TY  - THES
A1  - Friedrich, Maximilian Uwe
T1  - Funktionelle Charakterisierung einer Tripletdeletion in SLC5A4 (SGLT3) als Kandidatengen für das Aufmerksamkeitsdefizit-/ Hyperaktivitätssyndrom (ADHS)
T1  - Functional characterization of a triplet deletion in the attention-deficit/hyperactivity (ADHD) candidate gene SLC5A4 (SGLT3)
N2  - Natrium-Glukose Transporter (SGLT) gehören zur „solute carrier 5“ (SLC5) Familie, die sich durch einen sekundär aktiven, natriumabhängigen Transport von Zuckern und an-deren Molekülen nach intrazellulär auszeichnen. Die durch das Gen SLC5A4 kodierte Isoform SGLT3 transportiert dagegen keinen Zucker, sondern verhält sich als Glukosesensor, der nach Bindung seiner Liganden eine Membrandepolarisation induziert. In genomweiten Exomsequenzierungsstudien (whole exome sequencing, WES) mehrerer erweiterter Stammbäume mit hoher Prävalenz des Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndroms (ADHS) wurde im Vorfeld eine ATG-Tripletdeletion in SLC5A4 identifiziert, die zum Verlust einer Aminosäure (ΔM500) in SGLT3 führt und zumindest partiell mit dem klinischen Phänotyp kosegregiert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die zentralnervöse Expression von SGLT3 auf RNA- Ebene mittels Reverse-Transkriptase PCR sowie real-time PCR aus humanen Gesamt-RNAs nachgewiesen. Dabei konnte eine ubiquitäre Expression im Gehirn mit relativ erhöhter Expression unter anderem in Striatum und Hypothalamus, deren Dysfunktion in der Pathogenese des ADHS impliziert wurde, gezeigt werden. Da Mutationen in homologen Domänen der eng strukturverwandten Isoformen SGLT1 und SGLT2 sowohl intestinale als auch renale Funktionen schwer beeinträchtigen, wurden in dieser Arbeit funktionelle Charakteristika sowohl des wildtypischen als auch der ΔM500 und der benachbarten ΔI501 Deletionsvariante von SGLT3 mittels Zwei-Elektroden Spannungs- und Stromklemme in entsprechend cRNA-injizierten Xenopus laevis Oozyten untersucht. Der hochpotente SGLT3-spezifische Iminozuckeragonist 1-Desoxynojirimycin (DNJ) induzierte an SGLT3-exprimierenden Oozyten in sauren Bedingungen etwa dreifach größere Kationeneinströme als D-Glukose, was sowohl im Spannungsklemmen-, und anhand einer entsprechenden Membrandepolarisation im Stromklemmenmodus gezeigt wurde. Die mit der ΔM500 bzw. ΔI501 Variante injizierten Oozyten dagegen zeigten in den maximalen Aktivierungsbedingungen um 92% bzw. 96% (p<0,01) reduzierte Kationeneinströme, sodass diese als hochgradig schädliche „Loss of Function“ Mutationen in SGLT3 charakterisiert wurden. Dieser Befund wurde mittels bioinformatischer in-silico Effektvorhersage validiert.
Um Konsequenzen der Sequenzalteration auf den Membraneinbau der Transporter zu untersuchen, wurden die mit einem gelb fluoreszierenden Farbstoff (YFP) markierten Transporter in Oozytenmembranen mittels Laser-Scanning Mikroskop nachgewiesen und die jeweiligen Mengen der Konstrukte anhand der Fluoreszenzintensitäten quantifiziert. Dabei zeigte sich eine um 53% bzw. 42% (p<0,01) reduzierte Menge der mutierten Konstrukte ΔM500 bzw. ΔI501 in der Membran, was zusätzliche schädliche Effekte der Mutationen auf das sogenannte Membrantargeting der Transporter belegt.
Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die ΔM500 Variante von SGLT3, welcher in ADHS-relevanten Hirnarealen exprimiert wird, dessen sub-stratinduzierte Natriumleitfähigkeit aufhebt und den Membraneinbau beeinträchtigen könnte, was in Wechselwirkung mit anderen genetischen ADHS Risikovarianten das Risiko für ADHS in Mutationsträgern beeinflussen kann.
N2  - Sodium-glucose transporters (SGLT) belong to the solute carrier 5 family, which is characterized by secondary active sodium dependent transport of sugars and other solutes. In contrast, SGLT3, encoded by the SLC5A4 gene, does not transport sugar but acts as a glucose sensor, inducing membrane depolarization upon ligand binding. In whole exome sequencing studies of several extended pedigrees with high density of attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), an ATG triplet deletion of SLC5A4, leading to a single amino acid loss (ΔM500) in SGLT3, was found to cosegregate, although imper-fectly, with the clinical phenotype.
