TY  - THES
A1  - Ibrahim, Eslam Samir Ragab
T1  - Unraveling the function of the old yellow enzyme OfrA in \(Staphylococcus\) \(aureus\) stress response
T1  - Entschlüsselung der Funktion des “alten gelben Enzyms” OfrA in der Stressreaktion von \(Staphylococcus\) \(aureus\)
N2  - Biological systems are in dynamic interaction. Many responses reside in the core concepts of biological systems interplay (competition and cooperation). In infection situation, the competition between a bacterial system and a host is shaped by many stressors at spatial and temporal determinants. Reactive chemical species are universal stressors against all biological systems since they potentially damage the basic requirements of these systems (nucleic acids, proteins, carbohydrates, and lipids). Either produced endogenously or exogenously, reactive chemical species affect the survival of pathogens including the gram-positive
Staphylococcus aureus (S. aureus). Therefore, bacteria developed strategies to overcome the toxicity of reactive species.
S. aureus is a widely found opportunistic pathogen. In its niche, S. aureus is in permanent contact with surrounding microbes and host factors. Deciphering the deterministic factors
in these interactions could facilitate pinpointing novel bacterial targets. Identifying
the aforementioned targets is crucial to develop new strategies not only to kill the pathogenic organisms but also to enhance the normal flora to minimize the pathogenicity and virulence of potential pathogens. Moreover, targeting S. aureus stress response can be used
to overcome bacterial resistance against host-derived factors. In this study, I identify a novel
S. aureus stress response factor against reactive electrophilic, oxygen, and hypochlorite species to better understand its resilience as a pathogen. 
Although bacterial stress response is an active research field, gene function is a current bottleneck in characterizing the understudied bacterial strategies to mediate stress conditions. I aimed at understanding the function of a novel protein family integrated
in many defense systems of several biological systems.
In bacteria, fungi, and plants, old yellow enzymes (OYEs) are widely found. Since the first isolation of the yellow flavoprotein, OYEs are used as biocatalysts for decades to reduce activated C=C bonds in α,β-unsaturated carbonyl compounds. The promiscuity
of the enzymatic catalysis is advantageous for industrial applications.
However, the physiological function of OYEs, especially in bacteria, is still puzzling.
Moreover, the relevance of the OYEs in infection conditions remained enigmatic. 
 
Here, I show that there are two groups of OYEs (OYE flavin oxidoreductase, OfrA and OfrB) that are encoded in staphylococci and some firmicutes. OfrA (SAUSA300_0859) is more conserved than OfrB (SAUSA300_0322) in staphylococci and is a part of the staphylococcal core genome.
A reporter system was established to report for ofrA in S. aureus background.
The results showed that ofrA is induced under electrophilic, oxidative, and hypochlorite stress. OfrA protects S. aureus against quinone, methylglyoxal, hydrogen peroxide,
and hypochlorite stress. Additionally, the results provide evidence that OfrA supports
thiol-dependent redox homeostasis.  At the host-pathogen interface, OfrA promotes S. aureus fitness in murine macrophage cell line. In whole human blood, OfrA is involved in S. aureus survival indicating a potential clinical relevance to bacteraemia.
In addition, ofrA mutation affects the production of the virulence factor staphyloxanthin via the upper mevalonate pathway. In summary, decoding OfrA function and its proposed mechanism of action in S. aureus shed the light on a conserved stress response within multiple organisms.
N2  - Biologische Systeme unterliegen ständig dynamischen Interaktionen. Diese werden geprägt von Konkurrenz und Kooperation. Im Falle einer Infektion wird die Konkurrenz zwischen einem bakteriellen Organismus und dem infizierten Wirt von der Einwirkung vieler Stressoren in allen biologischen Nischen geprägt. Eine fundamentale Rolle spielen dabei reaktive chemische Verbindungen die als universale Stressoren alle biologischen Systeme mit ihren fundamentalen Makromolekülen (Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide) potenziell schädigen. Reaktive chemische Verbindungen, entweder endogen oder exogen gebildet, beeinträchtigen das Überleben aller Pathogene, auch das Überleben des in dieser Arbeit behandelten gram-positiven Bakteriums Staphylococcus aureus (S. aureus). Um die lebensbedrohende Toxizität der reaktiven Verbindungen zu umgehen, haben Bakterien eine Vielzahl hoch spezialisierter Überlebensstrategien entwickelt.
S. aureus ist ein weit verbreiteter opportunistischer Krankheitserreger. Er unterliegt dem permanenten Kontakt mit dem umgebenden Mikrobiom und den verschiedenartigen Wirtsfaktoren. Das Wissen um die Mechanismen der bakteriellen Stressabwehr während einer Pathogen-Wirts-Beziehung könnte als Grundlage für die Identifizierung neuer antibakterieller Zielstrukturen dienen. Eine spezifische Inaktivierung solcher Strukturen könnte dann den pathogenen Organismus schädigen ohne die normale Flora zu schwächen. Ferner können Untersuchungen an der Stressantwort von S. aureus genutzt werden, um die bakterielle Resistenz gegen wirtseigene Faktoren zu schwächen. 
Im Mittelpung dieser Arbeit steht die Charakterisierungeines neuartigen Faktors in der Stressantwort von S. aureus, der sowohl gegen elektrophilen Stress als auch gegen reaktive Sauerstoff- und Hypochlorit-Verbindungen aktiv ist. Die Ergebnisse der Arbeiten tragen zu einem besseren Verständnis der Stressantwort von dem wichtigen pathogenen Bakterium S. aureus bei. 
