Analyse der molekularen Kontrolle der Entwicklung des Urothels

Abstract

Das Urothel, die epitheliale Auskleidung der Organe des Harnsystems der Säugetiere, stellt eine impermeable Barriere zwischen dem hypertonischen Urin und dem unterliegenden Gewebe dar. Diese Funktion wird durch einen stratifizierten, drei- bis vierschichtigen Aufbau aus einer Schicht Basalzellen (KRT5+, ΔNP63+, UPK1B-), ein bis zwei Schichten intermediärer Zellen (KRT5-, ΔNP63+, UPK1Bschwach) sowie einer Schicht luminal gelegener Schirmzellen (KRT5-, ΔNP63-, UPK1B+) vermittelt. Dieser komplexe Gewebeaufbau entsteht während der Embryonalentwicklung aus einschichtigen, undifferenzierten Vorläufergeweben, im Falle der Blase dem ektodermalen Epithel des Sinus urogenitalis und im Falle des Ureters dem mesodermalen Epithel der distalen Knospe des Ureters. Molekulare Untersuchungen zeigten, dass die Stratifizierung des Urothels von Blase und Ureter durch den Transkriptionsfaktor ΔNP63 reguliert wird. Die Differenzierung urothelialer Schirmzellen in der Blase hängt von den Transkriptionsfaktoren KLF5, FOXA1, GATA3, ELF3, GRHL3 und IRF1 ab. Signalwege oder Transkriptionsfaktoren, welche die embryonale Differenzierung von Basal- und Intermediärzellen im Blasenurothel regulieren, wurden bis zum heutigen Tag jedoch nicht beschrieben. Im Ureter wird die urotheliale Differenzierung und Stratifizierung durch eine SHH-BMP4-Signalkaskade kontrolliert. Wie diese Signalachse reguliert wird und auf welche Effektoren sie einwirkt, ist jedoch ebenfalls unverstanden. In dieser Arbeit wurden die Funktion des fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2)-vermittelten Signalwegs und der beiden nahe verwandten T-Box Transkriptionsfaktoren TBX2 und TBX3 durch konditionelle genetische Inaktivierungen in der Entwicklung des Urothels des Ureters bzw. der Blase in der Maus untersucht. Fgfr2 wird im undifferenzierten Ureterepithel an Embryonaltag (E) 12,5 transient exprimiert. Konditionelle genetische Verlustmutanten von Fgfr2 (Pax2-cre/+;Fgfr2fl/fl) zeigten bei der Geburt ein einschichtiges nur aus differenzierten Schirmzellen bestehendes Urothel im Ureter. Analysen früherer embryonaler Stadien ergaben, dass die Expression von ΔNP63 nicht aktiviert wurde, keine Stratifizierung stattfand und Basalzellen im Ureterepithel nicht differenzierten. Die Proliferation des undifferenzierten Epithels des Ureters war signifikant reduziert, die Apoptose im äußeren Mesenchym des Ureters erhöht. Molekulare Analysen zeigten eine verringerte Expression von Shh im Epithel des Ureters bei E12,5 und E14,5 und in der Folge eine reduzierte Aktivität des SHH-Signalwegs im umgebenden Mesenchym. Zusätzlich fand sich eine erniedrigte Aktivität des Retinsäure (RA)- und des BMP4-Signalwegs im undifferenzierten Ureterepithel. Die beiden T-box Transkriptionsfaktoren TBX2 und TBX3 wurden in früheren Arbeiten als wichtige Musterungs- und Differenzierungsregulatoren in verschiedenen embryonalen Kontexten charakterisiert. Im Urogenitalsystem fand sich eine starke Expression beider Proteine im Urothel der Blase und des Ureters von E12,5 bis E18,5. Die konditionelle Inaktivierung der beiden Gene (Shhcre/+;Tbx2fl/fl;Tbx3fl/fl, Tbx2/3kDKO) führte zum Verlust von Intermediär- und Basalzellen im ventralen Blasenurothel bei E18,5. Auch hier zeigte sich ein Verlust der ΔNP63 Expression. Molekulare Untersuchungen belegten eine normale Aktivität der SHH- WNT- und RA-Signalwege, aber eine ektopische Aktivierung des BMP-Signalwegs im Urothel als Folge der Tbx2/3-Inaktivierung. Diese Arbeit trägt zu einem detaillierteren Verständnis der molekularen Mechanismen der embryonalen Differenzierung des Urothels bei. Es konnte gezeigt werden, dass FGFR2 und TBX2/3 notwendig sind für die Expression von ΔNP63 und in Folge dessen die Differenzierung von urothelialen Basal- und Intermediärzellen. Molekulare Analysen belegen, dass diese Faktoren ihre Wirkung auf die Differenzierung des Urothels unabhängig voneinander durch die Regulation der SHH-BMP-Signalachse ausüben. Darüber hinaus konnte belegt werden, dass die Differenzierung urothelialer Schirmzellen unabhängig von einer ΔNP63-positiven Vorläuferpopulation abläuft und möglicherweise durch eine Kombination von BMP- und Retinsäuresignalen reguliert wird.