TY  - THES
A1  - Post, Antonia
T1  - Snap25 heterozygous knockout mice as a potential model for attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD)
T1  - Heterozygote Snap25 Knockout-Mäuse als Modell für Aufmerksamkeitsdefizit- / Hyperaktivitätssyndrom (ADHS)
N2  - SNAP25 (Synaptosomal-Associated Protein of 25 kDa; part of the SNARE complex) is involved in the docking and fusion of synaptic vesicles in presynaptic neurons necessary for the regulation of neurotransmitter release, as well as in axonal growth and synaptic plasticity. In humans, different single nucleotide polymorphisms of SNAP25 have repeatedly been associated with attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Thus, in this study heterozygous Snap25 knockout mice were investigated as a model of ADHD.
Heterozygous (+/-) Snap25 knockout mice as well as their wild-type (+/+) littermates were reared under control conditions or underwent a Maternal Separation (MS) procedure. Starting at the age of 2 months, mice were tested for locomotor activity in a repeated long-term Open Field (OF) task, for attention deficits and impulsive behavior in the 5 Choice Serial Reaction Time Task (5CSRTT), for anxiety-like behavior in the Light-Dark Box (LDB) and for depression-like behavior in the Porsolt Forced Swim Test (FST). The brains of these mice were subsequently tested for the expression of several ADHD related genes in a quantitative Real-Time PCR (qRT-PCR) study. Another group of female mice (+/+; +/-) underwent a one hour OF test after oral administration of 45 mg/kg Methylphenidate (MPH) or placebo.
To find an optimized dosage for this MPH challenge, a pilot study was performed. Wild-type C57BL/6 mice were tested in a long-term OF with several dosages of MPH both intraperitoneally (i.p.) and orally. The brains of these animals were afterwards investigated for neurotransmitter concentrations. In this pilot study the dosages of MPH that were similarly behaviorally effective without causing symptoms of overdosing were 7.5-15 mg/kg intraperitoneally and 30-60 mg/kg orally. However, even though it was possible to find intraperitoneal and oral doses that correlate behaviorally, the neurochemistry was mostly different.
In the study on Snap25-deficient mice, unstressed controls showed a hyperactive phenotype in the second of two long-term OF sessions (60 min) spaced three weeks apart. Considering all groups, there was a significant interaction of stress and genotype in the second session, with animals subjected to MS being overall hyperactive with no genotype differences. In the training phase of the 5CSRTT only effects of stress were found, with MS animals finding and consuming fewer rewards. In the single test trial, several genotype effects became apparent, with tendencies for the number of correct nose pokes and the number of rewards eaten, and a significant effect for the number of rewards eaten directly after the correct response. In all of these variables +/- mice performed worse than their wild-type littermates. In the LDB +/- mice entered the lit compartment of the arena earlier than the controls, thus showing attenuated anxiety-like behavior. Regarding depressive-like behavior in the FST, male +/- mice spent significantly less time struggling than male +/+ mice. In the gene expression study, +/- mice had lower expression levels of Maoa and Comt, and higher expression levels of Nos1 than wild-types. Finally, the locomotor activity response to MPH was exaggerated in +/- mice as compared to controls.
Heterozygous Snap25 knockout mice show some of the behavioral characteristics of ADHD, as for example a mild hyperactivity in a familiar environment, difficulties in the correct execution of a given task and even some behavior that can be interpreted as delay aversion. Additionally, expression levels of three ADHD related genes were changed in these animals. Although the exaggerated locomotor activity response to MPH is not to be expected of an ADHD model, the difference in the response between +/+ and +/- mice nonetheless implicates a potential dysfunction of the brain dopaminergic system.
N2  - SNAP25 (Synaptosomal assoziiertes Protein, 25 kDa; Teil des SNARE Komplexes) ist an der Fusion von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Zellmembran beteiligt, und somit notwendig für die Regulation der Neurotransmitter-Ausschüttung. Außerdem wird eine wichtige Funktion bei dem Wachstum von Axonen und synaptischer Plastizität diskutiert. In Humanstudien wurden wiederholt verschiedene Einzelnukleotid-polymorphismen von SNAP25 mit Aufmerksamkeitsdefizit- / Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) assoziiert. In der vorliegenden Studie wurden heterozygote Snap25 knockout Mäuse als Modell für ADHS untersucht.
Heterozygote (+/-) Snap25 knockout Mäuse und ihre wildtypischen Wurfgeschwister wurden unter Kontrollbedingungen großgezogen oder einer maternalen Separation (MS) unterzogen. Beginnend im Alter von etwa 2 Monaten wurden diese Mäuse verschiedenen Verhaltenstests unterzogen: in einem wiederholten Langzeit-Open-Field (OF) Test wurde Aktivität untersucht, Aufmerksamkeitsdefizite und Impulsivität mit dem 5 Choice Serial Reaction Time Task (5CSRTT), angst-ähnliches Verhalten in der Light-Dark Box (LDB) und depressions-ähnliches Verhalten im Porsolt Forced Swim Test (FST). Die Gehirne dieser Mäuse wurden anschließend auf die Expression verschiedener ADHS bezogener Gene in einer quantitativen Real-Time-PCR (qRT-PCR) untersucht. Eine zusätzliche Gruppe weiblicher Mäuse (+/+; +/-) durchlief einen einstündigen OF Test nach oraler Gabe von 45 mg/kg Methylphenidat (MPH) oder Placebo.
Um eine optimale Dosierung für MPH in diesem Experiment zu finden, wurde eine Pilotstudie durchgeführt. Hierbei wurden wildtypische C57/BL6 Mäuse in einem Langzeit OF Test mit Gabe unterschiedlicher Dosierungen von MPH, sowohl oral als auch intraperitoneal (i.p.), untersucht. Im Anschluss wurden die Gehirne dieser Tiere auf Neurotransmitter-konzentration geprüft. Diese Pilotstudie ergab als optimale Dosierungen von MPH auf Verhaltensebene 7.5-15 mg/kg i.p. und 30-60 mg/kg oral. Allerdings waren die neurochemischen Effekte der beiden unterschiedlichen Applikationsarten größtenteils verschieden.
In der Snap25 Studie zeigten ungestresste Kontroll-Tiere einen leicht hyperaktiven Phänotyp in dem zweiten von zwei Langzeit-Open-Field Tests (60 min) im Abstand von 3 Wochen. Bei Betrachtung aller Gruppen ergab sich auch eine signifikante Interaktion von Stress und Genotyp in der zweiten Testung, und zwar dahingehend, dass MS Tiere grundsätzlich aktiveres Verhalten zeigten, ohne Genotypen-Unterschiede. In der Anfangsphase des 5CSRTT lagen nur signifikante Haupteffekte für Stress vor, gestresste Tiere hatten größere Probleme im Meistern der Aufgabe als Wildtypen. Erst im sogenannten Test-Trial am Ende der Versuchsreihe ergaben sich signifikante Haupteffekte für den Genotyp. Heterozygote Snap25 knockout Mäuse zeigten beispielsweise weniger korrekte Reaktionen und konsumierten auch weniger Belohnungspellets direkt im Anschluss an eine korrekte Reaktion als Wildtypen. In der LDB brauchten +/- Mäuse wiederum weniger Zeit als Wildtypen, um den erleuchteten Teil der Arena zu betreten, und zeigten dadurch ein reduziertes Angst-ähnliches Verhalten. Im Gegensatz dazu ergab sich ein erhöht Depressions-ähnliches Verhalten für männliche heterozygote Snap25 knockout Mäuse im FST. Auf der Genexpressions-Ebene hatten +/- Mäuse niedrigere Expressionslevels von Maoa und Comt und höhere Expressionslevels von Nos1 als Wildtypen. Abschließend zeigte sich eine erhöhte Reaktion auf MPH bei heterozygoten Mäusen.
Zusammenfassend zeigen heterozygote Snap25 knockout Mäuse einige Charakteristika von ADHS auf Verhaltensebene, wie zum Beispiel eine leichte Hyperaktivität in bekannter Umgebung, Schwierigkeiten im Erlernen einer gestellten Aufgabe und sogar Verhaltensweisen, die auf eine Abneigung gegenüber Verzögerungen hindeuten. Zusätzlich kommt es aufgrund des Knockouts zu veränderten Expressionslevels verschiedener ADHS assoziierter Gene. Auch wenn die erhöhte Verhaltensreaktion von +/- Mäusen auf MPH nicht die erwartete Reaktion eines ADHS Modells darstellt, deutet sie dennoch auf ein Ungleichgewicht des dopaminergen Systems im Gehirn hin, das bei ADHS eine wichtige Rolle spielt.
KW  - Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom
KW  - SNAP-Rezeptor
KW  - Tiermodell
KW  - Verhalten
KW  - Genexpression
KW  - Animal model
KW  - Snap25
KW  - Attention deficit / hyperactivity disorder
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122899
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brede, Christian
T1  - Peripheral alloantigen expression directs the organ specific T cell infiltration after hematopoietic cell transplantation
T1  - Die Expression von Alloantigenen im peripheren Gewebe beeinflusst die selektive Organinfiltration durch T Zellen nach hämatopoetischer Stammzelltransplantation
N2  - In acute graft-versus-host disease (GVHD) alloreactive donor T cells selectively damage skin, liver, and the gastrointestinal tract while other organs are rarely affected. The mechanism of this selective target tissue infiltration is not well understood. We investigated the importance of alloantigen expression for the selective organ manifestation by examining spatiotemporal changes of cellular and molecular events after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT). To accomplish this we established a novel multicolor light sheet fluorescence microscopy (LSFM) approach for deciphering immune processes in large tissue specimens on a single-cell level in 3 dimensions. We combined and optimized protocols for antibody penetration, tissue clearing, and triple-color illumination to create a method for analyzing intact mouse and human tissues. This approach allowed us to successfully quantify changes in expression patterns of mucosal vascular addressin cell adhesion molecule–1 (MAdCAM-1) and T cell responses in Peyer’s patches following allo-HCT. In addition, we proofed that LSFM is suitable to map individual T cell subsets after HCT and detected rare cellular events. We employed this versatile technique to study the role of alloantigen expression for the selective organ manifestation after allo-HCT. Therefore, we used a T cell receptor (TCR) transgenic mouse model of GVHD that targets a single peptide antigen and thereby mimics a major histocompatibility complex (MHC)-matched single antigen mismatched (miHAg-mismatched) HCT. We transplanted TCR transgenic (OT-I) T cells into myeloablatively conditioned hosts that either express the peptide antigen ovalbumin ubiquitously (βa-Ova) or selectively in the pancreas (RIP-mOva), an organ that is normally not affected by acute GVHD. Of note, at day+6 after HCT we observed that OT-I T cell infiltration occurred in an alloantigen dependent manner. In βa-Ova recipients, where antigen was ubiquitously expressed, OT-I T cells infiltrated all organs and were not restricted to gastrointestinal tract, liver, and skin. In RIP-mOva recipients, where cognate antigen was only expressed in the pancreas, OT-I T cells selectively infiltrated this organ that is usually spared in acute GVHD. In conditioned RIP-mOva the transfer of 100 OT-I T cells sufficed to effectively infiltrate and destroy pancreatic islets resulting in 100% mortality. By employing intact tissue LSFM in RIP-mOva recipients, we identified very low numbers of initial islet infiltrating T cells on day+4 after HCT followed by a massive T cell migration to the pancreas within the following 24 hours. This suggested an effective mechanism of effector T cell recruitment to the tissue of alloantigen expression after initial antigen specific T cell encounter. In chimeras that either expressed the model antigen ovalbumin selectively in hematopoietic or in parenchymal cells only, transplanted OT-I T cells infiltrated target tissues irrespective of which compartment expressed the alloantigen. As IFN-γ could be detected in the serum of transplanted ovalbumin expressing recipients (βa-Ova, βa-Ova-chimeras and RIP-mOva) at day+6 after HCT, we hypothesized that this cytokine may be functionally involved in antigen specific OT-I T cell mediated pathology. In vitro activated OT-I T cells responded with the production of IFN-γ upon antigen re-encounter suggesting that IFN-γ might be relevant in the alloantigen dependent organ infiltration of antigen specific CD8+ T cell infiltration after HCT. Based on these data we propose that alloantigen expression plays an important role in organ specific T cell infiltration during acute GVHD and that initial alloreactive T cells recognizing the cognate antigen propagate a vicious cycle of enhanced T cell recruitment that subsequently culminates in the exacerbation of tissue restricted GVHD.
N2  - In der akuten Graft-Versus-Host Disease (GVHD) infiltrieren allogene Spender T Zellen Haut, Leber und den Magen-Darm-Trakt des Empfängers und attackieren das Gewebe. Andere Organe sind dagegen interessanterweise nur selten betroffen. Die Mechanismen dieser selektiven Organinfliltration sind bisher weitestgehend unbekannt. In meiner Dissertationsarbeit untersuchte ich den Einfluss der Alloantigenexpression auf die selektive Organmanifestation während der GVHD. Um komplexe Immunprozesse die nach allogener Stammzelltransplantation auftreten, besser zu verstehen, entwickelten wir eine Lichtblattmikroskopietechnik (LSFM) die zelluläre und molekulare Veränderungen im intakten Gewebe detektieren kann. Wir etablierten eine neuartigen mehrfarben LSFM-Methodik, die es ermöglicht, Immunprozesse in großen Gewebsstücken von Maus und Mensch in Einzelzellauflösung dreidimensional darzustellen. Dazu kombinierten und optimierten wir Protokolle, um eine Penetration von Antikörpern tief in das Gewebe sowie die Aufklärung und die dreifache Beleuchtung des Gewebes zu ermöglichen. Diese Methode erlaubte uns die erfolgreiche Quantifizierung der Proteinexpression des Adressins mucosal vascular addressin cell adhesion molecule–1 (MAdCAM-1) als auch die Quantifizierung der T Zell Antwort im intakten Peyer’s Plaque nach allogener hämatopoetischer Transplantation (HCT). Weiterhin konnten wir die Methode zur Untersuchung der Migration unterschiedlicher T Zell-Subpopulationen nach HCT erfolgreich einsetzen und konnten einzelne, organinfiltrierende Zellen detektierten und quantifizieren. Wir benutzten die LSFM Methode um den Einfluss der Alloantigenexpression auf die selektive Organmanifestation zu studieren. Dazu verwendeten wir ein Transplantationsmodell, in dem der Haupthistokompatibilitätskomplex übereinstimmt (MHC-matched) und eine Diskrepanz nur in einem einzelnen Peptid Antigen (miHAG-mismatch) zwischen Spender und Empfänger bestand. Wir transplantierten T Zell Rezeptor (TCR) transgene (OT-I) T Zellen in myeloablativ bestrahlte Empfänger, die das Peptidantigen Ovalbumin entweder in allen Geweben (βa-Ova) oder selektiv in der Bauchspeicheldrüse (RIP-mOva) exprimieren. Die Bauchspeicheldrüse ist ein Organ, das normalerweise nicht von der akuten GVHD betroffen ist. An Tag 6 nach allogener HCT waren alle Organe die das Alloantigen exprimieren auch von Spender T Zellen infiltriert. In myeloablativ bestrahlten RIP-mOva Empfängern reichten bereits 100 transferierte OT-I T Zellen aus, um Alloantigen-exprimierende pankreatische Inselzellen zu zerstören. Dies führte zu einer Mortalität von 100% der Empfänger und spricht für eine sehr effiziente Alloantigendetektion und Gewebsinfiltration durch die Spender T Zellen. Um die Kinetik der Organinfiltration der Spender T Zellen detailliert zu untersuchen, verwendeten wir die neue Lichtblattmikroskopietechnik, welche die Analyse intakter Organe ermöglicht. In RIP-mOva Empfängern identifizierten wir erste wenige Spender T Zellen im Pankreas an Tag 4 nach Transplantation, gefolgt von einer massiven Pankreasinfiltration durch Spender T Zellen innerhalb von 24 Stunden. Dies deutet auf eine gezielte Rekrutierung der Spender T Zellen nach erstem Antigenkontakt in das Gewebe mit Alloantigenexpression. Um zu untersuchen, ob die Alloantigenexpression vom parenchymalen Gewebe oder aber durch hämatopoetische Zellen zur spezifischen Organinfiltration führt, transplantierten wir OT-I T Zellen in chimäre Empfänger, in denen das Alloantigen entweder nur im Gewebsparenchym oder ausschließlich von hämatopoetischen Zellen exprimiert wird. An Tag 6 nach der allogenen HCT fanden wir Spender T Zellen in allen Geweben, unabhängig davon welches Empfängerzellkompartment das Alloantigen präsentierte. Wir detektierten hohe IFN-γ-Werte im Serum von Ovalbumin exprimierenden Empfänger (βa-Ova, βa- Ova-Chimären und RIP-mOva). Weiterhin fanden wir, dass nach erneutem Kontakt mit dem spezifischen Alloantigen, OT-I T Zellen die in vitro aktiviert wurden, IFN-γ produzierten. Wir schließen aus diesen Beobachtungen, dass für die antigenabhängige Gewebeinfiltration IFN-γ wichtig ist. Zusammenfassend postulieren wir, dass die Alloantigenexpression im Gewebe eine wichtige Rolle in der organspezifischen Infiltration durch Spender T Zellen spielt, und dass T Zellen die Alloantigen spezifisch erkennen, dafür verantwortlich sind, dass weitere Effektor-T Zellen in das Gewebe rekrutiert werden.