Trotz der Tatsache, dass die Untersuchung bakterieller Stressantworten Gegenstand der aktuellenForschung ist, sind viele Prozesse und die daran beteiligten Faktoren nur unzureichend charakterisiert. Daher war die Zielsetzung dieser Thesisdie Funktion eines Vertreters einer neuen Proteinfamilie, die mglw. in vielen Abwehrsystemen gegen chemische Stressoren eine wichtige Rolle spielt, zu untersuchen. Die von Otto Warburg erstmalig als “old yellow enzymes” (OYEs) bezeichnete Proteinfamilie ist im Bakterien-, Pilz- und Pflanzenreich weit verbreitet. Nach der erstmaligen Isolation des gelben Flavoproteins, werden OYEs seit vielen Jahrzehnten als Biokatalysatoren verwendet, um aktivierte C=C-Doppelbindungen in α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen zu reduzieren. Die Promiskuität der enzymatischen Katalyse ist für industrielle Anwendungen sehr vorteilhaft. Nichtsdestotrotz konnte die physiologische Funktion von OYEs besonders in Bakterien bislang nur ansatzweise aufgeklärt werden und die Beteiligung der OYEs unter Infektionsbedingungen ist weiterhin unbekannt. 
In dieser Arbeit wurden zwei Vertreterder OYEs (OYE flavin oxidoreductase OfrA und OfrB) im Genom von Staphylokokken und Firmicuten identifiziert. OfrA (SAUSA300_0859) ist in Staphylokokken stärker konserviert als OfrB (SAUSA300_0322) und ist Teil des Kerngenoms. 
Es wurde ein Reportersystem etabliert, um die Expression von ofrA in S. aureus-Stämmen zu untersuchen. Die Daten dieser Arbeit zeigen, dass ofrA unter elektrophilen, oxidativen und hypochloriten Stressbedingungen induziert wird. OfrA schützt S. aureus vor Stress durch Quinone, Methylglyoxal, Wasserstoffperoxid und Hypochlorit. Weiterhin liefern die Ergebnisse Evidenz, dass OfrA die Thiol-abhängige Redox-Homöostase unterstützt. Weiterhin ist OfrA an der Fitness und dem Überleben von S. aureus nach Phagozytose in murinen Makrophagen beteiligt.  Das Überleben von S. aureus in humanem Vollblut war ebenfalls sehr stark von der OfrA Expression abhängig. Somit kann auf eine wichtige Rolle von OfrA während des Infektionsgeschehens z.B. bei Bakteriämie geschlossen werden.
Weiterhin zeigt sich, dass Mutationen in ofrA, die Produktion des Virulenzfaktors Staphyloxanthin über den oberen Mevalonatweg beeinflussen. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in die Funktion und Verbeitung von OfrA, einem neuen Vertreter aus der Klasse der OYEs.  Die vorliegenden Ergebnisse ermöglichen somit auch ein besseres Verständnis konservierter Strategien der Stressantwort bei Bakterien und deren Bedeutung während des Infektionsgeschehens.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - stress response
KW  - ROS
KW  - Bacteria
KW  - Stressreaktion
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-289600
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bartlang, Manuela Slavica
T1  - Timing is everything: The interaction of psychosocial stress and the circadian clock in male C57BL/6 mice
T1  - Auf das richtige Timing kommt es an: Die Interaktion zwischen psychosozialem  Stress und der inneren Uhr in männlichen C57BL/6 Mäusen
N2  - Due to the rotation of the earth in the solar system all inhabitants of our planet are exposed to regular environmental changes since more than 3.5 billion years. In order to anticipate these predictable changes in the environment, evolutionarily conserved biological rhythms have evolved in most organisms – ranging from ancient cyanobacteria up to human beings – and also at different levels of organization – from single cells up to behavior. These rhythms are endogenously generated by so called circadian clocks in our body and entrained to the 24 h cycle by external timing cues. In multi-cellular organisms the majority of the cells in the body is equipped with such an oscillator. In mammals, the circadian system is structured in a hierarchical fashion: A central pacemaker resides in the bilateral suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus, while subsidiary peripheral clocks exist in nearly every tissue and organ.
In contrast to the aforementioned recurrent environmental changes most organisms are also exposed to unpredictable changes in the environment. In order to adapt to these sudden alterations the acute activation of the stress response system, involving the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis and the sympathetic nervous system, displays a fundamental survival mechanism. However, if activation of the stress system becomes chronic, devastating somatic and affective disorders might be the consequence.
At first glance, the circadian and the stress system seem to represent two separate bodily control systems that are involved in adaptation to predictable and unpredictable stimuli, respectively. However, both systems are fundamental for survival, and thus, communicate with each other at various levels. Early studies already demonstrated that stressor exposure at different times of the diurnal cycle generates different stress effects, whereupon the type of stressor plays a pivotal role. Moreover, alterations in the SCN and peripheral circadian clocks could be shown following stressor exposure.
In cooperation with various co-workers, I investigated whether the stress responsiveness is modulated by the endogenous clock in a diurnal fashion and whether repeated psychosocial stress impacts the circadian clock depending on the time of day of stressor exposure. Therefore, male C57BL/6 mice were repeatedly exposed to a psychosocial stressor, either at the beginning of the inactive/light phase (SDL mice) or active/dark phase (SDD mice).
Subsequently, different behavioral, physiological/endocrine and immunological/ inflammatory consequences were assessed. It could be shown that the effects of repeated psychosocial stressor exposure strongly depend on the time of day of stressor exposure. The present results demonstrate that repeated daily stressor exposure has a more negative outcome when applied during the active/dark phase compared to the inactive/light phase. Stressor exposure during the active phase resulted in a loss of general activity, decreased interest in an unfamiliar conspecific, a shift towards a more pro-inflammatory body milieu, and rhythm disturbances in plasma hormones, all representing well-accepted hallmarks of depression. In contrast, C57BL/6 mice exposed to the stressor in their inactive phase exhibited minor physiological alterations that might prevent the formation of the maladaptive consequences mentioned above, thus representing beneficial adaptations.