In this work, expression of SGLT3 on RNA level was proven ubiquiteously in the human brain with relatively increased expression levels in striatum and hypothalamus, which had repeatedly been implicated in ADHD pathophysiology. Since mutations in homolo-gous domains of the structurally closely related isoforms SGLT1 and SGLT2 can signif-icantly impair intestinal and renal function, functional properties of wildtype, ΔM500 and neighboring ΔI501 deletion variants of SGLT3 were investigated by voltage clamp and current clamp recordings in cRNA-injected Xenopus laevis oocytes. The SGLT3-specific iminosugar agonist 1-Desoxynojirimycin (DNJ) induced a threefold increase of cation influx compared to the classic SGLT substrate D-glucose alone as revealed by robust inward currents in voltage clamp and cell depolarization in current clamp modes. ΔM500-SGLT3 and ΔI501-SGLT3 injected oocytes showed cationic inward currents significantly reduced by 92% and 96% (p<0,01) respectively. In-silico modelling predicted deleterious functional effects of both mutations, thus validating these results.
To investigate possible effects of these sequence alterations on membrane targeting of the transporters, fusion constructs with YFP were generated and intensity of membrane fluorescence was quantified by confocal laser scanning microscopy. In comparison to wildtype SGLT3, fluorescence signals of ΔM500 and ΔI501 injected oocytes were de-creased by 53% and 42% (p<0,01) respectively.
Taken together, the results of this work suggest that the ΔM500 mutant of SGLT3, which is expressed in ADHS-implicated brain tissues completely abolishes its ligand dependent sodium conductance and may impair its membrane targeting, which, in interaction with other genetic ADHD risk variants, may confer a risk for ADHD in deletion carriers.
KW  - ADHS
KW  - Genetik
KW  - Membrantransporter
KW  - SGLT
KW  - Glukosemetabolismus
KW  - ADHD
KW  - Genetics
KW  - Membrane transporters
KW  - Glucose metabolism
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-184791
ER  - 
TY  - THES
A1  - Oerter, Sabrina
T1  - Expression von Natrium/Glukose-Cotransportern im menschlichen Gehirn bei Todesfällen durch Schädel-Hirn-Trauma und Todesfällen durch Ersticken
T1  - Expression of sodium/glucose cotransporter in the human brain following death by traumatic brain inury and suffocation
N2  - Glukosetransporter spielen eine wichtige Rolle in der Versorgung des Gehirns mit Nährstoffen und somit für den Erhalt der physiologischen Zellintegrität. Glukose wird über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) mittels spezifischen transmembranen Transportproteinen der SLC-Genfamilie (GLUT, SGLT) befördert. Dabei scheint während physiologischen Bedingungen hauptsächlich der Glukosetransporter GLUT1 (SLC2A1) für die Energieversorgung des Gehirns zuständig zu sein. 
Die Erforschung der SGLT-Expression ist in den letzten Jahren ein wichtiger Ansatzpunkt für neue Behandlungsstrategien vieler Erkrankungen, wie Diabetes Mellitus, maligne Neoplasien oder eines Herzinfarkts, geworden. Jedoch ist über deren Expression und Funktion im menschlichen Gehirn nur wenig bekannt. Besonders die Lokalisation entlang der BHS bleibt fraglich. Ein Großteil bisheriger Forschungsarbeiten beschäftigt sich hauptsächlich mit der Expressionsanalyse des Transporters SGLT1 im tierischen Gehirn in vivo (Poppe et al. 1997; Balen et al. 2008; Yu et al. 2013). Es konnte aufgezeigt werden, dass SGLT1 mRNA exklusiv in Neuronen und nicht an der BHS exprimiert wird. Dies wird durch in vitro Analysen einer humanen Hirnendothelzelllinie bestätigt. Demnach kann kein SGLT1 unter physiologischen Bedingungen nachgewiesen werden (Sajja et al. 2014). Im menschlichen Hirngewebe besitzen SGLTs somit keine zentrale Funktion für den Glukosetransport an der BHS. Im Gegensatz dazu konnte eine Expression von SGLT sowohl in vivo als auch in vitro während hypoglykämischen Bedingungen belegt werden (Vemula et al. 2009; Sajja et al. 2014). Die Expression der SGLT-Transporter während einer ischämischen Hypoglykämie führt zu der Annahme, dass diese Transporter für die Aufrechterhaltung der Energieversorgung des geschädigten Hirngewebes notwendig sind. Um die physiologischen Mechanismen nach einem Glukosemangel zu untersuchen, wurden SHT-Modelle etabliert (Salvador et al. 2013). In einem experimentellen Modell des Schädel-Hirn-Traumas im Rahmen eines DFG-gefördertes Projekts ist ein Expressionsverlauf von Glukosetransportern im Maushirn und in Hirnendothelzellen erarbeitet worden (Wais 2012; Salvador et al. 2015). Somit könnten SGLTs als Ansatzpunkt für den Nachweis der Überlebenszeit nach einem SHT fungieren.
Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Expression der Natrium-abhängigen Glukosetransporter SGLT1 und SGLT2 im menschlichen Gehirn. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der Lokalisation dieser Transporter an der menschlichen BHS von post mortalem Hirngewebe. Weiterhin wird untersucht ob die Expressionsstärke von SGLT1 und SGLT2 eine Aussage über die Überlebenszeit von Verstorbenen nach einer traumatisch bedingten Hirnveränderung zulässt.
Die Lokalisation von SGLT1 und SGLT2 an der menschlichen BHS konnte durch die Etablierung eines Protokolls zur Isolation von Hirnkapillaren erfolgen. Vorab wurden alle verwendeten Antikörper auf ihre Spezifität mittels siRNA Transfektion und Blockierung der Immunfluoreszenzsignale mittels immunisierten Peptids getestet. Somit ist die Spezifität der detektierten SGLT1- und SGLT2-Expression in menschlichen Hirnkapillaren gewährleistet. Anschließend wird untersucht, in welchen zeitlichem Verlauf nach einer traumatisch bedingten Hirnveränderung die verschiedenen Formen der Glukosetransporter exprimiert werden und ob ggf. der Umfang und die Verteilung von SGLT1, SGLT2 und GLUT1 sowie das Verhältnis zueinander Auskünfte über eine vitale bzw. postmortale Entstehung eines Traumas bzw. dessen Überlebenszeit zulässt. Hierfür wird ein Expressionsschema der Glukosetransporter generiert, abhängig von Todeszeitpunkt und Todesursache. Es konnte festgestellt werden, dass GLUT1 nicht als Target für die Ermittlung der Überlebenszeit nach einem Trauma geeignet ist. Dahingegen zeigen SGLT1 und SGLT2 eine signifikante Änderung der Expressionsstärke im contusionalen Gewebe in Abhängigkeit von der Überlebenszeit. Obwohl diese vorläufigen Daten einen neuen Ansatzpunkt für die forensische Fragestellung aufzeigen, müssen weitere Experimente mit einem erhöhten Umfang der Probenanzahl und kürzere Zeitspannen der Überlebenszeiträume durchgeführt werden.
N2  - The transport of glucose across the endothelial cells of the human blood-brain barrier (hBBB) plays a major role for energy supply of the brain and therefor for neuronal integrity. Glucose enters the brain cells through specific transmembrane transporter proteins of the SLC-gene family (GLUT, SGLT). Under physiological conditions glucose uptake across the BBB seems to be mediated primarily by facilitated diffusion through glucose transporter 1 (GLUT1).
Although SGLTs are a known drug target for diabetes and furthermore play a role in other disease like cancer and cardiac ischemia, active glucose transport by SGLTs is hardly observed and very little is known about their expression or activity in human brain. Especially the function along the BBB remains uncertain. Up to now, expression analysis focused on SGLT1 and has been confirmed in vivo by analyzing brain tissue of animals (Poppe et al. 1997; Balen et al. 2008; Yu et al. 2013). Here detection mainly occurs in neurons, no SGLT1 mRNA in capillaries of the BBB could be found. Similarly in vitro experiments with a human brain microvascular endothelial cell line reveals no expression of SGLT1 under physiological conditions (Sajja et al. 2014). In human brain, SGLT1 is hardly expressed and so far could not be found along the BBB. In contrast to these findings, expression of SGLT1 could be detected in vivo as well as in vitro under hypoglycemic conditions (Vemula et al. 2009; Sajja et al. 2014). The occurrence of these transporters during ischemic hypoglycemia could lead to the conclusion that the secondary active glucose transport by SGLTs is necessary for additional glucose supply in injured brain. To investigate if SGLTs are required for the reconstruction of energy supply after glucose deficiency, traumatic brain injury (TBI) models were established to study secondary physiological mechanisms along the BBB (Salvador et al. 2013). In an experimental CCI (controlled cortical impact) mouse model within a DFG-funded project, an expression pattern of glucose transporters in the mouse brain and in brain endothelial cells has been developed (Wais 2012; Salvador et al. 2015). Thus it could lead as a Target for evidence of the time of survival after TBI.
