TY - THES A1 - Schlereth, Florian T1 - Expression of the DHEA/DHEAS-Shuttle in cell lines and foetal tissue of human liver, adrenal and cartilage T1 - Expression des DHEA/DHEAS-Shuttles in Zelllinien und fötalem Gewebe der menschlichen Leber, Nebenniere und Knorpel N2 - DHEA is a precursor for the male and female sex hormones testosterone and estradiol, which are mainly secreted from the testes and the ovary, respectively. In addition, epidemiological studies showed that low serum levels of DHEA and DHEAS correlate with the incidence of autoimmune disease, cancer and cardiovascular disease. In vitro, DHEA and DHEAS influenced glucose metabolism in a favourable manner. However, positive effects of DHEA substitution were only significant adrenal insufficiency in women. Steroid sulphotransferase 2A1 (SULT2A1) is the responsible enzyme for sulphonation of DHEA to DHEAS which is thought to be the inactive form of DHEA. In this role, SULT2A1 acts as a central regulator of steroid synthesis because sulphonation of DHEA withdraws the substrate for further downstream conversion. Another essential cofactor for sulphonation is PAPS, which is produced by the enzyme PAPS synthase (PAPSS) from ATP and anorganic sulphate. PAPSS exists in the different isoforms PAPSS1 and PAPSS2 and splice variants PAPSS2a and PAPSS2b. Changes in PAPSS activity are thought to influence sulphonation of DHEA significantly. However, neither regulation of PAPSS nor its influence on SULT2A1 have been investigated in human cell lines or humans. The main goal of this thesis was to analyze the enzyme expression of the DHEA/DHEA shuttle, i.e. mRNA and protein of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2, in various human cell lines. Furthermore, I investigated which cell line could serve as a suitable model for further research regarding regulation of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2. Here, I could show that the enzymes of the DHEA/DHEAS shuttle were expressed in the human adrenal cell line NCI-h295R as both mRNA and protein. In enzyme assays, I was able to prove conversion of DHEA to DHEAS as well as to different other steroids. However, applying Trilostane, a potent inhibitor of CYP3B, effectively directed conversion of DHEA to DHEAS. Using these findings, future experiments can investigate for example the influence of certain cytokines or endocrine disruptors on expression and activity of PAPSS1/2 and on sulphonation of DHEA. In particular, the relatively equal expression of PAPSS1 and PAPSS2 will enable us to do knock down experiments with siRNA to elucidate how the activity of one enzyme changes when the other one fails. Sulphonation of DHEA by SULT2A1 is thought to happen in the cytoplasm or more precisely in the Golgi apparatus. However, experiments in transfected cells have shown both a cytoplasmatic and a nuclear localisation when both enzymes were expressed at the same time. Immunocytochemistry revealed the same results in the adrenal cell line NCI-h295R, where both enzymes were expressed strongly in the nucleus. The physiological role is not clear and requires further research. Presumably, sulphate is activated in the nucleus. However, one could also speculate that a shift of PAPSS to the nucleus could generate a reservoir, which can be activated by re-localisation to the cytoplasm when more PAPS is needed. Expression of SULT2A1 in some foetal tissues has been investigated earlier. Whilst in adult human cartilage PAPSS1 is predominant, in newly born hamsters PAPSS2 is more abundantly expressed. The expression of PAPSS isoforms in highly sulphonating tissue has not been investigated in humans, so far. This work demonstrated a differential expression of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2 