The second focus of this thesis was put on the investigation of the effects of repeated psychosocial stressor exposure at different times of the light-dark cycle on various levels of the circadian system. An increased expression of the PERIOD2 (PER2) protein, which represents an essential core clock component, could be found in the SCN of mice repeatedly exposed to the stressor during their active phase. In consistence with the alterations in the central circadian pacemaker, the daily rhythm of different hormones and the activity rhythm were considerably affected by SDD. Mice exposed to the psychosocial stressor in their active phase showed a shifted, or absent, rhythm of the hormones corticosterone and leptin. Moreover, their activity was found to be phase-delayed, which seems to be attributable to the Period (Per) gene since Per1/Per2 double-mutants still exhibited their normal activity rhythm following 19 days of stressor exposure during the active phase. In contrast, a phase-advance in the peripheral adrenal gland clock could be seen in C57BL/6 mice subjected to the stressor during their inactive phase. This phase-shift might be required for maintaining the normal rhythmicity in hormonal release and activity.
It has previously been suggested that activation of the HPA axis upon stressor exposure at different times of the light-dark cycle is depending on whether the stressor is of physical or psychological nature. Data from the HPA axis analysis now refine previous findings, indicating that psychosocial stressors also modulate HPA axis responses based on the time of day of stressor presentation. The present results demonstrate that HPA axis activity was reduced following repeated stressor exposure during the active phase. It is reasonable to speculate that this reduced basal activity of the stress system represents a failure in HPA axis adjustment, which could contribute to the negative consequences of repeated psychosocial stressor exposure during the dark phase.
Taken together, it can be concluded that the endogenous clock in mice modulates the stress responsiveness in a circadian fashion and that repeated psychosocial stressor exposure affects the biological clock depending on the time of day of stressor presentation. Thereby, stressor exposure during the active phase results in a more negative outcome as compared to stressor experience during the inactive phase. It is assumed that the interaction between the circadian clock and the stress system is a complex issue that might ensure that the endogenous clock does not get out of synchrony in any order.
N2  - Aufgrund der Bewegung der Erde in unserem Sonnensystem sind alle Lebewesen auf unserem Planeten seit mehr als 3,5 Milliarden Jahren tagesperiodischen Veränderungen der Umweltbedingungen ausgesetzt. In Anpassung an diese zeitlichen Abläufe haben sich im Laufe der Evolution bei fast allen Organismen – vom Bakterium bis hin zum Menschen – und auf verschiedenen Ebenen – von der Zellebene bis zum Verhalten – biologische Rhythmen entwickelt, die von endogenen Uhren im Körper und äußeren Zeitgebern gesteuert werden. Bei vielzelligen Organismen besitzen nahezu alle Zelltypen ihren eigenen Oszillator. In Säugetieren ist das zirkadiane System hierarchisch strukturiert. Der zentrale Schrittmacher der inneren Uhr befindet sich im bilateralen suprachiasmatischen Nukleus (SCN) des Hypothalamus, während untergeordnete periphere Taktgeber in beinahe jedem Gewebe und Organ oszillieren.
Im Gegensatz zu den oben erwähnten regelmäßig wiederkehrenden Veränderungen der Umweltbedingungen sind die meisten Lebewesen ebenso unvorhersehbaren und raschen Umweltveränderungen ausgesetzt. In Anpassung an derartig plötzlich wechselnde Reizbedingungen ist die kurzfristige Aktivierung des Stress-Systems, bestehend aus der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (hypothalamic-pituitary-adrenal axis, HPA axis) und dem sympathischen Nervensystem, für eine adaptive Reaktion essentiell und sogar lebensnotwendig. Im Gegensatz dazu zählt eine andauernde/chronische Aktivierung des Stress-Systems zu den Risikofaktoren für eine Reihe von somatischen und affektiven Erkrankungen.
Obwohl das zirkadiane System und das Stress-System auf den ersten Blick zwei verschiedene körperliche Anpassungssysteme darstellen, kommt es auf mehreren Ebenen zum wechselseitigen Einfluss. Es wurde bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass eine Stressorexposition zu unterschiedlichen Tageszeiten verschiedene Effekte hervorruft, wobei die Natur des Stressors dabei eine entscheidende Rolle spielt. Des Weiteren konnten Veränderungen im SCN und peripheren zirkadianen Uhren als Folge einer Stressorexposition aufgezeigt werden.
In Zusammenarbeit mit verschiedenen Kollegen wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit untersucht, ob die endogene Uhr die Stressempfindlichkeit tageszeitabhängig moduliert und ob wiederholter psychosozialer Stress die innere Uhr in Abhängigkeit von der Tageszeit der Stressorexposition beeinflusst. Männliche C57BL/6 Mäuse wurden daher entweder zu Beginn der inaktiven/Licht-Phase (SDL Mäuse) oder der aktiven/Dunkel-Phase (SDD Mäuse) wiederholt einem psycho-sozialem Stressor ausgesetzt.
Im Anschluss wurden verschiedene Verhaltensweisen sowie physio¬logische/endo-krine und immunologische/inflammatorische Konsequenzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Effekte wiederholter Stressorexposition auf das Verhalten, die Physiologie und die Immunologie deutlich von der Tageszeit der Stressorexposition abhängt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass wiederholte Stressor¬exposition während der aktiven/Dunkel-Phase negativere Konsequenzen nach sich zieht als die Stressorexposition während der inaktiven/Licht-Phase. Wurden C57BL/6 Mäuse dem psychosozialen Stressor während ihrer aktiven Phase ausgesetzt, führte dies zu typischen Symptomen von depressiven Patienten wie z.B. einer Verringerung der Aktivität und des sozialen Erkundungsverhaltens, Entzündungserscheinungen, sowie Veränderungen in hormonalen Rhythmen im Plasma. Im Gegensatz dazu wiesen C57BL/6 Mäuse, die dem Stressor in ihrer inaktiven Phase begegneten, geringfügige physiologische Veränderungen auf, welche die Entstehung der oben genannten negativen Konsequenzen verhindern und somit positive Adaptationen darstellen könnten.
