TY  - THES
A1  - Bach, Matthias
T1  - Massenspektrometrische Analyse der Interaktionen von Protein mit Proteinen und Proteinen mit niedermolekularen Verbindungen
T1  - Protein-protein and small molecule-protein interaction analyzed by mass spectrometry
N2  - Proteine können aufgrund ihrer biochemischen Vielfalt eine Vielzahl von Interaktionen
mit anderen Proteinen oder chemischen Verbindungen eingehen. Im ersten Teil dieser
Arbeit wurden Protein-Protein Interaktionen mittels chemischen Quervernetzens
untersucht. Das Ziel war, neue und verbesserte Methoden zu entwickeln, um
Interaktionsnetzwerke zu erstellen. Im zweiten Teil wurden die Interaktionen von
Proteinen mit niedermolekularen Verbindungen untersucht, um Drug Targets zu
identifizieren und zu validieren.
Die Untersuchung von Protein-Protein Interaktionen mittels Massenspektrometrie (MS)
ist eine leistungsfähige Methode, um alle potentiellen Interaktionen eines Proteins nach
einer Anreicherung (Co-IP) aus einem Zelllysat zu detektieren. Durch das zusätzliche
Quervernetzen dieser Proteine und anschließender MS kann ein Interaktionsnetzwerk
erstellt werden, um direkte von indirekten Interaktionen unterscheiden zu können
(Topology Mapping). Zur Methodenetablierung wurden kommerzielle Crosslinker und
rekombinante Proteine von bekannten Interaktionspartnern mit niedriger Komplexität
verwendet. Die beiden Interaktionspartner NPL4 und UFD1 konnten mit dem Crosslinker
BS3 erfolgreich quervernetzt und anhand der vernetzten Peptide identifiziert werden. Im
nächsten Schritt wurde dieser Arbeitsablauf auf eine Co-IP des Mediatorkomplexes aus
Hefe angewendet. Die Probenkomplexität ist hierbei 500 - 1000-fach höher als bei der
Verwendung von rekombinanten Proteinen. Nach der erfolgreichen Quervernetzung
konnte innerhalb des Komplexes ein Interaktionsnetzwerk erstellt werden. Diese Daten
passen zu dem bereits bekannten Modell des Mediatorkomplexes. Interaktionen zu
bekannten Interaktionspartnern, wie der RNA-Pol II, konnten aufgrund deren
substöchiometrischen Anreicherung nicht identifiziert werden.
Aufgrund der genannten Limitationen beim Quervernetzen von Proteinen wurden
folgende neue und verbesserte Methoden entwickelt:
1. Verwendung des spaltbaren Crosslinkers (DSSO), der während der Messung selektiv
durch niedrige Kollisionsenergie gespalten werden kann, um die Datenbanksuche zu
vereinfachen. Die Funktionalität der DSSO-Strategie konnte erfolgreich am Protein
Cytochrom C getestet werden. Bei der ersten Fragmentierung wird der Linker gespalten, anschließend können die getrennten Peptide separat fragmentiert werden. Die erzeugten
Daten sind mit einer Standarddatenbanksuche kompatibel, was bei gemischten Spektren
von zwei Peptiden nicht der Fall wäre. Beim Quervernetzen der rekombinanten
Interaktionspartner UBX und p97N mit DSSO konnte der zu bestätigende Crosslink
zwischen zwei Lysinen nicht identifziert werden. Grund hierfür könnte eine zu kurze
Linkerlänge von DSSO sein. Diese Versuche brachten jedoch einige Limitationen des
Ansatzes zum Vorschein, wie die Beschränkung auf die Protease Trypsin, aufgrund der
positiven Ladung am C-Terminus und die Notwendigkeit von großen Proteinmengen, da
das Spalten des Linkers einen zusätzlichen Intensitätsverlust für die folgende
Identifizierung der Peptide mit sich bringt.
2. Da die niedrige Abundanz von quervernetzten Peptiden das Hauptproblem bei deren
Identifizierung ist, wurde eine Methode entwickelt, um während der Messung direkt nach
diesen niedrig abundanten Spezies zu suchen. Entscheidendes Kriterium hierfür war, dass
quervernetzte Peptide zwei C-Termini haben. Diese wurden zur Hälfte enzymatisch mit
18O bzw. 16O markiert und wieder vereinigt. Der resultierende Massenunterschied von 8
Da (4 x 18O) kommt ausschließlich bei zwei quervernetzten Peptiden vor und kann
während der Messung direkt gesucht werden. Die vollständige Markierung von Peptiden
mit 18O wurde zunächst am Protein Beta-Galaktosidase getestet. Bereits hier stellte sich
heraus, dass der enzymatische Rücktausch von 18O zu 16O ein Problem darstellt und die
Markierungseffizienz von Aminosäuren beeinflusst wird, die sich C-terminal nach der
Spaltstelle befinden. Mit dieser Strategie ließ sich somit keine vollständige Markierung
für alle Peptide erreichen, was für diese Strategie essentiell gewesen wäre.
3. Um alle Probleme zu umgehen, die bei der Identifizierung von quervernetzten Peptiden
auftreten, wurde eine Methode entwickelt, um quervernetzte Proteine anhand von Profilen
nach einer Auftrennung im Polyacrylamidgel (SDS-PAGE) zu identifizieren. Durch das
Quervernetzen von Proteinen entstehen zusätzliche Proteinbanden nach einer SDSPAGE,
die im Gel nach oben verschoben sind. Alle Proteine in diesen neu erzeugten
Bereichen stellen somit potentielle Interaktionspartner dar. Als Modellsystem wurde der
Mediatorkomplex verwendet. Er wurde aus einem Zelllysat mittels Co-IP angereichert
und anschließend quervernetzt. Aus den mittels LC-MS/MS gemessenen Gelfraktionen wurden Proteinprofile erstellt und miteinander verglichen. Die Intensitätsmaxima der
Proteine des Mediatorkomplexes konnten in bestimmten zusätzlichen Fraktionen
gefunden werden, was den indirekten Nachweis für eine Interaktion darstellt. Die
Funktionalität der Strategie konnte somit bestätigt werden. Ein verbleibender Nachteil ist
jedoch die zu geringe Trennleistung von Polyacrylamidgelen. Befinden sich mehr als 50
Proteine in einer Fraktion, können potentielle Interaktionspartner nicht eindeutig zu einer
Untereinheit eines Komplexes zugeordnet werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde im Rahmen der Klinischen Forschergruppe 216
(CRU216) Interaktionen von Proteinen mit verschiedenen niedermolekularen
Verbindungen massenspektrometrisch untersucht, um potentielle Drug Targets zu
identifizieren. Diese Versuche sind vergleichbar mit Co-IP Experimenten, da sich der
Arbeitsablauf nur durch die Anreicherung mittels chemischer Verbindung unterscheidet.
