Untersuchungen zur Funktion des Intermediarfilamentproteins Vimentin <i>in vivo</i>

Abstract

Vimentin ist ein Intermediarfilament-Protein (IF) und wird in unterschiedlich differenzierten Zellen mesenchymalen Ursprungs exprimiert. Zudem ist Vimentin das Haupt-IF im Epithel und den kortikalen Faserzellen der Linse. Mit GFAP bildet Vimentin das Zytoskelett der Gliazellen der Retina und des ZNS. Neben seinem Beitrag zur mechanischen Integrität der Zelle wird für Vimentin eine Funktion im Lipidmetabolismus, in der Stressantwort, bei Apoptose und im Vesikeltransport postuliert. <br /> Überraschenderweise entwickeln Vimentin defiziente Mäuse ohne Stressinduktion, jedoch keinen offensichtlichen Phänotyp, was möglicherweise seine Ursache in kompensatorischen Effekten anderer IF-Proteine hat. Die spezielle Funktion von Vimentin in der Entwicklung und in Geweben ist dadurch in vivo noch weitgehend unverstanden. In dieser Arbeit konnte durch substöchiometrische, gewebespezifische Expression einer dominant negativen Vimentin Mutante gezeigt werden, dass Vimentin eine bedeutende Rolle für die Integrität der Linse hat und die Expression von GFAP auf transkriptioneller Ebene indirekt moduliert. <br /> In der Linse verursachte die Aggregation des Vimentin Proteins eine Zunahme der Faserzellgröße und führte zu Einfaltungen der Plasmamembranen. Als endgültige Pathologie entwickelten die mutiertes Vimentin exprimierenden Mäuse einen posterioren Katarakt. Dies ordnet Vimentin, und nicht den linsenspezifischen IF-Proteinen CP49 und Filensin, die Hauptrolle in der Erhaltung der Linsenintegrität zu. <br /> Im Laufe der Differenzierung der Linsenfaser werden die Vimentin Aggregate degradiert, was durch erhöhte Expression von dem Chaperonen Hsp70, Ubiquitinierung und erhöhter Proteasomenaktivität begleitet wird und den Aggregat-Abbauweg darstellt. In den Astrogliazellen der Retina und in Linsenepithelzellen löste die Expression von mutiertem Vimentin die vermehrte Expression von GFAP auf transkriptioneller und Proteinebene aus. Die erhöhte Expression von GFAP wird durch die Aktivierung des Transkriptionsfaktors Stat3 durch Relokalisation in den Kern der Gliazellen induziert. Dies deutet eine Aktivierung der Astroglia als Stressantwort auf mutiertes Vimentin in diesen Zellen an, die analog zu intrazellulären Prozessen in der reaktiven Gliose steht und beschreibt zum ersten Mal einen Mechanismus, in dem ein mutiertes Zytoskelettprotein zu Veränderung der Genexpression beiträgt. <br /> Zusammengefasst postulieren die in dieser Arbeit erstellten Ergebnisse eine Beteiligung von Vimentin an genetisch bedingten humanen Katarakt- und Retinaerkrankungen.

<strong>Novel <i>in vivo</i> function of vimentin</strong><br /> Vimentin is the major cytoskeletal protein of mesenchyme. Remarkably, vimentin-deficient mice develop only subtle defects. Here, we investigated vimentin function by expressing a point-mutated gene (VimR113C) in transgenic mice. Low amounts of VimR113C disrupted the vimentin network without consequences for embryogenesis and tissue homeostasis. In lens fiber cells, VimR113C formed aggregates and a posterior cataract, suggesting a major role during fiber cell extension. Central, postmitotic fibers became depleted of aggregates, demonstrating the transient nature of protein aggregates. This process was mediated by upregulation of Hsp70, ubiquitination and increased proteasome activity. In retinal glial cells and the lens epithelium, VimR113C caused a strong upregulation of GFAP-mRNA and protein, indicating that it is sufficient to induce reactive gliosis. Of note, GFAP upregulation was mediated by nuclear translocation of STAT3 in Müller glial cells. This provides a mechanistic link between mutations in a cytoskeletal protein and changes in gene expression. We hypothesize that vimentin mutations may cause cataracts and retinal degeneration in humans.