Des Weiteren wurden in dieser Arbeit die Effekte wiederholter Stressorexposition zu unterschiedlichen Tageszeiten auf verschiedene Ebenen des zirkadianen Systems untersucht. Es konnte eine erhöhte Expression des PERIOD2 (PER2) Proteins, das einen essentiellen Bestandteil des zirkadianen Uhrenmechanismus darstellt, im SCN nach wiederholter Stressorexposition während der aktiven Phase festgestellt werden. Die Veränderung im zentralen Schrittmacher spiegelte sich auch in der Tagesrhythmik verschiedener Hormone sowie im rhythmischen Verhalten der Tiere wider. SDD Mäuse zeigten dabei einen verschobenen oder fehlenden Rhythmus in den Hormonen Corticosteron und Leptin. Des Weiteren war die Aktivität nach 19-tägiger Stressorexposition zu Beginn der aktiven Phase deutlich nach hinten verschoben. Dabei kommt dem Period (Per) Gen eine zentrale Bedeutung zu, da SDD Per1/Per2 Doppelmutanten keinen veränderten Aktivitätsrhythmus aufwiesen. Eine verfrühte Phasenlage der peripheren Uhr in der Nebenniere zeigte sich hingegen in C57BL/6 Mäusen, die dem Stressor während ihrer inaktiven Tageszeit ausgesetzt wurden. Diese Phasenverschiebung nach vorne könnte für die Aufrechterhaltung der Rhythmik im Verhalten und in der Hormonausschüttung eine Rolle spielen.
Vorangehende Arbeiten wiesen bereits darauf hin, dass die HPA-Achsen-Aktivierung infolge einer Stressorexposition zu unterschiedlichen Tageszeiten davon abhängt, ob der Stressor von physischer oder psychologischer Natur ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erweitern die bestehenden Erkenntnisse insofern, als dass die HPA-Achsen-Antwort auch von psychosozialen Stressoren tageszeitabhängig beeinflusst wird. Die HPA-Achsen-Analyse dieser Arbeit zeigte eine verringerte Aktivität der Stressachse nach wiederholter Stressorexposition zu Beginn der aktiven Phase. Mit großer Wahrscheinlichkeit stellt diese Verringerung der basalen HPA-Achsen-Aktivität eine dysfunktionale Überadjustierung dar, die zu den negativen Konsequenzen in Folge der Stressorexposition während der aktiven Phase beitragen könnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die endogene Uhr in Mäusen die Stressempfindlichkeit tageszeitabhängig moduliert und dass wiederholter psychosozialer Stress die innere Uhr in Abhängigkeit von der Tageszeit der Stressorexposition beeinflusst. Dabei zieht die Stressorexposition während der aktiven Phase weitaus negativere Konsequenzen nach sich als die Stressor¬exposition in der inaktiven Phase. Aus den Daten kann geschlossen werden, dass die Wechselwirkung von der inneren Uhr und dem Stress-System einen komplexen Sachverhalt darstellt, der gewährleisten soll, dass die innere Uhr nicht beliebig aus dem Takt geraten kann.
KW  - Maus
KW  - Stressreaktion
KW  - Chronobiologie
KW  - psychosocial stress
KW  - clock genes
KW  - interaction stress and circadian system
KW  - Period2
KW  - Tagesrhythmus
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-106486
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jakob, Sissi
T1  - Molecular mechanisms of early-life stress in 5-Htt deficient mice: Gene x environment interactions and epigenetic programming
T1  - Molekulare Mechanismen von Entwicklungsstress bei 5-Htt defizienten Mäusen: Gen x Umwelt Interaktionen und epigenetische Programmierung
N2  - Early-life stress has been shown to influence the development of the brain and to increase the risk for psychiatric disorders later in life. Furthermore, variation in the human serotonin transporter (5-HTT, SLC6A4) gene is suggested to exert a modulating effect on the association between early-life stress and the risk for depression. At the basis of these gene x environment (G x E) interactions, epigenetic mechanisms, such as DNA-methylation, seem to represent the primary biological processes mediating early-life programming for stress susceptibility or resilience, respectively. The exact molecular mechanisms however remain to be elucidated, though. In the present study, we used two different stress paradigms to assess the molecular mechanisms mediating the relationship between early-life stress and disorders of emotion regulation later in life. First, a 5-Htt x prenatal stress (PS) paradigm was applied to investigate whether the effects of PS are dependent on the 5-Htt genotype. For this purpose, the effects of PS on cognition and anxiety- / depression-related behavior were examined using a maternal restraint stress paradigm of PS in C57BL/6 wild-type (WT) and heterozygous 5-Htt deficient (5-Htt+/-) mice. Additionally, in female offspring, a genome-wide hippocampal gene expression and DNA methylation profiling was performed using the Affymetrix GeneChip® Mouse Genome 430 2.0 Array and the AffymetrixGeneChip® Mouse Promoter 1.0R Array. Some of the resulting candidate genes were validated by quantitative real-time PCR. Further, the gene expression of these genes was measured in other brain regions of the PS animals as well as in the hippocampus of offspring of another, 5-Htt x perinatal stress (PeS) paradigm, in which pregnant and lactating females were stressed by an olfactory cue indicating infanticide. To assess resilience to PS and PeS, correlation studies between gene expression and behaviour were performed based on an initial performance-based LIMMA analysis of the gene expression microarray. 5-Htt+/- offspring of the PS paradigm showed enhanced memory performance and signs of reduced anxiety as compared to WT offspring. In contrast, exposure of 5-Htt+/- mice to PS was associated with increased depression-like behavior, an effect that tended to be more pronounced in female offspring. Further, 5-Htt genotype, PS and their interaction differentially affected the expression and DNA methylation of numerous genes and related pathways within the female hippocampus. Specifically, MAPK and neurotrophin signaling were regulated by both the 5-Htt+/- genotype and PS exposure, whereas cytokine and Wnt signaling were affected in a 5-Htt genotype x PS manner, indicating a gene x environment interaction at the molecular level. The candidate genes of the expression array could be validated and their expression patterns were partly consistent in the prefrontal cortex and striatum. Furthermore, the genotype effect of XIAP associated factor 1 (Xaf1) was also detected in the mice of the PeS paradigm. Concerning resilience, we found that the expression of growth hormone (Gh), prolactin (Prl) and fos-induced growth factor (Figf) were downregulated in WTPS mice that performed well in the forced swim test (FST). At the same time, the results indicated that Gh and Prl expression correlated positively with adrenal weight, whereas Figf expression correlated positively with basal corticosteron concentration, indicating an intricate relationship between depression-like behavior, hippocampal gene expression and the hypothalamo-pituitary-adrenal (HPA) axis activity. Correlation studies in the PeS animals revealed a link between Gh / Prl expression and anxiety-like behavior. In conclusion, our data suggest that although the 5-Htt+/- genotype shows clear adaptive capacity, 5-Htt+/- mice, particularly females, appear to be more vulnerable to developmental stress exposure when compared to WT offspring. Moreover, hippocampal gene expression and DNA methylation profiles suggest that distinct epigenetic mechanisms at the molecular level mediate the behavioral effects of the 5-Htt genotype, PS exposure, and their interaction. Further, resilience to early-life stress might be conferred by genes whose expression is linked to HPA axis function.
