@phdthesis{Imes2016,
  author    = {Imes, Dennis},
  title     = {Aufkl{\"a}rung der molekularen Struktur und Funktion des R-Typ Anionenkanals QUAC1 in Schließzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-136860},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Zum Gasaustausch mit Ihrer Umgebung besitzen h{\"o}here Pflanzen stomat{\"a}re Komplexe. Die Turgor-getrieben Atmungs{\"o}ffnungen in der Epidermis der Bl{\"a}tter werden von zwei Schließzellen ums{\"a}umt. Um bei Trockenheit einen exzessiven Verlust von Wasser zu verhindern, synthetisieren/importieren Schließzellen das Stresshormon ABA (Abszisins{\"a}ure), das {\"u}ber eine schnelle ABA-Signalkaskade plasmamembrangebundene Ionenkan{\"a}le steuert. Dabei wird der Stomaschluss durch die Aktivit{\"a}t von R-(rapid) und S-(slow)Typ Anionenkan{\"a}len initiiert. Obwohl die R- und S-Typ Anionenstr{\"o}me in Schließzellen seit Jahrzehnten bekannt waren, konnte erst k{\"u}rzlich das Gen identifiziert werden, das f{\"u}r den S-Typ Anionenkanal (SLAC1, Slow activating Anion Channel 1) kodiert. Daraufhin wurde schnell der Zusammenhang zwischen dem Stresshormon ABA, der ABA-Signalkette und der Aktivit{\"a}t des SLAC1 Anionenkanals im heterologen Expressionssystem der X. laevis Oozyten als auch in Schließzellprotoplasten aufgekl{\"a}rt. Es konnte gezeigt werden, dass ABA durch einen zytosolischen Rezeptor/Phosphatasekomplex (RCAR1/ABI1) erkannt wird und die Aktivit{\"a}t von kalziumabh{\"a}ngigen Kinasen (CPK-Familie) sowie kalziumunabh{\"a}ngigen Kinasen der SnRK2-Familie (OST1) steuert. In Anwesenheit von ABA phosphorylieren diese Kinasen SLAC1 und sorgen so f{\"u}r die Aktivierung von Anionenstr{\"o}men und damit f{\"u}r die Initiierung des Stomaschlusses. Die genetische Herkunft der ABA-induzierten R-Typ Str{\"o}me in Schließzellen war zu Beginn der vorliegenden Arbeit noch nicht bekannt. R-Typ Str{\"o}me zeichnen sich durch eine strikte Spannungsabh{\"a}ngigkeit und sehr schnellen Aktivierungs- sowie Deaktivierungskinetiken aus. Die Charakterisierung von Verlustmutanten des Schließzell-exprimierten Gens ALMT12 (Aluminium-aktivierter Malattransporter 12) konnte in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Martinoia (Z{\"u}rich) erste Hinweise auf die Beteiligung dieses Gens an der Stomabewegung demonstrieren. Anschließende Patch-Clamp Untersuchungen an Schließzellprotoplasten aus Wildtyppflanzen und ALMT12-Verlustmutanten zeigten, dass ALMT12 f{\"u}r die Malat-aktivierte R-Typ Anionenstromkomponente verantwortlich ist. Deshalb wurde der Anionenkanal QUAC1 (Quickly activating Anion Channel 1) benannt - in Anlehnung an die Benennung des Anionenkanals SLAC1. Mit der Identifizierung von QUAC1 in planta war es nun meine Aufgabe, die elektrischen Eigenschaften von ALMT12/QUAC1 und dessen Aktivit{\"a}tskontrolle durch die ABA-Signalkaskade im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten zu untersuchen. Protein-Protein Interaktionsstudien mit der Hilfe der Bimolekularen Fluoreszenz-Technik, sowie die Beobachtung von markant erh{\"o}hten QUAC1 Anionenstr{\"o}men in Anwesenheit der SnRK2 Kinase OST1 und den Calcium-abh{\"a}ngigen Kinasen CPK2 und CPK20, ließen den Schluss zu, dass QUAC1, ebenso wie