Claudine

Bedeutung und Grundfunktion

Claudine sind Proteine und der wichtigste Bestandteil von Tight junctions. Tight junctions sind Zellverbindungen in Deckgeweben, den Epithelien. Epithelien bedecken Körperoberflächen vielzelliger Tiere und begrenzen außerdem das Lumen, also den Innenraum, von Organen.

Claudine verschließen die Zwischenräume zwischen benachbarten Zellen. Dadurch kontrollieren sie den Stofffluss auf dem parazellulären Weg, also durch den Zellzwischenraum statt durch die Zellen hindurch. Diese parazelluläre Barriere verhindert, dass Ionen und Moleküle Organe frei passieren. Sie ist nötig, um unterschiedliche Bedingungen in einzelnen Kompartimenten aufrechtzuerhalten, beispielsweise pH-Werte von 1 bis 2 im Magen.

Viele Claudine dichten vor allem ab. Andere bilden parazelluläre Kanäle. Es gibt kationen-selektive Claudine, die bevorzugt positiv geladene Ionen passieren lassen, etwa Claudin 2, 10b und 15, sowie anionen-selektive Claudine, etwa Claudin 10b und 17. Claudin 2 und 15 sind außerdem wasserdurchlässig.

Struktur der Claudine

Claudine sind kleine Transmembranproteine mit einer Größe von 20–27 Kilodalton (kDa). Sie kommen in vielen Organismen vor und sind vom Fadenwurm Caenorhabditis elegans bis zum Menschen in ihrem Aufbau ähnlich, also konserviert. Auf DNA-Sequenzebene ist diese Konservierung jedoch nicht sehr hoch.

Jedes Claudin durchspannt die Zellmembran viermal und gehört damit zu den Tetraspaninen. Sein N-Terminus und sein C-Terminus liegen im Cytoplasma. Es besitzt zwei extrazelluläre Schleifen, also Bereiche außerhalb der Zelle: Die erste Schleife umfasst durchschnittlich 53 Aminosäuren, die zweite durchschnittlich 24 Aminosäuren. Der N-Terminus ist meist 4–10 Aminosäuren lang, der C-Terminus ist mit 21–63 Aminosäuren stärker variabel.

In der ersten extrazellulären Schleife liegt bei allen Claudinen das Aminosäuremotiv W-GLW-C-C. Es wird vermutet, dass zwischen diesen Cysteinen innerhalb eines Claudins oder zwischen verschiedenen Claudinen Disulfidbrücken entstehen. Besonders stark konserviert sind die Transmembrandomänen; am variabelsten ist der C-Terminus. Mit Ausnahme von Claudin 12 besitzen alle humanen Claudine am C-Terminus ein PDZ-Bindemotiv. Damit können sie an Proteine mit PDZ-Domänen binden. Der C-Terminus wird außerdem für die Lokalisation der Claudin-Moleküle in Tight junctions benötigt.

Bisher wurden 27 humane Claudine identifiziert und als Claudin 1 bis Claudin 27 bezeichnet. Ihre Gene liegen nicht gemeinsam in einem Cluster, sondern verteilt auf verschiedenen Chromosomen.

Expression und Eigenschaften der Barriere

Die Genaktivität von Claudinen wurde unter anderem bei Maus, Caenorhabditis elegans, Zebrafisch, Drosophila melanogaster und teilweise beim Menschen untersucht. Für jedes der 24 bekannten Claudine wird ein spezifisches Expressionsmuster beschrieben. Die Kombination der Claudine, die ein Epithel bildet, bestimmt, wie dicht seine parazelluläre Barriere ist und welche Stoffe sie passieren können.

Claudine unterscheiden sich vermutlich in ihrer Ladungsselektivität und Größenselektivität. Ladungsselektivität bedeutet, welche elektrisch geladenen Teilchen bevorzugt passieren; Größenselektivität bezeichnet die Begrenzung nach Molekülgröße. Manche Claudine werden ubiquitär, also in fast allen epithelialen Geweben, exprimiert, beispielsweise Claudin 1. Andere sind stark spezialisiert: Claudin 16 kommt ausschließlich im ansteigenden Teil der henleschen Schleife vor. Claudin 6 wird bei Mäusen nur während der Embryogenese exprimiert.

Wie Claudine die Tight junctions auf molekularer Ebene genau aufbauen, ist noch nicht vollständig geklärt. In Zellkulturen können sie homophile Bindungen zwischen gleichen Claudinen und spezifische heterophile Bindungen zwischen unterschiedlichen Claudinen eingehen. Beispielsweise bilden Claudin 1 und Claudin 3 sowie Claudin 2 und Claudin 3 Tight-junction-artige Strukturen, Claudin 1 und Claudin 2 dagegen nicht.