N2  - Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Stress während der Entwicklung die Gehirnentwicklung beinflusst und das Risiko an psychischen Störungen zu erkranken erhöht. Weiterhin wird vermutet, dass eine Variation im humanen Serotonintransportergen (5-HTT, SLC6A4) einen modulierenden Einfluss auf die Assoziation zwischen Entwicklungsstress und dem Risiko für Depression ausübt. Als Basis dieser Gene x Umwelt (GxE)-Interaktion scheinen epigenetische Mechanismen, wie DNA-Methylierung, die biologischen Prozesse darzustellen, die die Programmierung von Stressanfälligkeit oder Resilienz vermitteln. Die exakten molekularen Mechanismen sind jedoch noch unbekannt. In dieser Studie wurden zwei verschiedene Stressparadigma verwendet um die molekularen Mechanismen zu klären, die Stress während der Entwicklung und emotionalen Störungen später im Leben zu Grunde liegen. Zuerst wurde ein 5-Htt x pränatales Stress (PS)-Paradigma verwendet um zu untersuchen, ob die Effekte von pränatalem Stress abhängig von dem 5-Htt Genotypen sind. Aus diesem Grund wurden die Effekte von PS auf Kognition, Angst- und Depressions-ähnliches Verhalten untersucht indem ein “maternal restraint stress”-Paradigma in C57BL/6-Wildtyp (WT) und heterozygoten 5-Htt defizienten (5-Htt+/-) Mäusen angewandt wurde. Zusätzlich wurde mit Hilfe des Affymetrix GeneChip® Mouse Genome 430 2.0 Arrays und des AffymetrixGeneChip® Mouse Promoter 1.0R Arrays bei den weiblichen Nachkommen ein Genexpressions- und DNA-Methylierungsprofil erstellt. Einige der daraus resultierenden Kandidatengene wurden mit quantitativer real-time PCR (qRT-PCR) validiert. Weiterhin wurde die Genexpression von diesen Genen auch in anderen Gehirnregionen der PS-Mäuse und im Hippocampus von Nachkommen aus einem perinatalem (PeS) Paradigma gemessen. In dem PeS-Paradigma wurden schwangere und stillende Weibchen durch einen olfaktorischen Stimulus, der Infantizid anzeigt, gestresst und die Nachkommen (WT und 5-Htt+/-) untersucht. Um PS- und PeS-Resilienz zu messen wurden Korrelationsstudien durchgeführt. Zuvor wurde eine LIMMA-Analyse, die auf dem Verhalten von den Mäusen im Forced swim-Test (FST) beruht, gerechnet. Im Vergleich zu WT Nachkommen zeigten 5-Htt+/- Nachkommen des PS-Paradigmas verbesserte Gedächtnisleistung und Zeichen von reduzierter Angst. Im Gegensatz dazu war PS-Exposition von 5-Htt+/- Mäusen mit erhöhtem Depressions-ähnlichem Verhalten assoziiert, ein Effekt, der tendenziell eher in den weiblichen Nachkommen auffiel. Weiterhin beeinflussten der 5-Htt-Genotyp, PS und die Interaktion von beiden die Genexpression und DNA-Methylierung zahlreicher Gene und damit verbundene Signalwege im weiblichen Hippocampus. Der MAPK- und Neurotrophin-Signalweg wurden zum Beispiel durch den 5-Htt-Genotyp und PS-Exposition reguliert, wohingegen der Zytokin-und Wnt-Signalweg in einer 5-Htt x PS Art beeinflusst wurden, was Gen x Umwelt-Interaktionen auf der molekularen Ebene andeutet. Die Kandidatengene konnten zumeist validiert werden und waren zum Teil auch im präfrontalen Kortex sowie im Striatum differentiell exprimiert. Weiterhin konnte der Genotypeffekt von XIAP associated factor 1 (Xaf1) in den Mäusen des PeS-Paradigmas nachgewiesen werden. Bezüglich der Resilienz konnten wir eine Herunterregulierung der Expression des Wachstumshormons (Gh), Prolaktins (Prl) und des fos-induzierten Wachstumsfaktors (Figf) in den WTPS-Mäusen detektieren, die eine gute Leistung im FST gezeigt haben. Gleichzeitig korrelierten die Gh- und Prl-Expression positiv mit dem Gewicht der Nebennieren, wohingegen die Figf-Expression mit dem basalen Kortikosteron-Konzentration positiv korrelierte, was eine komplizierte Beziehung zwischen Depressions-ähnlichem Verhalten, hippocampaler Genexpression und der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren (HPA)-Achsenaktivität andeutet. Korrelationsstudien über die PeS-Tiere deckten einen Link zwischen der Gh- und Prl-Expression und Angst-ähnlichem Verhalten auf. Schließlich lassen unsere Daten den Schluss zu, dass, auch wenn der 5-Htt-Genotyp eine klare adaptive Kapazität aufweist, die 5-Htt+/- Mäuse, insbesondere die Weibchen im Vergleich zu den WT-Mäusen eine erhöhte Vulnerabilität für Entwicklungsstress zu zeigen scheinen. Weiterhin könnten die hippocampale Genexpressions- und DNA-Methylierungsprofile darauf schließen lassen, dass epigenetische Mechanismen auf der molekularen Ebene die Verhaltenseffekte des 5-Htt Genotyps, PS-Exposition und ihrer Interaktion vermitteln. Darüber hinaus könnte Resilienz zu Entwicklungsstress durch Gene reguliert werden, die mit der HPA-Achsen-Funktion assoziiert sind.