Hierzu wurden biotinylierte Verbindungen immobilisiert und potentielle Drug Targets
aus einem komplexen Zelllysat angereichert. Die Identifzierung der echten
Bindungspartner wurde über quantitive Massenspektrometrie erreicht. Dabei wurden die
angereicherten Proteine, die an die niedermolekularen Substanzen binden mit einer
geeigneten Kontrollanreicherung verglichen. Mit den getesteten α-acyl
Aminocarboxamiden konnten verschiedene Proteinkomplexe und interagierende Proteine
spezifisch angereichert werden. Hierbei waren die vier Kinasen DNA-PK, ATM, ATR
und mTOR besonders interessant, da sie mit onkogenem Signalling und
Überlebensmechanismen wie der Hitzeschockantwort in Zellen des Multiplen Myeloms
(MM) in Verbidnung stehen. Die Inhibition der DNA-PK, ATM, ATR und mTOR mit α-
acyl Aminocarboxamiden stellt somit einen möglichen Therapieansatz dar, wenn er
zusammen mit hitzestressauslösenden Inhibitoren verwendet wird. Weiterhin konnte
gezeigt werden, dass die Armadillodomäne innerhalb der potentiellen Drug targets
signifkant angereichert wurde. Sie stellt damit eine potentielle Bindestelle der α-acyl
Aminocarboxamide dar.
Abschließend wurden Proteine mit biotinylierten Naphtylisochinolinen aus einem MMZelllysat
angereichert, deren Vorläufersubstanzen eine Wirkung auf Tumorzellen und den Malariaparasit Plasmodium falciparum gezeigt hatten. Hierbei konnten vor allem RNAbindende-
und mRNA-Splicing Proteine identifiziert werden, die zum Teil essentiell für
das Spleißen in-vivo sind. Hierzu gehören mehrere Untereinheiten der Splicing Factoren
3A und 3B. Die Veränderung der transkriptionellen Regulation und der resultierende
Effekt auf Krebszellen konnte bereits in anderen Studien mit dem Inhibitor Spliceostatin
A gezeigt werden, der das Spleißen beeinflusst.
N2  - Based on the huge biochemical variety of proteins they can interact in many different
ways with other proteins or small molecules. The first part of this work is about protein-Protein interactions which were investigated with chemical crosslinking. The aim of this work was the development of new and improved methods for the construction of
interaction networks. The second part is about protein-small molecule interactions to
identify new drug targets with subsequent validation.
Mass spectrometry (MS) is a powerful tool to investigate all protein-protein interactions
after enrichment from a cell lysate (Co-IP). By adding crosslinking to Co-IP experiments
it is possible to create a topology map which is important to differenciate between direct
and indirect interactions. To validate the crosslinking procedure, a commercial available
crosslinker and recombinant proteins of known interaction partners with low sample
complexity were used. The interaction partners NPL4 and UFD1 were successfully
crosslinked with BS3 and crosslinked peptides were identified with MS. Next step was to
apply this workflow on the Co-IP of the yeast mediator complex. Here the sample
complexity is 500 to 1000 times higher than with recombinant proteins. After
successfully crosslinking, a topology map of the subunits of the mediator complex was
created. The result matches the latest model of the complex. Crosslinks to known
interation partners, like the RNA-Pol II, were not identified because of their
substoichiometric enrichment.
Because of the known limitations of protein crosslinking, new and improved methods
were developed:
1. Application of the MS-cleavable crosslinker DSSO, which could be cleaved with low
collision energy, to improve the database search of crosslinked peptides. Proof of concept
was done by crosslinking Cytochrom C. In the first fragmentation step only DSSO is
cleaved. Fragmentation of the separated peptides is done in the next step with higher
energy. Peptid fragments are compatible with a standard database search. The application
of this method on the interacting proteins UBX and p97N failed because the predicted
crosslink could not be identified. This could be due to the lack of linker length of DSSO.
But more important, this experiment revealed the drawbacks of the DSSO approach. Trypsin is needed because this leads to a positive charge on the C-Terminus. Furthermore
large amounts of protein are required to reach the needed intensity for all fragmentation
steps.
2. Since the low abundancy of crosslinked peptides is the main issue for their
identification, a new method was developed to directly search for them during the MS
measurement. The defining criterion for this search was the occurrence of two C-termini
in crosslinked peptides. Samples were splitted, labeled with 18O or 16O, and mixed again
to generate a mass shift of 8 Da which is unique for crosslinked peptides. This mass shift
can be used to directly search for these peptides during the measurement. Proof of
concept was tested by labeling beta-galactosidase. Complete labeling could not be
reached because of enzymatic back-exchange from 18O with 16O. Furthermore the
neighbouring amino acids at the C-termini influence the labeling efficiency. Due to the
incomplete labeling, the method could not be used for identifying crosslinked peptides.
3. To circumvent all problems which occur with the identification of crosslinked peptides,
another method was developed to identifiy crosslinked proteins by their mass shift after
separation on a polyacrylamide gel (SDS-PAGE). By crosslinking proteins additional
protein bands are generated which appear in the upper part of the gel. All proteins in this
region are potential interation partners. Proof of concept was done by enrichment (Co-IP)
of the yeast mediator complex from a cell lysate with subsequent crosslinking. From the
LC-MS/MS data, profiles for every protein of the complex were generated. The
additionally generated crosslink intensity peaks of interacting subunits overlapped with
each other, which is the indirect proof of the functionality of this approach. The main
problem with this strategy is the low separation performance. When about 50 proteins are
located in one fraction, it is not possible to unambiguously match a protein to a specific
subunit of the protein complex.
