Der organische Kationentransport im proximalen Tubulus der Niere spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase der Körperflüssigkeiten und der Ausschleusung von toxischen organischen Kationen. Der Transport von organischen Kationen wird an der Bürstensaummembran durch den H+/organische Kationen-Austauscher vermittelt, während bei dem Transport von organischen Kationen an der basolateralen Membran das nach innen gerichtete negative Membranpotential eine treibende Kraft darstellt. Durch Expressionsklonierung wurde der erste organische Kationentransporter, rOCT1, aus der Rattenniere isoliert. Kurz darauf wurde im Rahmen dieser Arbeit ein zweiter organischer Kationentransporter ebenfalls aus der Ratenniere kloniert. rOCT2 besteht aus 593 Aminosäuren und besitzt 12 putative Transmembrandomänen. Zum funktionellen Vergleich zwischen rOCT1 und rOCT2 wurde das Oozytenexpressionssystem verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein pharmakologisches Profil von rOCT2 erstellt. Das Substratsprektrum von rOCT2 ist dem von rOCT1 sehr ähnlich. Die Affinitäten von rOCT2 gegenüber verschiedenen Substanzen wurden direkt mit denen von rOCT1 verglichen. Einerseits fanden wir bei einigen Substraten Unterschiede in den Km- und Vmax-Werten, aber andererseits auch viele Ähnlichkeiten zwischen beiden Transportern. Anionen (z. B. p-Aminohippurat) wurden als neue Gruppe von Inhibitoren für den durch rOCT1- und rOCT2-vermittelten Transport identifiziert. Die Potentialdifferenz ist die treibende Kraft des rOCT1- und rOCT2-vermittelten Transportes. Wir konnten potentialabhängige Veränderungen der Km-Werte von Cholin-induzierten Einwärtsströmen zeigen. Bei dem Austausch von Na+-Ionen gegen K+-Ionen im Reaktionspuffer wurde die Aufnahme von Cholin und MPP durch rOCT2 erniedrigt. Der bidirektionale Transport von MPP wurde gezeigt und trans-Stimulationsexperimente für MPP-Influx und MPP-Efflux durchgeführt, um die Asymmetrie des Transporters zu studieren. Darüberhinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die Interaktion von verschiedenen Substraten mit rOCT1 und rOCT2 untersucht und ein kompetitver und nicht-kompetitiver Hemmtyp bei der TEA-Aufnahme gefunden. / Organic cation transport in the renal tubule is an important physiological function for the maintenance of body fluid homeostasis and detoxification of harmful organic cations. In general, transport of organic cations in brush-border membranes is mediated by the H+/organic cation antiporter, whereas transport of organic cations in basolateral membranes is stimulated by the inside-negative membrane potential. By the expression cloning method, the organic cation transporter rOCT1, which is expressed in rat liver and kidney, was isolated. In 1996 another organic cation transporter from rat kidney, rOCT2, was isolated by homology cloning. rOCT2 was deduced to be a glycoprotein comprised of 593 amino acid residues with 12 putative transmembrane domains. To analyse the functional characteristics of rOCT2 in comparison with rOCT1 we utilized the Xenopus expression system. During this dissertation a pharmacological profile was made for rOCT2. The apparent substrate spectrum of rOCT2 was similar to that of rOCT1. Affinities of rOCT2 against several compounds were directly compared with those of rOCT1. We found differences in Km- and IC50-values for distinct substrates but also a lot of similarities between both transporters. Anions like p-aminohippuric acid were identified as a new group of inhibitors for rOCT1- and rOCT2-mediated transport. The potential difference is the driving force of transport mediated by rOCT1 and rOCT2. We showed the potential-dependent changes of Km-values of choline induced inward currents. Further when extracellular Na+ ions were replaced with K+ ions, the uptake of MPP and choline by rOCT2 was decreased. The bidirectional transport of MPP was shown and trans-sitmulation experiments for MPP influx and efflux were performed to study asymmetry of the transporter. The mechanism of interaction of several substrates with rOCT1 and rOCT2 were investigated and we found competitive and non-competitive inhibition of TEA uptake.

