Organisation, Diagnostik und Forschungsschwerpunkte

Das Departement besteht aus den Instituten für Klinische Pathologie, Neuropathologie und Experimentelle Immunologie, aus den Abteilungen für Krebsforschung und für Zell- und Molekularpathologie sowie weiteren Bereichen, Labors und dem Krebsregister des Kantons Zürich.

Während des vergangenen Jahres wurde ein neues Informatiksystem eingeführt. Dieses System "PathoPro" bringt gegenüber dem ehemaligen System "PathoSys" erhebliche Vorteile im Bereich der Benutzerfreundlichkeit, Geschwindigkeit sowie der Möglichkeit der Verknüpfung vieler Zusatzfunktionen. Bilder, und Grafiken spielen in Diagnostik, Forschung und Lehre eine immer wichtigere Rolle. Die Qualität von Bildern und die Effizienz ihrer Herstellung konnte in der Einheit "Visuelle Dokumentation und Foto" durch konsequente Einführung digitaler Verfahren deutlich gesteigert werden. Dies gilt insbesondere für Abbildungen in Publikationen und Buchbeiträgen.

Die Umstellung von Handarbeit auf computergesteuerte und vernetzte Spezialapparate für Laborverfahren erlaubt eine zunehmende Beschleunigung von Laborarbeit bei gleichbleibend hoher und zudem standardisierter Qualität. Die Verfeinerung und Automatisierung molekularbiologischer Techniken wurden systematisch weiter ausgebaut.

Das Krebsregister des Kantons Zürich wurde am 1. Mai 2002 von der neuen Leiterin, Frau Dr. phil. II et Ph.D. Nicole Probst-Hensch übernommen. Nebst der Fortführung der Registrierung von Tumorerkrankungen im Kanton Zürich wird sich die Forschungsaktivität des Registers auf molekularepidemiologische Aspekte von Tumoren der Mamma, des Dickdarms und der Harnblase konzentrieren. Ebenso werden die Forschungsarbeiten über die genetische Suszeptibilität respiratorischer Erkrankungen fortgeführt.
Das Register ist Teil des Departements Pathologie, wird aber gemeinsam mit dem Institut für Sozial- und Präventivmedizin der Universität Zürich geführt.

Beförderungen, Wahlen und Ausbildungsaufenthalte

Beförderungen
PD Dr. B. Odermatt wurde auf 12. August 2002. zum Titularprofessor ernannt
Frau Dr. S. Kilgus trat auf den 1. Januar 2003 als Oberärztin in das Institut für Klinische Pathologie ein.
Dr. A. Perren wurde auf den 1. Januar 2003 zum Oberarzt befördert.
Frau Dr. R. Casas wurde auf den 1. Januar 2003 zur stellvertretenden Oberärztin befördert.
Dr. W. Jochum wurde auf den 1. Januar 2003 zum stellvertretenden Oberarzt befördert.

Wahlen
PD Dr. Burkhard Ludewig wurde per 31.August 2002 zum Leiter an die Labor-Forschungsabteilung (Research Dept) des Kantonsspitals St. Gallen gewählt.

Frau Dr. Susanne Jöstingmeier wurde auf den 1. Juni 2002 als Oberärztin an das Institut für Pathologie des Kantonsspitals Baden gewählt.

Abteilung für Zell- und Molekularpathologie

Qualitätsmanagement in Zellen
Um ihre verschiedenen Funktionen erfüllen zu können, müssen Proteine jeweils auf eine bestimmte Weise gefaltet sein. Zellen verfügen über ein ausgefeiltes und hocheffizientes System der Qualitätskontrolle, durch das nicht korrekt hergestellte Eiweisse erkannt und nachfolgend repariert oder eliminiert werden. Für Membranproteine und sekretorische wie auch lysosomale Eiweisse stellt im wesentlichen das endoplasmatische Retikulum den Ort dieser Qualitätskontrolle dar.
In der Abteilung für Zell- und Molekularbiologie beschäftigen wir uns mit den zellbiologischen Grundlagen des Qualitätskontrollsystems für Eiweisse. Auf der Basis dieser Ergebnisse untersuchen wir zell- und molekularpathologische Aspekte von menschlichen Erkrankungen, die durch die Synthese nicht korrekt gefalteter Eiweisse verursacht sind. Dadurch erhoffen wir, neue molekulare Erkenntnisse zu ihrem Entstehungsmechanismus zu gewinnen. Diese Resultate sollen als Grundlage für die Entwicklung möglicher neuer Therapieformen dienen.