in adult and foetal liver, adrenal and foetal cartilage tissue. In adult and foetal adrenal expression was similar. However, foetal and adult liver differed in the expression of SULT2A1, which was expressed much more in adult tissue. Most importantly, in foetal cartilage there was only a low expression of SULT2A1 and PAPS seems to mostly provided by PAPSS1, which was considerably higher expressed in cartilage than in other tissues. In contrast, PAPSS2 was mainly expressed in adult and foetal adrenal. Additionally, we reported a case of a female patient who had been investigated for hyperandrogenism. Two mutations in the PAPSS2 gene had led to massively reduced serum levels of DHEAS. One heterozygous mutation in the domain of the APS kinase of the PAPSS2 protein leads to substitution of one amino acid at position 48 (T48R). In vitro experiments showed a residual activity of 6% for this mutation. A second mutation in the ATP sulphurylase domain of PAPSS2 was found. The introduction of thymidine instead of cytidine leads to a stop codon, which is presumed to truncate the protein at position 329 (R329X). In vitro, no residual activity was seen for this mutation. The lack of PAPS reduces sulphonation of DHEA but also sulphonation of proteoglycanes, which leads to skeletal abnormalities. The abundance of DHEA enables massive downstream conversion to androgens leading to clinical features of hyperandrogenism. Regarding the bone abnormalities, it is interesting and surprising that activity of PAPSS1 compensated to a great extent in cartilage but was not able to keep up a more considerable sulphonation of DHEA. Possibly, the subcellular localisation might play a role in this scenario. N2 - DHEA ist eine Vorstufe der männlichen und weiblichen Sexualhormone Testosteron bzw. Oestradiol, welche hauptsächlich in den Testes bzw. Ovarien gebildet werden, aber auch in der Körperperipherie aus DHEA gebildet werden können. Desweiteren konnte in epidemiologischen Studien gezeigt werden, dass niedrige Spiegel von DHEA und DHEAS mit dem Auftreten von Autoimmunerkrankungen, Tumorerkrankungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen korrelieren. In vitro konnten beispielsweise günstige Effekte auf den Glukose-Stoffwechsel nachgewiesen werden. Allerdings konnte eine klinisch sinnvolle Gabe von DHEA nur im Rahmen einer Substitution bei Nebenniereninsuffizienz bei Frauen nachgewiesen werden. Verantwortlich für die Sulfonierung von DHEA ist vor allem die Steroid Sulfotransferase 2A1 (SULT2A1). DHEAS wird als inaktivierte Form von DHEA angesehen. SULT2A1 fungiert als zentraler Regulator der Steroid-Synthese, da durch Sulfonierung von DHEA zu DHEAS der weiteren Konversion das Substrat entzogen wird. Für diese Sulfonierung ist PAPS ein essentieller Kofaktor. Das Enzym PAPS-Synthase, von welchem unterschiedliche Splice-Varianten und Isoformen (PAPSS1 und PAPSS2a/b) vorliegen, stellen PAPS aus ATP und anorganischem Sulfat her. Eine Änderung der Aktivität der PAPS-Synthase kann vermutlich die Aktivität der DHEA Sulfotransferase maßgeblich beeinflussen. Weder die Regulation der PAPS Synthase noch deren Wirkung auf SULT2A1 wurden bisher in menschlichen Zelllinien oder beim Menschen untersucht. Hauptziel dieser Arbeit war die Analyse der Enzymexpression des DHEA/DHEAS Shuttles (mRNA und Protein von SULT2A1, PAPSS1, PAPSS2) in verschiedenen humanen Zelllinien. Ferner wurde untersucht, ob eine der Zelllinien als Modell geeignet ist, die Regulation von SULT2A1 sowie insbesondere PAPSS1 und PAPSS2 in bestimmten pathophysiologischen Situationen zu untersuchen. Hier konnte gezeigt werden, dass insbesondere die adrenale Zelllinie NCI-h295R die Enzyme des DHEA/DHEAS Shuttles sowohl als mRNA