Die Epithelzellen des renalen proximalen Tubulus resorbieren große Mengen an Wasser, Glucose und weiteren wertvollen Substanzen aus dem Primärharn, um deren Ausscheidung zu verhindern. Weiterhin sekretieren sie harnpflichtige Substanzen in den Primärharn und sind in der Lage, in die Zelle aufgenommene Substanzen enzymatisch umzusetzen. Diese Funktionen machen den renalen proximalen Tubulus zu einer wichtigen Einheit für die Nie-renfunktion. Sie führen aber auch zu einer hohen Empfindlichkeit gegenüber toxischen Effek-ten von Fremdstoffen. Daher ist ein In-vitro-Modell des renalen proximalen Tubulusepithels sowohl für die Erforschung physiologischer und pathologischer Mechanismen als auch zur Testung der Toxizität von Substanzen, insbesondere neuen Arzneimitteln, bedeutend. Ein weiteres Forschungsfeld, für das ein In-vitro-Gewebe von großem Nutzen wäre, ist die Ent-wicklung von bioartifiziellen Nierenersatzsystemen. Aufgrund Spezies-spezifischer Unterschiede, z.B. in der Expression von Transportproteinen und Enzymen, ist ein Modell mit humanen Zellen anzustreben. Bisher besteht jedoch ein Mangel an Modellen, die das renale proximale Tubulusepithel für die oben genannten An-wendungsbereiche adäquat abbilden. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb der Aufbau eines humanen In-vitro-Modells des renalen proximalen Tubulus unter Verwendung von humanen Nierenzellen (human kidney-derived cells, hKDCs), die Eigenschaften renaler Vorläuferzellen aufweisen. In Kombination mit die-sen Zellen wurden verschiedene Kultursubstrate getestet. Dabei zeigte sich, dass die Zellen sowohl in Zellkulturplatten als auch auf Kollagen-Typ-I-beschichteten Insertmembranen mehrschichtig wachsen, ohne die typische Morphologie renaler proximaler Tubuluszellen auszubilden. In einem dreidimensionalen Kollagen-Typ-I-Hydrogel bildeten die hKDCs hin-gegen tubuläre bzw. zystäre Strukturen mit einer kubischen bis hochprismatischen Morpho-logie. Da für die oben erwähnten Anwendungsbereiche jedoch eine planare Zellschicht benö-tigt wird, erfolgte die Testung weiterer biologischer Matrices. Diese waren die Small intestinal submucosa (SIS) und das Biological vascularized scaffold (BioVaSc). Beide ließen sich aus porcinem Dünndarm herstellen, wobei bei der SIS die Mucosa sowie das Mesenterium ent-fernt wurden. Bei der BioVaSc handelt es sich um ein Darmsegment mit erhaltenem Ge-fäßsystem, dass zur Perfusion genutzt wird. Nach ihrer Kultur auf der SIS wiesen die hKDCs das typische Wachstum und die charakteris-tische Morphologie des renalen proximalen Tubulusepithels auf. Dazu gehören die Kontakt-hemmung, die das einschichtige Wachstum ermöglicht, die kubisch bis hochprismatische Morphologie sowie die Bildung eines Bürstensaums an der apikalen Zellmembran. Anhand einer Kollagen-Typ-IV- und einer Alcianblau-Färbung ließ sich die Bildung einer Basalmemb-ran an der Grenze zur SIS nachweisen. Bürstensaum- und Basalmembranbildung zeigten die zelluläre Polarisierung. Weiterhin waren typische Markerproteine renaler proximaler Tu-buluszellen wie N-Cadherin und Aquaporin-1 immunhistochemisch, zum Teil deutlich stärker als bei den Ausgangszellen, nachweisbar. Dies belegt einen positiven Einfluss der extrazellu-lären Matrixkomponenten der SIS auf die Ausbildung von Charakteristika des renalen proxi-malen Tubulusepithels. Die Albuminaufnahme als spezifische Funktion war ebenfalls nach-weisbar. Die molekularen Veränderungen der hKDCs während der Kultivierung auf der SIS ließen sich weiterhin mittels Raman-Spektroskopie bestätigen. Aufgrund der starken Interak-tion zwischen Tubulusepithel und umgebenden Kapillarnetzwerk wurde weiterhin die Co-Kultur mit Endothelzellen etabliert. Für den Vergleich der hKDCs mit einer etablierten humanen Zelllinie renaler proximaler Tu-buluszellen wurde die HK-2-Zelllinie verwendet. Mit dieser Zelllinie ließen sich die Ergebnisse der hKDCs jedoch nicht reproduzieren, was auf die fehlende Sensitivität der transformierten Zelllinie auf die Substrateigenschaften zurückzuführen ist. In der dynamischen Kultur mit der BioVaSc als Matrix waren ein inhomogenes Wachstum sowie eine variierende Markerexpression zu beobachten. Die ließ sich vor allem auf den starken Einfluss der Aussaatdichte sowie die Festigkeit der Matrix zurückführen. Bei einer erfolgreichen Optimierung der Kultur kann dieses Modell jedoch für komplexere Studien in der pharmakologischen Entwicklung nützlich sein. Mit der Kombination aus hKDCs und SIS ist es gelungen, eine einzelne, durchgängige Zell-schicht zu generieren, die wichtige Charakteristika des renalen proximalen Tubulusepithels aufweist. Weitere Untersuchungen