KW  - Alloantigen
KW  - Transplantat-Wirt-Reaktion
KW  - Genexpression
KW  - Blutstammzelle
KW  - Graft versus Host Disease
KW  - Hematopoietic Cell Transplantation
KW  - Alloantigen Expression
KW  - Light Sheet Fluorescence Microscopy
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Hämatopoetische Stammzelltransplantation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85365
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TY  - THES
A1  - Hofmann, Sebastian
T1  - Studies on the function and regulation of CD84, GPVI and Orai2 in genetically modified mice
T1  - Untersuchungen zur Funktion und Regulation von CD84, GPVI und Orai2 in genetisch veränderten Mäusen
N2  - Platelet activation and aggregation at sites of vascular injury are essential processes to limit blood loss but they also contribute to arterial thrombosis, which can lead to myocardial infarction and stroke. Stable thrombus formation requires a series of events involving platelet receptors which contribute to adhesion, activation and aggregation of platelets. Regulation of receptor expression by (metallo-)proteinases has been described for several platelet receptors, but the molecular mechanisms are ill-defined. The signaling lymphocyte activation molecule (SLAM) family member CD84 is expressed in immune cells and platelets, however its role in platelet physiology was unclear. In this thesis, CD84 deficient mice were generated and analyzed. In well established in vitro and in vivo assays testing platelet function and thrombus formation, CD84 deficient mice displayed phenotypes indistinguishable from wild-type controls. It was concluded that CD84 in platelets does not function as modulator of thrombus formation, but rather has other functions. In line with this, in the second part of this thesis, a novel regulation mechanism for platelet CD84 was discovered and elucidated. Upon platelet activation, the N-terminus of CD84 was found to be cleaved exclusively by the a disintegrin and metalloproteinase 10 (ADAM10), whereas the intracellular part was cleaved by calpain. In addition, regulation of the platelet activating collagen receptor glycoprotein VI (GPVI) was studied and it was shown that GPVI is in contrast to CD84 differentially regulated by ADAM10 and ADAM17. A novel role of CD84 under pathophysiological conditions was revealed as CD84 deficient mice were protected from ischemic stroke in the model of transient middle cerebral artery occlusion and this protection was based on the lack of CD84 in T cells. Ca2+ is an essential second messenger that facilitates activation of platelets and diverse functions in different eukaryotic cell types. Store-operated Ca2+ entry (SOCE) represents the major mechanism leading to rise in intracellular Ca2+ concentration in non-excitable cells. The Ca2+ sensor STIM1 (stromal interaction molecule 1) and the SOC channel subunit protein Orai1 are established mediators of SOCE in platelets. STIM2 is the major STIM isoform in neurons, but the role of the SOC channel subunit protein Orai2 in platelets and neurons has remained elusive. In the third part of this thesis, Orai2 deficient mice were generated and analyzed. Orai2 was dispensable for platelet function, however, Orai2 deficient mice were protected from ischemic neurodegeneration and this phenotype was attributed to defective SOCE in neurons.
N2  - Die Aktivierung und Aggregation von Blutplättchen sind wichtige Prozesse um Blutverlust nach Gefäßverletzungen zu vermeiden. Diese Prozesse spielen aber auch eine Rolle in der arteriellen Thrombose, die zu Herzinfarkt und Schlaganfall führen kann. Die Bildung stabiler Thromben setzt eine Reihe von Vorgängen voraus, an denen Blutplättchenrezeptoren beteiligt sind, welche zur Adhäsion, Aktivierung und Aggregation der Blutplättchen beitragen. Für einige Blutplättchenrezeptoren wurde eine Regulation der Expression durch (Metallo )Proteinasen beschrieben, jedoch sind die molekularen Mechanismen weitgehend unbekannt. CD84, ein Protein das zur signaling lymphocyte activation molecule (SLAM) Familie gehört, wird sowohl in Immunzellen als auch in Blutplättchen exprimiert. Jedoch war die Rolle von CD84 in der Physiologie der Blutplättchen unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden CD84 defiziente Mäuse generiert und analysiert. In etablierten in vitro und in vivo Test, welche die Blutplättchenfunktion und Thrombusbildung untersuchen, war der Phänotyp von CD84 defizienten Mäusen unverändert gegenüber Wildtyp-Kontrollen. Es wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass CD84 in Blutplättchen nicht als Modulator der Thrombusbildung fungiert, sondern eher andere Funktionen hat. Im Einklang damit wurde im zweiten Teil dieser Arbeit ein neuer Regulationsmechanismus entdeckt und aufgeklärt. Infolge von Blutplättchenaktivierung wurde der N-terminale Teil von CD84 ausschließlich von a disintegrin and metalloproteinase 10 (ADAM10) geschnitten, während der intrazelluläre Anteil durch Calpain prozessiert wurde. Weiterhin wurde die Regulation des Blutplättchen-aktivierenden Kollagenrezeptors Glykoprotein VI (GPVI) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass GPVI, im Gegensatz zu CD84, einer differenziellen Regulation durch ADAM10 und ADAM17 unterliegt. Unter pathophysiologischen Bedingungen wurde eine neue Rolle von CD84 aufgedeckt, da CD84 defiziente Mäuse vor ischämischem Schlaganfall im transient middle cerebral artery occlusion Modell geschützt waren. Dieser Schutz beruhte auf dem Fehlen von CD84 auf T Zellen. Ca2+ ist ein wichtiger sekundärer Botenstoff, der die Aktivierung von Blutplättchen ermöglicht sowie diverse Funktionen in verschiedenen eukaryotischen Zellen erfüllt. Store-operated Ca2+ entry (SOCE) stellt den Hauptmechanismus dar, der zum Anstieg der intrazellulären Ca2+ Konzentration in nicht-erregbaren Zellen führt. Der Ca2+ Sensor STIM1 (stromal interaction molecule 1) und das SOC-Kanal Protein Orai1 sind als Vermittler des SOCE in Blutplättchen bekannt. STIM2 stellt die Hauptisoform der STIM Moleküle in Neuronen dar, jedoch war die Rolle des SOC-Kanal Proteins Orai2 in Blutplättchen und Neuronen weitgehend unbekannt. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Orai2 defiziente Mäuse generiert und analysiert. Orai2 war nicht essentiell für die Funktion von Blutplättchen, jedoch waren Orai2 defiziente Mäuse vor ischämischer Neurodegeneration geschützt. Dieser Phänotyp wurde auf einen defekten SOCE in Neuronen zurückgeführt.
KW  - Thrombozyt
KW  - Maus
KW  - Genexpression
KW  - Metalloproteinasen
KW  - platelets
KW  - CD84
KW  - Metalloproteinase
KW  - GPVI
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87949
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TY  - THES
A1  - Hondke, Sylvia
T1  - Elucidation of WISP3 function in human mesenchymal stem cells and chondrocytes
T1  - Aufklärung der WISP3 Funktion in humanen mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten
N2  - WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990’s: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes.
WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block
caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis.
Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells.
N2  - WISP3 ist ein Mitglied der CCN-Familie, die aus sechs Familienmitgliedern besteht und in den 1990er Jahren endeckt wurde: Cysteine-rich, angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) und den Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6). Die CCN-Proteine sind durch ihre Interaktion mit verschiede- nen Integrinen und Heparansulfaten involviert in die Regulation der Adhäsion, der Migration, der Mi- togenese, der Chemotaxis, der Proliferation, des Zellüberlebens, der Angiogenese, der Tumorgenese und der Wundheilung. WISP3 ist momentan das einzige Mitglied, das direkt mit einer muskuloskelettalen Erkrankung, der Progressiven Pseudorheumatoiden Dysplasie (PPD), assoziiert wird. PPD ist charakter- isiert durch eine normale embryonale Entwicklung mit fortschreitender Knorpeldegeneration beginnend im Alter von drei bis acht Jahren.
Tierversuche mit knock out oder Überexpression von WISP3 in Mäusen waren nicht in der Lage die Symptome der Erkrankung nachzustellen, da keine Unterschiede im Vergleich zu den Wurfgeschwistern beobachtbar waren.  In vitro  und in vivo  Studien offenbarten eine antagonisierende Rolle für WISP3 im BMP, IGF und Wnt Signalweg.  Da die meisten Informationen über WISP3 jedoch in Epithel- und Krebszellen sowie immortalisierten Chondrozytenzelllinien generiert wurden, untersuchten wir die Rolle von WISP3 in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSZs) und primären Chondrozyten. Der WISP3 knock down wurde mit drei short hairpin RNAs in beiden Zelltypen etabliert und wies eine veränderte Zellmorphologie sowie eine reduzierte Zellzahl auf. Knock down mit gleichzeitiger rekombi- nanter WISP3-Behandlung konnte den beobachteten Phänotyp sowie den Zellverlust nicht retten und auch eine Änderung der endogenen Genexpression von WISP3 war nicht zu detektieren. Schlussfolgernd muss WISP3 ein wichtiger Überlebensfaktor sein, dessen Verlust zur Überschreitung von Zellzyklus- Kontrollpunkten führt, was in Apoptose mündet.  Apoptosenachweise wie Annexin V-Cy3 Färbung, Immunfluoreszenzfärbung und Western blot für aktive Caspasen lieferten keine positiven Beweise für diese Form des Zelltodes.	Auch die Genexpression der Todesrezeptoren TRAILR1 und TRAILR2, wichtig für die extrinsische Aktivierung der Apoptose, zeigte kein verändertes Expressionsmuster in WISP3-defizienten hMSZs. Autophagie als Zelltod wurde ebenfalls ausgeschlossen, nachdem im West- ern Blot kein gespaltene Form des Autophagiemarkers LC3 A/B zu detektieren war. Um die Rolle von WISP3 beim Zelltod weiter zu entschlüsseln, wurden Genom-Expressionsanalysen von WISP3-defizienten hMSZs im Vergleich zu Kontroll-hMSZs angefertigt.  Die Analysen ergaben unterschiedlich regulierte Gene vor allem in den Bereichen Zellzyklus-Regulation, Adhäsion, Zytoskelett und Zelltod. Der durch WISP3-Verlust ausgelöste Zelltod kann möglicherweise durch die Aktivierung der Nektroptose über den BMP/TAK1/RIPK1 Signalweg erklärt werden. Es ist bekannt, dass WISP3 BMP4 bindet und so dessen Bindung an den Rezeptor verhindert. Bei WISP3 Verlust bindet BMP4 an seinen Rezeptor und aktiviert den Smad 2/3/4 Komplex der wiederum TAK1 phosphoryliert, wie zuvor in Epithelzellen demonstriert. TAK1 ist in der Lage die Caspase-induzierte Apoptose zu blockieren und auf diese Weise die Bildung des Nekrosomes auszulösen, welches zum Zelluntergang durch Nekroptose führt.
Zusammen mit seiner Rolle in der Zellzyklus-Kontrolle und der extrazellulären Matrixadhäsion, die in humanen Brustepithelialzellen nachgewiesen wurden, unterstützen diese Daten eine Rolle für WISP3 als Tumorsuppressor und Überlebensfaktor in Zellen des Epithel und des muskuloskelettalen Systems.
KW  - Knorpelzelle
KW  - PPD
KW  - mesenchymal stem cells
KW  - cell death
KW  - chondrocytes
KW  - Mesenchymzelle
KW  - Dysplasie
KW  - Genexpression
KW  - Werk
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109641
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TY  - THES
A1  - Subota, Ines
T1  - Switches in trypanosome differentiation: ALBA proteins acting on post-transcriptional mRNA control
T1  - Steuerungsmechanismen der Differenzierung in Trypanosomen: die Rolle von ALBA Proteinen in post-transkriptioneller mRNA Kontrolle
N2  - Trypanosoma brucei is a digenetic eukaryotic parasite that develops in different tissues of a mammalian host and a tsetse fly. It is responsible for sleeping sickness in sub-saharan Africa. The parasite cycle involves more than nine developmental stages that can be clearly distinguished by their general morphology, their metabolism and the relative positioning of their DNA-containing organelles. During their development, trypanosomes remain exclusively extracellular and encounter changing environments with different physico-chemical properties (nutritional availability, viscosity, temperature, etc.). It has been proposed that trypanosomes use their flagellum as a sensing organelle, in agreement with the established role of structurally-related cilia in metazoa and ciliates. Recognition of environmental triggers is presumed to be at the initiation of differentiation events, leading to the parasite stage that is the best suited to the new environment. These changes are achieved by the modification of gene expression programmes, mostly underlying post-transcriptional control of mRNA transcripts. We first demonstrate that the RNA-binding proteins ALBA3/4 are involved in specific differentiation processes during the parasite development in the fly. They are cytosolic and expressed throughout the parasite cycle with the exception of the stages found in the tsetse fly proventriculus, as shown by both immunofluorescence and live cell analysis upon endogenous tagging with YFP. Knock-down of both proteins in the developmental stage preceding these forms leads to striking modifications: cell elongation, cell cycle arrest and relocalization of the nucleus in a posterior position, all typical of processes acting in parasites found in the proventriculus region. When ALBA3 is over-expressed from an exogenous copy during infection, it interferes with the relocalization of the nucleus in proventricular parasites. This is not observed for ALBA4 over-expression that does not visibly impede differentiation. Both ALBA3/4 proteins react to starvation conditions by accumulating in cytoplasmic stress granules together with DHH1, a recognized RNA-binding protein. ALBA3/4 proteins also partially colocalize with granules formed by polyA+ RNA in these conditions. We propose that ALBA are involved in trypanosome differentiation processes where they control a subset of developmentally regulated transcripts. These processes involving ALBA3/4 are likely to result from the specific activation of sensing pathways. In the second part of the thesis, we identify novel flagellar proteins that could act in sensing mechanisms. Several protein candidates were selected from a proteomic analysis of intact flagella performed in the host laboratory. This work validates their flagellar localization with high success (85% of the proteins examined) and defines multiple different patterns of protein distribution in the flagellum. Two proteins are analyzed during development, one of them showing down-regulation in proventricular stages. The functional analysis of one novel flagellar membrane protein reveals its rapid dynamics within the flagellum but does not yield a visible phenotype in culture. This is coherent with sensory function that might not be needed in stable culture conditions, but could be required in natural conditions during development. In conclusion, this work adds new pieces to the puzzle of identifying molecular switches involved in developmental mRNA control and environmental sensing in trypanosome stages in the tsetse fly.