als auch als Protein exprimiert. Mittels Enzym-Assay konnte eine Konversion von DHEA zu DHEAS und verschiedenen weiteren Steroiden nachgewiesen werden. Eine Hemmung der CYP3B-abhängigen Konversion mittels Trilostane unterdrückt die Bildung von weiteren Androgenen in NCI-h295R Zellen allerdings effektiv, sodass DHEA größtenteils zu DHEAS konvertiert wurde. Hieraus ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, z.B. den Einfluss von Zytokinen oder von endokrinen Disruptoren auf die Sulfonierung von DHEA und auf die Expression von PAPSS1/2 zu untersuchen. Insbesondere kann aufgrund der ähnlichen Expression von PAPSS1 und PAPSS2 in dieser Zelllinie untersucht werden, welche Auswirkung ein Ausschalten eines Enzyms mittels siRNA auf das jeweils andere hat. Die Sulfonierung von DHEA durch SULT2A1 geschieht im Zytoplasma bzw. im Golgi Apparat. Allerdings haben Untersuchungen an transfizierten Zelllinien gezeigt, dass PAPSS1 bzw. PAPSS2 sowohl im Plasma als auch nukleär vorliegen können, wenn beide gleichzeitig exprimiert waren. Mittels Immunzytochemie konnten diese Ergebnisse auch in der Zelllinie NCI-h295R nachgewiesen werden. Beide Enzyme sind auch hier vor allem nukleär exprimiert. Der physiologische Hintergrund dieser Lokalisierung ist nicht geklärt und erfordert weitere Erforschung. Vermutlich erfolgt die Sulfat-Aktivierung also im Nukleus. Möglicherweise stellt die Verlagerung der Enzyme in den Nukleus aber auch eine Reserve der PAPS Synthese dar, die durch Rückverlagerung ins Zytoplasma dort rasch zusätzliches PAPS zur Verfügung stellen kann. Die Expression der DHEA Sulfotransferase wurde bereits in einigen fötalen Geweben untersucht. Während in adultem Knorpel beim Menschen die Expression von PAPSS1 dominiert, wird z.B. im Knorpel von neugeborenen Hamstern vor allem PAPSS2 gebildet. Welche Isoform von PAPSS in welchen fötalen Geweben beim Menschen dominiert, wurde bislang nicht untersucht. In dieser Arbeit konnte mittels Realtime PCR eine differenzierte Expression von SULT2A1, PAPSS1 und PAPSS2 in fötalen Geweben nachgewiesen werden. In adultem und fötalem Gewebe der Nebennieren zeigte sich ein ähnliches Expressionsmuster. Während allerdings in der adulten Leber viel SULT2A1 vorhanden ist, konnte nur eine deutlich niedrigere Expression in fötalem Gewebe gezeigt werden. In fötalem Knorpel findet sich kaum SULT2A1. Dagegen wird in fötalem Knorpel deutlich mehr PAPSS1 gebildet als in adultem und fötalem Leber- bzw. Nebennieren-Gewebe. PAPSS2 ist sowohl beim Erwachsenen als auch beim Fötus hauptsächlich in der Nebenniere exprimiert. Auffällig ist eine relativ geringe Expression in der fötalen Leber. Ergänzend wird in dieser Arbeit eine Patientin mit Hyperandrogenismus vorgestellt, bei der zwei Mutationen im PAPSS2 Gen zu einem massiv erniedrigten DHEAS Spiegel geführt hatten. Eine heterozygote Mutation liegt im Bereich der APS-Kinase von PAPSS2 und führt zum Austausch einer Aminosäure an Position 48 im PAPSS2a Protein (T48R). In vitro konnte für diese Mutation eine Reduktion der Aktivität auf 6% nachgewiesen werden. Eine zweite Mutation fand sich in der ATP Sulfurylase Domäne von PAPSS2. Durch einen Nukleosid-Austausch (Thymidin statt Cytidin) entsteht ein Stop-Codon, was vermutlich an Position 329 zum Abbruch des Proteins führt (R329X). In vitro konnte für diese Mutation (R329X) keine Aktivität nachgewiesen werden. Durch das Fehlen von PAPS ist die Sulfonierung von Proteoglykanen im Knorpel gestört, was zu Skelettveränderungen führt. Vor allem aber kommt es durch das Fehlen der Inaktivierung von DHEA zu DHEAS zu einem Überangebot an DHEA. Dieses wird zu aktiven Androgenen konvertiert und verursacht klinisch einen Hyperandrogenismus. Interessant und überraschend ist, dass die