sind nun nötig, um die Funktionalität des Modells weiter-gehend zu charakterisieren (z.B. der Transport von Substanzen und Sensitivität gegenüber toxischen Substanzen). Anschließend kann es für die spezifischen Anwendungen weiterentwickelt werden. / The epithelial cells of the renal proximal tubule resorb high amounts of water, glucose and other valuable substances from the primary urine to prevent their excretion. Furthermore, they secrete metabolic waste products into the primary urine and are able to enzymatically alter absorbed substances. These functions make the renal proximal tubule an important unit for kidney function, but also lead to a high sensitivity towards toxicity of xenobiotics. There-fore, an in vitro model of the renal proximal tubular epithelium is important not only for the investigation of physiological and pathological processes, but also for toxicity testing of sub-stances, in particular, new pharmaceuticals. A further research area, for which an in vitro tis-sue would be of great value, is the development of bioartificial kidney assist devices. Due to species-specific differences, e.g. regarding the expression of transport proteins and enzymes, a model with human cells should be aimed. Until recently, there has been a lack of models that adequately simulate the renal proximal tubular epithelium for the above men-tioned fields. Therefore, the aim of this work was to develop a human in vitro model of the renal proximal tubule using human kidney-derived cells (hKDCs), which exhibit renal progenitor cell charac-teristics. Different culture substrates were tested in combination with these cells. hKDCs in cell culture plates as well as on collagen type I-coated insert membranes grew in multilayers without developing the typical morphology of renal proximal tubular cells. In contrast, in a three-dimensional collagen type I hydrogel, hKDCs formed tubular and cystic structures with a cubic to high-prismatic morphology. However, since a planar cell layer is required for the above mentioned research fields, small intestinal submucosa (SIS) and the biological vascu-larized scaffold (BioVaSc) were tested, which are both made of porcine small intestine. For SIS production, the mucosa and the mesenterium were removed, whereas the BioVaSc is a segment of the small intestine with a preserved vascular system, which can be used for per-fusion. Following their culture on the SIS, hKDCs featured the typical growth and characteristic mor-phology of the renal proximal tubule epithelium. hKDCs were contact-inhibited, which allows monolayered growth; they had a cubic to high-prismatic morphology and developed a brush border at their apical cell membrane. By collagen type IV and alcian blue staining, the for-mation of a basement membrane at the cell-matrix border was detectable. Brush border and basement membrane formation showed cellular polarization. Furthermore, marker proteins of renal proximal tubular cells such as aquaporin-1 and N-cadherin were shown by immuno-histochemistry, which were partially stronger than before SIS culture. This demonstrates a positive influence of the extracellular matrix components of the SIS on the development of characteristics of the renal proximal tubular epithelium by hKDCs. Albumin uptake as a spe-cific function was likewise detectable. The molecular changes of hKDCs during their culture on the SIS were also identified by Raman spectroscopy. Due to the strong interaction of the tubule epithelium with the peritubular capillaries, the co-culture of hKDCs with endothelial was established as well. For comparison of hKDCs with a well-established human cell line of renal proximal tubular origin, the HK-2 cell line was used. With this cell line, the results of hKDCs were not repro-ducible, which can be explained by the lacking sensitivity of the transformed cell line towards the substrate properties. In the dynamic culture with the BioVaSc scaffold, an inhomogeneous growth and a varying marker expression were observed. This was ascribed to the strong influence of the cell seed-ing density and the low matrix stiffness. If successfully optimized, this culture model can be useful for more complex studies in the pharmacological development. In summary, with the combination of hKDCs and the SIS, a single, continuous cell layer could be generated that exhibits essential characteristics of the renal proximal tubular epithelium. More studies are required to further characterize the functionality of the model (e.g. transport of substances and sensitivity towards toxic substances). Subsequently, it can be further de-veloped for specific applications.