N2  - Trypanosoma brucei ist ein digenetischer, eukaryotischer Parasit, der zwischen Säugetier und Tsetsefliege alterniert, in welchen er unterschiedliche Gewebe besiedelt. Er ist die Ursache für die Schlafkrankheit in Afrika südlich der Sahara. Der Lebenszyklus der Trypanosomen besteht aus mehr als neun Parasitenstadien, die eindeutig anhand ihrer Morphologie, ihres Metabolismus und der Positionierung ihrer DNA Organellen unterschieden werden können. Trypanosomen bleiben ausschließlich extrazellulär und kommen im Laufe ihres Infektionszyklus mit sich verändernden Umwelteinflüssen in Berührung, z. B. Temperaturschwankungen, Variation in vorhandenen Energiequellen, erhöhte Viskosität usw. In Übereinstimmung mit der anerkannten sensorischen Funktion die Cilien in Vielzellern ausüben, wurde für diese Rolle das strukturverwandte Flagellum in Trypanosomen vorgeschlagen. Die Erkennung wechselnder Umweltparameter ist der vermutliche Auslöser für Differenzierungsprozesse, die ein Entwicklungsstadium hervorbringen, welches am besten an die neue Umgebung angepasst ist. Dies wird durch eine Modifizierung der Genexpression erreicht, die in Trypanosomen fast ausschließlich auf posttranskriptioneller Ebene erfolgt. Diese Arbeit zeigt, dass die RNA bindenden Proteine ALBA3 und ALBA4 an der Differenzierung von Trypanosomen in der Tsetsefliege beteiligt sind. Immunfluoreszenzanalyse und Lebendvideomikroskopie von Zellen, die eine an YFP gekoppelte Variante der Proteine enthalten, haben gezeigt, dass sich ALBA3/4 im Zytosol befinden und dass sie in jedem Parasitenstadium exprimiert sind, mit Ausnahme derer, die im Proventrikel der Tsetsefliege zu finden sind. Das Herunterregulieren der Proteine in vorangehenden Stadien, führt zu markanten Veränderungen, die mit denjenigen, die in Parasiten im Proventrikel zu finden sind, vergleichbar sind: z. B. Verlängerung der Zelle, Zellzyklusarrest und Lokalisierung des Zellkerns in eine posteriore Position. Im Gegenteil dazu findet die Umpositionierung des Zellkerns nicht statt, wenn ALBA3 während der Entwicklung des Parasiten in der Tsetsefliege überexprimiert wird. Ein vergleichbarer Effekt wird mit ALBA4 Überexpression nicht erreicht, welches die Entwicklung nicht negativ zu beeinflussen scheint. Wenn Trypanosomen Hungerstress ausgesetzt sind, reichern sich beide ALBA Proteine zusammen mit DHH1, einem anerkannten RNA bindenden Protein, in zytoplasmatischen Aggregaten an, die nur teilweise mit denjenigen kolokalisieren, die durch polyA+ RNA in diesen Bedingungen verursacht werden. Diese Arbeit zeigt, dass ALBA Proteine eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Trypanosomen spielen und legt nahe, dass sie an der entwicklungsbedingten Kontrolle eines Teils der mRNA Expression beteiligt sind. Der zweite Teil dieser Arbeit handelt von der Identifizierung neuer flagellarer Proteine, die eine sensorische Funktion haben könnten. Hierfür wurden mehrere Proteinkandidaten aus einer durchgeführten Proteomanalyse intakter Flagellen gewählt. Die vorliegende Arbeit bestätigt die flagellare Lokalisierung der Proteine mit großem Erfolg (85% der untersuchten Proteine) und zeigt, dass sie unterschiedliche Verteilungsmuster vorweisen. Zwei der Proteine werden während der Infektion des Parasiten in der Tsetsefliege untersucht, was aufdeckt, dass eines davon in den Stadien im Proventrikel herunterreguliert ist. Die Funktionsstudie eines neu identifizierten flagellaren Membranproteins weist seine schnelle Dynamik im Flagellum auf, führt jedoch zu keinem sichtbaren Phänotyp in Laborbedingungen. Diese Beobachtung passt zu der Annahme, dass Proteine mit sensorischer Funktion in stabilen Laborverhältnissen nicht essentiell sind aber eine wichtige Rolle während der Entwicklung des Parasiten in natürlichen Bedingungen spielen. Zusammenfassend fügt diese Arbeit Teile zum Puzzle der Identifizierung molekularer Schalter, die in Trypanosomenstadien in der Tsetsefliege an der mRNA Kontrolle und der Erkennung der Umwelt beteiligt sind.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Parasit
KW  - Entwicklung
KW  - Tsetsefliege
KW  - Trypanosomen
KW  - parasitärer Entwicklungszyklus
KW  - Differenzierung
KW  - Tsetse Fliege
KW  - ALBA Proteine
KW  - Kontrolle der Genexpression
KW  - trypanosomes
KW  - parasite cycle
KW  - differentiation
KW  - tsetse fly
KW  - ALBA proteins
KW  - gene expression control
KW  - flagellar sensing proteins
KW  - FLAMM
KW  - Genexpression
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85707
N1  - Durchführung der Experimente am Institut Pasteur, Arbeitsgruppe Trypanosome Cell Biology Unit, Paris, Frankreich
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TY  - THES
A1  - Zhang, Yi
T1  - Regulation of Agrobacterial Oncogene Expression in Host Plants
T1  - Regulierung der Expression der Onkogene aus Agrobakterien in Wirtspflanzen
N2  - Virulent Agrobacterium tumefaciens strains transfer and integrate a DNA region of the tumor-inducing (Ti) plasmid, the T-DNA, into the plant genome and thereby cause crown gall disease. The most essential genes required for crown gall development are the T-DNA-encoded oncogenes, IaaH (indole-3-acetamide hydrolase), IaaM (tryptophan monooxygenase) for auxin, and Ipt (isopentenyl transferase) for cytokinin biosynthesis. When these oncogenes are expressed in the host cell, the levels of auxin and cytokinin increase and cause cell proliferation. The aim of this study was to unravel the molecular mechanisms, which regulate expression of the agrobacterial oncogenes in plant cells. Transcripts of the three oncogenes were expressed in Arabidopsis thaliana crown galls induced by A. tumefaciens strain C58 and the intergenic regions (IGRs) between their coding sequences (CDS) were proven to have promoter activity in plant cells. These promoters possess eukaryotic sequence structures and contain cis-regulatory elements for the binding of plant transcription factors. The high-throughput protoplast transactivation (PTA) system was used and identified the Arabidopsis thaliana transcription factors WRKY18, WRKY40, WRKY60 and ARF5 to activate the Ipt oncogene promoter. No transcription factor promoted the activity of the IaaH and IaaM promoters, despite the fact that the sequences contained binding elements for type B ARR transcription factors. Likewise, the treatment of Arabidopsis mesophyll protoplasts with cytokinin (trans-zeatin) and auxin (1-NAA) exerted no positive effect on IaaH and IaaM promoter activity. In contrast, the Ipt promoter strongly responded to a treatment with auxin and only modestly to cytokinin. The three Arabidopsis WRKYs play a role in crown gall development as the wrky mutants developed smaller crown galls than wild-type plants. The WRKY40 and WRKY60 genes responded very quickly to pathogen infection, two and four hours post infection, respectively. Transcription of the WRKY18 gene was induced upon buffer infiltration, which implicates a response to wounding. The three WRKY proteins interacted with ARF5 and with each other in the plant nucleus, but only WRKY40 together with ARF5 increased activation of the Ipt promoter. Moreover, ARF5 activated the Ipt promoter in an auxin-dependent manner. The severe developmental phenotype of the arf5 mutant prevented studies on crown gall development, nevertheless, the reduced crown gall growth on the transport inhibitor response 1 (TIR1) tir1 mutant, lacking the auxin sensor, suggested that auxin signaling is required for optimal crown gall development. In conclusion, A. tumefaciens recruits the pathogen defense related WRKY40 pathway to activate Ipt expression in T-DNA-transformed plant cells. IaaH and IaaM gene expression seems not to be controlled by transcriptional activators, but the increasing auxin levels are signaled via ARF5. The auxin-depended activation of ARF5 boosts expression of the Ipt gene in combination with WRKY40 to increase cytokinin levels and induce crown gall development.
N2  - Virulente Bakterien des Stamms Agrobakterium tumefaciens, transferieren und integrieren einen Teil ihrer DNA, die T-DNA aus dem Tumor induzierenden Plasmid (Ti), in das Pflanzengenom. Dadurch wird die Tumorbildung induziert und die Krankheit bricht aus. Die wichtigsten Gene, die für die Entwicklung eines Tumors benötigt werden, sind auf der T-DNA lokalisierte Onkogene: IaaH (indole-3-aceetamide hydrolase), IaaM (tryptophan monooxygenase) für die Auxin Biosynthese und Ipt (isopentenyl transferase) für die Cytokinin Biosynthese. Werden diese Onkogene in der Wirtszelle exprimiert, steigt der Gehalt an Auxin und Cytokinin und fördert die Zellteilung. Das Ziel dieser Arbeit war es die molekularen Mechanismen, die die Expression der agrobakteriellen Onkogene in Pflanzenzellen regulieren, aufzuklären. Transkripte der drei Onkogene wurden in Tumoren an Arabidopsis thaliana exprimiert. Die Tumore wurden durch den A. tumefaciens Stamm C58 induziert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Sequenzabschnitte zwischen den Onkogenen (IGRs: intergenic regions) eine Promoteraktivität in der Pflanzenzelle besitzen. Diese Promoter haben eukaryotische Sequenzstrukturen und enthalten cis-Elemente, an die pflanzliche Transkriptionsfaktoren binden. Mit Hilfe der PTA (high-throughput protoplast transactivation) Methode wurden die pflanzlichen Transkriptionsfaktoren WRKY18, WRKY40, WRKY60 und ARF5 von Arabidopsis thaliana identifiziert, welche den Promoter des Ipt Onkogens aktivieren. Für IaaH und IaaM konnte kein Transkriptionsfaktor, der die Promotersequenzen aktiviert, identifiziert werden, obwohl die Promotersequenzen Bindedomänen für den Typ B ARR Transkriptionsfaktor enthalten. Ebenso zeigte die Behandlung von Arabidopsis Protoplasten aus dem Mesophyll mit Cytokinin (trans-zeatin) und Auxin (1-NAA) keinen positiven Effekt auf die Aktivität des IaaH und des IaaM Promoters, wohingegen der Ipt Promoter stark auf eine Behandlung mit Auxin und leicht auf eine Behandlung mit Cytokinin reagierte. Die drei WRKYs aus Arabidopsis spielen eine Rolle in der Tumorentwicklung, da die wrky Mutante kleinere Tumore zeigt, als die Wild Typ Pflanzen. Die Gene WRKY40 und WRKY60 reagieren sehr schnell, innerhalb von zwei, beziehungsweise vier Stunden, auf eine Pathogen Infektion. Die Transkription des WRKY18 Gens wurde durch die Infiltration von Puffer in Blätter induziert, dies lässt auf eine Reaktion im Zusammenhang mit Wunderzeugung schließen. Die drei WRKY Proteine interagieren mit einander und mit ARF5 im Zellekern der Pflanzenzelle, aber nur WRKY40 und ARF5 können gemeinsam den Ipt Promoter aktivieren. Zusätzlich kann ARF5 den Ipt Promoter, in Abhängigkeit von Auxin, aktivieren. Wegen starker Entwicklungsstörungen der arf5 Mutante, konnte das Tumorwachstum an dieser Mutante nicht untersucht werden. Das reduzierte Tumorwachstum an der tri1 (transport inhibitor response, TIR) Mutante, der ein Auxinsensor fehlt, deutet auf die Notwendigkeit des Auxinsignalwegs für optimales Tumorwachstum hin. Zusammengefasst benutzt A. tumefaciens den WRKY40 Signalweg, der mit der Pathogen Abwehr verbunden ist, um die Ipt Expression in der mit T-DNA transformierten Pflanzenzelle zu aktivieren. Die Genexpression von IaaH und IaaM schein nicht von Transkriptionsfaktoren abhängig zu sein, aber erhöhte Auxin Werte werden von ARF5 erkannt. Die Auxin abhängige Aktivierung von ARF5 verstärkt die Expression des Ipt Gens gemeinsam mit WRKY40 um die Cytokin Werte in der Pflanzenzelle zu erhöhen und somit die Tumorentwicklung einzuleiten.
KW  - Agrobacterium tumefaciens
KW  - Transcription factor
KW  - Onkogen
KW  - Genexpression
KW  - Oncogene
KW  - Regulation
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-102578
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TY  - THES
A1  - Merker, Sören
T1  - Genome-wide screenings in attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD): investigation of novel candidate genes SLC2A3 and LPHN3
T1  - Genomweite Untersuchungen des Aufmerksamkeitsdefizit/ Hyperaktivitätssyndroms (ADHS): Analyse der neuen Kandidatengene SLC2A3 und LPHN3
N2  - Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is a highly prevalent childhood-onset neurodevelopmental disorder that involves a substantial risk of persisting into adolescence and adulthood. A number of genome-wide screening studies in ADHD have been conducted in recent years, giving rise to the discovery of several variants at distinct chromosomal loci, thus emphasising the genetically complex and polygenic nature of this disorder. Accordingly, promising novel candidate genes have emerged, such as the gene encoding the glucose transporter isoform 3 (SLC2A3) and the gene encoding the latrophilin isoform 3 (LPHN3). 
In this thesis, both genes were investigated in form of two separated projects. The first focused on SLC2A3 polymorphisms associated with ADHD and their potential physiological impact. For this purpose, gene expression analyses in peripheral cell models were performed as well as functional EEG measurements in humans. The second project concerned the murine gene Lphn3 including the goal of developing a mouse line containing a genetically modified Lphn3 with conditional knockout potential. In this respect, a specific DNA vector was applied to target the Lphn3 gene locus in murine embryonic stem (ES) cells as a prerequisite for the generation of appropriate chimeric mice.
The results of the first project showed that SLC2A3 duplication carriers displayed increased SLC2A3 mRNA expression in peripheral blood cells and significantly altered event-related potentials (ERPs) during tests of cognitive response control and working memory, possibly involving changes in prefrontal brain activity and memory processing. Interestingly, ADHD patients with the rs12842 T-allele, located within and tagging the SLC2A3 gene, also exhibited remarkable effects during these EEG measurements. However, such effects reflected a reversed pattern to the aforementioned SLC2A3 duplication carriers with ADHD, thus indicative of an opposed molecular mechanism. Besides, it emerged that the impact of the aforementioned SLC2A3 variants on different EEG parameters was generally much more pronounced in the group of ADHD patients than the healthy control group, implying a considerable interaction effect. Concerning the second project, preliminary results were gathered including the successful targeting of Lphn3 in murine ES cells as well as the production of highly chimeric, phenotypically unremarkable and 
mostly fertile mouse chimeras. While germline transmission of the modified Lphn3 allele has not yet occurred, there are still several newborn chimeric mice that will be tested in the near future. 
In conclusion, the findings suggest that SLC2A3 variants associated with ADHD are accompanied by transcriptional and functional changes in humans. Future research will help to elucidate the molecular network and neurobiological basis involved in these effects and apparently contributing to the complex clinical picture of ADHD. Moreover, given the increasing number of publications concerning latrophilins in recent years and the multitude of research opportunities provided by a conditional knockout of Lphn3 in mice, the establishment of a respective mouse line, which currently is in progress, constitutes a promising approach for the investigation of this gene and its role in ADHD.