In the second part of this work, the interactions of proteins with small molecules were
investigated by mass spectrometry, to identify potential drug targets. Biotinylated
versions of active compounds were immobilized to magnetic streptavidin beads and
incubated with INA6 cell lysate. By quantitiative analysis of proteins, which bind to the control beads and proteins, which bind to the inhibitor beads, potential drug targets were
identified.
With the used α-acyl aminocarboxamides several protein complexes and interacting
proteins were specifically enriched. These included the four kinases DNA-PK, ATM,
ATR and mTOR, which are involved in oncogenic signaling and survival mechanisms.
Moreover it is known, that the DNA-PK interacts with HSF1 and therefore regulates the
HSF1-mediated heat shock response. The inhibition of DNA-PK, ATM, ATR and mTOR
with α-acyl aminocarboxamides is a new therapeutic opportunity when it is combined
with other substances which trigger the heat shock response. A potential binding site of
the α-acyl aminocarboxamides is the armadillo domain, because it was significantly
enriched among the potential drug targets.
Several naphtylisochinolines were also biotinylated, immobilized and incubated with
INA6 cell lysate. Precursors of these substances showed activity against multiple
myeloma cells and the malaria pathogen Plasmodium falciparum. Here we could enrich
proteins which are associated with RNA-binding and mRNA splicing, including several
subunits of the splicing factors 3A and 3B, which are essential for splicing. The change of
the transcriptional regulation and the resulting effect on cancer cells by influencing
mRNA splicing is already known and was shown by other inhibitors like Spliceostatin A.
KW  - Massenspektrometrie
KW  - Proteininteraktionen
KW  - Molekulare Zielstrukturen
KW  - Proteinquervernetzungen
KW  - Methodenentwicklung
KW  - Mass spectrometry
KW  - Protein interactions
KW  - Drug targets
KW  - Protein crosslinking
KW  - Method development
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160462
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frenz, Silke
T1  - Generierung und Evaluation von Mausmodellen für die auditorische Neuropathie
T1  - Generation and evaluation of mouse models of auditory neuropathy
N2  - Der Hörsinn ist für uns Menschen von entscheidender Bedeutung, um mit der Umwelt kommunizieren zu können. Hörstörungen werden dabei in sensorineurale Erkrankungen der neuronalen Strukturen und nicht-sensorineurale Schallleitungsschwerhörigkeiten unterschieden.
In der vorliegenden Studie sollte es darum gehen zu untersuchen, inwiefern ein neues konditionelles Mausmodell, die Brn3.1 IRES Cre Maus, und ein bestehendes Mausmodell, die pmn-Maus, sich eignen, um die Erkrankung der auditorischen Neuropathie nachzubilden. Die Brn3.1 IRES Cre Maus wurde zur Evaluation der Expression von Cre-Rekombinase unter der Aktivität des Brn3.1 Promotors mit gefloxten Reporter-Mauslinien verkreuzt. Die pmn-Maus ist ein anerkanntes Modell einer Motoneuronerkrankung, hatte aber in vorherigen Untersuchungen erhöhte Hörschwellen gezeigt.
Alle verwendeten Mauslinien wurden mittels ABR und DPOAE frequenzspezifisch untersucht, um die Funktion der Haarzellen im Corti´schen Organ zu evaluieren. Bei der pmn-Linie wurden die audiologischen Untersuchungen wöchentlich zwischen P21 und P35 durchgeführt. Zusätzlich wurde das Corti´sche Organ zu diesen Zeitpunkten morphologisch untersucht.
Es zeigte sich, dass alle verwendeten Mauslinien unauffällige Hörschwellen verglichen zur Backgroundlinie C57BL/6 hatten sowie DPOAE-Antworten zeigten. Die Verkreuzung der Brn3.1 IRES Cre Linie mit den beiden Reporterlinien zeigte eine nachweisbare Cre-Rekombinase-Expression unter der Aktivität des Brn3.1 Promotors nur an den postnatalen Tagen P14 und P21. Diese Expression erfolgte mosaikartig in den äußeren Haarzellen. Mit Hilfe einer RT-PCR wurde eine Diskrepanz zwischen Genotyp und Expression des Reporterproteins im Gewebe festgestellt. Dies ließ vermuten, dass die Expression von Cre-Rekombinase durch gene silencing Prozesse unterdrückt wurde und Brn3.1 als Promotor nicht leistungsstark genug war, um eine Cre-Rekombinase-Expression steuern zu können.
Die pmn-Linie zeigte in ABR-Untersuchungen bereits zum Zeitpunkt P21 erhöhte Hörschwellen in allen untersuchten Frequenzen im Vergleich zum Wildtyp. DPOAE-Antworten waren in der pmn-Linie nur bedingt auslösbar. Es zeigte sich in der morphologischen Evaluation ein Verlust von äußeren Haarzellen über die gesamte Länge des Corti´schen Organes. Durch einen TUNEL-Assay konnte das Absterben dieser Zellen durch apoptotische Vorgänge nachgewiesen werden. Der pmn-Phänotyp entsteht durch eine Mutation im TBCE Gen. Dieses Gen kodiert für ein Protein, welches einen stabilisierenden Einfluss auf die Organisation der Mikrotubuli hat. Die TBCE-Verteilung im Corti´schen Organ zeigte, dass dieses hauptsächlich in den äußeren Haarzellen und inneren Stützzellen exprimiert wird und damit wahrscheinlich einen bedeutenden Einfluss auf die Erhaltung der Haarzellen hat. Eine Analyse des Hörnervs zeigte einen Verlust von Mikrotubuli.