This study focuses on the sodium-dependent glucose transporters SGLT1 and SGLT2 expression in human brain. The main topic is to localize the sodium-dependent glucose transporters along the human BBB of post mortem brain tissue and to examine whether SGLT expression allow a conclusion to be drawn about the survival time of a patient after TBI. First of all the localization of SGLT1 and SGLT2 at the human BBB could be shown by establishment a capillary isolation protocol of human post mortem brain tissue. Therefore the antibody specificity was tested by a siRNA transfection protocol and blocking the immunofluorescence signal with an immunized peptide. Thus, specific SGLT1 and SGLT2 expression at the endothelial lining of the capillary lumen could be demonstrated. After attaching the value of SGLTs at the human BBB, the relationship of the glucose transporter expression in TBI tissue according to the survival time of the patient is presented. Hereby it should be clarified whether the expression and distribution of the transporters GLUT1, SGLT1 and SGLT2 as well as the relation to each other provide information on a vital or post mortal development of a trauma or its survival time. It could determine that GLUT1 is not suitable as a target for the representation of survival time after TBI. However, SGLT1 and SGLT2 show a significant change in the expression profile of traumatic brain regions. Here an increase according to the survival time after trauma can be shown. Although these preliminary data suggest a novel target for forensic questions, more experiments with an increased scope of survival time frames should be carried out.
KW  - Sodium-Glucose Transporter 2
KW  - Glucosetransportproteine
KW  - Natrium/Glukose Cotransporter
KW  - SGLT
KW  - Schädel-Hirn-Trauma
KW  - sodium-dependend glucose transporter
KW  - traumatic brain injury
KW  - Rechtsmedizin
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164093
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wais, Sebastian
T1  - Die Rolle der Glukosetransporter an der Blut-Hirn-Schranke nach einem Schädel-Hirn-Trauma und deren eventueller Einfluss auf die Entwicklung eines sekundären Hirnödems
T1  - The role of the glucose transporters after traumatic brain injury and their influence on the development of secondary brain edema
N2  - Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) waren in Deutschland 2006 akute ischämische Ereignisse des Zentralen Nervensystems (ZNS) die fünfthäufigste Todesursache. Zu diesen ischämischen Ereignissen zählen Schlaganfall, Kardiopulmonale Reanimation, traumatische Hirnverletzungen, sowie perioperative ischämische Komplikationen. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen, die ein Verlust von Nervenzellen für den Patienten bedeutet, muss die weitere medizinische Akutversorgung den sekundären neuronalen Schaden verhindern oder ihn reduzieren. Vor dieser Arbeit konnten Glukosetransporter-1 (GLUT-1) und Natrium-Glukose-Kotransporter-1 (SGLT1) an der Blut-Hirn-Schranke (BHS) identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Expressionsverhalten der Glukosetransporter nach einem Schädel-Hirn-Trauma (SHT) in vivo und in vitro zu untersuchen, um so den Einfluss und die funktionellen Folgen durch die veränderte Expression der zerebralen Glukosetransporter in der BHS infolge eines SHT zu identifizieren und deren eventuellen Einfluss auf die Entwicklung eines sekundären Hirnödems zu erkennen. Hierfür wurde als in vivo-Modell das Controlled Cortical Impact Injury (CCII) gewählt, da bei diesem Tierversuchsmodell die Aspekte der traumatischen Kontusion und die damit verbundenen intraparenchymalen Blutungen durch ein epidurales oder subdurales Hämatom im Vordergrund stehen. Es wurden Gehirnschnitte zu fest definierten Zeitpunkten angefertigt (kein CCII (Kontrolle), 15 Minuten Überleben nach CCII (Primärschaden), 24 Stunden Überleben nach CCII und 72 Stunden Überleben nach CCII). Die Darstellung des primären Schadens im Mäusehirn erfolgte durch die Immunfluoreszenzmikroskopie. Um einen Gewebeschaden, wie es bei einem Hirntrauma der Fall ist, in vitro zu simulieren, wurde das Modell des Sauerstoff-Glukose-Entzuges (OGD) gewählt, da es bei diesem Modell neben einer Nekrose auch zur Apoptose der Nervenzellen kommt, welche ebenfalls bei einem SHT stattfindet. Als geeignetes Zellkulturmodell wurde die cerebralen Endothelzelllinie (cEND) gewählt. Bei dieser Zelllinie handelte es sich um eine Hirnendothelzelllinie aus der Maus. In den in vivo-Versuchen konnte bei GLUT-1 bereits 15 Minuten nach CCII eine gesteigerte Expression festgestellt