Caldesmon (CaD) ist bereits Anfang der 80iger Jahre des letzten Jahrhunderts als Bestandteil des kontraktilen Apparats der glatten Muskulatur entdeckt worden, wurde aber später in nahezu allen Zellen des Organismus nachgewiesen. Umfangreiche in vitro-Experimente legten die Vermutung nahe, dass Caldesmon eine wichtige Rolle bei so diversen Zellfunktionen wie der Regulation der Kontraktion der glatten Muskulatur von Blutgefäßen und inneren Hohlorganen (z.B. der Harnblase), der Zellmigration und der Zytokinese spielt. Trotz der umfangreichen Charakterisierung der biochemischen Eigenschaften von Caldesmon war die in vivo Funktion jedoch bis heute unklar.

Die Physiologen um Gabriele Pfitzer, Mechthild Schroeter, Manuel Koch und Wolfram Neiss aus den Instituten für Vegetative Physiologie, für experimentelle Zahnmedizin und orale muskuloskeletale Biologie und Anatomie I erstellten deshalb ein Caldesmon knock-out Mausmodell. Da die Aufklärung der Regulation des Tonus der sogenannten glatten Muskulatur, die wesentlich komplexer ist als die der Skelettmuskulatur, seit vielen Jahren im Zentrum des Forschungsinteresses von Gabriele Pfitzer und ihrer Arbeitsgruppe steht, war das primäre Ziel, die in vivo Rolle von Caldesmon für die Regulation des glattmuskulären Tonus zu untersuchen. Da die Deletionsmutante perinatal, d.h. um die Geburt, letal war, untersuchten die Forscher:innen den Effekt der Deletion von Caldesmon auf die Biomechanik der fötalen Harnblase und Aorta gegen Ende der Schwangerschaft (Gestationsalter E18.5). Zusammengefasst ergaben die Ergebnisse, dass Caldesmon in vivo in der glatten Muskulatur eine duale Funktion hat. Erstens wirkt es wie eine molekulare Bremse auf den Kontraktionsmechanismus, dadurch können unerwünschte Kontraktionen z.B. des Uterus in der Frühschwangerschaft unterdrückt werden. Zweitens stabilisiert es als Strukturprotein die Myosin- und Aktinfilamente, d.h. den kontraktilen Apparat der glatten Muskelzellen, was eine wichtige Voraussetzung für eine optimale Kraftentwicklung ist. Diese Ergebnisse passen sehr gut zu den bekannten biochemischen Eigenschaften von Caldesmon.

Der völlig unerwartete und neue Befund war jedoch, dass alle homozygoten (reinerbigen) Föten am Ende der normalen Trächtigkeit als einzigem makroskopischen Phänotyp einen sehr großen Nabelbruch (Omphalozele) aufwiesen. Dieser Phänotyp konnte auf der Basis der umfassenden in vitro Daten nicht vorhergesagt werden. Eher hätten die Wissenschaftler:innen erwartet, dass aufgrund einer gestörten Zellmigration die Deletion von Caldesmon möglicherweise bereits in der frühen Embryonalperiode letal ist. Die Omphalozele, in der sich Teile des Darms und der Leber befanden, ist die wahrscheinliche Ursache für die perinatale Letalität, der Sterblichkeit um die Geburt. Während der Entwicklung der Maus, aber auch des Menschen, ist der Nabelbruch, in dem der Darm außerhalb der Bauchhöhle wächst, in der Frühschwangerschaft physiologisch. Später wird der Darm in die Bauchhöhle zurückverlagert und die Bauchwand verschließt sich, was in der Maus spätestens am Tag 16.5 der vorgeburtlichen Entwicklung abgeschlossen ist. Der zu Grunde liegende Prozess wird bis heute nicht verstanden. Mit der Arbeit der Gruppe um Gabriele Pfitzer wurde nun erstmals nachgewiesen, dass Caldesmon in diesem hoch komplexen Geschehen unverzichtbar ist. Als mögliche Ursache für den fehlenden Verschluss der Bauchwand fanden Sandra Pütz et al., dass die Muskulatur der Bauchwand in den Caldesmon-defizienten Föten unterentwickelt ist. Sie glauben aber nicht, dass dies die alleinige Ursache für die Omphalozele ist. Interessanterweise wurde, während die Arbeit von Sandra Pütz et al. in Druck war, von einer anderen Forschergruppe gezeigt, dass das Caldesmon-(Cald1-) Gen ein Risikogen für die Entwicklung einer Omphalozele beim Menschen ist (Wei et. al. 2021).

Diese umfassende Arbeit wäre laut Gabriele Pfitzer nicht möglich gewesen ohne die hervorragende Zusammenarbeit mit den Wissenschaftler:innen in den beteiligten Instituten, die Unterstützung der Direktorin des Instituts für Vegetative Physiologie, Frau Univ.-Prof. Dr. Tatiana Korotkova, und des Direktors des Institut für Neurophysiologie, Herr Univ.-Prof. Dr. Jürgen Hescheler, sowie die exzellente Betreuung der Cald1-Knock-out Maus-Linie durch die hoch engagierten Tierpflegerinnen und Tierpfleger. Die Arbeit zeigt auch, dass Proteine in dem komplexen System eines Organismus völlig unbekannte Funktionen einnehmen können, die durch in vitro Experimente nicht vorhergesagt und nur in Tiermodellen gefunden werden können.

Publikation:

Pütz S, Barthel LS, Frohn M, Metzler D, Barham M, Pryymachuk G, Trunschke O, Lubomirov LT, Hescheler J, Chalovich JM, Neiss WF, Koch M, Schroeter MM, Pfitzer G.
Caldesmon ablation in mice causes umbilical herniation and alters contractility of fetal urinary bladder smooth muscle.J Gen Physiol. 2021 Jul 5;153(7):e202012776. doi: 10.1085/jgp.202012776. Epub 2021 Jun 11

Kontakt:

Prof. (em) Dr. Gabriele Pfitzer
Zentrum für Physiologie und Pathophysiologie
Robert-Koch-Str. 31
50931 Köln
Tel. 0171-3460647
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