Neben diesen in vivo Untersuchungen sollte außerdem eine gliazellfreie Kultur von dissoziierten auditorischen Neuronen etabliert werden. Hierfür wurden mehrere Faktoren einer Primärzellkultur in Bezug auf ihren Einfluss auf die Gesamtzellzahl, den prozentualen Neuronanteil und die Axonlänge der Neurone untersucht. Das Medium, die Beschichtung des Zellkulturgefäßes, die Gabe von Neurotrophinen/Zytokinen und der Einsatz eines Zytostatikums wurden separat untersucht. Es zeigte sich, dass das Medium, die Beschichtung und Neurotrophin-/Zytokingabe hauptsächlich einen Einfluss auf das axonale Längenwachstum von Neuronen haben. Den Prozentsatz der Neurone beeinflusste nur der Einsatz des Zytostatikums Cytosin-β-D-arabinofuranosid (AraC) signifikant. Die Ergebnisse wurden auch im Zusammenhang mit der reellen Neuronanzahl in Kultur gesehen.
Es ergab sich weiterhin eine Präferenz für DMEM- über NB-Medium sowie für zusätzliche Lamininbeschichtung, für den Einsatz des Zytokins LIF gegenüber den neurotrophen Faktoren BDNF und NT-3 und die Gabe des Zytostatikums AraC ab Tag 2 nach Ausplattierung in einer Konzentration von 5-10 µM. Ein kombinatorischer Einsatz dieser Präferenzen spiegelte in Summe die Ergebnisse der Versuchsreihen Neurotrophine/Zytokin und AraC wieder. Der Anteil der Neurone in der Kultur konnte im Durchschnitt auf 10-12 % gesteigert werden. Eine Verschiebung des Glia-/Neuronenanteils zugunsten letzterer ist vermutlich nur durch den Einsatz weiterer Faktoren oder anderer Methoden möglich.
Die untersuchten Mausmodelle zeigten auf Grund der Untersuchungsergebnisse nur teilweise Ähnlichkeiten mit der Erkrankung der auditorischen Neuropathie. Die Erkenntnisse zur pmn-Mauslinie über das frequenzspezifische Hörvermögen und die morphologische Degeneration im Corti´schen Organ im altersabhängigen Verlauf können aber hilfreich sein, um neben der motorischen auch die sensorische Degeneration dieser Pathologie besser zu verstehen. Zudem konnten auch umfassende Erkenntnisse für die Kultur von dissoziierten auditorischen Neuronen der Maus in Bezug auf verschiedene Variablen erhalten werden.
N2  - As one of the five senses the aural sense is the most essential part for human interactions and communication. Disturbances of this sense are differentiated into non-sensorineural disorders with a disturbed sound transmission, and sensorineural ones, which affect the neural structures of the ear.
The actual study was focused on the question if a newly generated mouse model, the Brn3.1 IRES Cre mouse, and an established line, the pmn-mouse, were suitable to simulate the pathology of auditory neuropathy. The Brn3.1 IRES Cre mouse was crossbred with flox reporter mouse lines to evaluate the expression of Cre recombinase under the activity of the Brn3.1 promotor. The pmn-mouse is the existing murine model of a motoneuron disease, but showed elevated hearing thresholds in previous studies.
All used lines were audiologically tested at different frequencies using ABR and DPOAE to evaluate the functional status of the hair cells in the organ of Corti. These evaluations were done in the pmn-line weekly from P21 to P35. At those time points the organ of Corti was also evaluated morphologically.
The study showed that all used mouse lines showed normal hearing thresholds compared to the background line C57BL/6 and displayed DPOAE answers. In F1 offspring of Brn3.1 IRES Cre crossbred with the LacZ reporter line Cre recombinase expression under Brn3.1 promotor activity was observed at P14 and P21. Expression was mosaic-like in outer hair cells and limited to the aforementioned time points. Using RT-PCR is was possible to show a discrepancy between genotype and expression of the reporter protein in the tissue. It was assumed, that expression of Cre recombinase was suppressed by gene silencing processes and Brn3.1 was not potent enough to drive sufficient Cre recombinase expression.
The audiological evaluation of the pmn-line showed already at P21 elevated hearing thresholds compared to wildtype mice. DPOAE answers could be elicited only in certain frequencies in pmn-mice. Morphological analysis showed a loss of outer hair cells spanning the whole length of the organ of Corti at all phases. A TUNEL assay showed that the hair cells died by apoptosis. The pmn-phenotype is characterized by a mutation in the TBCE gene, a protein responsible for organization of microtubules. A distribution analysis showed that TBCE in the organ of Corti was mainly expressed in the outer hair cells as well as the inner pillar cells and thus likely influences the maintenance of these structures. The auditory nerves of the pmn-mice also displayed some loss of microtubules.
Additionally to the in vivo evaluation, it was tried to establish a glial cell free culture of dissociated spiral ganglia neurons. Therefore several factors of a primary cell culture were evaluated concerning their influence on overall cell number, percentage of neurons and neuritic outgrowth.
To establish a glial cell free culture of dissociated spiral ganglia neurons, the variables media, coating, neurotrophins/cytokines and use of a cytostatic were evaluated separately. While the first three mentioned mainly influenced the neurite outgrowth in culture, the last one increased the percentage of neurons. The results were checked against the real number of neurons in culture. 
The results yielded a preference for DMEM over NB medium, as well as for additional laminin coating, the use of the cytokine LIF over the neurotrophins BDNF and NT-3 and the application of the cytostatic cytosine-β-D-arabinofuranosid at a concentration of 5-10 µM from day 2 after plating. Combining these preferences yielded similar results to those of the test series of neurotrophins/cytokines and cytostatic. The percentage of neurons in culture could be increased to an average of 10-12 %. A shift of the glial cell/neuron percentage in favor of the latter seems to need the addition of further factors or the use of other methods.
The results showed, that the mouse lines evaluated in this study did not resemble pathologies fully comparable to those of auditory neuropathy. However, further information on the pmn-mouse line concerning frequency-specific hearing thresholds and morphologic degeneration in the organ of Corti in a time dependent manner could be gathered. This may be helpful to better understand sensory next to motor neuron degeneration in this pathology. Furthermore comprehensive results could be gained for the culture of dissociated spiral ganglia neurons concerning different variables.
