Charakterisierung der Struktur, Funktion und Wechselwirkungen der Tight Junction Proteine Occludin und Zonula Occludens 1

Abstract

Die tight junction schränken die Diffusion durch den parazellulären Raum in Epithel- und Endothelzellschichten für viele Moleküle stark ein. Dadurch behindern sie die Aufnahme von wasserlöslichen Medikamenten in das dahinterliegende Gewebe. Zwei Proteine, die am tight junction Aufbau mitwirken, sind Zonula Occludens Protein 1 (ZO-1) und Occludin. Eine Öffnung der tight junctions stellt eine Möglichkeit für die Verabreichung von Medikamenten dar. Deshalb wurden die tight junction Proteine ZO-1 und Occludin auf ihre Funktion, Struktur und Regulation untersucht. Für die Interaktion beider Proteine gab es ein Modell, welches eine Oligomerisierung der Bindungspartner als Voraussetzung ihrer Interaktion über helikale Wechselwirkungen vorhersagte. Die Annahmen aus dem Modell der Interaktion von ZO-1 und Occludin konnten experimentell bestätigt werden. Für den C-Terminus von Occludin wurde darüber hinaus eine Interaktion über Disulfidbrücken nachgewiesen. Diese Interaktion könnte in der Zelle von pathologischer Bedeutung bei Schlaganfall und Ischchämie sein. Beide Erkrankungen verursachen eine Öffnung der tight junction im Zusammenhang mit oxidativem Stress. ZO-1 bindet über PDZ Domänen eine Vielzahl von tight junction Proteinen, die an der Abdichtung des parazellulären Raums beteiligt sind. Deshalb wurde die Interaktion und Regulation der PDZ-Domänen aus ZO-1 untersucht. Eine Phosphorylierung der PDZ durch die Proteinkinase C alpha sowie eine Interaktion mit den Phosphatasen 2A und 4 konnte nachgewiesen werden. In vitro konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung der PDZ-Domänen die Bindung an Membranproteine der tight junction beeinflusst. Diese Arbeit leistet einen Beitrag, die Mechanismen, die zum Verschluss des parazellulären Spaltes führen, aufzuklären. Damit zeigt sie Ansatzpunkte für eine pharmakologische Beeinflussung der Permeabilität der tight junction auf.Tight junctions restrict diffusion through the paracellular gap in endothelia and epithelia. Thereby they constrain the uptake of water soluble drugs to the tissue. Zonula occludens protein 1 (ZO-1) and occludin are some of proteins involved in tight junction assembly. The opening of tight junctions is a possibility to apply drugs. Therefore the structure, function and regulation of ZO-1 and occludin is characterised. In previous studies, a model predicted the interaction of occludin and ZO-1 through helices. It was proposed that the interaction is mediated by oligomers of ZO-1 and Occludin. This author´s experimental research supports these hypotheses. Furthermore, occludin is shown to self assemble via disulfide bridges. This interaction could be of importance during stroke and ischemia. Both diseases cause the opening of tight junctions in combination with oxidative stress. In addition, this author investigated the interaction and regulation of the PDZ domains of ZO-1. It was shown that the PDZ domains are phosphorylated by protein kinase C alpha and interact with protein phosphatases 2A and 4. Phosphorylation led to a reduction in affinity of PDZ to membrane proteins in vitro. This thesis contributes to the understanding of the mechanisms which are involved in the sealing of the paracellular gap