KW  - Stressreaktion
KW  - Serotonin
KW  - Epigenetik
KW  - pränataler Stress
KW  - Serotonintransporter
KW  - Gen Umweltinteraktion
KW  - prenatal stress
KW  - serotonin transporter
KW  - gene environment interaction
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74150
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TY  - THES
A1  - Nietzer, Sarah
T1  - Gene and environment interactions in serotonin transporter knockout mice – how stress influences gene expression and neuronal morphology
T1  - Gen-Umwelt-Interaktionen in Serotonin-Transporter-Knockout-Mäusen - Wie Stress die Genexpression und die neuronale Morphologie beeinflusst
N2  - Serotonin (5-HT) is an important modulator of many physiological, behavioural and developmental processes and it plays an important role in stress coping reactions. Anxiety disorders and depression are stress-related disorders and they are associated with a malfunction of the 5-HT system, in which the 5-HT transporter (5-HTT) plays an important role. 5-Htt knockout (KO) mice represent an artificially hyperserotonergic environment, show an increased anxiety-like behaviour and seem to be a good model to investigate the role of the 5-HT system concerning stress reactions and anxiety disorders. As synaptic proteins (SPs) seem to be involved in stress reactions, the effect of acute immobilization stress on the expression of the three SPs Synaptotagmin (Syt) I, Syt IV and Syntaxin (Stx) 1A was studied in the 5-Htt KO mouse model as well as the expression of the two immediate early genes (IEGs) FBJ osteosarcoma oncogene (c-Fos) and fos-like antigen 2 (Fra-2). Additionally, the expression of the corticotrophin releasing hormone (CRH) and its two receptors CRHR1 and CRHR2 was investigated as part of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) stress system. Based on gender- and genotype-dependent differences in corticosterone levels, expression differences in the brain were investigated by performing a quantitative real time-PCR study using primer pairs specific for these SPs and for the IEGs c-Fos and Fra-2 in five different brain regions in 5-Htt KO and 5-Htt wild-type (WT) mice. Mainly gender-dependent differences could be found and weaker stress effects on the expression of SPs could be demonstrated. Regarding the expression of IEGs, stress-, gender- and genotype-dependent differences were found mainly in the hypothalamus. Also in the hypothalamus, gender effects were found concerning the expression of CRH and its both receptors. Additionally, in a second study, male 5-Htt WT and male 5-Htt deficient mice were subjected to a resident-intruder-paradigm which stresses the animals through a loser experience. The morphological changes of neurons were subsequently analyzed in Golgi-Cox-stained sections of limbic brain areas in stressed and unstressed animals of both genotypes using the computer-based microscopy system Neurolucida (Microbrightfield, Inc.). While no differences concerning dendritic length, branching patterns and spine density were found in the hippocampus and no differences concerning dendritic length and branching patterns could be shown in the cingulate cortex (CG), pyramidal neurons in the infralimbic cortex (IL) of stressed 5-Htt WT mice displayed longer dendrites compared to unstressed 5-Htt WT mice. The results indicate that, although in this model drastic alterations of neuronal morphology are absent, subtle changes can be found in specific brain areas involved in stress- and anxiety-related behaviour which may represent neural substrates underlying behavioural phenomena.
N2  - Serotonin (5-HT) ist ein wichtiger Modulator vieler physiologischer, verhaltensbiologischer und entwicklungsbiologischer Vorgänge und spielt zudem eine wichtige Rolle bei der Stressbewältigung. Angsterkrankungen und Depression sind stressbedingte Störungen und sie sind mit einer Dysfunktion des serotonergen Systems assoziiert, in dem der Serotonintransporter (5-HTT) eine wichtige Funktion einnimmt. 5-Htt Knockout (KO)-Mäuse haben reduzierte Serotoninkonzentrationen im Gehirn, zeigen erhöhtes Angst-ähnliches Verhalten und scheinen ein gutes Modell für die Erforschung der Rolle des serotonergen Systems in Bezug auf Stress-Reaktionen und Angsterkrankungen darzustellen. Da synaptische Proteine (SPs) in die Stress-Reaktion involviert zu sein scheinen, wurden die Auswirkungen von akutem Immobilizierungsstress auf die Expression der drei SPs Synaptotagmin (Syt) I, Syt IV und Syntaxin (Stx) 1A in diesem 5-Htt KO-Maus-Modell untersucht. Ebenso wurde die Expression der zwei „immediate early genes“ (IEGs) FBJ osteosarcoma oncogene (c-Fos) and fos-like antigen 2 (Fra-2) unter die Lupe genommen. Außerdem wurde die Expression des „Corticotrophin Releasing Hormone“ (CRH) sowie seiner beiden Rezeptoren CRHR1 and CRHR2, als Teil des Hypothalamus- Hypophysen-Nebennieren-(HPA)-Systems, analysiert. Basierend auf Geschlechts- und Genotyp-spezifischen Unterschieden der Kortikosteron-Konzentrationen im Blut der Tiere wurden die Expressionslevel dieser SPs und der beiden IEGs mittels quantitativer Real-Time (qRT)-PCR in fünf verschiedenen Gehirnregionen von 5-Htt KO- und 5-Htt-Mäusen mit wildtypischer (WT) Gen-Konstitution untersucht. Dabei konnten vor allem Geschlechts-spezifische Unterschiede in der Genexpression gezeigt werden und es konnte ein im Vergleich dazu schwächerer Einfluss des akuten Immobilisierungs-Stresses auf die Genexpression nachgewiesen werden. Die Expression der IEGs wurde durch Stress, Geschlecht und Genotyp vor allem im Hypothalamus beeinflusst. Ebenfalls im Hypothalamus konnte der Einfluss des Geschlechts auf die Expression des CRH und seiner beiden Rezeptoren gezeigt werden. In einer zweiten Studie wurden männliche 5-Htt KO-Mäuse sowie 5-Htt WT-Mäuse dem „Resident-Intruder-Paradigma“ unterzogen, in welchem die Tiere mittels einer mehrfachen Verlierer-Erfahrung gestresst wurden. Morphologische Veränderungen von Neuronen limbischer Gehirnareale wurden daraufhin an Golgi-Cox-gefärbten Gehirnschnitten dieser gestressten und ungestressten 5-Htt KO- und 5-Htt WT-Tiere mittels des Computer-gestützten Mikroskop-Systems Neurolucida (Microbrightflield, Inc.) analysiert. Während keine Unterschiede bezüglich der Länge des dendritischen Materials, des Verzweigungsmusters und der Spinedichte im Hippocampus gefunden werden konnten und keine Unterschiede in Länge des dendritischen Materials und des Verzweigungsmusters in der Area cinguli (CG) gezeigt werden konnten, wiesen Pyramidenzellen im infralimbischen Kortex (IL) von gestressten 5-Htt WT-Mäusen längere Dendriten auf als die entsprechenden Zellen in den ungestressten Tieren desselben Genotyps. Diese Ergebnisse zeigen, dass, obwohl in diesen Tieren keine drastischen stressbedingten Änderungen der neuronalen Morphologie vorliegen, doch subtile Änderungen der neuronalen Morphologie stress- und angstinvolvierter Gehirnareale gefunden werden können. Diese Änderungen können die neuronale Basis verschiedenster Verhaltens-Phänomene darstellen.