KW  - Audiologie
KW  - Neuropathologie
KW  - Elektrophysiologie
KW  - Sinneszelle
KW  - Auditorische Neuropathie
KW  - Haarzelle
KW  - Corti-Organ
KW  - transgenes Modell
KW  - sensorische Neurone
KW  - Transgener Organismus
KW  - Maus
KW  - Tiermodell
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177101
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wunsch, Marie
T1  - Das enterische Nervensystem als mögliche Zielstruktur der Autoimmunreaktion in der Multiplen Sklerose
T1  - The enteric nervous system is a potential autoimmune target in multiple sclerosis
N2  - Bei der Multiplen Sklerose (MS) handelt es sich um eine Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS). Abhängig von der betroffenen ZNS-Region kann es zu vielfältigen Symptomen kommen. Neben neurologischen Symptomen verursacht durch ZNS-Läsionen leidet ein Großteil der MS-Patienten auch unter gastrointestinalen Funktionsstörungen. Diese gastrointestinalen Symptome wurden bisher eher auf Läsionen im Rückenmark zurückgeführt und nicht direkt in Verbindung mit der autoimmunen Ätiologie der Erkrankung gebracht.
In dieser Studie wurde das enterische Nervensystem (ENS) in einem B-Zell- und Antikörper-abhängigen Mausmodell der MS untersucht. Dafür wurde der Autoimmunprozess durch Immunisierung mit MP4, einem Fusionsprotein aus dem Myelin-Basischen-Protein (MBP) und dem Proteolipid-Protein (PLP), ausgelöst. Das ZNS und ENS wurden in den unterschiedlichen Erkrankungsstadien immunhistochemisch und elektronenmikroskopisch analysiert. Neben der Immunpathologie des ZNS konnte dabei eine Degeneration des ENS schon vor dem Einsetzen der ersten neurologischen Defizite nachgewiesen werden. Die ENS-Pathologie war antikörper-mediiert und ging einher mit einer verringerten gastrointestinalen Motilität sowie mit einer Gliose und Neurodegeneration des ENS.
Mithilfe von Immunpräzipitation und Massenspektrometrie konnten im ENS vier mögliche Zielstrukturen des Autoimmunprozesses identifiziert werden, was auf sog. epitope spreading hindeutet. Auch im Plasma von MS-Patienten konnten Antikörper gegen drei dieser Antigene nachgewiesen werden. Des Weiteren zeigten sich in Kolon-Resektaten von MS-Patienten erste Ansätze einer Neurodegeneration und Gliose des ENS. 
In dieser Studie wurde zum ersten Mal ein direkter Zusammenhang zwischen der Autoimmunreaktion gegen das ZNS und einer simultanen Reaktion gegen das ENS gezeigt. Dies kann einen Paradigmenwechsel im Verständnis der Immunpathogenese der MS anstoßen und neue therapeutische und diagnostische Ansätze initiieren.
N2  - Multiple sclerosis (MS) is a chronic autoimmune disease, in which the immune system attacks the central nervous system (CNS). Clinical symptoms and the course of the disease can vary among patients, depending on the region of the brain primarily affected. Besides the neurological symptoms caused by CNS lesions, a great amount of MS patients display functional gastrointestinal impairments. Gastrointestinal symptoms were previously explained by the presence of spinal cord lesions rather than being linked to the autoimmune pathomechanisms of the disease. 
Here, the enteric nervous system (ENS) was studied in a B cell- and antibody-dependent mouse model of MS, in which the myelin basic protein (MBP) - proteolipid protein (PLP) fusion protein MP4 was used to initiate the autoimmune attack. Immunohistochemistry and electron microscopy were performed at different stages of the disease. We noted that in addition to the immune pathology in the CNS itself, the ENS also showed signs of degeneration. ENS degeneration was evident prior to the manifestation of CNS lesions and to the onset of neurological deficits in mice. ENS pathology was antibody-mediated and accompanied by impaired gastrointestinal motility, ENS gliosis and neurodegeneration. Using immunoprecipitation and mass spectrometry, four autoimmune targets expressed by enteric glia and/or neurons could be identified suggesting that epitope spreading to antigens of the ENS had occurred. MS patients displayed plasma antibodies against three of the ENS autoantigens. Studying human colon resectates provided preliminary evidence for gliosis and neurodegeneration of the ENS in MS patients, which was absent in non-MS controls.
Overall, this study establishes a pathomechanistic link between the well-established autoimmune attack on the CNS and a simultaneous attack on the ENS that has not been described so far. These findings can initiate a paradigm shift in the current understanding of the pathomechanism of MS with diagnostic and therapeutic implications.