SLAC1, unter der Kontrolle des schnellen ABA-Signalwegs steht. Eine zus{\"a}tzliche Expression des negativen Regulators ABI1 unterdr{\"u}ckte die aktivierenden Eigenschaften der QUAC1-aktivierenden Kinasen, was die Hypothese der Koregulation von S- und R-Typ Anionenkan{\"a}len durch die gleiche ABA-Signalkaskade weiter unterst{\"u}tzt. Zur weiteren Aufkl{\"a}rung der elektrischen Eigenschaften von QUAC1 wurden tiefgreifende elektrophysiologische Untersuchungen mit der Zwei-Elektroden-Spannungsklemmen Technik durchgef{\"u}hrt. Durch die Wahl von geschickten Spannungsprotokollen konnte sowohl die schnelle Aktivierungskinetik als auch die schnelle Deaktivierungskinetik von QUAC1 bestimmt und quantifiziert werden. Diese Stromantworten waren sehr {\"a}hnlich zu den R-Typ Str{\"o}men, die man von Patch-Clamp Untersuchungen an Schließzellprotoplasten kannte, was ein weiteres Indiz daf{\"u}r war, dass es sich bei QUAC1 tats{\"a}chlich um eine Komponente des R-Typ Kanals aus Schließzellen handelt. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen bez{\"u}glich der Spannungsabh{\"a}ngigkeit und der Selektivit{\"a}t von QUAC1 charakterisierten das Protein als einen Depolarisations-aktivierten Anionenkanal mit einer starken Pr{\"a}ferenz f{\"u}r Dicarbons{\"a}uren wie Malat und Fumarat. Zudem konnte auch eine Leitf{\"a}higkeit f{\"u}r Sulfat und Chlorid nachgewiesen werden. Interessanterweise erwies sich Malat nicht nur als ein permeierendes Ion, sondern auch als ein regulierendes Ion, welches das spannungsabh{\"a}ngige Schalten von QUAC1 maßgeblich beeinflusst. Extrazellul{\"a}res Malat verschob die Offenwahrscheinlichkeit von QUAC1 sehr stark zu negativeren Membranspannungen, so dass der Anionenkanal bereits bei typischen Ruhespannungen von Schließzellen (ca. -150 mV) aktiviert werden konnte. Eine Beladung von QUAC1-exprimierender Oozyten mit Malat bewirkte zum einen h{\"o}here Anioneneffluxstr{\"o}me, aber auch eine Verschiebung der spannungsabh{\"a}ngigen Offenwahrscheinlichkeit zu negativeren Membranpotentialen. Struktur-Funktionsanalysen sollten die umstrittene Topologie von ALMT-{\"a}hnlichen Proteinen beleuchten und die molekulare Herkunft der Phosphorylierungsaktivierung aufzeigen, sowie die Malatabh{\"a}ngigkeit und die starke Spannungsabh{\"a}ngigkeit von QUAC1 aufkl{\"a}ren. Es zeigte sich jedoch schnell, dass Punktmutationen und Deletionen im C-Terminus von QUAC1 sehr h{\"a}ufig zu nicht-funktionellen Mutanten f{\"u}hrten. Diese Tatsache weist darauf hin, dass es sich um einen hoch-strukturierten und funktionell sehr wichtigen Bereich des Anionenkanals handelt. Auch die Topologie des Anionenkanalproteins wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Sowohl die Lage des N- und C-Terminus (extrazellul{\"a}r oder intrazellul{\"a}r), als auch die Anzahl der membrandurchspannenden Dom{\"a}nen war nicht abschließend gekl{\"a}rt. Deshalb wurde in einem Fluoreszenz-basiertem Ansatz die Lage der Termini bestimmt. Im Rahmen meiner Arbeit konnte somit eindeutig gezeigt werden, dass sich beide Termini im Zytosol der Zelle befinden. Auf Grundlage von Modellen aus der Literatur und meiner Topologiebestimmungen konnte schließlich ein erweitertes Modell zur Struktur von QUAC1 