Ulm, Univ. Diss., 2006.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

For the assessment of metabonomics techniques for the early, non-invasive detection of toxicity, the nephrotoxins gentamicin (s.c. administration of 0, 60 and 120 mg/kg bw 2x daily for 8 days), ochratoxin A (p.o. administration of 0, 21, 70 and 210 µg/kg bw 5 days/week for 90 days) and aristolochic acid (p.o. administration of 0, 0.1, 1.0 and 10 mg/kg bw for 12 days) were administered to rats and urine samples were analyzed with 1H-NMR and GC/MS. Urine samples from the InnoMed PredTox project were analyzed as well, thereby focusing on 1H-NMR analysis and bile duct necrosis as histopathological endpoint. 1H-NMR analysis used water supression with the following protocol: 1 M phosphate buffer, D2O as shift lock reagent, D4-trimethylsilyl­propionic acid as chemical shift reference, noesygppr1d pulse sequence (Bruker). For multivariate data analysis, spectral intensity was binned into 0.04 ppm wide bins. GC/MS analysis of urine was carried out after protein precipitation with methanol, drying, derivatization with methoxyamine hydrochloride in pyridine and with methyl(trimethylsilyl)­trifluoroacetamide on a DB5-MS column using EI ionization. The chromatograms were prepared for multivariate data analysis using the R-program based peak picking and alignment software XCMS version 2.4.0. Principal component analysis (PCA) to detect and visualize time-point and dose-dependent differences between treated animals and controls and orthogonal projection to latent structures discriminant analysis (OPLS-DA) for identification of potential molecular markers of toxicity was carried out using SIMCA P+ 11.5 1H-NMR-based markers were identified and quantified with the Chenomx NMR Suite, GC/MS based markers were identified using the NIST Mass Spectral Database and by co-elution with authentic reference standards. PCA of urinary metabolite profiles was able to differentiate treated animals from controls at the same time as histopathology. An advantage over classical clinical chemistry parameters regarding sensitivity could be observed in some cases. Metabonomic analysis with GC/MS and 1H-NMR revealed alterations in the urinary profile of treated animals 1 day after start of treatment with gentamicin, correlating with changes in clinical chemistry parameters and histopathology. Decreased urinary excretion of citrate, 2-oxoglutarate, hippurate, trigonelline and 3-indoxylsulfate increased excretion of 5-oxoproline, lactate, alanine and glucose were observed. Ochratoxin A treatment caused decreased excretion of citrate, 2-oxoglutarate and hippurate and and increased excretion of glucose, myo-inositol, N,N-dimethylglycine, glycine, alanine and lactate as early as 2 weeks after start of treatment with 210µg OTA/kg bw, correlating with changes in clinical chemistry parameters and histopathology. Integration of histopathology scores increased confidence in the molecular markers discovered. Aristolochic acid treatment resulted in decreased urinary excretion of citrate, 2-oxoglutarate, hippurate and creatinine as well as increased excretion of 5-oxoproline, N,N-dimethylglycine, pseudouridine and uric acid. No alterations in clinical chemistry parameters or histopathology were noted.Decreased excretion of hippurate indicates alterations in the gut microflora, an effect that is expected as pharmacological action of the aminoglycoside antibiotic gentamicin and that can also be explained by the p.o. administration of xenobiotica. Decreased Krebs cycle intermediates (citrate and 2-oxoglutarate) and increased lactate is associated with altered energy metabolism. Increased pseudouridine excretion is associated with cell proliferation and was observed with aristolochic acid and ochratoxin A, for which proliferative processes were observed with histopathology. 