KW  - Multiple Sklerose
KW  - Autoantikörper
KW  - Enterisches Nervensystem
KW  - Experimentelle Autoimmune Enzephalomyelitis
KW  - Darmwandnervensystem
KW  - Autoimmunität
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-175888
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pomper [geb. Müller], Laura Dorothea
T1  - Unterschiede in Frontaler Kortex Oxygenierung in zweierlei Risikogruppen der Alzheimer Demenz
T1  - Differences in Frontal Lobe Oxygenation in Two Risk Groups for Alzheimer's Disease
N2  - Die verbesserte medizinische Versorgung führt zu einer zunehmenden Lebenserwartung unserer Gesellschaft. Damit steigt auch die sozioökonomische Relevanz neurodegenerativer Erkrankungen kontinuierlich. Für die Alzheimer Demenz (AD), die dabei die häufigste Ursache darstellt, stehen bisher keine krankheitsmodifizierenden Behandlungsoptionen zur Verfügung. Die lange präklinische Phase der Erkrankung birgt jedoch großes Potential für die Entwicklung neuer Behandlungsoptionen. Das Untersuchen von Risikogruppen ist für die Identifikation von Prädiktoren einer späteren AD Manifestation von besonderem Interesse. In diesem Zusammenhang werden insbesondere das Vorliegen genetischer Risikokonstellationen, wie dem Apolipoprotein E (APOE) Ɛ4-Allel, sowie kognitiver Risikofaktoren, wie der „leichten kognitiven Beeinträchtigung“ (MCI), diskutiert. Die Identifikation präklinischer Aktivierungsunterschiede in relevanten Gehirnregionen von Risikogruppen kann als Basis für die Entwicklung neurofunktioneller Früherkennungs-Marker dienen. Der präfrontale Kortex (PFC), welcher mit der Steuerung von Exekutivfunktionen assoziiert wird, hat sich in diesem Zusammenhang in bisherigen Studien als eine relevante Schlüsselregion manifestiert. Aufgrund der aufwendigen und kostenintensiven bildgebenden Untersuchungsmethoden, sind die genauen Prozesse jedoch noch unklar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, Unterschiede in der PFC Oxygenierung in zweierlei Risikogruppen der AD mit einer kostengünstigeren Bildgebungsmethode, der funktionellen Nahinfrarot Spektroskopie (fNIRS), zu untersuchen. Dafür wurde in einem ersten Schritt, der Trailmaking Test (TMT), ein weitverbreiteter neuropsychologischer Test zur Erfassung exekutiver Funktionen, für fNIRS implementiert. Als Grundlage für die Untersuchung frühpathologischer Prozesse, wurden zunächst gesunde Alterungsprozesse betrachtet. Der Vergleich von jungen und älteren Probanden (n = 20 pro Gruppe) wies neben der Eignung der Testimplementierung für fNIRS auf eine spezifische bilaterale PFC Oxygenierung hin, welche bei jungen Probanden rechtshemisphärisch lateralisiert war. Ältere Probanden hingegen zeigten bei vergleichbaren Verhaltensdaten insgesamt mehr signifikante Kanäle sowie eine Abnahme der Lateralisierung. Dies kann als zusätzlicher Bedarf an Ressourcen in gesunden Alterungsprozessen interpretiert werden.
Im Rahmen der Hauptstudie wurden anschließend insgesamt 604 ältere Probanden im Alter von 70 bis 76 Jahren untersucht. Zunächst wurde die genetische Risikogruppe der Ɛ4-Allel-Träger (n = 78) mit den neutralen Ɛ3-Allel-Trägern (n = 216) und den Trägern des als protektiv geltenden Ɛ2-Allels (n = 50) verglichen. Hierbei zeigte sich eine geringere Oxygenierung der Risikogruppe bei geringer Aufgabenschwierigkeit, während sich ein erhöhter Oxygenierungsanstieg im medialen PFC mit steigender Aufgabenschwierigkeit zeigte. Dies deutet auf einen erhöhten Bedarf an neuronalen Kontrollmechanismen der Risikogruppe zur Bewältigung der steigenden Aufgabenschwierigkeit hin. Die protektive Gruppe zeigte hingegen eine erhöhte Oxygenierung im ventralen PFC mit steigender Aufgabenschwierigkeit, was möglicherweise auf einen präventiven Effekt hindeuten könnte.  
Weiterführend wurden MCI-Patienten mit gesunden Probanden (n = 57 pro Gruppe) hinsichtlich des kognitiven Risikofaktors verglichen. Hierbei zeigte sich ein punktuell reduzierter Oxygenierunganstieg der MCI Patienten mit steigender Aufgabenschwierigkeit vor allem im ventralen PFC bei ebenfalls stabiler Verhaltensleistung. Die gefundene Reduktion könnte ein Zeichen für eine aufgebrauchte kognitive Reserve sein, welche Einbußen auf Verhaltensebene voranzugehen scheint. 
Diese charakteristischen Unterschiede in den frontalen Oxygenierungsmustern von Risikogruppen (APOE, MCI) könnten als Biomarker zur Früherkennung von AD noch vor dem Auftreten kognitiver Einbußen dienen. Die fNIRS-Untersuchung während der Durchführung des TMT hat sich in diesem Zusammenhang als potentielles Instrument zur Frühdiagnose der präklinischen Phase der AD als geeignet erwiesen. Die Ergebnisse werden unter Einbezug des wissenschaftlichen Kontexts interpretiert und Implikationen für weitere notwendige Studien sowie die klinische Anwendbarkeit diskutiert.
N2  - Due to the improved medical care, the life expectancy of the society steadily rises.  Consequently, the socioeconomic relevance of neurodegenerative disorders increases. In order to treat the Alzheimer’s Disease (AD), as the most frequent cause, disease-modulating treatment options are desperately awaited. The extensive preclinical phase of the disease has the potential for gaining new insights for the development of effective treatment strategies. The investigation of risk groups for AD is of great importance for the identification of preclinical prediction markers for the manifestation of a subsequent AD. Especially the presence of genetic risk factors like the Apolipoprotein E (APOE) Ɛ4-allele and cognitive risk factors such as the “mild cognitive impairment” (MCI) are being discussed in this context. Differences in brain activation patterns of risk groups based on functional brain imaging methods have been shown to be beneficial as potential biomarkers for early AD detection. As such, the prefrontal cortex (PFC) which is important for executive control mechanisms has been identified as a key structure of interest. However, many of the involved processes are still not sufficiently understood since most imaging methods are time-consuming and rather expensive.
The aim of the present dissertation was to identify differences in PFC oxygenation in two different risk groups for AD by applying a cost-effective and easy-conductible imaging method, the functional Nearinfrared Spectroscopy (fNIRS). In a first step, the Trailmaking Test (TMT), which is a commonly used neuropsychological test for the investigation of executive functioning, was implemented for fNIRS. The neural subtracts were investigated as a basis for the subsequent examination of pre-pathological processes. Besides the usability of the suggested TMT implementation for fNIRS, the comparison of young and elderly subjects (n = 20 per group) showed a specific bilateral PFC oxygenation pattern which was right lateralized for the young group. Elderly adults on the other hand showed a decreased lateralization and more significant channels, pointing towards a need for additional resources in healthy aging. 