Eiweissqualitätsmanagement in gesunden Zellen - das Aschenputtel Prinzip
Eiweissqualitätskontrolle ist eine grundlegende zelluläre Funktion, durch die nicht korrekt gefaltete Eiweisse oder nicht komplett assemblierte Eiweisskomplexe erkannt werden. Dieser Kontrollmechanismus ist von grosser Bedeutung, da selbst in gesunden Zellen bis zu 60% der neu synthetisierten Eiweisse nicht korrekt falten können und als Ausschussproduktion eliminiert werden müssen. Allerdings werden die Bausteine dieser abgebauten Eiweisse rezykliert und wiederum der Eiweissneusynthese zugeführt. Die Maschinerie dieses Qualitätsmanagements ist komplex und besteht zum einem aus Chaperonen, die Eiweissen bei der Faltung assistieren und weiterhin aus verschiedenen Enzymen, welche die Zuckerseitenketten der Eiweisse modifizieren und Lektinen, die bestimmte Zuckerseitenkettenstrukturen erkennen und an das Eiweiss binden (1, 2). Wir beschäftigen uns insbesondere mit diesen Enzymen und der Bedeutung spezifischer Zuckerseitenkettenstrukturen von Eiweissen für deren Qualitätsmanagement in den Zellen. Die Ergebnisse unserer Arbeiten und von anderen Gruppen sind in Abbildung 1 schematisch zusammengefasst. Demzufolge existiert eine spezifische, sogenannte monoglukosilierte Zuckerseitenkettenstruktur, die für die Eiweissfaltung förderlich ist (3-5). Eine weitere spezifische Zuckerstruktur stellt ein Signal für den Abbau nicht korrekt gefalteter Eiweisse dar (6, 7). Dieser Abbau erfolgt nach Retrotranslokation des Eiweisses aus dem Lumen des endoplasmatischen Retikulums durch Proteasomen im Zytosol. Allerdings ist der Erkennungsmechanismus für Eiweisse ohne Zuckerseitenketten weitgehend unbekannt und ein Gegenstand unserer laufenden Forschung. Die biochemisch-molekularen Erkenntnisse haben wir durch zellbiologisch-immunelektronenmikroskopische Untersuchungen ergänzt (8, 9). Hierbei hat sich herausgestellt, dass nicht nur das endoplasmatische Retikulum Qualitätskontrollkomponenten enthält, sondern auch die Prä-Golgi Intermediate. Weiterhin haben wir durch Untersuchungen über die subzelluläre Verteilung der Endomannosidase erste Hinweise auf einen weiteren Qualitätskontrollmechanismus erhalten, welche der Qualitätskontrolle der N-Glykosilierung von Proteinen dienen könnte (10). Neue Befunde, die neue Fragen aufwerfen zur Zellbiologie der Eiweissqualitätskontrolle.

Management unter Stress
Nicht korrekt gefaltete Eiweisse entstehen vermehrt unter den verschiedensten Formen von zellulären Stress wie bei Fieber (heat shock), Sauerstoffmangel und vermehrter Bildung freier Radikale und permanent bei einer grossen Zahl Erbkrankheiten (Tabelle 1). Die gemeinsame Ursache dieser heterogenen Krankheitsgruppe ist die Synthese nicht korrekt gefalteter Eiweisse als Konsequenz von Genmutationen (11). Zwei Folgen stehen klinisch im Vordergrund: erstens, die zelluläre Mangelfunktion aufgrund des am Ort seiner Funktionsausübung fehlenden Eiweisses und zweitens, der Zellschaden bedingt durch die intrazelluläre Eiweissretention. Daher stammt auch die Bezeichnung Eiweissretentionskrankheiten.