KW  - Serotonin
KW  - Stressreaktion
KW  - Knockout <Molekulargenetik>
KW  - Genexpression
KW  - Neuromorphologie
KW  - Neurolucida
KW  - Sozialer Stress
KW  - Stress
KW  - neuromorphology
KW  - neurolucida
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54391
ER  - 
TY  - THES
A1  - Demir, Fatih
T1  - Lipid rafts in Arabidopsis thaliana leaves
T1  - Lipid Rafts in Arabidopsis thaliana Blättern
N2  - Arabidopsis thaliana (A.th.) mesophyll cells play a pivotal role in the regulation of the drought stress response. The signaling & transport components involved in drought stress regulation within lipid rafts of the plasma membrane were investigated by DRM isolation from highly purified plasma membranes. Detergent treatment with Brij-98 and Triton X-100 resulted in a total of 246 DRM proteins which were identified by nano HPLC-MS/MS. The majority of these proteins could be isolated by Triton X-100 treatment (78.5 %) which remains the ”golden” standard for the isolation of DRMs. Comparing in-gel and in-solution digestion approaches disclosed additional protein identifications for each method but the in-gel approach clearly delivered the majority of the identified proteins (81.8 %). Functionally, a clear bias on signaling proteins was visible – almost 1/3 of the detected DRM proteins belonged to the group of kinases, phosphatases and other signaling proteins. Especially leucine-rich repeat receptor-like protein kinases and calcium-dependent protein kinases were present in Brij-98 & Triton X-100 DRMs, for instance the calcium-dependent protein kinase CPK21. Another prominent member of DRMs was the protein phosphatase 2C 56, ABI1, which is a key regulator of the ABA-mediated drought stress response in A.th. The lipid raft localization of the identified DRM proteins was confirmed by sterol-depletion with the chemical drug MCD. Proteins which depend upon a sterol-rich environment are depleted from DRMs by MCD application. Especially signaling proteins exhibited a strong sterol-dependency. They represented the vast majority (41.5 %) among the Triton X-100 DRM proteins which were no longer detected following MCD treatment. AtRem 1.2 & 1.3 could be shown to be sterol-dependent in mesophyll cells as well as two CPKs (CPK10 & CPK21) and the protein phosphatase ABI1. AtRem 1.2 & 1.3 could be proven to represent ideal plant lipid raft marker proteins due to their strong presence in Triton X-100 DRMs and dependency upon a sterol-rich environment. When fluorescence labeled AtRem 1.2 & 1.3 were transiently expressed in A.th. leaves, they localized to small, patchy structures at the plasma membrane. CPK21 was an intrinsic member of Triton X-100 DRMs and displayed extreme susceptibility to sterol-depletion by MCD in immunological and proteomic assays. Calcium-dependent protein kinases (CPKs) have already been studied to be involved in drought stress regulation, for instance at the regulation of S-type anion channels in guard cells. Hence, further transient expression studies with the anion channel SLAH3, protein kinase CPK21 and its counterpart, protein phosphatase ABI1 were performed in Nicotiana benthamiana. Transient co-expression of CPK21 and the anion channel SLAH3, a highly mesophyll- specific homologue of the guard cell anion channel SLAC1, resulted in a combined, sterol-dependent localization of both proteins in DRMs. Supplementary co-expression of the counterpart protein phosphatase ABI1 induced dislocation of SLAH3 from DRMs, probably by inactivation of the protein kinase CPK21. CPK21 is known to regulate the anion channel SLAH3 by phosphorylation. ABI1 dephosphorylates CPK21 thus leading to deactivation and dislocation of SLAH3 from DRMs. All this regulative events are taking place in DRMs of A.th. mesophyll cells. This study presents the first evidence for a lipid raft-resident protein complex combining signaling and transport functions in A.th. Future perspectives for lipid raft research might target investigations on the lipid raft localization of candidate DRM proteins under presence of abiotic and biotic stress factors. For instance, which alterations in the DRM protein composition are detectable upon exogenous application of the plant hormone ABA? Quantitative proteomics approaches will surely increase our knowledge of the post-transcriptional regulation of gene activity under drought stress conditions.