PAPSS1-Aktivität im Knorpel eine gewisse Sulfonierung der Proteoglykane ermöglicht. Im Gegensatz dazu trägt PAPSS1 offensichtlich kaum zur Sulfonierung von DHEA bei, da der DHEAS Spiegel extrem niedrig ist. Möglicherweise spielt hier auch die subzelluläre Lokalisation der PAPS Synthase eine entscheidende Rolle. KW - Dehydroepiandrosteron KW - Zelllinie KW - Phosphoadenosinphosphosulfat KW - DHEA KW - PAPSS2 KW - adrenal KW - cell lines KW - DHEA-Sulfotransferase Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-102068 ER - TY - THES A1 - Gan, Qiang T1 - Investigation on Distinct Roles of Smad Proteins in Mediating Bone Morphogenetic Proteins Signals T1 - Untersuchung auf Unterschiedliche Rollen von Smad Proteinen in der Signalübertragung der Knochenmorphogenetischen Proteine N2 - Knochenmorphogenetische Proteine (engl. Bone morphogenetic Proteins, BMPs) sind eine Bestandteil von transforming growth factor-β (TGF-β)-Superfamilie und spielen wichtige Rollen in zahlreichen biologischen Ereignissen in der Entwicklung fast aller mehrzelligen Organismen. Fehlregulierte BMP-Signalweg ist die zugrunde liegenden Ursachen von zahlreichen erblichen und nicht erblichen Krankheiten wie Krebs. Die von BMP induziete breite Palette von biologischen Reaktionen konvergiert auf drei eng verwandten Smad Proteine. Sie vermitteln intrazelluläre Signale von BMP-Rezeptoren in den Zellkern. Die Spezifität des BMP-Signalwegs wurde intensiv auf der Ebene der Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen erforscht, aber, wie die verschiedenen Smad Proteine die durch BMPs hervorgerufen differenziellen Signale beitragen, bleibt unklar. In dieser Arbeit haben wir die BMP / Smad Signalweg in verschiedenen Aspektenuntersucht. Auf der Suche nach einem geeigneten Fluoreszenz-Reporter im Zebrafisch, verglichen wir verschiedene photo-schaltbaren Proteine und fand EosFP der beste Kandidat für diesen Modellorganismus im Bezug auf seine schnelle Reifung und Fluoreszenz-Intensität. Wir haben durch molekulare Modifizierung geeignete Vektoren erstellt, die Tol2-Transposon basieren trangenesis im Zebrafisch zu ermöglichen. Damit wurden schließlich transgenzebrafisch-Linien erzeugt. Wir kombinierten Fluoreszenz-Protein-Tagging mit hochauflösender Mikroskopie und untersuchten die Dynamik der Smad-Proteine in Modellsystem Zebrafisch. Es wurde beobachteten, dass Smad5 Kern-Translokation erfährt, als BMP Signalgeber bei Zebrafisch Gastrulation. Wir erkundeten die Beteiligung der Smad Proteine während der Myogenese-zu-Osteogenese Umwandlung von C2C12 Zelllinie, die durch BMP4 induziert wurde. Mit siRNA versuchten wir die endogene Smad Proteine niederzuschlagen, wobei die Auswirkungen auf diesen gekoppelten noch unterschiedlichen Verfahren durch quantitative real-time PCR und Terminal-Marker Färbung ausgewertet. Wir spekulieren, dass verschiedene Smad-Komplex Stöchiometrie für unterschiedliche durch BMPs hervorgerufe zelluläre Signale verantwortlich sein könnte. N2 - Bone morphogenetic proteins (BMPs) belong to the transforming growth factor-β (TGF-β) superfamily and play important roles in numerous biological events in the development of almost all multi-cellular organisms. Dysregulated BMP signaling is the underlying causes of numerous heritable and non-heritable human diseases including cancer. The vast range of biological responses induced by BMPs converges on three closely related Smad proteins that convey intracellular signals from BMP receptors to the nucleus. The specificity of BMP signaling has been intensively investigated at the level of ligand-receptor interactions, but how the different Smad proteins contribute to differential signals elicited by BMPs remains unclear. In this work, we investigated the BMP/Smad