Tabelle 1. Beispiele für Eiweissretentionskrankheiten

Unsere Untersuchungen beschäftigen sich mit verschiedenen Eiweissfaltungskrankheiten wie beispielsweise dem Morbus Fabry α-Galaktosidase A Mutationen (Abbildungen 2 und 3), dem renalen Diabetes insipidus (Aquaporin 2 Mutationen, Abbildung 5) und dem hereditären Emphysem (α-1-Antitrypsin Mutationen). Die Akkumulation der jeweilig betroffenen Eiweisse in der Zelle führt zur Aufregulierung von sogenannten Stressgenen. Es ist aber unklar, welche molekularen Mechanismen letztendlich zum Zellschaden führen. Hier liegt der Schwerpunkt unserer Untersuchungen an kultivierten Zellen (Abbildungen 3 und 5), die stabil transfiziert wurden, um korrekt oder nicht korrekt gefaltete Eiweisse zu exprimieren. Wir versuchen die Zusammenhänge zwischen Eiweissretention, dem Mechanismus des Abbaus nicht korrekt gefalteter Eiweisse (12) (Abbildungen 6 und 7), der möglichen Bildung von Einschlusskörpern (13) und dem Zellschaden aufzuklären. Ein weiterer Schwerpunkt unserer Bemühungen liegt darin, den Faltungszustand der Eiweisse zu verbessern, so dass ein gewisser Prozentsatz an den eigentlichen Wirkungsort in der Zelle gelangen kann. Oftmals funktionieren nämlich die mutierten Eiweisse trotz der Faltungsdefekte und auf diese Weise könnten sich neue Therapieansätze eröffnen. Die Behandlung von Zellen mit sogenannten chemischen Chaperonen stellt ein erfolgsversprechendes Konzept dar, wie wir anhand unserer Experimente mit einem zellulären Modelsystem des Morbus Fabry nachweisen konnten (Abbildung 4). Hier liegt möglicherweise eine vielversprechende Alternative zur Enzymsubstitutionstherapie.
Unsere weiterführenden Untersuchungen zur Funktion der Endomannosidase haben unsere Hypothese bestätigt, dass diese Endoglykosidase eine Qualitätskontrolle der N-Glykosilierung von Eiweissen bewirkt.

Dank

Unsere Untersuchungen werden von der Wolfermann-Nägeli-Stiftung, der Bonizzi-Theler Stiftung, der Kamillo Eisner-Stiftung, dem Schweizerischen Nationalfonds und dem Kanton Zürich grosszügig unterstützt.