N2  - Mesophyllzellen spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Regulierung der Trockenstress-Antwort in der Pflanze Arabidopsis thaliana (A.th.). Um die an der Trockenstress-Antwort beteiligten Signaltransduktions- und Transportproteine zu identifizieren, die sich in Lipid Rafts der pflanzlichen Plasmamembran befinden, wurden Detergent-Resistant Membranes (DRMs) aus hochreinen Arabidopsis Plasmamembran-Präparationen isoliert. Behandlung dieser hochreinen Plasmamembran mit den Detergentien Brij-98 und Triton X-100 führte zur Identifikation von 246 DRM Proteinen, die mittels der nano HPLC-MS/MS Technologie detektiert wurden. Hierbei war festzustellen, dass das Detergens Triton X-100 eindeutig den Standard für die Isolierung von DRMs darstellt. Die große Mehrheit (78,5 %) der identifizierten DRM Proteine konnte nämlich mit Triton X-100 aufgereinigt werden. Vergleichende Anwendung verschiedener Verdaumethoden (In-Gel & In-Lösung Verdau) zeigte auf, dass jede Methode einen unterschiedlichen Pool an Proteinen identifiziert. Das Gros der analysierten Proteine (81,8 %) konnte jedoch auch alleine durch In-Gel Verdau ermittelt werden. Unter den identifizierten DRM Proteinen stellten Proteine, die an der Signaltransduktion beteiligt sind, fast 1/3 dar. Diese Proteingruppe wurde hauptsächlich durch Kinasen und Phosphatasen vertreten. Insbesondere Leucin-reiche rezeptor-artige and Calcium-abhängige Proteinkinasen waren in Brij-98 & Triton X-100 DRMs zu beobachten, z.B. die Calcium-abhängige Proteinkinase CPK21. Ebenso in Triton X-100 DRMs wurde die Proteinphosphatase 2C 56 (ABI1) lokalisiert, die eine zentrale Rolle bei der ABA-vermittelten Antwort auf Trockenstress in A.th. inne hat. Zur Bestätigung der Lipid Raft Lokalisation der identifizierten DRM Proteine wurden Sterole aus der Plasmamembran mittels der Chemikalie Methyl-ß-D-cyclodextrin entfernt. Besonders Proteine, die an der Signalweiterleitung beteiligt sind, zeigten eine starke Abhängigkeit von der Präsenz der Sterole. Sie waren besonders betroffen: 41,5 % der Proteine, die nach MCD Behandlung nicht mehr in DRMs identifiziert wurden, gehörten zur Gruppe der Signaltransduktionsproteine. Beispiele waren sowohl die Calcium-abhängigen Proteinkinasen CPK10 & CPK21, als auch die Proteinphosphatase ABI1. Die A.th. Remorine AtRem 1.2 & 1.3 stellen ideale Kandidaten für pflanzliche Lipid Raft Markerproteine dar, da beide sowohl ziemlich stark in Triton X-100 DRMs vertreten, als auch im besonderen Maße auf die Präsenz von Sterolen in DRMs angewiesen sind. Fluoreszenzmarkierte AtRem 1.2 & 1.3 Fusionskonstrukte lokalisierten bei transienter Expression in A.th. Blättern in kleinen, punktförmigen Strukturen an der Plasmamembran. Diese Strukturen zeigten frappierende Ähnlichkeit zu bereits bekannten Mustern von Lipid Raft Proteinen in Hefen und Säugetieren. CPK21 stellte ein besonderes Mitglied der Triton X-100 DRMs dar, welches ebenfalls stark auf die Präsenz von Sterolen in DRMs angewiesen war. Dies konnte durch immunologische and massenspektrometrische Experimente nachgewiesen werden. Calcium-abhängige Proteinkinasen (CPKs) sind an der Regulierung der Trockenstress-Antwort in Pflanzen beteiligt, z.B. bei der Aktivierung von S-typ Anionenkanälen in Schließzellen von A.th. Aufgrund dieser Beteiligung an der Trockenstress-Antwort, wurden transiente Co-Expressionsstudien des Anionenkanals SLAH3, der Proteinkinase CPK21 und ihrem Gegenspieler, der Proteinphosphatase ABI1 in Nicotiana benthamiana Blättern durchgeführt. Transiente Co-Expression von CPK21 und SLAH3, einem zum schließzell-spezifischen Anionenkanal SLAC1 homologen Protein in Mesophyllzellen, resultierte in einer sterol-abhängigen Co-Lokalisation beider Proteine in DRMs. Zusätzliche Gabe vom Gegenspieler ABI1 führte zum Verschwinden von SLAH3 aus DRMs, was möglicherweise auf die Inaktivierung der Proteinkinase CPK21 durch ABI1 zurückzuführen ist. Für CPK21 konnte schon aufgezeigt werden, dass es den Anionenkanal SLAH3 durch Phosphorylierung aktiviert. ABI1 hingegen dephosphoryliert die Proteinkinase CPK21 und führt zur Deaktivierung vom Anionenkanal SLAH3, welcher dann auch nicht mehr in DRMs lokalisierbar ist. Diese streng regulierten Prozesse im Rahmen der Trockenstress-Antwort spielen sich in DRMs von A.th. Mesophyllzellen ab. Die vorliegende Arbeit ist der erste Bericht eines Lipid Raft-lokalisierten Proteinkomplexes, der Signalweiterleitung und Transportprozesse in Arabidopsis Lipid Rafts vereint. Zukünftige Lipid Raft Studien könnten sich mit der Lokalisation von putativen DRM Proteinen nach Anwendung von abiotischen und biotischen Stressfaktoren befassen. So könnte man sich die Frage stellen, inwiefern sich die Proteinzusammensetzung in DRMs von der Zugabe des pflanzlichen Hormons Abscisinsäure (ABA) beeinflussen läßt. Insbesondere quantitative Proteomstudien werden in Zukunft mit Sicherheit unser Wissen über die posttranskriptionelle Regulation der Genaktivität bei Trockenstress erweitern.
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Abscisinsäure
KW  - Plasmamembran
KW  - Stressreaktion
KW  - Mesophyll
KW  - ABA
KW  - DRMs
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KW  - Blatt
KW  - Membran
KW  - ABA
KW  - DRMs
KW  - Membrane domains
KW  - Drought stress
KW  - Anion channel
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53223
ER  -