N2  - Das Aufmerksamkeitsdefizit/Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) ist eine hoch prävalente und bereits in der Kindheit beginnende Neuroentwicklungsstörung, die eine erhebliche Persistenz ins Jugend- und Erwachsenenalter aufweist. In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl von genomweiten Studien zu ADHS durchgeführt, welche zur Identifizierung zahlreicher genetischer Varianten an unterschiedlichen chromosomalen Loci geführt und somit die genetisch komplexe polygene Natur dieser Störung zur Geltung gebracht haben. Auf diese Weise traten auch neue Kandidatengene zutage, wie zum Beispiel das Gen für die Glukosetransporter-Isoform-3 (SLC2A3) und das Gen, welches Latrophilin-3 kodiert (LPHN3). 
Innerhalb dieser Thesis wurden beide Gene in Form von zwei voneinander getrennten Projekten untersucht. Das erste Projekt beschäftigte sich mit humanen ADHS-assoziierten SLC2A3-Polymorphismen und ihrer potentiellen physiologischen Bedeutung. Für diesen Zweck wurden Genexpressionsanalysen in peripheren Zellmodellen sowie funktionelle EEG-Messungen im Menschen durchgeführt. Im zweiten Projekt ging es um das murine Gen Lphn3 mit dem Ziel, eine Mauslinie zu entwickeln, die ein genetisch verändertes Lphn3 mit konditionalem Knockout-Potenzial aufweist. In diesem Zusammenhang wurde ein spezifischer DNA-Vektor
 
verwendet, der auf den Lphn3-Genlocus in murinen embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) abzielte, was eine Voraussetzung für die Erzeugung von geeigneten chimären Mäusen darstellt. 
Die Ergebnisse des ersten Projektes legten nahe, dass SLC2A3-Duplikationsträger erhöhte SLC2A3-mRNA-Expression in peripheren Blutzellen aufweisen sowie signifikant veränderte ereigniskorrelierte Potentiale während eines Tests kognitiver Reaktionskontrolle sowie eines Arbeitsgedächtnis-Tests, was möglicherweise von veränderter präfrontaler Hirnaktiviät bzw. Gedächtnis-Prozessierung begleitet wird. Interessanterweise zeigten ADHS-Patienten mit T-Allel des im SLC2A3-Gen liegenden SNPs rs12842 ebenfalls deutliche Effekte während dieser EEG-Messungen, allerdings in entgegengesetzter Form zu den zuvor genannten SLC2A3-Duplikationsträgern mit ADHS, was auf einen gegensätzlichen molekularen Mechanismus hindeutet. Zudem stellte sich heraus, dass der Einfluss der zuvor genannten SLC2A3-Varianten auf verschiedene EEG-Parameter innerhalb der ADHS-Gruppe generell deutlich stärker ausgeprägt war als in der gesunden Kontrollgruppe, also einen beachtlichen Interaktionseffekt impliziert. Bezüglich des zweiten Projektes konnten bisher Zwischenergebnisse erzielt werden: das erfolgreiche Targeting des Lphn3-Gens in murinen ES-Zellen sowie die Produktion hochchimärer, phänotypisch unauffälliger und größtenteils fertiler Maus-Chimären. Obgleich die Keimbahntransmission des modifizierten Lphn3-Allels bislang noch nicht eingetreten ist, gibt es noch eine Reihe an neugeborenen chimären Mäusen, die in nächster Zeit erst noch getestet werden müssen.  
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Variationen des SLC2A3-Gens, die mit ADHS assoziiert sind, mit transkriptionellen und funktionellen Veränderungen im Menschen einhergehen. Zukünftige Forschungsarbeiten werden dabei helfen, die molekularen Netzwerke und neurobiologischen Grundlagen zu verdeutlichen, die an diesen Effekten beteiligt sind und offenbar zu dem komplexen klinischen Bild von ADHS beitragen. Angesichts der steigenden Zahl an Publikationen über Latrophiline in den letzten Jahren und der unzähligen Forschungsmöglichkeiten, die ein konditionaler Knockout von Lphn3 in Mäusen bietet, stellt die derzeit laufende Etablierung einer entsprechenden Mauslinie einen vielversprechenden Ansatz dar, dieses Gen und seine Rolle für ADHS zu untersuchen.
KW  - Genexpression
KW  - Glucosetransportproteine
KW  - Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom
KW  - Latrophilin receptor
KW  - Knockout-Maus
KW  - ADHD
KW  - Genetics
KW  - Glucosetransporter
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-100129
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TY  - THES
A1  - Fröhlich, Kathrin
T1  - Assigning functions to Hfq-dependent small RNAs in the model pathogen Salmonella Typhimurium
T1  - Funktionelle Charakterisierung Hfq-abhängiger kleiner RNAs im Modellpathogen Salmonella Typhimurium
N2  - Non-coding RNAs constitute a major class of regulators involved in bacterial gene expression. A group of riboregulators of heterogeneous size and shape referred to as small regulatory RNAs (sRNAs) control trans- or cis-encoded genes through direct base-pairing with their mRNAs. Although mostly inhibiting their target mRNAs, several sRNAs also induce gene expression. An important co-factor for sRNA activity is the RNA chaperone, Hfq, which is able to rearrange intramolecular secondary structures and to promote annealing of complementary RNA sequences. In addition, Hfq protects unpaired RNA from degradation by ribonucleases and thus increases sRNA stability. Co-immunoprecipitation of RNA with the Hfq protein, and further experimental as well as bioinformatical studies performed over the last decade suggested the presence of more than 150 different sRNAs in various Enterobacteria including Escherichia coli and Salmonellae. So-called core sRNAs are considered to fulfill central cellular activities as deduced from their high degree of conservation among different species. Approximately 25 core sRNAs have been implicated in gene regulation under a variety of environmental responses. However, for the majority of sRNAs, both the riboregulators’ individual biological roles as well as modes of action remain to be elucidated. The current study aimed to define the cellular functions of the two highly conserved, Hfq-dependent sRNAs, SdsR and RydC, in the model pathogen Salmonella Typhimurium. SdsR had been known as one of the most abundant sRNAs during stationary growth phase in E. coli. Examination of the conservation patterns in the sdsR promoter region in combination with classic genetic analyses revealed SdsR as the first sRNA under direct transcriptional control of the alternative σ factor σS. In Salmonella, over-expression of SdsR down-regulates the synthesis of the major porin OmpD, and the interaction site in the ompD mRNA coding sequence was mapped by a 3'RACE-based approach. At the post-transcriptional level, expression of ompD is controlled by three additional sRNAs, but SdsR plays a specific role in porin regulation during the stringent response. Similarly, RydC, the second sRNA adressed in this study, was initially discovered in E. coli but appeared to be conserved in many related γ-proteobacteria. An interesting aspect of this Hfq-dependent sRNAs is its secondary structure involving a pseudo-knot configuration, while the 5’ end remains single stranded. A transcriptomic approach combining RydC pulse-expression and scoring of global mRNA changes on microarrays was employed to identify the targets of this sRNA. RydC specifically activated expression of the longer of two versions of the cfa mRNA encoding for the phospholipid-modifying enzyme cyclopropane fatty acid synthase. Employing its conserved single-stranded 5' end, RydC acts as a positive regulator and masks a recognition site of the endoribonuclease, RNase E, in the cfa leader.
N2  - Die bakterielle Genexpression wird unter anderem maßgeblich von nicht-kodierenden RNAs bestimmt. Kleine regulatorische RNAs (sRNAs) sind eine bezüglich Größe und Struktur heterogene Gruppe von Riboregulatoren, die ihre in cis oder in trans-kodierten Zielgene mittels direkter Basenpaarungen kontrollieren. Während der Großteil der sRNAs reprimierend wirkt, konnte für einige RNAs gezeigt werden, dass sie die Expression ihres Zieltranskripts verstärken. Ein wichtiger Kofaktor für die regulatorische Funktion der sRNAs ist das RNA-Chaperon Hfq, welches sowohl die Umfaltung intramolekularer Sekundärstrukturen ermöglicht, als auch die Ausbildung von Basenpaarungen zwischen komplementären RNA-Sequenzen steuert. Zusätzlich schützt Hfq nicht-gepaarte RNAs vor dem Abbau durch Ribonukleasen, und trägt damit zur Stabilität der Moleküle bei. Durch Ko-Immunopräzipitation mit Hfq sowie in weiteren experimentellen als auch bioinformatischen Studien konnten im letzten Jahrzehnt in diversen Enterobakterien, wie z.B. auch Escherichia coli und Salmonellae, mehr als 150 verschiedene sRNAs bestimmt werden. Von so genannten "core sRNAs" (Kern-sRNAs) wird aufgrund ihres hohen Grades an Konservierung in unterschiedlichen Spezies angenommen, dass sie zentrale Funktionen erfüllen. Etwa 25 core sRNAs agieren unter verschiedenen Umweltbedingungen als Regulatoren. Ihre exakte biologische Rolle, sowie ihre Funktionsweise sind jedoch größtenteils noch unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden die beiden konservierten, Hfq-abhängigen sRNAs, SdsR und RydC, im Modellpathogen Salmonella Typhimurium charakterisiert. SdsR war als eine der abundantesten sRNAs der stationären Phase in E. coli beschrieben worden. Durch Auswertung der Konservierungsmuster der sdsR Promotorsequenz sowie klassische genetische Analyse konnte SdsR als erste sRNA unter direkter Kontrolle des alternativen σ Faktors σS bestimmt werden. In Salmonella führt die Überexpression von SdsR zur Reprimierung des Membranporins OmpD, und die Bindestelle von SdsR auf dem ompD Transkript wurde mittels einer auf 3'-RACE basierenden Methode ermittelt. Obwohl die Expression von ompD auf post-transkriptionaler Ebene von drei weiteren sRNAs kontrolliert wird, konnte eine spezische Regulation des Porins durch SdsR während Aminosäure-Hungerung gezeigt werden. Auch RydC, die zweite in dieser Studie analysierte sRNA, wurde zunächst in E. coli beschrieben und ist aber auch in weiteren γ-Proteobakterien konserviert. Interessanterweise enthält die Sekundärstruktur dieser Hfq-abhängigen sRNA einen Pseudoknoten, während das 5'-Ende ungepaart ist. Die Zielgene von RydC wurden mittels einer Transkriptomanalyse bestimmt, in der die Änderung der Häufigkeitsverteilung aller mRNAs nach kurzzeitiger Überexpression der sRNA auf Microarrays untersucht wurde. RydC bewirkte die spezifische Aktivierung des längeren von insgesamt zwei Versionen der cfa mRNA, die für eine Cyclopropan-fettsäuresynthase kodiert, ein Enzym das zur Modifikation von Phospholipiden dient. Eine Basenpaarung über das freie 5'-Ende der sRNA RydC führt zur Aktivierung der cfa-Expression, und maskiert eine Erkennungssequenz der Endoribonuklease, RNase E, innerhalb des Transkripts.
KW  - Small RNA
KW  - Genexpression
KW  - Hfq
KW  - Small RNA
KW  - Hfq
KW  - Salmonella
KW  - Salmonella typhimurium
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85488
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TY  - THES
A1  - Zheng, Peilin
T1  - Ptpn22 silencing in the NOD model of type 1 diabetes indicates the human susceptibility allele of PTPN22 is a gain-of-function variant
T1  - Ptpn22 knockdown im NOD Modell für Diabetes Typ 1 belegt einen Aktivitätsgewinn der humanen Krankheitsvariante
N2  - PTPN22 encodes the lymphoid tyrosine phosphatase Lyp that can dephosphorylate Lck, ZAP-70 and Fyn to attenuate TCR signaling. A single-nucleotide polymorphism (C1858T) causes a substitution from arginine (R) to tryptophan (W) at 620 residue (R620W). Lyp-620W has been confirmed as a susceptible allele in multiple autoimmune diseases, including type 1 diabetes (T1D). Several independent studies proposed that the disease-associated allele is a gain-of-function variant. However, a recent report found that in human cells and a knockin mouse containing the R620W homolog that Ptpn22 protein degradation is accelerated, indicating Lyp-620W is a loss-of-function variant. Whether Lyp R620W is a gain- or loss-of-function variant remains controversial. To resolve this issue, we generated two lines (P2 and P4) of nonobese diabetic (NOD) mice in which Ptpn22 can be inducibly silenced by RNAi. We found long term silencing of Ptpn22 increased spleen cellularity and regulatory T (Treg) cell numbers, replicating the effect of gene deletion reported in the knockout (KO) B6 mice. Notably, Ptpn22 silencing also increased the reactivity and apoptotic behavior of B lymphocytes, which is consistent with the reduced reactivity and apoptosis of human B cells carrying the alleged gain-of-function PTPN22 allele. Furthermore, loss of Ptpn22 protected P2 KD mice from spontaneous and Cyclophosphamide (CY) induced diabetes. Our data support the notion that Lyp-620W is a gain-of-function variant. Moreover, Lyp may be a valuable target for the treatment of autoimmune diseases.
N2  - PTPN22 kodiert die lymphoid tyrosine phosphatase Lyp, die Lck, ZAP-70 und Fyn dephosphorilieren kann, um T Zell Rezeptor Signale zu vermindern. Ein Polymorphismus (C1858T) verursacht einen Aminosäurenaustausch auf Position 620 von Arginin zu Tryptophan (R620W). Lyp-620W erhöht das Risiko einer Vielfalt von Autoimmunerkrankungen, darunter auch Diabetes Typ 1 (T1D). Mehrere Studien haben belegt, dass dieses Krankheitsallel die Funktion von Lyp verstärkt. Eine neuere Studie hat andererseits gezeigt, dass die R620W Variante schneller degradiert wird, was bedeuten würde, dass das C1858T Allel einen Funktionsverlust verursachen könnte. Ob Lyp R620W die Funktion dieser Phosphatase erhöht oder mindert bleibt demnach bis jetzt ungewiss. Um diese Frage zu klären haben wir zwei transgene Mauslinien (P2 und P4) im diabetischen Hintergrund der NOD Maus generiert, in denen Ptpn22 auf induzierbare Weise durch RNAi gehemmt werden kann. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die langfristige Hemmung von Ptpn22 zu einer Zunahme der Milzzellularität und der Anzahl regulatorischer T Zellen führt, was dem Phänotyp des Ptpn22 knockout im B6 Hintergrund entspricht. Bemerkenswert ist, dass die Hemmung von Ptpn22 auch zu einer Zunahme der Reaktivität und des apoptotischen Verhaltens von B Lymphozyten führt, also dem entgegengesetzten Phänotypen, der in menschlichen B Zellen beobachtet wurde, die das Krankheitsallel exprimierten. Zusätzlich konnte die Ptpn22 Inhibierung NOD Mäuse vor spontanem und Cyclophosphamid-induziertem Diabetes schützen. Unsere Daten unterstützen also die Hypothese, dass Lyp-620W eine stärkere Aktivität vorweist. Dies würde auch bedeuten, dass Ptpn22 möglicherweise zu therapeutischen Zwecken inhibiert werden könnte, um Autoimmunerkrankungen zu bekämpfen.