Subsequently the main study examined 604 elderly subjects aged between 70 and 76 years divided in two risk groups (APOE, MCI). In the first step, the genetic risk group of the Ɛ4-allele carriers (n = 78) was compared with the neutral Ɛ3-allele carriers (n = 216) and the carriers of the possibly protective Ɛ2-allele (n = 50). Thereby a reduced oxygenation of the risk group at low task difficulty has been shown, while a raised level of oxygenation increase in the medial PFC was found with growing task difficulty. This points towards a higher demand for neuronal control mechanisms in the genetic risk group in order to keep the performance level stable while task difficulty is increased.  The protective group however showed a higher oxygenation in the ventral PFC with increasing task difficulty, which could indicate a higher cognitive reserve.
In the second step, the MCI patients were compared with matched healthy control subjects (n = 57 per group). The result showed a reduced increase of oxygenation with increasing task difficulty limited to specific channels mostly within the central PFC while the performance was stable. This reduction could be a sign for the limit of the cognitive reserve, which becomes apparent before the decline of the cognitive performance.
The characteristic differences of frontal oxygenation patterns in risk groups (APOE, MCI) could possibly serve as biomarkers for the early AD detection even before task performance declines. The investigation of neural oxygenation with fNIRS during the completion of the TMT has been shown to be suitable as a potential early diagnosis method in the preclinical phase of AD. The results are embedded in the scientific context and implications for future research as well as the clinical applicability are being discussed.
KW  - Alzheimerkrankheit
KW  - Apolipoprotein E
KW  - Leichte kognitive Beeinträchtigung
KW  - NIR-Spektroskopie
KW  - Präfrontaler Cortex
KW  - Trailmaking Test
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156757
ER  - 
TY  - THES
A1  - König, Eva-Maria
T1  - Pathogenese von Kraniosynostosen
T1  - Pathogenesis of Craniosynostoses
N2  - Das humane Schädeldach besteht aus fünf Schädelplatten, die durch intramembranöse Ossifikation entstehen. Wenn diese in der Embryonalentwicklung aufeinandertreffen, bilden sich Schädelnähte aus, die eine Fusion der Schädelplatten verhindern und damit ein Schädelwachstum parallel zu Gehirnentwicklung ermöglichen. Für diesen Prozess ist eine Balance aus Zellproliferation und Differenzierung nötig, deren Aufrechterhaltung wiederum durch eine komplexe Regulation von verschiedenen Signalwegen gewährleistet wird. Störungen in diesem regulatorischen System können zu einer vorzeitigen Fusion der Schädelplatten, Kraniosynostose genannt, führen. Die Kraniosynostose ist eine der häufigsten kraniofazialen Fehlbildungen beim Menschen. Durch kompensatorisches Wachstum an den nicht fusionierten Suturen entstehen charakteristische Schädeldeformationen, die sekundär einen erhöhten intrakranialen Druck zur Folge haben können. Eine vorzeitige Fusion der Suturen kann sowohl isoliert als auch syndromal zusammen mit weiteren klinischen Auffälligkeiten vorliegen. Bisher sind über 150 verschiedene Kraniosynostose Syndrome beschrieben und insgesamt 25-30% aller Kraniosynostose Patienten sind von einer syndromalen Form betroffen. Da die klinischen Merkmale der Kraniosynostose Syndrome variabel sind und zum Teil überlappen, ist eine klare klinische Diagnose häufig erschwert. Sowohl Umwelteinflüsse als auch genetische Veränderungen können die Ursache für Kraniosynostosen sein. Vor allem bei syndromalen Kraniosynostosen wurden genetische Veränderungen, wie beispielsweise Mutationen in den Genen FGFR2, FGFR3, TWIST1 und EFNB1, identifiziert. Darüber hinaus wurden chromosomale Veränderungen wie partielle Monosomien von 7p, 9p oder 11p sowie partielle Trisomien von 5q, 13q oder 15q mit Kraniosynostose assoziiert. Trotzdem ist in über 50% der Fälle die genetische Ursache unbekannt und die Pathogenese von Kraniosynostosen noch nicht vollständig geklärt.
Ziel dieser Arbeit war es neue genetische Ursachen bei Kraniosynostose Patienten zu identifizieren und so zur Aufklärung der Pathogenese beizutragen. Es wurde die genomische DNA von 83 Patienten molekulargenetisch durch Mikroarray basierte vergleichende Genomhybridisierung (Array-CGH) oder durch ein speziell entworfenes Next Generation Sequencing (NGS) Genpanel untersucht. Bei 30% der Patienten konnte eine potentiell pathogene Veränderung identifiziert werden. Davon waren 23% chromosomale Aberrationen wie unbalancierte Translokationen, isolierte interstitielle Verluste und ein Zugewinn an genomischen Material. Bei zwei Patienten wurden unbalancierte Translokationen mit partieller 5q Trisomie nachgewiesen. Das Gen MSX2 liegt innerhalb des duplizierten Bereichs, sodass möglicherweise eine MSX2 Überexpression vorliegt. Für ein normales Schädelwachstum ist jedoch die richtige Menge an MSX2 kritisch. Des Weiteren wurde eine partielle Deletion von TCF12 detektiert, die in einer Haploinsuffizienz von TCF12 resultiert. TCF12 Mutationen sind mit Koronarnahtsynosten assoziiert. In einem anderen Fall lag das Gen FGF10 innerhalb der duplizierten 5p15.1-p12 Region. Das Gen kodiert für einen Liganden des FGF Signalwegs und wurde bisher noch nicht mit Kraniosynostose assoziiert. Aufgrund dessen wurden Analysen im Tiermodell Danio rerio durchgeführt. Eine simulierte Überexpression durch Injektion der fgf10a mRNA in das 1-Zell Stadium führte zu schweren Gehirn-, Herz- und Augendefekten.