werden. Dennoch verminderte GLUT-1 im weiteren Verlauf seine Expression auf ein Minimum, welches unterhalb des Ausgangswertes lag. SGLT1, der auch in der BHS identifiziert wurde, reagierte auf einen Primärschaden erst in den Hirnschnitten, die 24 Stunden nach CCI behandelt wurden. In den Hirnschnitten, die 15 Minuten nach CCII behandelt wurden, veränderte sich die SGLT1-Expression zunächst nicht. Erst 24 Stunden nach CCII konnte eine gesteigerte Expression von SGLT1 erkannt werden, die aber bei 72 Stunden nach CCII wieder abgenommen hatte. Ein weiterer Glukosetransporter konnte erstmals in der BHS identifiziert werden. SGLT2 zeigte erst 72 Stunden nach CCII eine gesteigerte Expression, in den Hirnschnitten ohne CCII, 15 Minuten nach CCII und 24 Stunden nach CCII konnte keine Veränderung der SGLT2-Expression festgestellt werden. Diese Expressionsreaktion, besonders der Expressions-Höhepunkt der einzelnen Glukosetransporter, konnte auch in vitro gezeigt werden. Besonders die Identifizierung von SGLT2 in der BHS und die generelle Steigerung der Expressionsrate von GLUT-1, SGLT1 und SGLT2 könnte neue Ansatzpunkte in der Pathophysiologie des diffusen Hirnödems nach einem SHT ergeben. Die genaue Rolle der Natriumgekoppelten Glukosetransporter in der BHS muss noch weiter erforscht werden. Bestätigen weitere Versuche eine zentrale Rolle der SGLTs bei der Entstehung des sekundären Hirnschadens, speziell SGLT2, als hochpotenter Glukosetransporter, so könnte über neue Therapien nachgedacht werden, durch welche spezifisch die Expression der SGLTs, besonders SGLT2, wie es bei Dapagliflozin, Canagliflozin oder Ipragliflozin der Fall wäre, unterdrücken würden.
N2  - According to the World Health Organization (WHO) the acute ischemic events of the central nervous system (CNS) were the fifth most common mortality in Germany in 2006. To this belong stroke, cardiopulmonary resuscitation, traumatic brain injuries, as well as perioperative ischemic complications. Because of the fatal consequences for a patient which means a death of nerve the medical acute care must be prevent the secondary neuronal damage. Before this work the glucose transporter 1 (GLUT-1) and sodium-glucose cotransporter-1 (SGLT1) are identified at the blood-brain barrier (BBB). The aim of this study was to analyze the expression characteristics of the glucose transporters after a traumatic brain injury (TBI) in vivo and in vitro. These results may show the influence and the functional consequences of the altered expression of cerebral glucose transporters in the BBB as a result of TBI. This allows to recognize a potential impact on the development of cerebral edema. We use for this the model of the controlled cortical impact injury (CCII) as an in vivo model. Brain trauma was induced and animals were randomly assigned to three survival groups: 15 min, 24 h and 72 h, which were compared to native – no CCII – animals. The depiction of the primary damage in mouse brain was performed by immunofluorescence microscopy. To simulate the tissue damage in vitro we use the model of oxygen-glucose deprivation (OGD). As a suitable cell culture model of the cerebral endothelial cell line (cEND) was chosen. In this cell line, there was a cerebrum endothelium cells of the capillary endothelium from the mouse brain. In summary, immunofluorescence images revealed presence of sglt1 and sglt2 in the blood-brain barrier which was inducible by CCII. Strongest expression of sglt1 in the brain endothelium was found after 24 hours and of sglt2 after 72 hours after CCII suggesting different and time dependent roles of these two transporters during edema formation. This expression, especially the expression peak of the individual glucose transporter could be also demonstrated in vitro model. In particular, the identification of SGLT2 in the BBB and the general increase of the expression of GLUT-1, SGLT1 and SGLT2 might be a new starting point in the pathophysiology of diffuse cerebral edema. Indicate further experiments a central role of SGLTs in the development of secondary brain damage, particularly SGLT2, as an highly potent glucose transporter, it could be given to new therapies through which suppress specific the expression of SGLT2.
KW  - Hirnödem
KW  - Carrier-Proteine
KW  - Membranproteine
KW  - Glucosetransport
KW  - Schädel-Hirn-Trauma
KW  - Blut-Hirn-Schranke
KW  - SGLT
KW  - Natrium/Glucose-Cotransporter
KW  - Sodium/glucose cotransporter
KW  - Cerebral edema
KW  - carrier proteins
KW  - traumatic brain injury
KW  - blood-brain barrier
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-78998
ER  -