KW  - Diabetes mellitus
KW  - Typ 1
KW  - Genexpression
KW  - Ptpn22
KW  - Diabetes Typ 1
KW  - Type 1 diabetes
KW  - PTPN22
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73869
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TY  - THES
A1  - Seo, Ean Jeong
T1  - Construction of recombinant E. coli Nissle 1917 (EcN) strains for the expression and secretion of defensins
T1  - Konstruktion von rekombinanten E. coli Nissle 1917 (EcN) Stämmen, die Defensine exprimieren bzw. sekretieren
N2  - Der probiotische Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) ist eines der wenigen Probiotika, die als aktive Komponente eines Medikaments in mehreren Ländern zugelassen sind. Am besten ist die Wirksamkeit des EcN für die Remissionserhaltung von an Colitis Ulcerosa leidenden Patienten dokumentiert. Diese Fähigkeit ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass EcN in der Lage ist die Produktion des humanen beta-Defensins 2 (HBD2) mittels seiner Flagelle zu Induzieren. In dieser Studie wurden rekombinante EcN Stämme konstruiert, die ein Defensin zu produzieren vermögen. Zu diesem Zweck wurden Kodon-optimierte Defensingene in Expressionsplasmidvektoren kloniert, die entweder die Proform mit der Signalsequenz oder die reife Defensinform des humanen -Defensins 5 (HD5) oder des humanen -Defensins 2 (HBD2) unter der Kontrolle des T7-Promotors kodieren. Die Synthese dieser Defensine wurde mittels Western-Blot nach der Induktion der Expression und der Lyse der rekombinanten EcN Stämme demonstriert. Das rekombinante reife HBD2 mit einem N-terminalen His-Tag konnte mittels Ni-Säulen-Chromatographie aufgereinigt werden. Das so gewonnene HBD2 zeigte antimikrobielle Aktivität gegen E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes. In einem zweiten Ansatz wurde der Teil des HBD2-Gens mit dem yebF-Gen fusioniert, der das reife HBD2 kodiert. Das resultierende Fusionsprotein YebFMHBD2 wurde von dem entsprechenden EcN Stamm nach Induktion der Expression sekretiert. Die Präsenz von YebFMHBD2 im Medium war nicht das Ergebnis von Zellyse wie Western-Blots spezifisch für die -Galaktosidase und das Maltose-Bindeprotein mit dem Kulturüberstand zeigten. Dieser Kulturüberstand inhibierte das Wachstum von E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes nach Dialyse und Aufkonzentration sowohl in Agardiffusionsassays als auch in Flüssigcokultur. Damit konnte gezeigt werden, dass EcN ein für die Produktion von bestimmten humanen Defensinen geeignetes Probiotikum darstellt. EcN ist bei der Behandlung von Morbus Crohn Patienten nicht aktiv. Dies ist vermutlich in der genetisch bedingten Unfähigkeit zur ausreichenden Defensinproduktion solcher Individuen begründet. Als ein erster Schritt in der Entwicklung von alternativen Ansätzen zur Behandlung Morbus Crohn Patienten wurden in dieser Arbeit EcN Stämme konstruiert, die in der Lage sind HD5 oder HBD2 zu produzieren.
N2  - The probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 (EcN) is one of the few probiotics licensed as a medication in several countries. Best documented is its effectiveness in keeping patients suffering from ulcerative colitis (UC) in remission. This might be due to its ability to induce the production of human beta defensin 2 (HBD2) in a flagellin-dependent way in intestinal epithelial cells. In contrast to ulcerative colitis, for Crohn´s disease (CD) convincing evidence is lacking that EcN might be clinically effective, most likely due to the genetically based inability of sufficient defensin production in CD patients. As a first step in the development of an alternative approach for the treatment of CD patients, EcN strains were constructed which were able to produce human alpha-defensin 5 (HD5) or beta-defensin 2 (HBD2). For that purpose codon-optimized defensin genes encoding either the proform with the signal sequence or the mature form of human alpha defensin 5 (HD5) or the gene encoding HBD2 with or without the signal sequence were cloned in an expression vector plasmid under the control of the T7 promoter. Synthesis of the encoded defensins was shown by Western blots after induction of expression and lysis of the recombinant EcN strains. Recombinant mature HBD2 with an N-terminal His-tag could be purified by Ni-column chromatography and showed antimicrobial activity against E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes. In a second approach, that part of the HBD2-gene which encodes mature HBD2 was fused with yebF gene. The resulting fusion protein YebFMHBD2 was secreted from the encoding EcN mutant strain after induction of expression. Presence of YebFMHBD2 in the medium was not the result of leakage from the bacterial cells, as demonstrated in the spent culture supernatant by Western blots specific for ß-galactosidase and maltose-binding protein. The dialyzed and concentrated culture supernatant inhibited the growth of E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes in radial diffusion assays as well as in liquid coculture. This demonstrates EcN to be a suitable probiotic E. coli strain for the production of certain defensins.
KW  - Escherichia coli
KW  - Probiotikum
KW  - Rekombinante DNS
KW  - Genexpression
KW  - Defensine
KW  - Probiotic
KW  - Recombinant defensins
KW  - E. coli Nissle 1917
KW  - HBD2
KW  - HD5
KW  - Antimicrobial activity
KW  - Secretion
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72005
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kirchmaier, Bettina Carmen
T1  - Characterization of the Popeye domain containing gene family in zebrafish
T1  - Charakterisierung der Popeye domain containing Genfamilie im Zebrafisch
N2  - The Popeye domain containing (Popdc) gene family of membrane proteins is predominantly expressed in striated and smooth muscle tissues and has been shown to act as novel cAMP-binding proteins. In mice, loss of Popdc1 and Popdc2, respectively, affects sinus node function in the postnatal heart in an age and stress-dependent manner. In this thesis, I examined gene expression pattern and function of the Popdc gene family during zebrafish development with an emphasis on popdc2. Expression of the zebrafish popdc2 was exclusively present in cardiac and skeletal muscle during cardiac development, whereas popdc3 was expressed in striated muscle tissue and in distinct regions of the brain. In order to study the function of these genes, an antisense morpholino-based knockdown approach was used. Knockdown of popdc2 resulted in aberrant development of facial and tail musculature. In the heart, popdc2 morphants displayed irregular ventricular contractions with 2:1 and 3:1 ventricular pauses. Recordings of calcium transients using a transgenic indicator line Tg(cmlc2:gCaMP)s878 and selective plane illumination microscopy (SPIM) revealed the presence of an atrioventricular (AV) block in popdc2 morphants as well as a complete heart block. Interestingly, preliminary data revealed that popdc3 morphants developed a similar phenotype. In order to find a morphological correlate for the observed AV conduction defect, I studied the structure of the AV canal in popdc2 morphants using confocal analysis of hearts of the transgenic line Tg(cmlc2:eGFP-ras)s883, which outlines individual cardiac myocytes with the help of membrane-localized GFP. However, no evidence for morphological alterations was obtained. To ensure that the observed arrhythmia phenotype in the popdc2 morphant was based on a myocardial defect and not caused by defective valve development, live imaging was performed revealing properly formed valves. Thus, in agreement with the data obtained in knockout mice, popdc2 and popdc3 genes in zebrafish are involved in the regulation of cardiac electrical activity. However, both genes are not required for cardiac pacemaking, but they play essential roles in AV conduction. In order to elucidate the biological importance of cAMP-binding, wild type Popdc1 as well as mutants with a significant reduction in binding affinity for cAMP in vitro were overexpressed in zebrafish embryos. Expression of wild type Popdc1 led to a cardiac insufficiency phenotype characterized by pericardial edema and venous blood retention. Strikingly, the ability of the Popdc1 mutants to induce a cardiac phenotype correlated with the binding affinity for cAMP. These data suggest that cAMP-binding represents an important biological property of the Popdc protein family.
N2  - Die Popeye domain containing (Popdc) Gene kodieren für eine Familie von Membranproteinen, die vorwiegend in der gestreiften und glatten Muskulatur exprimiert werden und in der Lage sind cAMP zu binden. In Mäusen resultiert der Verlust von Popdc1 oder Popdc2 in einer stressinduzierten Sinusknotendysfunktion, die sich altersabhängig entwickelt. In meiner Dissertation habe ich das Expressionsmuster und die Funktion der Popdc Genfamilie mit Schwerpunkt auf dem popdc2-Gen im Zebrafisch untersucht. Das popdc2-Gen im Zebrafisch wurde ausschließlich in der Herz- und Skelettmuskulatur exprimiert, während popdc3 sowohl in der quergestreiften Muskulatur, als auch im Gehirn exprimiert wurde. Um die Funktion dieser Gene zu untersuchen, wurde die Prozessierung der prä-mRNA mit Hilfe von Morpholinos unterdrückt, die gegen die Spleißdonor bzw. -akzeptorsequenzen von popdc2 und popdc3 gerichtet waren. Das Fehlen von popdc2 im Zebrafisch resultierte in einer Fehlentwicklung der Gesichts- und Schwanzmuskulatur. Im Herzen der popdc2-Morphanten waren ventrikuläre Überleitungsstörungen mit einem 2:1 oder 3:1 Rhythmus zu beobachten. Analysen der Calciumfreisetzung mittels SPIM (selective plane illumination microscopy) in der transgenen Zebrafischlinie Tg(cmlc2:gCaMP)s878, die einen fluoreszierenden Calciumindikator exprimiert, zeigten in den popdc2-Morphanten einen AV-Block bis hin zum kompletten Herzblock. Interessanterweise ergaben vorläufige Analysen in popdc3-Morphanten einen ähnlichen Phänotyp. Um eine mögliche morphologische Ursache der beobachteten AV-Überleitungsstörung zu finden, habe ich die Struktur des AV-Kanals von popdc2-Morphanten mit Hilfe der transgenen Zebrafischlinie Tg(cmlc2:eGFP-rass883) und konfokaler Mikroskopie untersucht. Allerdings konnte ich kein Anzeichen für morphologische Veränderungen erkennen. Um sicherzugehen, dass der beobachtete Rhythmusphänotyp der popdc2-Morphanten nicht auf einer myokardialen Störung beruht oder auf einem Defekt bei der Klappenentwicklung, wurden zusätzlich Lebendaufnahmen angefertigt, die zeigten, dass die Klappen normal entwickelt waren. In Übereinstimmung mit den Daten aus den Knockout-Mäusen haben die popdc2- und popdc3-Gene auch im Zebrafisch eine wichtige Funktion bei der elektrischen Reizleitung im Herzen. Allerdings sind die beiden Gene für die Erregungsbildung im Sinusknoten nicht essentiell, sondern werden für die Signalübertragung im AV-Kanal benötigt. Um die biologische Signifikanz der cAMP-Bindung zu untersuchen, wurden Wildtyp-Popdc1 und Punktmutanten, die eine Reduktion in der cAMP-Bindung aufweisen, nach RNA-Injektion in Zebrafischembryonen überexprimiert. Die Injektion von Wildtyp-Popdc1 induzierte eine embryonale Herzinsuffizienz, die durch perikardiales Ödem und venösen Blutstau charakterisiert war. Die Fähigkeit der Popdc1-Punktmutanten, einen Herzphänotyp nach Überexpression zu induzieren, war direkt korreliert mit der Bindungsaffinität für cAMP. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass die Fähigkeit der cAMP-Bindung eine wichtige biologische Eigenschaft der Popdc-Proteinfamilie darstellt.
KW  - Zebrabärbling
KW  - Genexpression
KW  - Herzmuskel
KW  - Herz
KW  - Popdc Genfamilie
KW  - heart
KW  - popdc gene family
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49413
ER  - 
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  - Vainshtein, Yevhen
T1  - Applying microarray‐based techniques to study gene expression patterns: a bio‐computational approach
T1  - Anwendung von Mikroarrayanalysen um Genexpressionsmuster zu untersuchen: Ein bioinformatischer Ansatz
N2  - The regulation and maintenance of iron homeostasis is critical to human health. As a constituent of hemoglobin, iron is essential for oxygen transport and significant iron deficiency leads to anemia. Eukaryotic cells require iron for survival and proliferation. Iron is part of hemoproteins, iron-sulfur (Fe-S) proteins, and other proteins with functional groups that require iron as a cofactor. At the cellular level, iron uptake, utilization, storage, and export are regulated at different molecular levels (transcriptional, mRNA stability, translational, and posttranslational). Iron regulatory proteins (IRPs) 1 and 2 post-transcriptionally control mammalian iron homeostasis by binding to iron-responsive elements (IREs), conserved RNA stem-loop structures located in the 5’- or 3‘- untranslated regions of genes involved in iron metabolism (e.g. FTH1, FTL, and TFRC). To identify novel IRE-containing mRNAs, we integrated biochemical, biocomputational, and microarray-based experimental approaches. Gene expression studies greatly contribute to our understanding of complex relationships in gene regulatory networks. However, the complexity of array design, production and manipulations are limiting factors, affecting data quality. The use of customized DNA microarrays improves overall data quality in many situations, however, only if for these specifically designed microarrays analysis tools are available. Methods In this project response to the iron treatment was examined under different conditions using bioinformatical methods. This would improve our understanding of an iron regulatory network. For these purposes we used microarray gene expression data. To identify novel IRE-containing mRNAs biochemical, biocomputational, and microarray-based experimental approaches were integrated. IRP/IRE messenger ribonucleoproteins were immunoselected and their mRNA composition was analysed using an IronChip microarray enriched for genes predicted computationally to contain IRE-like motifs. Analysis of IronChip microarray data requires specialized tool which can use all advantages of a customized microarray platform. Novel decision-tree based algorithm was implemented using Perl in IronChip Evaluation Package (ICEP). Results IRE-like motifs were identified from genomic nucleic acid databases by an algorithm combining primary nucleic acid sequence and RNA structural criteria. Depending on the choice of constraining criteria, such computational screens tend to generate a large number of false positives. To refine the search and reduce the number of false positive hits, additional constraints were introduced. The refined screen yielded 15 IRE-like motifs. A second approach made use of a reported list of 230 IRE-like sequences obtained from screening UTR databases. We selected 6 out of these 230 entries based on the ability of the lower IRE stem to form at least 6 out of 7 bp. Corresponding ESTs were spotted onto the human or mouse versions of the IronChip and the results were analysed using ICEP. Our data show that the immunoselection/microarray strategy is a feasible approach for screening bioinformatically predicted IRE genes and the detection of novel IRE-containing mRNAs. In addition, we identified a novel IRE-containing gene CDC14A (Sanchez M, et al. 2006). The IronChip Evaluation Package (ICEP) is a collection of Perl utilities and an easy to use data evaluation pipeline for the analysis of microarray data with a focus on data quality of custom-designed microarrays. The package has been developed for the statistical and bioinformatical analysis of the custom cDNA microarray IronChip, but can be easily adapted for other cDNA or oligonucleotide-based designed microarray platforms. ICEP uses decision tree-based algorithms to assign quality flags and performs robust analysis based on chip design properties regarding multiple repetitions, ratio cut-off, background and negative controls (Vainshtein Y, et al., 2010).