Ein Modell nimmt an, dass Claudine wässrige Poren bilden. Diese lassen abhängig von der Claudin-Art bestimmte Ionen und Moleküle bis zu einer bestimmten Größe durch. Geladene Aminosäurereste in der ersten extrazellulären Schleife bestimmen diese Eigenschaften; sie sind calciumunabhängig. In Mutagenese-Experimenten führte die Umkehr der Ladung bestimmter Reste dieser Schleife zur Umkehr der Ladungsselektivität der Barriere. Gemessen wird die Barriere über den TER, den transepithelial electrical resistance beziehungsweise transepithelialen Widerstand.

Einordnung und Entdeckung

Die Pfam-Proteindatenbank des Sanger-Institutes in Cambridge, England, ordnet Claudine in die PMP22/EMP/MP20/Claudin-Superfamilie (pfam00822) ein. Diese umfasst etwa 450 Proteine verschiedener Spezies mit ähnlicher Struktur. Für einige dieser Proteine sind jedoch andere Funktionen als für die eigentlichen Claudine beschrieben.

Anfang der 1990er Jahre identifizierte die Forschungsgruppe um Mikio Furuse und Shoichiro Tsukita an der Universität Kyoto Occludin als erstes integrales Membranprotein der Tight junction. Da Zellen ohne Occludin weiterhin Tight-junction-Stränge bilden können, ist Occludin nicht für Bildung und Aufrechterhaltung der parazellulären Barriere verantwortlich. Dieselbe Gruppe entdeckte später die für die Ausbildung der Tight junctions zuständigen Proteine und nannte sie 1998 Claudine.

Claudine wurden auch bei Arten gefunden, deren Epithelien keine Tight junctions, sondern die analogen Septate junctions besitzen, beispielsweise bei Caenorhabditis elegans und Drosophila melanogaster. Ihre Bedeutung als Kernkomponenten der Tight junctions macht ihre gezielte Beeinflussung unter anderem für die Überwindung der Blut-Hirn-Schranke bei der medikamentösen Behandlung von Hirntumoren interessant.

Assoziierte Krankheiten und Folgen von Defekten

Veränderungen von Claudinen können Krankheiten verursachen oder mit ihnen verbunden sein. Claudin 3 und Claudin 4 sind Rezeptoren für das Clostridium-perfringens-Enterotoxin (CPE). Bindet CPE an eines dieser Claudine, werden Zellen, die Claudin 3 oder 4 exprimieren, innerhalb von zehn bis zwanzig Minuten lysiert. Die Schädigung des Darmepithels äußert sich als schwerer Durchfall.

Mutationen in Claudin 16, auch Paracellin genannt, führen zu erhöhter Calciumausscheidung im Harn (Hyperkalzurie) und zu einem verminderten Magnesiumgehalt des Blutes (Hypomagnesiämie). Mutationen von Claudin 14, die einen verschobenen Offenen Leserahmen oder ein Stopcodon erzeugen, verursachen in zwei pakistanischen Familien rezessive Taubheit. Bei Mausmutanten fehlen bei Verlust von Claudin 14 die Haarzellen des Innenohrs durch Degeneration; Nieren- und Leberfunktion erscheinen dagegen normal. Die Tight-junction-Stränge und die Zellpolarität des Epithels bleiben dabei erhalten. Als vermutete Ursache der Haarzelldegeneration werden zu hohe Kalium-Konzentrationen während der frühen Hörentwicklung genannt.

Claudin 11 wird hauptsächlich im Myelin des Zentralen Nervensystems und im Hoden exprimiert. Mausmutanten zeigen verzögerte Reizweiterleitung, geschwächte Hinterbeine und bei Männchen Sterilität. In ihrem ZNS-Myelin und in Sertoli-Zellen fehlen Tight junctions; die Blut-Hoden-Schranke ist defekt. Claudin 19 bildet in Schwannschen Zellen des peripheren Nervensystems Tight-junction-ähnliche Strukturen. Bei Mäusen mit einer Deletion im genomischen Bereich von Claudin 19 fehlen diese Strukturen, die Reizweiterleitung ist gestört und der Bewegungsapparat beeinträchtigt.

Mäuse ohne Claudin 1 sterben wenige Stunden nach der Geburt durch Austrocknung; beim Menschen führt eine Claudin-1-Mutation zu schweren Hautveränderungen. Fehlt Claudin 5, wird die Blut-Hirn-Schranke für kleinere Moleküle durchlässig. Eine Überexpression von Claudin 6 verursacht eine Fehlfunktion der Epidermis.

Diese Beispiele unterscheiden weitgehend ubiquitär exprimierte „housekeeping“-Claudine, die Grundfunktionen beim Aufbau der Tight-junction-Bänder übernehmen, von spezialisierten Claudinen. Letztere werden nur in bestimmten Geweben exprimiert oder erfüllen nicht in jedem Gewebe, in dem sie vorkommen, eine essenzielle Funktion.