Literatur

1. Ellgaard, L., Molinari, M., and Helenius, A. Setting the standards: Quality control in the secretory pathway. Science, 286: 1882-1888, 1999.
2. Roth, J., Zuber, C., Guhl, B., Fan, J. Y., and Ziak, M. The importance of trimming reactions on asparagine-linked oligosaccharides for protein quality control. Histochemistry Cell Biol, 117: 159-169, 2002.
3. Hebert, D. N., Foellmer, B., and Helenius, A. Glucose trimming and reglucosylation determine glycoprotein association with calnexin in the endoplasmic reticulum. Cell, 81: 425-433, 1995.
4. Jakob, C. A., Burda, P., teHeesen, S., Aebi, M., and Roth, J. Genetic tailoring of N-linked oligosaccharides: the role of glucose residues in glycoprotein processing of Saccharomyces cerevisiae in vivo. Glycobiology, 8: 155-164, 1998.
5. Parodi, A. J. Protein glucosylation and its role in protein folding. Annu Rev Biochem, 69: 69-93, 2000.
6. Jakob, C. A., Burda, P., Roth, J., and Aebi, M. Degradation of misfolded endoplasmic reticulum glycoproteins in Saccharomyces cerevisiae is determined by a specific oligosaccharide structure. J Cell Biol, 142: 1223-1233, 1998.
7. Liu, Y., Choudhury, P., Cabral, C. M., and Sifers, R. N. Oligosaccharide modification in the early secretory pathway directs the selection of a misfolded glycoprotein for degradation by the proteasome. J Biol Chem, 274: 5861-5867, 1999.
8. Lucocq, J. M., Brada, D., and Roth, J. Immunolocalization of the oligosaccharide trimming enzyme glucosidase II. J Cell Biol, 102: 2137-2146, 1986.
9. Zuber, C., Fan, J. Y., Guhl, B., Parodi, A., Fessler, J. H., Parker, C., and Roth, J. Immunolocalization of UDP-glucose: glycoprotein glucosyltransferase indicates involvement of pre-Golgi intermediates in protein quality control. Proc Natl Acad Sci USA, 98: 10710-10715, 2001.
10. Zuber, C., Spiro, M. J., Guhl, B., Spiro, R. G., and Roth, J. Golgi apparatus immunolocalization of endomannosidase suggests post-endoplasmic reticulum glucose trimming: Implications for quality control. Mol Biol Cell, 11: 4227-4240, 2000.
11. Aridor, M. and Hannan, L. A. Traffic jams II: An update of diseases of intracellular transport. Traffic, 3: 781-790, 2002.
12. Hirano, K., Zuber, C., Roth, J., and Ziak, M. The proteasome is involved in the degradation of different aquaporin-2 mutants causing nephrogenic diabetes insipidus. Am J Pathol, im Druck, 2003.
13. Hirano, K., Roth, J., Zuber, C., and Ziak, M. Expression of a mutant ER-retained polytope membrane protein in cultured rat hepatocytes results in Mallory body formation. Histochemistry Cell Biol, 117: 41-53, 2002.

Eckdaten
	Forschungsschwerpunkte Die Forschungsschwerpunkte sind Tumorentstehung, neurodegenerative Erkrankungen, Immunologie, Aufbau und Funktion der extrazellulären Matrix, Eiweissqualitätskontrolle, molekulare Epidemiologie von Tumoren und Erkrankungen der Atemwege. Lehre Ausbildung in Allgemeiner und Spezieller Pathologie von Studierenden der Medizin und Umweltnaturwissenschaften der ETH. Intensive Aus-, Weiter- und Fortbildung des ärztlichen und technischen Personals. Anzahl Mitarbeitende des gesamten Departements 146,5 Stellen Anzahl Mitarbeitende der departementalen Abteilungen und Labors, ohne Drittmittelfinanzierung 26 Stellen

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Qualitätskontrolle der Eiweissfaltung, Zuckerseitenkettenstruktur, Enzymen (Glukosidase II, Glukosyltransferase) und Lektinen (Calnexin/Calreticulin). Die mit 1 bezeichnete Zuckerseitenkettenstruktur ist förderlich für die Eiweissfaltung, während die mit 2 bezeichnete ein Signal für den Abbau nicht korrekt gefalteter Glykoproteine darstellt.

Abbildung 2. Elektronenmikroskopischer Nachweis der lysosomalen Speicherung in einer kleinen Arterie eines Patienten mit Morbus Fabry. Die elektronendichten Ablagerungen in den Lysosomen (*) einer Endothelzelle und einer glatten Muskelzelle sind offensichtlich.

Abbildung 3. Kultivierte transgene Mausfibroblasten als in vitro Model für den Morbus Fabry. Konfokale Doppelimmunfluoreszenz für alpha-Galaktosidase A (grüne Fluoreszenz) und den lysosomalen Membranmarker LAMP 1 (rote Fluoreszenz). (a) In Fibroblasten, die normale alpha-Galaktosidase A exprimieren ist das Enzym vorwiegend in den Lysosomen nachweisbar (gelbe Mischfluoreszenz). (b) In Fibroblasten, die R301Q alpha-Galaktosidase A exprimieren verbleibt das mutierte Enzym im endoplasmatischen Retikulum und ist nicht in den Lysosomen detektierbar (Abwesenheit einer gelben Mischfluoreszenz). Die Blaufluoreszenz dient zur Darstellung der Zellkerne.