N2  - Die Regulierung und Aufrechterhaltung der Eisen-Homeostase ist bedeutend für die menschliche Gesundheit. Als Bestandteil des Hämoglobins ist es wichtig für den Transport von Sauerstoff, ein Mangel führt zu Blutarmut. Eukaryotische Zellen benötigen Eisen zum Überleben und zum Proliferieren. Eisen ist am Aufbau von Hämo- und Eisenschwefelproteinen (Fe-S) beteiligt und kann als Kofaktor dienen. Die Aufnahme, Nutzung, Speicherung und der Export von Eisen ist zellulär auf verschiedenen molekularen Ebenen reguliert (Transkription, mRNA-Level, Translation, Protein-Level). Die iron regulatory proteins (IRPs) 1 und 2 kontrollieren die Eisen-Homeostase in Säugetieren posttranslational durch die Bindung an Iron-responsive elements (IREs). IREs sind konservierte RNA stem-loop Strukturen in den 5' oder 3' untranslatierten Bereichen von Genen, die im Eisenmetabolismus involviert sind (z.B. FTH1, FTL und TFRC). In dieser Arbeit wurden biochemische und bioinformatische Methoden mit Microarray-Experimenten kombiniert, um neue mRNAs mit IREs zu identifizieren. Genexpressionsstudien verbessern unser Verständnis über die komplexen Zusammenhänge in genregulatorischen Netzwerken. Das komplexe Design von Microarrays, deren Produktion und Manipulation sind dabei die limitierenden Faktoren bezüglich der Datenqualität. Die Verwendung von angepassten DNA Microarrays verbessert häufig die Datenqualität, falls entsprechende Analysemöglichkeiten für diese Arrays existieren. Methoden Um unser Verständnis von eisenregulierten Netzwerken zu verbessern, wurde im Rahmen dieses Projektes die Auswirkung einer Behandlung mit Eisen bzw. von Knockout Mutation unter verschiedenen Bedingungen mittels bioinformatischer Methoden untersucht. Hierfür nutzen wir Expressionsdaten aus Microarray-Experimenten. Durch die Verknüpfung von biochemischen, bioinformatischen und Microarray Ansätzen können neue Proteine mit IREs identifiziert werden. IRP/IRE messenger Ribonucleoproteine wurden immunpräzipitiert. Die Zusammensetzung der enthaltenen mRNAs wurde mittels einem IronChip Microarray analysiert: Für diesen Chip wurden bioinformatisch Gene vorhergesagt, die IRE-like Motive aufweisen. Der Chip wurde mit solchen Oligonucleotiden beschichtet und durch Hybridisierung überprüft, ob die präzipitierten mRNA sich hieran binden. Die Analyse der erhaltenen Daten erfordert ein spezialisiertes Werkzeug um von allen Vorteilen der angepassten Microarrays zu profitieren. Ein neuer Entscheidungsbaum-basierter Algorithmus wurde in Perl im IronChip Evaluation Package (ICEP) implementiert. Ergebnisse Aus großen Sequenz-Datenbanken wurden IRE-like Motive identifiziert. Dazu kombiniert der Algorithmus, insbesondere RNA-Primärsequenz und RNA-Strukturdaten. Solche Datenbankanalysen tendieren dazu, eine große Anzahl falsch positiver Treffer zu generieren. Daher wurden zusätzliche Bedingungen formuliert, um die Suche zu verfeinern und die Anzahl an falsch positiven Treffer zu reduzieren. Die angepassten Suchkriterien ergaben 15 IRE-like Motive. In einem weiteren Ansatz verwendeten wir eine Liste von 230 IRE-like Sequenzen aus UTR-Datenbanken. Daraus wurden 6 Sequenzen ausgewählt, die auch im unteren Teil stabil sind (untere Helix über 6 bp stabil). Die korrespondierenden Expressed Sequence Tags (ESTs) wurden auf die humane oder murine Version des IronChips aufgetragen. Die Microarray Ergebnisse wurden mit dem ICEP Programm ausgewertet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Immunpräzipitation mit anschließender Microarrayanalyse ein nützlicher Ansatz ist, um bioinformatisch vorhergesagte IRE-Gene zu identifizieren. Darüber hinaus ermöglicht uns dieser Ansatz die Detektion neuer mRNAs, die IREs enthalten, wie das von uns gefundene Gen CDC14A (Sanchez et al., 2006). ICEP ist ein optimiertes Programmpaket aus Perl Programmen (Vainshtein et al., BMC Bioinformatics, 2010). Es ermöglicht die einfache Auswertung von Microarray Daten mit dem Fokus auf selbst entwickelten Microarray Designs. ICEP diente für die statistische und bioinformatische Analyse von selbst entwickelten IronChips, kann aber auch leicht an die Analyse von oligonucleotidbasierten oder cDNA Microarrays adaptiert werden. ICEP nutzt einen Entscheidungsbaum-basierten Algorithmus um die Qualität zu bewerten und führt eine robuste Analyse basierend auf Chipeigenschaften, wie mehrfachen Wiederholungen, Signal/Rausch Verhältnis, Hintergrund und Negativkontrollen durch.
KW  - Microarray
KW  - Genexpression
KW  - Bioinformatik
KW  - geneexpression
KW  - microarrays
KW  - IronChip
KW  - ICEP
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51967
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kriegebaum, Claudia
T1  - Spatio-temporal Expression Patterns of the Serotonin Synthesis Enzymes TPH1 and TPH2 and Effects of Acute Stress
T1  - Regional-zeitliche Expressionsmuster der beiden Serotoninsynthese-Enzyme TPH1 und TPH2 und Effekte durch akuten Stress
N2  - Several lines of evidence implicate a dysregulation of tryptophan hydroxylase (TPH)-dependent serotonin (5-HT) synthesis in emotions and stress and point to their potential relevance to the etiology and pathogenesis of various neuropsychiatric disorders. However, the differential expression pattern of the two isoforms TPH1 and TPH2 which encode two forms of the rate-limiting enzyme of 5-HT synthesis is controversial. Here, a comprehensive spatio-temporal analysis clarifies TPH1 and TPH2 expression during pre- and postnatal development of the mouse brain and in adult human brain as well as in peripheral organs including the pineal gland. Four different methods (real time PCR, in situ hybridization, immunohistochemistry and Western blot analysis) were performed to systematically control for tissue-, species- and isoform-specific expression on both the pre- and posttranslational level. TPH2 expression was consistently detected in the raphe nuclei, as well as in fibres in the deep pineal gland and in the gastrointestinal tract. Although TPH1 expression was found in these peripheral tissues, no significant TPH1 expression was detected in the brain, neither during murine development, nor in mouse and human adult brain. Also under conditions like stress and clearing the tissue from blood cells, no changes in expression levels were detectable. Furthermore, the reuptake of 5-HT into the presynaptic neuron by the serotonin transporter (SERT) is the major mechanism terminating the neurotransmitter signal. Thus, mice with a deletion in the Sert gene (Sert KO mice) provide an adequate model for human affective disorders to study lifelong modified 5-HT homeostasis in interaction with stressful life events. To further explore the role of TPH isoforms, Tph1 and Tph2 expression was studied in the raphe nuclei of Sert deficient mice under normal conditions as well as following exposure to acute immobilization stress. Interestingly, no statistically significant changes in expression were detected. Moreover, in comparison to Tph2, no relevant Tph1 expression was detected in the brain independent from genotype, gender and treatment confirming expression in data from native animals. Raphe neurons of a brain-specific Tph2 conditional knockout (cKO) model were completely devoid of Tph2-positive neurons and consequently 5-HT in the brain, with no compensatory activation of Tph1 expression. In addition, a time-specific Tph2 inducible (i) KO mouse provides a brain-specific knockdown model during adult life, resulting in a highly reduced number of Tph2-positive cells and 5-HT in the brain. Intriguingly, expression studies detected no obvious alteration in expression of 5-HT system-associated genes in these brain-specific Tph2 knockout and knockdown models. The findings on the one hand confirm the specificity of Tph2 in brain 5-HT synthesis across the lifespan and on the other hand indicate that neither developmental nor adult Tph2-dependent 5-HT synthesis is required for normal formation of the serotonergic system, although Tph1 does not compensate for the lack of 5-HT in the brain of Tph2 KO models. A further aim of this thesis was to investigate the expression of the neuropeptide oxytocin, which is primarily produced in the hypothalamus and released for instance in response to stimulation of 5-HT and selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs). Oxytocin acts as a neuromodulator within the central nervous system (CNS) and is critically involved in mediating pain modulation, anxiolytic-like effects and decrease of stress response, thereby reducing the risk for emotional disorders. In this study, the expression levels of oxytocin in different brain regions of interest (cortex, hippocampus, amygdala, hypothalamus and raphe nuclei) from female and male wildtype (WT) and Sert KO mice with or without exposure to acute immobilization stress were investigated. Results showed significantly higher expression levels of oxytocin in brain regions which are involved in the regulation of emotional stimuli (amygdala and hippocampus) of stressed male WT mice, whereas male Sert KO as well as female WT and Sert KO mice lack these stress-induced changes. These findings are in accordance with the hypothesis of oxytocin being necessary for protection against stress, depressive mood and anxiety but suggest gender-dependent differences. The lack of altered oxytocin expression in Sert KO mice also indicates a modulation of the oxytocin response by the serotonergic system and provides novel research perspectives with respect to altered response of Sert KO mice to stress and anxiety inducing stimuli.
N2  - Durch zahlreiche Untersuchungen ist belegt, dass eine gestörte Tryptophan-Hydroxylase (TPH)-abhängige Serotonin (5-HT)-Synthese an einer veränderten emotionalen Reaktion sowie einer veränderten Stress-Antwort beteiligt ist und damit auch in der Ätiologie und Pathogenese psychischer Erkrankungen eine Rolle spielt. Dennoch werden nach wie vor die unterschiedlichen Expressionsmuster der beiden Isoformen TPH1 und TPH2, die für zwei Formen des Schrittmacherenzyms der 5-HT-Synthese kodieren, kontrovers diskutiert. Zentrales Anliegen dieser Arbeit ist daher eine Klärung der TPH1- und TPH2-Expression während der prä- und postnatalen Entwicklung des murinen Gehirns, sowie im adulten humanen Gehirn und in einigen peripheren Organen und der Zirbeldrüse. Durch die Verwendung von vier verschiedenen Methoden (Real time-PCR, In situ-Hybridisierung, Immunhistochemie und Westernblot-Analysen) wurde systematisch die Gewebs- und Isoform-spezifische Expression in Maus und Mensch auf prä- und posttranslationaler Ebene nachgewiesen. TPH2-Expression wurde Spezies-übergreifend in den Raphe-Kernen des Hirnstamms wie auch in Fasern zur Zirbeldrüse und im Gastrointestinaltrakt detektiert. Auch TPH1 konnte in diesen peripheren Organen (die Zirbeldrüse eingeschlossen) nachgewiesen werden, jedoch fand sich keine signifikante TPH1-Expression im Gehirn, weder während der Entwicklung des Maus-Gehirns noch im humanen und murinen adulten Gehirn. Auch durch veränderte Bedingungen wie der Entfernung von Blutzellen aus dem Gewebe oder der Anwendung von akutem Immobilisierungsstress konnte keine Änderung der Expression gemessen werden. Sert Knockout-Mäuse, stellen ein geeignetes Tiermodell für affektive Erkrankungen dar, insbesondere um eine lebenslang veränderte 5-HT-Homöostase in Verbindung mit belastenden Lebensereignissen zu untersuchen. Um die Bedeutung der TPH-Isoformen und deren korrekte Expression weiter zu untersuchen, wurde die Tph1- und Tph2-Expression in den Raphe-Kernen von Sert Knockout (KO)-Mäusen unter normalen Bedingungen und nach akutem Stress getestet. Interessanterweise konnten keine statistisch signifikanten Expressionsänderungen entdeckt werden. Mehr noch, relativ zu Tph2 konnte unabhängig von Behandlung, Geschlecht oder Genotyp keine relevante Tph1-Expression im Gehirn gemessen werden, was wiederum die Expressionsdaten aus nativen Tieren unterstützt. Die Raphe-Neurone eines Gehirn-spezifischen konditionalen Tph2 KO-Modells zeigten weder Tph2-positive Zellen noch 5-HT, wiesen aber auch keine kompensatorische Aktivierung der Tph1-Expression im Gehirn auf. Zusätzlich repräsentiert eine zeit-spezifische, induzierbare KO-Maus ein Gehirn-spezifisches Tph2 Knockdown-Modell ab dem Erwachsenenalter, das eine stark reduzierte Anzahl an Tph2-positiven Zellen und 5-HT im Gehirn aufweist. Expressionsuntersuchungen zeigten interessanterweise, dass diese Gehirn-spezifischen Tph2 Knockout- und Knockdown-Modelle keine sichtliche Änderung in der Expression von 5-HT-System-assoziierten Genen aufweisen. Diese Ergebnisse bestätigen zum einen, dass die 5-HT-Synthese im murinen Gehirn während der kompletten Lebensspanne ausschließlich durch Tph2 katalysiert wird und weisen außerdem darauf hin, dass eine Tph2-abhängige 5-HT-Synthese weder während der Entwicklung noch im Erwachsenalter für die Ausbildung eines normalen serotonergen Systems benötigt wird, obwohl Tph1 den Verlust des 5-HT-Vorkommens im Gehirn der Tph2 KO-Mäuse nicht kompensiert. Weiterhin beschäftigt sich diese Arbeit mit der Expression von Oxytocin, das hauptsächlich im Hypothalamus produziert. Oxytocin ist maßgeblich bei Angst-lösenden Effekten sowie einer verringerten Stressantwort beteiligt. In dieser Studie wurde die Expression von Oxytocin in verschiedenen Gehirnregionen (Cortex, Hippocampus, Amygdala, Hypothalamus und Raphe Nuclei) von weiblichen und männlichen Wildtyp- (WT) und Sert KO-Mäusen getestet, die entweder unter normalen Bedingungen gehalten wurden oder eine Stunde lang akutem Immobilisierungsstress ausgesetzt waren. Die Ergebnisse zeigten eine signifikant höhere Oxytocin-Expression in Gehirnregionen, die für die emotionale Reizverarbeitung zuständig sind (Amygdala und Hippocampus) in gestressten männlichen WT-Mäusen, während männliche Sert KO-Mäuse sowie weibliche WT- und Sert KO-Mäuse diese Stress-bedingten Unterschiede nicht aufwiesen. Diese Befunde sind im Einklang mit der Hypothese, dass Oxytocin eine schützende Rolle bei Stress, depressiver Stimmung und Angst übernimmt, weisen jedoch auf einen Geschlechterunterschied hin. Ferner legt das Fehlen einer veränderten Oxytocin-Expression in Sert KO-Mäusen eine Modulation der Oxytocin-Expression durch das serotonerge System nahe, was neue Forschungsperspektiven über eine veränderte Reaktion auf Stress und Angst-auslösende Reize in Sert KO-Mäusen eröffnet.