entwickelt werden. Dieses Modell kann in Zukunft als Ausgangspunkt f{\"u}r weiterf{\"u}hrende Struktur-Funktionsanalysen dienen. Diese Arbeit hat somit gezeigt, dass das Gen QUAC1 tats{\"a}chlich eine Komponente der R-Typ Str{\"o}me in Schließzellen kodiert. Ebenso wie SLAC1 steht der Malat-induzierte Anionenkanal QUAC1 unter der Kontrolle der schnellen ABA-Signalkaskade. In Zukunft bleibt zu kl{\"a}ren, welche weiteren Gene f{\"u}r die R-Typ Kanalproteine in Schließzellen kodieren und welche strukturelle Grundlage f{\"u}r die besonderen Eigenschaften von QUAC1 hinsichtlich seiner schnellen Kinetiken, seiner Selektivit{\"a}t und Aktivierbarkeit durch Malat.},
  subject      = {Ackerschmalwand},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Sturm2016,
  author    = {Sturm, Julia Christine},
  title     = {Funktionelle Charakterisierung einer prim{\"a}ren Zahndurchbruchst{\"o}rung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-147051},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die von Proffit und Vig (1981) als Primary Failure of Eruption (PFE, Prim{\"a}re Durchbruchst{\"o}rung) klassifizierte Zahndurchbruchst{\"o}rung resultiert klinisch h{\"a}ufig in schwergradigen Auswirkungen. Hierbei handelt es sich um Beeintr{\"a}chtigungen des Wachstums des Alveolarfortsatzes, ebenso wie Dilazerationen, große vertikale Defekte und schwergradige lateral offene Bisse. Die eindeutige Diagnostik und Abgrenzung der PFE von anderen Zahndurchbruchst{\"o}rungen gestaltete sich bis zur Bestimmung der zugrunde liegenden Ursachen als sehr schwierig. Aufgrund von Fehldiagnosen kam es h{\"a}ufig zu Behandlungsmisserfolgen. Um die PFE schneller und spezifischer diagnostizieren zu k{\"o}nnen, ist das Wissen {\"u}ber die zugrunde liegenden Mutationen des Parathormonrezeptor 1- Genes (PTHR1-Genes), welche bei PFE-Patienten isoliert wurden, von großer Bedeutung. Im Zuge vorangegangener Studien wurden bereits einige Mutationen des PTHR1 als pathogen klassifiziert, hierzu z{\"a}hlt die PTHR1-Mutante W339*, eine Abbruchmutante, welche auf einem Basenaustausch beruht. Dar{\"u}ber hinaus liegen Daten zu potenziell pathogenen Genvariationen, wie die PTHR1-Mutante G452E, eine Aminos{\"a}ureaustausch-Mutante, vor. Der Nachweis ihrer Pathogenit{\"a}t w{\"u}rde die Diagnosestellung sichern. Um die Pathogenit{\"a}t der PTHR1-Variationen nachweisen zu k{\"o}nnen, wurde ihre RNA in X. laevis Oozyten injiziert. Der PTHR1 wurde zusammen mit mTRESK, einem Kaliumkanal, exprimiert und im Anschluss auf sein Verhalten bei Zugabe von 100 nM Parathormon (PTH) mit elektrophysiolgischen Messungen untersucht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die bei nicht an PFE erkrankten Menschen vorkommende Variante des PTHR1 (PTHR1-WT) eine Aktivierung von 260,47\% im Vergleich zu den Ausgangswerten unter einer physiologischen L{\"o}sung (ND96) zeigte. Im Gegensatz dazu konnte bei der bereits als pathogen klassifizierten PTHR1-Variation W339* kein signifikanter Anstieg der Aktivit{\"a}t unter PTH-Zugabe nachgewiesen werden. F{\"u}r die potenziell pathogene PTHR1-Mutante G452E konnte ebenfalls keine signifikante Aktivit{\"a}tssteigerung als Reaktion auf die Zugabe des Agonisten PTH nachzuweisen