Abbildung 4. Die Behandlung der R301Q alpha-Galaktosidase A exprimierenden Fibroblasten mit dem spezifischen Enzymhemmer führt zu einer dosis- und zeitabhängigen Verlagerung des mutierten Enzyms aus dem endoplasmatischen Retikulum in Lysosomen. (a, b) Nach zweitägiger Behandlung ist mutierte alpha-Galaktosidase A sowohl im endoplasmatischen Retikulum (grüne Fluoreszenz) als auch in einigen Lysosomen (gelbe Mischfluoreszenz) nachweisbar. (c, d) Die Zahl der Lysosomen, die mutierte alpha-Galaktosidase A enthalten ist nach viertägiger Behandlung deutlich erhöht.

Abbildung 5. Kultivierte Clone 9 Hepatozyten als in vitro Model für den renalen Diabetes insipidus verursacht durch Mutationen des Aquaporin 2 Wasserkanals. Konfokale Doppelimmunfluoreszenz für (a) T126M Aquaporin 2 (rote Fluoreszenz), und (b) den Golgi Apparat Marker Mannosidase II (grüne Fluoreszenz) demonstriert die Retention des mutierten Aquaporin 2 im endoplasmatischen Retikulum (c).

Abbildung 6. Vergleich der Biosynthese und des Umsatzes von normalen (Wt) und mutierten (T126M) Aquaporin 2. Obwohl Wt und T126M Aquaporin 2 in einer 32 kDa glykosilierten und einer 29 kDa nicht glykosilierten Form synthetisiert werden, unterscheiden sich ihre Halbwertszeiten drastisch.

Abbildung 7. Der intrazelluläre Abbau des T126M Aquaporin 2 kann durch Proteasomenhemmer (Lactacystin, MG132 und ALLN) blockiert werden. Der Lysosomenhemmer Chloroquin hat keinen Einfluss. Somit unterliegt das im endoplasmatischen Retikulum zurückbehaltene T126M Aquaporin 2 der Qualitätskontrolle mit nachfolgendem nicht-lysosomalen Abbau durch Proteasomen.

Portraits

Prof. Dr. med. Dr. sc. Jürgen Roth Abteilungsleiter Zell- und Molekularpathologie		Dr. phil II Martin Ziak Oberassistent Zell- und Molekularpathologie		Dipl. Biol. Christian Zuber Oberassistent Zell- und Molekularpathologie

Krebsregister des Kantons Zürich

Frau Dr. N. Probst hat am 1. April 2002 die Leitung des Krebsregisters des Kantons Zürich übernommen und gleichzeitig den Aufbau einer Abteilung Molekulare Epidemiologie begonnen. Das Krebsregister des Kantons Zürich und die Abteilung Molekulare Epidemiologie werden in Zusammenarbeit zwischen dem Departement Pathologie des USZ und dem Institut für Sozial- und Präventivmedizin der Universität Zürich geführt. Führung und Ausbau des Registers und der Abteilung Molekulare Epidemiologie werden im Lenkungsausschuss koordiniert (Proff. Dres. Med. Ph. U. Heitz und F. Gutzwiller; Frau Dr. N. Probst).