Mittels NGS wurden 77% der potentiell pathogenen genetischen Veränderungen identifiziert. Hierfür wurde in dieser Arbeit ein Genpanel erstellt, das 68 Gene umfasst. Es wurden sowohl bekannte Kraniosynostose- als auch Kandidaten-Gene sowie Gene, die mit der Ossifikation assoziiert sind, in die Analyse eingeschlossen. Das Genpanel wurde durch die Sequenzierung von fünf Kontrollproben mit bekannten Mutationen erfolgreich validiert. Anschließend wurde die genomische DNA von 66 Patienten analysiert. Es konnten 20 (potentiell) pathogene Varianten identifiziert werden. Neben bereits bekannten Mutationen in den Genen FGFR1, FGFR2, FGFR3 und TWIST1, konnten zusätzlich 8 neue, potentiell pathogene Varianten in den Genen ERF, MEGF8, MSX2, PTCH1 und TCF12 identifiziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei das Mutationsspektrum dieser Gene zu erweitern. Bei zwei der Varianten handelte es sich um potentielle Spleißvarianten. Für diese konnte in einem in vitro Spleißsystem gezeigt werden, dass sie eine Änderung des Spleißmusters bewirken. Der Nachweis von zwei seltenen Varianten in den Genen FGFR2 und HUWE1 hat außerdem dazu beigetragen die Pathogenität dieser spezifischen Varianten zu bekräftigen. Eine Variante in POR, die aufgrund bioinformatischer Analysen als potentiell pathogen bewertet wurde, wurde nach der Segregationsanalyse als wahrscheinlich benigne eingestuft. Zusammenfassend konnten bei etwa einem Drittel der Patienten, die mit dem NGS Genpanel analysiert wurden, eine genetische Ursache identifiziert werden. Dieses Genpanel stellt somit ein effizientes diagnostisches Tool dar, das zukünftig in der genetischen Routine-Diagnostik von Kraniosynostose-Patienten eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sowohl eine Untersuchung auf CNVs als auch auf Sequenzänderungen bei Kraniosynostose Patienten sinnvoll ist.
N2  - Cranial bones are formed by intramembranous ossification. During development, the cranial bones are separated by fibrous sutures, which function as bone growth sites and therefore, the cranial sutures need to remain patent to allow the expansion of the skull during brain development. Thus, there must be a balance of cell proliferation and differentiation within the suture. This complex process requires a tight regulation of gene expression and interacting signal pathways. Imbalances or dysfunction of the involved factors can result in abnormal skull growth. One of the most common congenital craniofacial disorders by affecting approximately one in 2500 newborns is craniosynostosis. It is defined as the premature ossification of one or more calvarial sutures. Compensatory growth of the skull leads to a characteristic dysmorphic cranial vault and facial asymmetry. Premature ossification of the cranial sutures can occur either as isolated malformation or as part of a syndrome. Isolated craniosynostoses are more frequent, nevertheless, 25-30% of all cases are syndromic craniosynostoses with more than 150 syndromes reported. There is a high intra- and interfamilial variability and clinical overlap of the different syndromes. Environmental influences as well as genetic defects like mutations and chromosomal aberrations are known to cause craniosynostosis. So far genetic causes have been identified mainly for syndromic craniosynostoses, i.e. mutations in FGFR2, FGFR3, TWIST1, and EFNB1. Furthermore, chromosomal rearrangements like i.e. partial monosomy of 7p, 9p, and 11p as well as partial trisomy of 5q, 13q, and 15q, have been reported in 11-15% of the syndromic craniosynostosis cases. However, in more than 50% of the cases the underlying genetic cause remains unknown. Furthermore, the pathogenesis of craniosynostoses is still not fully understood.
In this project 83 craniosynostosis patients were analysed either by microarray-based comparative genomic hybridisation (array-CGH) or gene panel based next generation sequencing (NGS) to further investigate the pathogenesis of craniosynostosis. In a total of 30% of the patients a potential genetic cause was identified. Among those 23% had chromosomal rearrangements which are likely to cause the observed phenotypes, i.e. unbalanced translocations affecting several genes as well as interstitial deletions and an isolated duplication have been detected. Two patients had unbalanced translocations with partial 5q trisomies encompassing MSX2. MSX2 gene dosage is critical for normal growth of the cranial bone plates as loss-of-function mutations lead to delayed and incomplete ossification of the parietal bones. Furthermore, we identified a partial TCF12 deletion which is likely to result in TCF12 haploinsufficiency. TCF12 mutations frequently lead to premature fusion of the coronal sutures, although its pathogenesis is still not fully understood. In another case isolated duplication of 5p15.1-p12 includes FGF10 which is a known ligand of the FGF signalling pathway. So far, no association of FGF10 with craniosynostosis has been made. To investigate its potential role during development and in the pathogenesis of craniosynostosis functional experiments were performed in Danio rerio, an animal model for craniosynostosis. Simulation of fgf10a overexpression by injection of fgf10a RNA at 1-cell stage resulted in severe anomalies of the brain, heart and eyes.
In addition, 77% of the identified genetic causes were detected by NGS. For this study a gene panel was designed comprising 68 genes of known and candidate craniosynostosis genes as well as genes associated with bone development. Performance of the NGS gene panel was validated by sequencing five control patients with known mutations. Subsequently, genomic DNA of 66 patients was analysed by the designed craniosynostosis panel. 20 (potential) pathogenic variants were detected. Although, in most of the cases hot spot sequencing of one or more common craniosynostosis genes was performed prior to including the patients in the study, we determined 9 known mutations in the genes FGFR1, FGFR2, FGFR3, and TWIST1. In addition, 8 novel, potentially disease-causing variants in the genes ERF, MEGF8, MSX2, PTCH1, and TCF12 were identified. This work contributed to extend the mutational spectrum within those genes. Two of those variants were predicted to affect splice sites. Analysis by an in vitro splice assay revealed that those variants result in aberrant splicing. Furthermore, the detection of two rare variants of FGFR2 and HUWE1 adds support to their pathogenicity. An additional variant within POR had to be classified as likely benign after segregation analysis. Overall, in nearly one third of the analysed cases an underlying genetic cause could be identified by the designed gene panel. Thus, the NGS panel presents as an efficient tool for genetic diagnostics of craniosynostoses. The data of this work clearly show both copy number variant and single nucleotide variant analysis should be considered in genetic diagnostics of craniosynostosis patients.
KW  - Kraniosynostose
KW  - Genetik
KW  - Next Generation Sequencing (NGS)
KW  - Mikroarray basierte vergleichende Genomhybridisierung (Array-CGH)
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-175181
ER  -