Die Bedeutung von Ostm1 als essentielle beta-Untereinheit von ClC-7 für die Knochenresorption und lysosomale Funktion in Maus und Mensch

Abstract

Die CLC-Proteine bilden eine Familie von Chloridkanälen und -transportern. ClC-7, ein Mitglied dieser Familie, ist ubiquitär exprimiert und lokalisiert auf späten Endosomen und Lysosomen. Mutationen in ClC-7 führen zu Osteopetrose und lysosomaler Speicherkrankheit in Maus und Mensch. ClC-7 Knockoutmäuse zeigen lysosomales Speichermaterial in Neuronen und Zellen des proximalen Tubulus der Niere. Die Mäuse sind aufgrund einer Retinadegeneration blind und sterben früh an der fortschreitenden Neurodegeneration und schweren Osteopetrose. Mutationen in dem Gen Ostm1, das für ein Typ-I-Transmembranprotein unbekannter Funktion kodiert, führen ebenfalls zu einer schweren Osteopetrose. In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass ClC-7 und Ostm1 in späten Endosomen und Lysosomen verschiedener Gewebe, sowie der ruffled border knochenresorbierender Osteoklasten kolokalisieren. Koimmunopräzipitationen zeigen, dass ClC-7 und Ostm1 einen molekularen Komplex bilden und legen nahe, dass es sich bei Ostm1 um eine beta-Untereinheit von ClC-7 handelt. Ostm1 benötigt ClC-7 um Lysosomen zu erreichen, während die Zielsteuerung von ClC-7 nicht Ostm1-abhängig ist. Der luminale Abschnitt von Ostm1 ist hoch glykosyliert und wird von lysosomalen Proteasen gespalten. Durch die Analyse Ostm1-defizienter grey-lethal Mäuse konnte ich zeigen, dass die ClC-7 Proteinmenge in Geweben, wie Gehirn, Leber, Niere und Knochen ebenso wie in Osteoklasten auf unter 10% der normalen Menge reduziert ist. Es liegt nahe, dass die Interaktion von Ostm1 und ClC-7 wichtig für die Proteinstabilität ist. Der von Mutationen in Ostm1 verursachten Osteopetrose liegt somit wahrscheinlich eine gestörte Ansäuerung der Resorptionslakune zugrunde, die abhängig von ClC-7 und Vorraussetzung für den Abbau von Knochen ist. Desweiteren konnte ich zeigen, dass grey-lethal Mäuse genauso wie ClC-7 Knockoutmäuse zusätzlich zu der Osteopetrose lysosomales Speichermaterial sowie eine Retina- und Neurodegeneration aufweisen. Dies deutet auf eine allgemeine Bedeutung des ClC-7/Ostm1-Komplexes hin.

The CLC proteins form a family of chloride channels and transporters. ClC-7, a member of this family, is broadly expressed and localizes to late endosomes and lysosomes where it is thought to support lysosomeal acidification. Mutations in ClC-7 cause osteopetrosis and lysosomal storage disease in humans and mice. ClC-7 knockout mice display lysosomal storage material in neurons and in the proximal tubule of the kidney. Neurons of the CNS die as a result, and the mice are blind due to a degeneration of the retina. Severe osteopetrosis is also caused by mutations in the OSTM1 gene that encodes a type I transmembrane protein with unknown function. In my thesis I could show that both ClC-7 and Ostm1 proteins co-localize in late endosomes and lysosomes of various tissues, as well as in the ruffled border of bone-resorbing osteoclasts. Co-immunoprecipitations show that ClC-7 and Ostm1 form a molecular complex and suggest that Ostm1 is a beta- subunit of ClC-7. Ostm1 needs ClC-7 to reach lysosomes, whereas ClC-7 does not require Ostm1 for trafficking. The luminal domain of Ostm1 is highly glycosylated and cleaved by endolysosomal proteases. I analyzed Ostm1-deficient grey-lethal mice and found that protein levels of ClC-7 are reduced below 10% of normal in tissues including brain, kidney and bone, as well as in osteoclasts in situ. Thus, the interaction with Ostm1 is likely important for protein stability, and Ostm1 mutations might cause osteopetrosis by impairing the acidification of the osteoclast resorption lacuna that depends on ClC-7. I could further show that grey-lethal mice, just like ClC-7 knock-out mice, display lysosomal storage, retina- and CNS neurodegeneration in addition to osteopetrosis, pointing to a more general importance of ClC-7/Ostm1 complexes.