signaling in different aspects. In search for an appropriate fluorescence reporter in zebrafish, we compared different photo-switchable proteins and found EosFP the best candidate this model system for its fast maturation and fluorescence intensity. We modified and created appropriate vectors enabling Tol2-transposon based trangenesis in zebrafish, with which transgenic zebrafish lines were generated. We combined fluorescence protein tagging with high resolution microscopy and investigate the dynamics of Smad proteins in model system zebrafish. We observed that Smad5 undergoes nucleo-translocation as BMP signal transmitter during zebrafish gastrulation. We explored the Smad involvement during myogenic-to-osteogenic conversion of C2C12 cell line induced by BMP4. We created transient loss-of-function of Smads by siRNA-mediated knockdowns and analyzed the effects on these coupled yet distinct procedures by quantitative real-time PCR and terminal marker staining. We found that different Smad-complex stoichiometry might be responsible for distinct cellular signals elicited by BMPs. KW - Knochen-Morphogenese-Proteine KW - Zebrabärbling KW - Signaltransduktion KW - Bone morphogenetic proteins KW - Smad KW - Signaling KW - Zebrafish KW - Cell line KW - Differentiation KW - Differenzierung KW - Zelllinie KW - Zebrafisch Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71127 ER - TY - THES A1 - Petrovic, Suzana T1 - In vivo analysis of homing pattern and differentiation potential of cells deriving from embryonic and adult haematopoietic regions T1 - In-vivo-Analyse der Besiedelung und der Differenzirung von Zellen die aus embrionalen und hämatopoetischen Regionen stammen N2 - The experimental work of this thesis addresses the questions of whether established cell lines injected into murine blastocysts find their way back home and seed preferentially at the site of their origin. Furthermore, can they change their fate and differentiate to unrelated cell types when exposed to the embryonic environment. This survey was based on the fact that different cell lines have different potentials in developing embryos, dependent on their cellular identity. The cell lines used in this survey were AGM region-deriving DAS 104-4, DAS 104-8 cells, yolk sac-deriving YSE cells and bone marrow-deriving FDCP mix cells. These cells were injected into mouse blastocysts. Donor cells were traced in developing embryos via specific markers. Analysis of the embryos revealed that DAS cells are promiscuous in their seeding pattern, since they were found in all analysed tissues with similar frequencies. YSE cells showed preferences in seeding yolk sac and liver. YSE donor cells in chimaeric tissues were not able to change their immuno-phenotype, indicating that they did not change their destiny. Analysis of adult mice did not reveal any of YSE-derived cells donor contribution. In contrast, FDCP mix cells mostly engrafted haematopoietic tissues, although the embryos analysed by in situ hybridization had donor signals frequently in cartilage primordia, heads, and livers. Analysis of whether FDCPmix-derived cells found in foetal livers were of haematopoietic or hepatocytes nature showed that progeny of injected FDCP mix cells do not differentiate into cells that express a hepatocyte-specific marker. Further analysis showed that FDCPmix-derived donor cells found in brain express neural or haematopoietic markers. In order to reveal if they transdifferentiate to neurons or fuse with neurons/glial cells, nuclear diameters of donor and recipient cells were determined. Comparison of the nuclear diameters of recipient and donor cells revealed no differences. Therefore this suggests that progeny of FDCP mix in brain are not fusion products. Analysis of adult mice tissues revealed that presence of FDCP mix-derived cells was the highest in brains. These results confirmed the assumption that the developmental potential of the analysed cells cannot be easily modified, even when exposed to early embryonic environment. Therefore one can conclude that the analysed cell types had different homing patterns depending on their origins. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurde als zentrale Frage untersucht, wie Zellen verschiedener etablierter Zelllinien nach Injektion in murine Blastozysten an der Entwicklung der resultierenden chimären Tiere beitragen. Insbesondere wurde untersucht, ob injizierte Zellen bevorzugt oder ausschließlich Gewebe ihres Ursprungs besiedeln (“Homing“), oder ob Donorzellen auch heterologe Gewebe infiltrieren und gegebenenfalls gar unter dem Einfluß der frühembryonalen Blastozysten-Umgebung ihr Zellschicksal ändern und in andere Zelltypen transdifferenzieren können. Diese Studie basiert auf früheren Arbeiten, in denen gezeigt wurde, daß unterschiedliche Zelllinien - in Abhängigkeit ihrer Identität - verschiedene Entwicklungspotentiale im frühen Embryonalstadium haben. Folgende Zelllinien wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht: DAS 104-4 und DAS 104-8 (beide aus der sogenannten AGM Region isoliert), YSE (aus dem Dottersack) und FDCP mix (aus Knochenmark abstammend). Zellen dieser Zelllinien wurden in Maus Blastozysten injiziert und der Chimärismus in sich entwickelnden Embryonen oder adulten Tieren mit Hilfe von Donorzell-spezifischen Markern analysiert. Die Analyse chimärer Embryonen ergab, daß DAS Zellen diese promiskuitiv besiedeln: DAS Zellen wurden in allen untersuchten Geweben mit ähnlichen Häufigkeiten gefunden. YSE Zellen hingegen wurden bevorzugt in der fötalen Leber und im Dottersack nachgewiesen. YSE Donorzellen in chimären Geweben zeigten keine Änderungen in ihrem Immunphänotyp und damit keine Hinweise auf eine mögliche Transdifferenzierung. In adulten Mäusen konnten keine YSE-abstammende Zellen mehr identifiziert werden. FDCP mix Zellen besiedelten vor allem hämatopoetische Gewebe. In Embryonen wurden allerdings auch häufig Donorzell-spezifische in situ Hybridisierungssignale in Knorpelvorläufergewebe, der Leber und in der Kopfregion erhalten. Die FDCP mix Marker positiven Zellen der fötalen Leber wurden negativ auf die Expression von Hepatozyten-Markern getestet. Dies spricht auch in diesem Fall gegen einen Wechsel der Donorzellidentität und Transdifferenzierung. Im Gegensatz dazu wurden im Gehirn FDCP mix abstammende Spenderzellen identifiziert, die entweder neurale oder hämatopoetische Marker tragen. Die Zellkerndurchmesser wurden für die Donor-abstammenden Zellen und für die endogenen Gehirnzellen bestimmt und wiesen keinen signifikanten Unterschied auf. Dieser Befund läßt vermuten, daß FDCP mix abstammende Zellen mit Expression von neuralen Markern nicht das Produkt von Zellfusion von Donorzellen mit Neuronen oder Gliazellen sind. In der Analyse von adulten Mäusen wurden FDCP mix abstammende Zellen am häufigsten im Gehirn identifiziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen für die analysierten Zelllinien, daß sich deren Entwicklungspotential auch bei Exposition in frühembryonalem Milieu nicht leicht modifizieren läßt. Es wurde weiterhin gezeigt, daß die analysierten Zelltypen in Bezug auf ihren Ursprung ein sehr unterschiedliches “Homing“-Verhalten aufweisen. KW - Zelllinie KW - Zelldifferenzierung KW - Maus KW - Embryonalentwicklung KW - Blastozysten KW - DAS104-4 KW - DAS104-8 KW - YSE KW - FDCPmix KW - Blastocysts KW - DAS104-4 KW - DAS104-8 KW - YSE KW - FDCPmix Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9323 ER -