ermittelt werden. Dies l{\"a}sst die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei der PTHR1-Mutante G452E ebenfalls um eine pathogene Variation des PTHR1-Genes handelt, genauso wie bei der als pathogen klassifizierten Variation W339* des PTHR1, da beide in den durchgef{\"u}hrten Messungen dasselbe Verhalten zeigen. Die als Kontrollgruppe k{\"u}nstlich erzeugte Mutante G452A des PTHR1 zeigte hingegen eine signifikante Aktivierung von 91,02\% im Vergleich zu den gemessenen Ausgangswerten unter physiolgischem ND96. Durch einen einfachen Aminos{\"a}ureaustausch wurde die Basensequenz des Rezeptors so ver{\"a}ndert, dass die Funktion trotz der Mutation wieder hergestellt werden konnte. Dies geschah durch den Einbau eines Alanins anstelle des nat{\"u}rlich vorkommenden Glycins. Im Gegensatz zu dem Einbau von Glutamat, bei der im Patientenkollektiv isolierten PTHR1-Mutante G452E, bei welcher die Funktionsf{\"a}higkeit nicht mehr vorliegt. Die gemessene Aktivit{\"a}t ist zwar geringer als beim WT, legt aber nahe, dass es im Falle dieser k{\"u}nstlichen Mutation nicht zu einer Krankheitsauspr{\"a}gung kommt, da die Reaktion in ihrer Gesamtheit der des PTHR1-WT entspricht. Dies wird auch durch die signifikante Erh{\"o}hung des ausw{\"a}rts-gerichteten K+-Stromes deutlich, der sich analog zum gesunden PTHR1 verh{\"a}lt. . Es konnte somit die Funktionsf{\"a}higkeit der k{\"u}nstlichen PTHR1-Mutante G452A nachgewiesen werden. Die gesamten erzielten Ergebnisse waren durch die Abbildung von klinischen Befunden auf molekularer Ebene in Oozyten m{\"o}glich. Durch die Kombination eines Kalium-Kanales mit dem krankheitsspezifischen Rezeptor konnte das Verhalten des Rezeptors anhand des mittels TEVC-Messungen ermittelten Verhaltens des Kalium-Kanales abgebildet werden. Bei dem verwendeten Kalium-Kanal handelte es sich um mTRESK, welcher mit dem Parathormonrezeptor 1 zusammen exprimiert wurde. Durch die Zugabe des spezifischen Rezeptoragonisten PTH kam es bei den funktionsf{\"a}higen Variationen des Rezeptors zu einer Konformations{\"a}nderung des G-Proteins. Diese resultierte im weiteren Verlauf in einem Anstieg des intrazellul{\"a}ren Calcium-Spiegels und einer Aktivierung von Calcineurin. Die Dephosphorilierung des Kalium-Kanales mTRESK, welche zu einer Aktivit{\"a}tssteigerung des Kanals f{\"u}hrte, war die Folge. Dies verdeutlicht, wie auch zuk{\"u}nftig durch die Kooexpression von krankheitsspezifischen Rezeptoren und elektrophysiologisch ableitbaren Str{\"o}men, die Bedeutungen und Auswirkungen von Mutationen auf molekularer Ebene funktionell nachgewiesen werden k{\"o}nnen. Die vorliegende Arbeit erbringt somit unter Verwendung dieses Expressionssystems den Nachweis daf{\"u}r, dass es sich bei der im Patientenkollektiv isolierten PTHR1-Mutante G452E um eine pathogene Variation des PTHR1-Genes handelt. Zudem konnten die vorangegangenen Ergebnisse, wonach es sich bei der ebenfalls im Patientenkollektiv isolierten PTHR1-Mutante W339* um eine pathogene Mutation handelt best{\"a}tigt werden. Patienten mit diesen Genvariationen k{\"o}nnen somit eindeutig die Diagnose PFE erhalten und entsprechend zielf{\"u}hrend therapiert werden.},
  subject      = {Zahndurchbruch},
  language  = {de}
}