5-oxoproline and N,N-dimethylglycine can be associated with oxidative stress. Glucose, a marker of renal damage in clinical chemistry, was observed for all three nephrotoxins studied. Single study analysis with PCA of GC/MS chromatograms and 1H-NMR spectra of urine from 3 studies conducted within the InnoMed PredTox project showing bile duct necrosis revealed alterations in urinary profiles with the onset of changes in clinical chemistry and histopathology. Alterations were mainly decreased Krebs cycle intermediates and changes in the aromatic gut flora metabolites, an effect that may result as a secondary effect from altered bile flow. In conclusion, metabonomics techniques are able to detect toxic lesions at the same time as histopathology and clinical chemistry. The metabolites found to be altered are common to most toxicities and are not organ-specific. A mechanistic link to the observed toxicity has to be established in order to avoid confounders such as body weight loss, pharmacological effects etc. For pattern recognition purposes, large databases are necessary. / Zur Bewertung von Metabonomics-Techniken zur frühen, nicht-invasiven Erkennung von Toxizität wurde Rattenurin nach wiederholter Gabe von Nephrotoxinen mit 1H-NMR und GC/MS analysiert. Untersucht wurden Gentamicin (s.c.-Gabe von 0, 60 und 120 mg/kg Körpergewicht (KG) 2x tägl. über 8 Tage), Ochratoxin A (p.o.-Gabe von 0, 21, 70 und 210 µg/kg KG 5xl wöchentlich für 90 Tage) und Aristolochiasäure (p.o.-Gabe von 0, 0.1, 1.0 und 10 mg/kg KG über 12 Tage). Proben von 16 Studien des InnoMed PredTox Projekts wurden mit 1H-NMR auf den histopathologischen Endpunkt Gallengangnekrose (BDN) untersucht. Folgende Parameter wurden zur 1H-NMR-Analyse mit Wasserunterdrückung verwendet: 1 M Phosphatpuffer, shift lock Reagenz D2O und Referenzierung der chemischen Verschiebung auf D4-Trimethylsilyl­propionsäure, noesygppr1d-Pulssequenz (Bruker). Zur multivariaten Datenanalyse wurden die Spektren in 0.04 ppm große „bins“ unterteilt. Zur GC/MS-Analyse wurden nach Proteinfällung mit Methanol die Urinproben getrocknet und mit Methoxyaminhydrochlorid in Pyridin und Methyl(trimethylsilyl)trifluoracetamid derivatisiert und auf einer DB5-MS -Säule getrennt. Die GC/MS-Chromatogramme wurden mit dem R-Programm-basierten XCMS-Softwarepaket Version 2.4.0 zur multivariaten Datenanalyse vorbereitet. Hauptkomponentenanalyse (PCA) zur Visualisierung von zeit- und dosisabhängigen Unterschieden zwischen Kontrollen und behandelten Tieren und „orthogonal projection to latent structures“-Diskriminantenanalyse (OPLS-DA) zur Identifizierung von Toxizitätsmarkern erfolgte mit SIMCA P+11.5 Die Chenomx-NMR-Suite wurde zur Identifizierung und Quantifizierung von 1H NMR-basierten Markern verwendet; GC/MS-basierte Marker wurden mit der „NIST Mass Spectral Database“ und durch Koelution mit Referenzstandards identifiziert. PCA unterschied Kontroll- von behandelten Tieren zum gleichen Zeitpunkt wie Histopathologie. Gegenüber klinisch-chemischen Parametern war Metabonomics in einigen Fällen empfindlicher. Gentamicin induzierte nach Tag 1 erniedrigte Ausscheidung von Citrat, 2-Oxoglutarat, Hippurat, Trigonellin und 3-Indoxylsulfat Urin, sowie erhöhte Ausscheidung von Lactat, Alanin, 5-Oxoprolin und Glucose, begleitet von geringfügigen Änderungen in klinisch-chemischen Parametern. Ochratoxin A verursachte nach zwei Wochen in einzelnen Tieren eine erniedrigte Ausscheidung von Citrat, 2-Oxoglutarat und Hippurat sowie eine erhöhte Ausscheidung von Glucose, myo-Inositol, N,N-Dimethylglycin, 5-Oxoprolin, Glycin, Alanin und Lactat, korrelierend mit Veränderungen in klinisch-chemischen Parametern und in der Histopathologie. Verwendung von Histopathologiedaten in multivariaten Modellen zur Markeridentifizierung erhöhte die Konfidenz der Marker. Aristolochiasäure induzierte eine erniedrigte Ausscheidung von Citrat, 2-Oxoglutarat, Hippurat und Creatinin und eine erhöhte Ausscheidung von 5-Oxoprolin, N,N-Dimethylglycin und Pseudouridin, ohne Veränderung der klinisch-chemischen Parameter oder der Histopathologie. Erniedrigte Ausscheidung von Hippurat weist auf eine veränderte Darmmikroflora hin; für das Aminoglykosid-Antibiotikum Gentamicin ist dies ein pharmakologischer Effekt, der für die perorale Gabe von Xenobiotica zu erwarten ist. Erniedrigte Ausscheidung von Citrat und 2-Oxoglutarat und erhöhte Ausscheidung von Lactat zeigt einen veränderten Energiestoffwechsel. Erhöhte Ausscheidung von Pseudouridin ist mit Zell­proliferation assoziiert und wurde nach Gabe der Kanzerogene Ochratoxin A und Aristolochiasäure beobachtet, bei denen proliferative Prozesse in der Histopathologie gefunden wurden. 