KW  - Serotonin
KW  - Neurotransmitter
KW  - Chemische Synthese
KW  - Stress
KW  - Enzym
KW  - Genexpression
KW  - Maus
KW  - serotonin
KW  - mouse
KW  - acute stress
KW  - gene expression
KW  - enzymatic synthesis
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-40839
ER  - 
TY  - THES
A1  - Friedrich, Torben
T1  - New statistical Methods of Genome-Scale Data Analysis in Life Science - Applications to enterobacterial Diagnostics, Meta-Analysis of Arabidopsis thaliana Gene Expression and functional Sequence Annotation
T1  - Neue statistische Methoden für genomweite Datenanalysen in den Biowissenschaften - Anwendungen in der Enterobakteriendiagnostik, Meta-Analyse von Arabidopsis thaliana Genexpression und funktionsbezogenen Sequenzannotation
N2  - Recent progresses and developments in molecular biology provide a wealth of new but insufficiently characterised data. This fund comprises amongst others biological data of genomic DNA, protein sequences, 3-dimensional protein structures as well as profiles of gene expression. In the present work, this information is used to develop new methods for the characterisation and classification of organisms and whole groups of organisms as well as to enhance the automated gain and transfer of information. The first two presented approaches (chapters 4 und 5) focus on the medically and scientifically important enterobacteria. Its impact in medicine and molecular biology is founded in versatile mechanisms of infection, their fundamental function as a commensal inhabitant of the intestinal tract and their use as model organisms as they are easy to cultivate. Despite many studies on single pathogroups with clinical distinguishable pathologies, the genotypic factors that contribute to their diversity are still partially unknown. The comprehensive genome comparison described in Chapter 4 was conducted with numerous enterobacterial strains, which cover nearly the whole range of clinically relevant diversity. The genome comparison constitutes the basis of a characterisation of the enterobacterial gene pool, of a reconstruction of evolutionary processes and of comprehensive analysis of specific protein families in enterobacterial subgroups. Correspondence analysis, which is applied for the first time in this context, yields qualitative statements to bacterial subgroups and the respective, exclusively present protein families. Specific protein families were identified for the three major subgroups of enterobacteria namely the genera Yersinia and Salmonella as well as to the group of Shigella and E. coli by applying statistical tests. In conclusion, the genome comparison-based methods provide new starting points to infer specific genotypic traits of bacterial groups from the transfer of functional annotation. Due to the high medical importance of enterobacterial isolates their classification according to pathogenicity has been in focus of many studies. The microarray technology offers a fast, reproducible and standardisable means of bacterial typing and has been proved in bacterial diagnostics, risk assessment and surveillance. The design of the diagnostic microarray of enterobacteria described in chapter 5 is based on the availability of numerous enterobacterial genome sequences. A novel probe selection strategy based on the highly efficient algorithm of string search, which considers both coding and non-coding regions of genomic DNA, enhances pathogroup detection. This principle reduces the risk of incorrect typing due to restrictions to virulence-associated capture probes. Additional capture probes extend the spectrum of applications of the microarray to simultaneous diagnostic or surveillance of antimicrobial resistance. Comprehensive test hybridisations largely confirm the reliability of the selected capture probes and its ability to robustly classify enterobacterial strains according to pathogenicity. Moreover, the tests constitute the basis of the training of a regression model for the classification of pathogroups and hybridised amounts of DNA. The regression model features a continuous learning capacity leading to an enhancement of the prediction accuracy in the process of its application. A fraction of the capture probes represents intergenic DNA and hence confirms the relevance of the underlying strategy. Interestingly, a large part of the capture probes represents poorly annotated genes suggesting the existence of yet unconsidered factors with importance to the formation of respective virulence phenotypes. Another major field of microarray applications is gene expression analysis. The size of gene expression databases rapidly increased in recent years. Although they provide a wealth of expression data, it remains challenging to integrate results from different studies. In chapter 6 the methodology of an unsupervised meta-analysis of genome-wide A. thaliana gene expression data sets is presented, which yields novel insights in function and regulation of genes. The application of kernel-based principal component analysis in combination with hierarchical clustering identified three major groups of contrasts each sharing overlapping expression profiles. Genes associated with two groups are known to play important roles in Indol-3 acetic acid (IAA) mediated plant growth and development as well as in pathogen defence. Yet uncharacterised serine-threonine kinases could be assigned to novel functions in pathogen defence by meta-analysis. In general, hidden interrelation between genes regulated under different conditions could be unravelled by the described approach. HMMs are applied to the functional characterisation of proteins or the detection of genes in genome sequences. Although HMMs are technically mature and widely applied in computational biology, I demonstrate the methodical optimisation with respect to the modelling accuracy on biological data with various distributions of sequence lengths. The subunits of these models, the states, are associated with a certain holding time being the link to length distributions of represented sequences. An adaptation of simple HMM topologies to bell-shaped length distributions described in chapter 7 was achieved by serial chain-linking of single states, while residing in the class of conventional HMMs. The impact of an optimisation of HMM topologies was underlined by performance evaluations with differently adjusted HMM topologies. In summary, a general methodology was introduced to improve the modelling behaviour of HMMs by topological optimisation with maximum likelihood and a fast and easily implementable moment estimator. Chapter 8 describes the application of HMMs to the prediction of interaction sites in protein domains. As previously demonstrated, these sites are not trivial to predict because of varying degree in conservation of their location and type within the domain family. The prediction of interaction sites in protein domains is achieved by a newly defined HMM topology, which incorporates both sequence and structure information. Posterior decoding is applied to the prediction of interaction sites providing additional information of the probability of an interaction for all sequence positions. The implementation of interaction profile HMMs (ipHMMs) is based on the well established profile HMMs and inherits its known efficiency and sensitivity. The large-scale prediction of interaction sites by ipHMMs explained protein dysfunctions caused by mutations that are associated to inheritable diseases like different types of cancer or muscular dystrophy. As already demonstrated by profile HMMs, the ipHMMs are suitable for large-scale applications. Overall, the HMM-based method enhances the prediction quality of interaction sites and improves the understanding of the molecular background of inheritable diseases. With respect to current and future requirements I provide large-scale solutions for the characterisation of biological data in this work. All described methods feature a highly portable character, which allows for the transfer to related topics or organisms, respectively. Special emphasis was put on the knowledge transfer facilitated by a steadily increasing wealth of biological information. The applied and developed statistical methods largely provide learning capacities and hence benefit from the gain of knowledge resulting in increased prediction accuracies and reliability.
N2  - Die aktuellen Fortschritte und Entwicklungen in der Molekularbiologie stellen eine Fülle neuer, bisher kaum analysierter Daten bereit. Dieser Fundus umfasst unter Anderem biologische Daten zu genomischer DNA, zu Proteinsequenzen, zu dreidimensionalen Proteinstrukturen sowie zu Genexpressionsprofilen. In der vorliegenden Arbeit werden diese Informationen genutzt, um neue Methoden der Charakterisierung und Klassifizierung von Organismen bzw. Organismengruppen zu entwickeln und einen automatisierten Informationsgewinn sowie eine Informationsübertragung zu ermöglichen. Die ersten beiden vorgestellten Ansätze (Kapitel 4 und 5) konzentrieren sich auf die medizinisch und wissenschaftlich bedeutsame Gruppe der Enterobakterien. Deren Bedeutung für Medizin und Mikrobiologie geht auf ihre Funktion als kommensale Bewohner des Darmtraktes, ihre Nutzung als leicht kultivierbare Modellorganismen und auf die vielseitigen Infektionsmechanismen zurück. Obwohl bereits viele Studien über einzelne Pathogruppen mit klinisch unterscheidbaren Symptomen existieren, sind die genotypischen Faktoren, die für diese Unterschiedlichkeit verantwortlich zeichnen, teilweise noch nicht bekannt. Der in Kapitel 4 beschriebene umfassende Genomvergleich wurde anhand einer Vielzahl von Enterobakterien durchgeführt, die nahezu die gesamte Bandbreite klinisch relevanter Diversität darstellen. Dieser Genomvergleich bildet die Basis für eine Charakterisierung des enterobakteriellen Genpools, für eine Rekonstruktion evolutionärer Prozesse und Einflüsse und für eine umfassende Untersuchung spezifischer Proteinfamilien in enterobakteriellen Untergruppen. Die in diesem Kontext vorher noch nicht angewandte Korrespondenzanalyse liefert qualitative Aussagen zu bakteriellen Untergruppen und den ausschließlich in ihnen vorkommenden Proteinfamilien. In drei Hauptuntergruppen der Enterobakterien, die den Gattungen Yersinia und Salmonella sowie der Gruppe aus Shigella und E. coli entsprechen, wurden die jeweils spezifischen Proteinfamilien mit Hilfe statistischer Tests identifiziert. Zusammenfassend bilden die auf Genomvergleichen aufbauenden Methoden neue Ansatzpunkte, um aus der Übertragung der bekannten Funktionalität einzelner Proteine auf spezifische, genotypische Besonderheiten bakterieller Gruppen zu schließen. Aufgrund ihrer hohen medizinischen Relevanz war die Typisierung enterobakterieller Isolate entsprechend ihrer Pathogenität Ziel zahlreicher Studien. Die Microarray-Technologie bietet ein schnelles, reproduzierbares und standardisierbares Hilfsmittel für bakterielle Typisierung und hat sich in der Bakteriendiagnostik, Risikobewertung und Überwachung bewährt. Das in Kapitel 5 beschriebene Design eines diagnostischen Microarray beruht auf einer großen Anzahl verfügbarer Genomsequenzen von Enterobakterien. Ein hocheffizienter String-Matching-Algorithmus ist die Grundlage einer neuartigen Strategie der Sondenauswahl, die sowohl kodierende als auch nicht-kodierende Bereiche genomischer DNA berücksichtigt. Im Vergleich zu Diagnostika, die ausschließlich auf Virulenz-assoziierten Sonden beruhen, verringert dieses Prinzip das Risiko einer inkorrekten Typisierung. Zusätzliche Sonden erweitern das Anwendungsspektrum auf eine simultane Diagnostik der Antibiotikaresistenz bzw. eine Überwachung der Resistenzausbreitung. Umfangreiche Testhybridisierungen belegen eine überwiegende Zuverlässigkeit der Sonden und vor allem eine robuste Klassifizierung enterobakterieller Stämme entsprechend der Pathogruppen. Die Tests bilden zudem die Grundlage für das Training eines Regressionsmodells zur Klassifizierung der Pathogruppe und zur Vorhersage der Menge hybridisierter DNA. Das Regressionsmodell zeichnet sich durch kontinuierliche Lernfähigkeit und damit durch eine Verbesserung der Vorhersagequalität im Prozess der Anwendung aus. Ein Teil der Sonden repräsentiert intergenische DNA und bestätigt infolgedessen die Relevanz der zugrunde liegenden Strategie. Die Tatsache, dass ein großer Teil der von den Sonden repräsentierten Gene noch nicht annotiert ist, legt die Existenz bisher unentdeckter Faktoren mit Bedeutung für die Ausbildung entsprechender Virulenz-Phänotypen nahe. Ein weiteres Haupteinsatzgebiet von Microarrays ist die Genexpressionsanalyse. Die Größe von Genexpressionsdatenbanken ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen. Obwohl sie eine Fülle von Expressionsdaten bieten, sind Ergebnisse aus unterschiedlichen Studien weiterhin schwer in einen übergreifenden Zusammenhang zu bringen. In Kapitel 6 wird die Methodik einer ausschließlich datenbasierten Meta-Analyse für genomweite A. thaliana Genexpressionsdatensätze dargestellt, die neue Erkenntnisse über Funktion und Regulation von Genen verspricht. Die Anwendung von Kernel-basierter Hauptkomponentenanalyse in Kombination mit hierarchischem Clustering identifizierte drei Hauptgruppen von Kontrastexperimenten mit jeweils überlappenden Expressionsmustern. In zwei Gruppen konnten deregulierte Gene wichtigen Funktionen bei Indol-3-Essigsäure (IAA) vermitteltem Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie pflanzlicher Pathogenabwehr zugeordnet werden. Bisher funktionell nicht näher charakterisierte Serin-Threonin-Kinasen wurden über die Meta-Analyse mit der Pathogenabwehr assoziiert. Grundsätzlich kann dieser Ansatz versteckte Wechselbeziehungen zwischen Genen aufdecken, die unter verschiedenen Bedingungen reguliert werden. Bei der funktionellen Charakterisierung von Proteinen oder der Vorhersage von Genen in Genomsequenzen werden Hidden-Markov-Modelle (HMMs) eingesetzt. HMMs sind technisch ausgereift und in der computergestützten Biologie vielfach eingesetzt worden. Trotzdem birgt die Methodik das Potential zur Optimierung bezüglich der Modellierung biologischer Daten, die hinsichtlich der Längenverteilung ihrer Sequenzen variieren. Untereinheiten dieser Modelle, die Zustände, repräsentieren über ihre individuelle Verweildauer zugrunde liegende Verteilungen von Sequenzlängen. Kapitel 7 stellt eine Methode zur Anpassung einfacher HMM-Topologien an biologische Daten, die glockenkurvenartige Längenverteilungen zeigen, vor. Die Modellierung solcher Verteilungen wird dabei durch eine serielle Verkettung vervielfältigter Zustände gewährleistet, ohne dass die Klasse herkömmlicher HMMs verlassen wird. Auswertungen der Modellierungsleistung bei unterschiedlich stark optimierten HMM-Topologien unterstreichen die Bedeutung der entwickelten Topologieoptimierung. Zusammenfassend wird hier eine generelle Methodik beschrieben, die die Modelleigenschaften von HMMs über Topologieoptimierungen verbessert. Die Parameter dieser Optimierung werden mit Hilfe von Maximum-Likelihood und einem leicht einzubindenden Momentschätzer bestimmt. In Kapitel 8 wird die Anwendung von HMMs zur Vorhersage von Interaktionsstellen in Proteindomänen beschrieben. Wie bereits gezeigt wurde, sind solche Stellen aufgrund einer variablen Konserviertheit ihrer Position und ihres Typs schwer zu bestimmen. Eine Vorhersage von Interaktionstellen in Proteindomänen wird über die Definition einer neuen HMM-Topologie erreicht, die sowohl Sequenz- als auch Strukturdaten einbindet. Interaktionsstellen werden mit einem Posterior-Decoding-Algorithmus vorhergesagt, der zusätzliche Informationen über die Wahrscheinlichkeit einer Interaktion für alle Sequenzpositionen bereitstellt. Die Implementierung der Interaktionsprofil-HMMs (ipHMMs) basiert auf den etablierten Profil-HMMs und erbt deren Effizienz und Sensitivität. Eine groß angelegte Vorhersage von Interaktionsstellen mit ipHMMs konnte mutationsbedingte Fehlfunktionen in Proteinen erklären, die mit vererbbaren Krankheiten wie unterschiedlichen Tumortypen oder Muskeldystrophie assoziiert sind. Wie Profile-HMMs sind auch ipHMMs für groß angelegte Anwendungen geeignet. Insgesamt verbessert die HMM-gestützte Methode sowohl die Vorhersagequalität für Interaktionsstellen als auch das Verständnis molekularer Hintergründe bei vererbbaren Krankheiten. Im Hinblick auf aktuelle und zukünftige Anforderungen stelle ich in dieser Arbeit Lösungsansätze für eine umfassende Charakterisierung großer Mengen biologischer Daten vor. Alle beschriebenen Methoden zeichnen sich durch gute Übertragbarkeit auf verwandte Probleme aus. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Wissenstransfer gelegt, der durch einen stetig wachsenden Fundus biologischer Information ermöglicht wird. Die angewandten und entwickelten statistischen Methoden sind lernfähig und profitieren von diesem Wissenszuwachs, Vorhersagequalität und Zuverlässigkeit der Ergebnisse verbessern sich.
KW  - Genomik
KW  - Hidden-Markov-Modell
KW  - Enterobacteriaceae
KW  - Genexpression
KW  - Microarray
KW  - Sequenzanalyse
KW  - diagnostischer Microarray
KW  - Sequence Analysis
KW  - diagnostic Microarray
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39858
ER  - 
TY  - THES
A1  - Li, Naixin
T1  - Dorso-ventral Differentiation and Specification of the Mesencephalon in Early Chick Embryos
T1  - Die dorsoventrale Differenzierung und Spezifikation des frühen embryonalen Hühnermittelhirn
N2  - The chick midbrain is subdivided into functionally distinct ventral and dorsal domains, tegmentum and optic tectum. In the mature tectum, neurons are organized in layers, while they form discrete nuclei in the tegmentum. An interesting characteristic of the embryonic brain is the development of a large optic tectum, of which the growth becomes obvious at embryonic day 3 (E3). Dorsoventral (DV) specification of the early midbrain should thus play a crucial role for the organization of the neuronal circuitry in optic tectum and tegmentum. In the first part of my thesis, I investigated regional commitment and establishment of cellular differences along the midbrain DV axis. I examined the commitment of gene expression patterns in isolated ventral and dorsal tissue in vivo and in vitro, and studied their cell mixing properties. Explant cultures, and grafting of dorsal midbrain into a ventral environment or vice versa, revealed a gradual increase in the autonomy of region-specific gene regulation between, which was accompanied by a gradual increase in differential adhesive properties from E2 to E3, once the DV axis polarity was fixed. These events happened at a time-point when the majority of midbrain cells are not yet differentiated. Long-term transplantation (6 - 9 days) using quail cells from ventral midbrain as grafts showed the same result. Hence, the results suggest that progressive specification of the midbrain DV axis is accompanied by progressively reduced cell mixing between dorsal and ventral precursors, leading to a partial regionalization of midbrain tissue into autonomous units of precursor cell populations. In the second part I investigated the genes that might be involved in regulating the growth of the tectum. In particular, I focused on the role of Pax7 transcription factor, a paired domain protein. The results suggested that Pax7 was involved in regulating the medial-lateral extension of the tectum. Over expression of Pax7 in dorsal midbrain led to an enlarged tectum accompanied by a raise in cell division, while Pax7 knockdown by shrank caused a reduction in tectum. The overall pattern of neuronal differentiation was not disturbed by an up or down regulation of Pax7. Pax7 also positively regulated Pax3, another pair-ruled gene expressed dorsally. These results suggest that Pax7 very likely together with Pax3 could facilitate or maintain neural cell proliferation in the midbrain at early stages and that a regulation of the size in that region does not influence the neuronal patterning of the developmental field. I further checked the expression and function of a GFPase Rab 23, that was suggested to be involved in the DV patterning in mouse neural tube as a negative regulator of Shh signaling. Overexpression of Rab23 indicated that it facilitated the expression of Pax7 and Pax3 in the neural tube and suppressed ventral genes like Nkx6.1 cell autonomously, however, it did not disturb neuronal patterning. Interestingly, a thorough expression study of Rab 23 during chick early development revealed that Rab23 is already expressed very early and asymmetrically during gastrulation, suggesting a possible role of Rab23 on the left-right determination of Hensen’s node. In combination with the result that Rab23 is expressed in the notochord early in development, I assume that both Rab23 and Shh exist in all neural progenitor cells initially, and when their expression patterns separate gradually the neural cells adopt a ventral or dorsal fate according to their location along the dorsoventral axis. The avian embryo is a classic system used widely to investigate questions of vertebrate development. The easy and cheap accessibility of the embryo for in ovo or ex ovo experiments all around the year make it an ideal animal model to work with. The only recently developed method of over expressing genes in specific cells or regions in the chick embryo by electroporation enabled me to study different ways of gene suppression using this way of gene transfection. Thus, I compared the effect of long-hairpin and short hairpin dsRNA in different vectors and antisense morpholino oligonucleotides. The results revealed that all hairpin dsRNA constructs did reduce gene and protein expression often accompanied by morphological changes. Most efficiently were shRNAi constructs cloned into a siRNA-specific vector – pSilencer 1.0-U6. Gene silencing was already well observed 36 hours after transfection. In comparison antisense morpholino oligonucleotides did not show such big gene reduction as the shRNA in pSilencer. Taken together, this methodical research proposes that the shRNA in the pSilencer vector was a good and effective tool to reduce gene and protein expression locally.