Zielsetzung des Krebsregisters ist die Erstellung und wissenschaftliche Beurteilung von Statistiken zu Krebsinzidenz und -Mortalität im Kanton Zürich. Seit seiner Gründung im Jahr 1980 hat das Register rund 125’000 Krebserkrankungen registriert; jährlich kommen zwischen 5’500 und 6’000 neue Fälle hinzu. Die Daten des Krebsregisters stehen auf der Homepage der Vereinigung der Schweizerischen Krebsregister (VSKR) (http://www.vskr.ch/) und in der Publikation Cancer Incidence in Five Continents (International Agency for Research on Cancer) für nationale und internationale Vergleiche der Krebshäufigkeiten zur Verfügung.
Im Berichtsjahr 2002 konzentrierte sich die Tätigkeit auf die Reorganisation der Arbeitsabläufe bei der Registrierung. Neue Krebsfälle sollen künftig unter weitgehender Nutzung elektronisch verfügbarer Informationen schneller erfasst werden, um über aktuellere Statistiken zu verfügen.
Umfang und Qualität der künftigen Datenerfassung berücksichtigen einerseits die Harmonisierungsbestrebungen zwischen den Schweizerischen Krebsregistern und andererseits die Komplexität der Strukturen des Datenzugangs im Kanton Zürich. Zu den wichtigsten Zielsetzungen des Krebsregisters gehören künftig die Erfassung der Auftretenshäufigkeiten aller Krebsarten, die Erfassung von vertiefender Information zu ausgewählten Krebsarten als Begleitforschung für die Evaluation von Krebsbekämpfungsmassnahmen, sowie der Ausbau der Infrastruktur für krebsepidemiologische und molekular- epidemiologische Studien.

Zu den Haupttätigkeiten der Abteilung Molekulare Epidemiologie gehört die Untersuchung des Zusammenspiels genetischer und exogener/modifizierbarer Faktoren in der Entstehung von chronischen Erkrankungen, insbesondere von Krebserkrankungen und respiratorischen/allergischen Erkrankungen. Zielsetzung dieser Forschung ist die verbesserte Identifizierung molekularer Abläufe und modifizierbarer Risikofaktoren in der Krebsätiologie. Die Resultate der Forschungstätigkeit sollen zu einer individualisierteren und gezielteren primären und sekundären Prävention führen. Im Bereich der Krebserkrankungen wird das Zusammenspiel von Lebensstilfaktoren, Ernährung, und genetischer Variabilität (im Bereich Sexsteroid-Hormone, Wachstumsfaktoren, Zellzyklus) anhand von Daten einer grossen Kohortenstudie in Singapore in Zusammenarbeit mit der University of Southern California untersucht. Im Bereich der respiratorischen Erkrankungen wird das Zusammenspiel genetischer Faktoren mit Rauchen, Luftschadstoffexposition und anderen Risikofaktoren anhand der SAPALDIA Studie untersucht (http://www.sapaldia.ch/). Die SAPALDIA Kohorte wurde erstmals 1991 und jetzt, 10 Jahre später wieder untersucht und befragt. Von den ursprünglich rund 10’000 gesunden Probanden nahmen mehr als 7’000 auch an der Folgeuntersuchung wieder teil. Dr. N. Probst-Hensch ist als Mitgesuchstellerin des vom Schweizerischen Nationalfonds mitgetragenen Projektes verantwortlich für die Biologische Probenbank und den Bereich Genetik. Im Berichtsjahr 2002 wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Medizinische Genetik der Universität Zürich in Schwerzenbach mit dem Aufbau der DNA-Bank begonnen. Für das Jahr 2003 ist zusätzlich die Etablierung der Plasma/Serum-Probenbank in Zusammenarbeit mit dem Institut für Klinische Chemie am Universitäts-Spital geplant. Das Hauptaugenmerk der Forschung wird sich anfänglich auf die Bedeutung genetischer Variablilität in den Bereichen oxidativer Stress/Lungenfunktion, Zytokine/Atopien, und Übergewicht/ Lungenfunktion/Gewichtsveränderung richten. Für die Umsetzung dieser Projekte konnten auf Anfang 2003 1 Molekularbiologin und 1 Laborantin über Drittmittelfinanzierung angestellt werden.

Portraits

Dr. phil II et Ph.D. Nicole Probst-Hensch Leiterin Krebsregister