5-Oxoprolin und N,N-Dimethyl­glycin deuten auf erhöhten oxidativen Stress hin. Erhöhte Glucose im Urin, ein Parameter zur Diagnose von Nierenschäden in der klinischen Chemie, wurde in allen drei Studien mit Nephrotoxinen beobachtet. GC/MS- und 1H-NMR-Daten von InnoMed-Studien mit Gallengang­nekrosen als histopathologischen Endpunkt zeigten Veränderung im Urin zeitgleich mit klinisch-chemischen Parametern und Histopathologie; hauptsächlich erniedrigte Ausscheidung von Citratzyklusintermediaten und Veränderungen bei Darmflora-assoziierten Metaboliten, – ein Effekt, der wahrscheinlich veränderten Gallenfluss zurückzuführen ist. Metabonomics ist prinzipiell zum gleichen Zeitpunkt wie klinisch-chemische Parameter und Histopathologie zur Erkennung von toxischen Veränderungen geeignet. Die veränderten Metaboliten sind jedoch zumeist nicht organspezifisch und können mit allgemeinen Toxizitätsmechanismen, wie oxidativem Stress oder Zellproliferation, in Verbindung gebracht werden. Für die Bewertung der Ergebnisse von Metabonomics-Studien ist ein mechanistisches Verständnis der Veränderungen im Urinprofil notwendig, um eine Trennung von toxischen Effekten und solchen, die auf pharmakologische Wirkung, Körpergewichtsverlust etc. zurückzuführen sind, zu erreichen. Für eine Vorhersage von toxischen Mechanismen aufgrund der Urinprofile ist eine größere Datengrundlage notwendig.

Ulm, Univ., Diss., 1999.

Universiẗat, Diss., 2000--Dortmund. / Dateiformat: PDF.

Endocytosis, a process of plasma membrane invaginations, is a fundamental cellular mechanism, ensuring uptake of nutrients, enhanced communication between cells, protective functions against invasive pathogens and remodelling of the plasma membrane composition. In turn, endocytic mechanisms are exploited by pathogens to enter their host cells. Endocytosis comprises multiple forms of which our molecular understanding has mostly advanced with respect to clathrin-mediated endocytosis and phagocytosis. Studies on the small GTPase Rab5 have provided important insights into the molecular mechanism of endocytosis and transport in the early stages of the endocytic pathways. Rab5 is a key regulator of clathrin-mediated endocytosis, but in addition, localises to several distinct endocytic carriers including phagosomes and pinocytic vesicles. On early endosomes, Rab5 coordinates within a spatially restricted domain enriched in phosphatidylinositol-3 phosphate PI(3)P a complex network of effectors, including PI3-Kinase (PI3-K), the FYVE-finger proteins EEA1 and Rabenosyn-5 that functionally cooperate in membrane transport. Moreover, Rab5 regulates endocytosis from the apical and basolateral plasma membrane in polarised epithelial cells. During my PhD thesis, I investigated the molecular mechanisms of endocytosis both in polarised and non-polarised cells. I obtained new insights into the molecular mechanisms of endocytosis and their coordination through the functional characterization of a novel Rab5 effector, termed Rabankyrin-5. I could demonstrated that Rabankyrin-5 is a novel PI(3)P-binding Rab5 effector that localises to early endosomes and stimulates their fusion activity in vitro. The latter activity depends on the oligomerisation of Rabankyrin-5 on the endosomal membrane via the N-terminal BTB/POZ domain. In addition to early endosomes, however, Rabankyrin-5 localises to large vacuolar structures that correspond to macropinosomes in epithelial cells and fibroblasts. Overexpression of Rabankyrin-5 increases the number of macropinosomes and stimulates fluid phase uptake whereas its downregulation through RNA interference inhibits these processes. In polarised epithelial cells, the function of Rabankyrin-5 is primarily restricted to the apical membrane. It localises to large pinocytic structures underneath the apical surface of kidney proximal tubule cells and its overexpression