Genet 12:3397-3405, 2003). Neben Podocin und Nephrin konnten weitere Schlitzmembranproteine identifiziert werden, deren Mutationen zu kongenitalen oder frühkindlichen Formen des nephrotischen Syndroms führen oder im Mausmodell ähnliche Phänotypen hervorrufen, beispielsweise das mit Nephrin interagierende Adaptermolekül CD2AP (Shih NY, Science 286:312-315, 1999) oder die Gruppe der Neph-Proteine, die mit Nephrin strukturell verwandt sind und an der Schlitzmembran interagieren (Donoviel DB, Mol Cell Biol 21:4829-4836, 2001; Gerke P, J Am Soc Nephrol 16:1693-1702, 2005).
Mutationen im Ionenkanal TrpC6, der wiederum mit Podocin interagiert, führen zu einer milderen Form der FSGS beim Erwachsenen (Reiser J, Nat Genet 37:739-744, 2005; Winn MP, Science 308:1801-1804, 2005). Daraus resultiert die Vorstellung, dass alle diese Proteine an der Schlitzmembran in einem gemeinsamen Signaltransduktions-Komplex vorliegen (Schermer B, J Am Soc Nephrol 20:473-478, 2009).

Was aber ist die funktionelle Bedeutung dieses Podocin-Nephrin- Proteinkomplexes?

Hier gab es einen richtungsweisenden Hinweis aus dem Modellorganismus Caenorhabditis elegans: Interessanterweise gibt es im Wurm ein homologes Protein zu Podocin, dessen biologische Funktion partiell bekannt war: Dieses Protein, MEC-2, ist Teil eines neuronalen Multiproteinkomplexes, der Mechanosensation im Wurm vermittelt (Goodman MB, Nature 415:1039-1042, 2002; Huang M, Nature 378:292-295, 1995) und dem Wurm ermöglicht, auf sanfte Berührung zu reagieren. Eine ganz ähnliche Funktion konnte nun für Podocin in der Niere gezeigt werden. Ähnlich dem MEC-2-Mechanosensorkomplex des Wurmes, der aus extrazellulären Proteinen, Membranproteinen, Ionenkanälen und zytoskeletalen Ankerproteinen besteht, ist auch der Nephrin-Podocin-Schlitzmembrankomplex aufgebaut.

Was aber ist die Rolle von MEC-2 und Podocin als zentralem Bestandteil des Komplexes?

Kürzlich konnte gezeigt werden, dass Podocin und MEC-2 jeweils große Multimere bilden und die Funktion der mit ihnen assoziierten Ionenkanäle regulieren (Huber TB, Proc Natl Acad Sci USA 103:17079-17086, 2006). Beide Proteine binden dabei an Cholesterin der Plasmamembran und bewirken, dass die Lipidzusammensetzung der Plasmamembran in der Umgebung des Proteinkomplexes verändert wird.

Weil MEC-2/Podocin Cholesterin und wohl weitere Lipide und Steroide binden und weil diese Lipidbindung zur Regulation von Ionenkanälen nötig ist, wird vermutet, dass eine Änderung der Lipidzusammensetzung der Plasmamembran an der Schlitzmembran bei Störungen der glomerulären Filtration von Bedeutung sein und ein mögliches therapeutisches Ziel darstellen könnte (Huber TB, Nephron Exp Nephrol 106:e27-31, 2007). Aufgrund der Ähnlichkeit von Cholesterin und Glucocortikoiden könnte man spekulieren, ob die bei der Behandlung mancher Formen des nephrotischen Syndroms hoch wirksamen Steroide eine direkte Wirkung auf den Schlitzmembrankomplex ausüben. Diese Hypothese wird dadurch unterstützt, dass der genetische Ausfall von Podocin zu einer Steroid-refraktären FSGS führt (Boute N, Nat Genet 24:349-354, 2000). Ob aber Podocin tatsächlich als Rezeptor für Steroide dient, ist Gegenstand laufender experimenteller Arbeiten.

Dass das Mechanosensorprotein MEC-2 und das Schlitzmembranprotein Podocin neben der Homologie auch biochemisch-funktionelle Übereinstimmungen aufweisen und dass alle für einen Mechanosensor nötigen Komponenten an der Schlitzmembran vertreten sind, erlaubt die Hypothese, die Schlitzmembran könne ebenfalls als Mechanosensor fungieren (Huber TB, Nephron Exp Nephrol 106: e27-31, 2007).  Diese Hypothese, welche Gegenstand intensiver Forschung ist, wirft zwei Kardinalfragen auf: Was wird durch den Mechanosensor gemessen und was ist der Effektor, also die rückgekoppelte Stellgröße? Als Messgröße erscheinen der Perfusionsdruck in der glomerulären Kapillare und damit Scher- und Zugkräfte durch die Verankerung der Schlitzmembran auf beiden Seiten des Filtrationsschlitzes genauso möglich wie die mechanische Ablenkung der Schlitzmembran durch das Ultrafiltrat. Die Fußfortsätze, mit denen Podozyten die gesamte glomeruläre Kapillare umschließen, enthalten ein hochdynamisch reguliertes, Aktin-basiertes Zytoskelett, das aus dem kortikalen Aktinnetzwerk und zentral angeordneten kontraktilen Aktin-Bündeln  besteht (Faul C, Trends Cell Biol 17:428-437, 2007). Auch wenn noch hoch spekulativ, könnte ein mechanisch ausgelöster Kalziumionen-Einstrom am Mechanosensor, also an der Schlitzmembran, die Dynamik der kontraktilen Aktin/Myosinfasern beeinflussen und so zu Änderungen der Morphologie, der Form und Länge von Podozytenfußfortsätzen führen. Dies könnte wiederum auf die glomeruläre Filtrationsfläche, auf die Permeabilität des Filters oder sogar auf die Hämodynamik in der unterliegenden glomerulären Kapillare Auswirkungen haben.

Die Schlitzmembran erscheint heute also als komplexe Struktur, der weit mehr Funktionen zukommen, als die einer passiv-mechanischen Barriere. Auf dieser Erkenntnis fußt die Erwartung, dass ein detailliertes Verständnis der molekularen Details der Funktion der Schlitzmembran in der Zukunft zu neuen, wirkungsvollen therapeutischen Konzepten der Behandlung proteinurischer Nierenerkrankungen führen wird.

PD Dr. Bernhard Schermer
Prof. Dr. Thomas Benzing
Klinik IV für Innere Medizin
Univ.-Klinik Köln
thomas.benzing@uk-koeln.de