in polarised MDCK cells specifically stimulates apical but not basolateral, non-clathrin mediated pinocytosis. In demonstrating a regulatory role in endosome fusion and (macro)-pinocytosis, my studies suggest that Rab5 regulates and coordinates different endocytic mechanisms through its effector Rabankyrin-5. Furthermore, the active role in apical pinocytosis in epithelial cells suggests an important function of Rabankyrin-5 in the physiology of polarised cells. The results obtained in this thesis are central not only for our understanding of the basic principles underlying the regulation of multiple endocytic mechanisms. They are also relevant for the biomedical field, since actin-dependent (macro)-pinocytosis is an important mechanism for the physiology of cells and organisms and is upregulated under certain pathological conditions (e.g. cancer).

Endocytosis, a process of plasma membrane invaginations, is a fundamental cellular mechanism, ensuring uptake of nutrients, enhanced communication between cells, protective functions against invasive pathogens and remodelling of the plasma membrane composition. In turn, endocytic mechanisms are exploited by pathogens to enter their host cells. Endocytosis comprises multiple forms of which our molecular understanding has mostly advanced with respect to clathrin-mediated endocytosis and phagocytosis. Studies on the small GTPase Rab5 have provided important insights into the molecular mechanism of endocytosis and transport in the early stages of the endocytic pathways. Rab5 is a key regulator of clathrin-mediated endocytosis, but in addition, localises to several distinct endocytic carriers including phagosomes and pinocytic vesicles. On early endosomes, Rab5 coordinates within a spatially restricted domain enriched in phosphatidylinositol-3 phosphate PI(3)P a complex network of effectors, including PI3-Kinase (PI3-K), the FYVE-finger proteins EEA1 and Rabenosyn-5 that functionally cooperate in membrane transport. Moreover, Rab5 regulates endocytosis from the apical and basolateral plasma membrane in polarised epithelial cells. During my PhD thesis, I investigated the molecular mechanisms of endocytosis both in polarised and non-polarised cells. I obtained new insights into the molecular mechanisms of endocytosis and their coordination through the functional characterization of a novel Rab5 effector, termed Rabankyrin-5. I could demonstrated that Rabankyrin-5 is a novel PI(3)P-binding Rab5 effector that localises to early endosomes and stimulates their fusion activity in vitro. The latter activity depends on the oligomerisation of Rabankyrin-5 on the endosomal membrane via the N-terminal BTB/POZ domain. In addition to early endosomes, however, Rabankyrin-5 localises to large vacuolar structures that correspond to macropinosomes in epithelial cells and fibroblasts. Overexpression of Rabankyrin-5 increases the number of macropinosomes and stimulates fluid phase uptake whereas its downregulation through RNA interference inhibits these processes. In polarised epithelial cells, the function of Rabankyrin-5 is primarily restricted to the apical membrane. It localises to large pinocytic structures underneath the apical surface of kidney proximal tubule cells and its overexpression in polarised MDCK cells specifically stimulates apical but not basolateral, non-clathrin mediated pinocytosis. In demonstrating a regulatory role in endosome fusion and (macro)-pinocytosis, my studies suggest that Rab5 regulates and coordinates different endocytic mechanisms through its effector Rabankyrin-5. Furthermore, the active role in apical pinocytosis in epithelial cells suggests an important function of Rabankyrin-5 in the physiology of polarised cells. The results obtained in this thesis are central not only for our understanding of the basic principles underlying the regulation of multiple endocytic mechanisms. They are also relevant for the biomedical field, since actin-dependent (macro)-pinocytosis is an important mechanism for the physiology of cells and organisms and is upregulated under certain pathological conditions (e.g. cancer).