N2  - Das Mittelhirn des Huhns wird in funktionel unterschiedliche, ventrale und dorsale Regionen eingeteilt, nämlich das Tegmentum ventral und das optisches Tectum dorsal. Im vollentwickelten Tectum bilden Nervenzellen Schichten, während das Tegmentum aus unterschiedlichen Nuclei besteht. Ein charakteristisches Merkmal des embryonalen Gehirns ist die Entwicklung eines großen optischen Techtums, die am dritten embryonalen Tag (E3) sehr deutlich zu beobachten ist. Diese unterschiedliche funktionelle und morphologische Entwicklung des Mittelhirns deutet daraufhin, das die dorsoventrale Spezifikation des frühen Mittelhirns für der Organisation neuronaler Netzwerke im optischen Tectum und Tegmentum eine kritische Rolle spielt. Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wurde die regionale Bestimmung und Bildung zellulärer Unterschiede entlang der DV Achse des Mittelhirns untersucht. Dafür bestimmte ich den Zeitpunkt, an dem spezifische ventrale und dorsale Genexpressionsmuster festgelegt werden in isoliertem ventralen und dorsalen Gewebe in vivo and in vitro. Desweiteren untersuchte ich die Entwicklung unterschiedlicher adhäsiver Eigenschaften von ventralen und dorsalen Zellen in vitro. Explantatkulturen und Transplantationen von dorsalem Mittelhirn in eine ventrale Umgebung oder vice versa liessen eine schrittweise Zunahme der Autonomie der region-spezifischen Genregulation erkennen. Dies wurde von einer schrittweisen Zunahme des differentialen Adhäsionsverhaltens von ventralen und dorsalen Mittelhirnzellen von E2 zu E3 begleitet, der Zeitspanne, in der die Polarität der DV Achse festgelegt wurde. Diese Entwicklungsprozesse fanden u einem Zeitpunkt statt, an dem die meisten Zellen des Mittelhirns noch nicht differenziert hatten. Transplantationen,. von ventralen Mittelhirnzellen der Wachtel ins dorsale Hühnertecctum, die erst nach mehreren Tagen (6 - 9 Tage) untersucht wurden, zeigten das gleiche Ergebnis. Diese Ergebnisse lassen schliessen, dass eine partielle Regionalisierung des Mittelhirns in autonome Einheiten von Vorläuferzellen der dorsoventralen Achse stattfindet. Dies erlaubt den Zellen eine Positionsidentität zu bewahren – unhabhängig von der wachsenden Distanz zu Signalzentren. Im zweiten Teil meiner Arbeit untersuchte ich Gene, die das Wachstum und die spezifische Entwicklung des Tectums regulieren könnten. Die Arbeit konzentrierte sich speziell auf die Rolle von Pax7, ein Mitglied der sogenannten ‚pair-ruled’ Familie von Transkriptionsfaktoren, und auf die Rolle von Rab23, einer GTPase, die den Shh-Signalweg im dorsalen Neuralrohr inhibiert. Dieser Versuch zeigte, dass Pax7 an der Regulation der medio-lateral Ausdehnung des Tectums beteiligt ist. Überexpression von Pax7 im dorsalen Mittelhirn führte zu einer Vergrößerung des Tectums, die von einer Zunahme der Zellteilung begleitet wurde, während Knockdown von Pax7 eine Größereduktion des Tectums verursachte. Das neuronale Differenzierungsmuster im generellen wurde nicht von der Überexpression oder Repression von Pax7 gestört. Pax7 induzierte ausserdem Pax3, ein Mitglied derselben Familie, das ebenfalls dorsal exprimiert wird und unterdrückte ventrale Gene wie Nkx6.1. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass Pax7, sehr wahrscheinlich zusammen mit Pax3, die neural Zellproliferation im Mittelhirn in frühen Entwicklungsstadien fördert oder auf einem konstanten Level hält und dass die Muster der neuronalen Entwicklung nicht durch der Regulation der Größe dieser Region beeinflusst wird. Außerdem förderte Rab 23, das sehr wahrscheinlich ein negativer Regulator von Shh ist, die Expression von Pax7 und Pax3 im ventralen Mittelhirn und unterdrückte ventrale Gene wie Nkx6.1. Die Überexpression von Rab 23 beeinflusste auch nicht das neuronale Differenzierungsmusterung. Interessanterweise zeigte eine genaue Analyse der Expression von Rab 23 während der frühen Entwicklungsstadien des Huhns, dass Rab 23 bereits sehr früh und asymmetrisch während der Gastrulation exprimiert wurde. Dies deutet auf eine mögliche Rolle von Rab 23 für die links-rechts Determination des Hensen´s node an. Betrachtet man diese Ergebnisse zusammen, dann könnte man zu fogender Schlussfolgerung kommen, nämlich, dass sowohl Rab 23 als auch Shh früh in allen neural Progenitorzellen existieren, und dass die neuralen Zellen jeweils nach ihrer Lage entlang der dorsoventral Achse ein ventrales oder dorsales Schicksal annehmen, wenn das sich die Expressionsmuster von Rab 23 und Shh allmänlich trennen. Der Vogelembryo ist ein klassisches und häufig benutztes System, um die Entwicklung der Vertebraten zu untersuchen. Die einfache und preiswerte Zugänglichkeit des Embryos für in ovo oder ex ovo Experiment das ganze Jahr über machen ihn zu einem idealen Tiermodell. Die in den letzten Jahren entwickelte Methode der Elektroporation eines Embryos zum Gentransfer in die Zellen, ermöglichte es mir unterschiedliche Weisen der Genunterdrückung in embryonalem Gewebe zu testen und zu vergleichen.Ich verglich in dieser Untersuchung die Wirkung von langen und kurzen Haarnadel-RNAs (hairpin RNA) in verschieden Vektoren mit der Wirkung von Antisense-morpholino-Oligonucleotiden verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Haarnadel-dsRNA-Konstruktionen die Gen- und Proteinexpression reduzierten, wobei es häufig zu einer morphologischen Veränderung kam. Die kurze shRNAi-Konstruktionen, die in einen siRNA-spezifischen Vektor – pSilencer 1.0-U6 - geklont wurden war, zeigte sich dabei am effizientesten.. Die Herunterregulierung der Gene wurde bereits 36 Stunden nach der Transfektion beobachtet. Im Gegensatz dazu, zeigten die Antisense-Morpholino-Oligonucleotiden keine solche starke Reduktion wie das shRNA in pSilencer. Zusammenfassend zeigt diese methodische Untersuchung, dass die shRNA im pSilencer-Vektor ein gutes und effektives Werkzeug ist, um Gen- und Proteinexpression örtlich zu reduzieren.
KW  - Differenzierung
KW  - Embryo
KW  - Genexpression
KW  - Mittelhirn
KW  - Spezifikation
KW  - Dorso-ventral Patterning
KW  - Mesencephalon
KW  - Morpholino
KW  - Neuronal Proliferation
KW  - Pax3
KW  - Pax7
KW  - Rab23
KW  - Shh
KW  - siRNA
KW  - Transplantation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-32950
ER  - 
TY  - THES
A1  - Engelmann, Julia Cathérine
T1  - DNA microarrays: applications and novel approaches for analysis and interpretation
T1  - DNA Mikroarrays: Anwendungen und neue Ansätze für die Analyse und Interpretation
N2  - In der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung eines phylogenetischen DNA Microarrays, die Analyse von mehreren Microarray-Genexpressionsdatensätzen und neue Ansätze für die Datenanalyse und Interpretation der Ergebnisse vorgestellt. Die Entwicklung und Analyse der Daten eines phylogenetischen DNA Microarrays wird in der ersten Publikation dargestellt. Ich konnte zeigen, dass die Spezies-Detektion mit phylogenetischen Microarrays durch die Datenanalyse mit einem linearen Regressionsansatz signifikant verbessert werden kann. Standard-Methoden haben bislang nur Signalintensitäten betrachtet und eine Spezies als an- oder abwesend bezeichnet, wenn die Signalintensität ihres Messpunktes oberhalb eines willkürlich gesetzten Schwellenwertes lag. Dieses Verfahren ist allerdings aufgrund von Kreuz-Hybridisierungen nicht auf sehr nah verwandte Spezies mit hoher Sequenzidentität anwendbar. Durch die Modellierung des Hybridisierungs und Kreuz-Hybridisierungsverhaltens mit einem linearen Regressionsmodell konnte ich zeigen, dass Spezies mit einer Sequenzähnlichkeit von 97% im Markergen immer noch unterschieden werden können. Ein weiterer Vorteil der Modellierung ist, dass auch Mischungen verschiedener Spezies zuverlässig vorhergesagt werden können. Theoretisch sind auch quantitative Vorhersagen mit diesem Modell möglich. Um die großen Datenmengen, die in öffentlichen Microarray-Datenbanken abgelegt sind besser nutzen zu können, bieten sich Meta-Analysen an. In der zweiten Publikation wird eine explorative Meta-Analyse auf Arabidopsis thaliana-Datensätzen vorgestellt. Mit der Analyse verschiedener Datensätze, die den Einfluss von Pflanzenhormonen, Pathogenen oder verschiedenen Mutationen auf die Genexpression untersucht haben, konnten die Datensätze anhand ihrer Genexpressionsprofile in drei große Gruppen eingeordnet werden: Experimente mit Indol-3-Essigsäure (IAA), mit Pathogenen und andere Experimente. Gene, die charakteristisch für die Gruppe der IAA-Datensätze beziehungsweise für die Gruppe der Pathogen-Datensätze sind, wurden näher betrachtet. Diese Gene hatten Funktionen, die bereits mit Pathogenbefall bzw. dem Einfluss von IAA in Verbindung gebracht wurden. Außerdem wurden Hypothesen über die Funktionen von bislang nicht annotierten Genen aufgestellt. In dieser Arbeit werden auch Primäranalysen von einzelnen Arabidopsis thaliana Genexpressions-Datensätzen vorgestellt. In der dritten Publikation wird ein Experiment beschrieben, das durchgeführt wurde um herauszufinden ob Mikrowellen-Strahlung einen Einfluss auf die Genexpression einer Zellkultur hat. Dazu wurden explorative Analysemethoden angewendet. Es wurden geringe aber signifikante Veränderungen in einer sehr kleinen Anzahl von Genen beobachtet, die experimentell bestätigt werden konnten. Die Funktionen der regulierten Gene und eine Meta-Analyse mit öffentlich zugänglichen Datensätzen einer Datenbank deuten darauf hin, dass die pflanzliche Zellkultur die Strahlung als eine Art Energiequelle ähnlich dem Licht wahrnimmt. Des weiteren wird in der vierten Publikation die funktionelle Analyse eines Arabidopsis thaliana Genexpressionsdatensatzes beschrieben. Die Analyse der Genexpressions eines pflanzlichen Tumores zeigte, dass er seinen Stoffwechsel von aerob und auxotroph auf anaerob und heterotroph umstellt. Gene der Photosynthese werden im Tumorgewebe reprimiert, Gene des Aminosäure- und Fettstoffwechsels, der Zellwand und Transportkanäle werden so reguliert, dass Wachstum und Entwicklung des Tumors gefördert werden. In der fünften Publikation in dieser Arbeit wird GEPAT (Genome Expression Pathway Analysis Tool) beschrieben. Es besteht aus einer Internet- Anwendung und einer Datenbank, die das einfache Hochladen von Datensätzen in die Datenbank und viele Möglichkeiten der Datenanalyse und die Integration anderer Datentypen erlaubt. In den folgenden zwei Publikationen (Publikation 6 und Publikation 7) wird GEPAT auf humane Microarray-Datensätze angewendet um Genexpressionsdaten mit weiteren Datentypen zu verknüpfen. Genexpressionsdaten und Daten aus vergleichender Genom-Hybridisierung (CGH) von primären Tumoren von 71 Mantel-Zell-Lymphom (MCL) Patienten ermöglichte die Ermittlung eines Prädiktors, der die Vorhersage der Überlebensdauer von Patienten gegenüber herkömmlichen Methoden verbessert. Die Analyse der CGH Daten zeigte, dass auch diese für die Vorhersage der Überlebensdauer geeignet sind. Für den Datensatz von Patienten mit großzellig diffusem B-Zell-Lymphom DLBCL konnte aus den Genexpressionsdaten ebenfalls ein neuer Prädiktor vorgeschlagen werden. Mit den zwischen lang und kurz überlebenden Patienten differentiell exprimierten Genen der MCL Patienten und mit den Genen, die zwischen den beiden Untergruppen von DLBCL reguliert sind, wurden Interaktionsnetzwerke gebildet. Diese zeigen, dass bei beiden Krebstypen Gene des Zellzyklus und der Proliferation zwischen Patienten mit kurzer und langer Überlebensdauer unterschiedlich reguliert sind.
N2  - In this thesis, the development of a phylogenetic DNA microarray, the analysis of several gene expression microarray datasets and new approaches for improved data analysis and interpretation are described. In the first publication, the development and analysis of a phylogenetic microarray is presented. I could show that species detection with phylogenetic DNA microarrays can be significantly improved when the microarray data is analyzed with a linear regression modeling approach. Standard methods have so far relied on pure signal intensities of the array spots and a simple cutoff criterion was applied to call a species present or absent. This procedure is not applicable to very closely related species with high sequence similarity because cross-hybridization of non-target DNA renders species detection impossible based on signal intensities alone. By modeling hybridization and cross-hybridization with linear regression, as I have presented in this thesis, even species with a sequence similarity of 97% in the marker gene can be detected and distinguished from related species. Another advantage of the modeling approach over existing methods is that the model also performs well on mixtures of different species. In principle, also quantitative predictions can be made. To make better use of the large amounts of microarray data stored in public databases, meta-analysis approaches need to be developed. In the second publication, an explorative meta-analysis exemplified on Arabidopsis thaliana gene expression datasets is presented. Integrating datasets studying effects such as the influence of plant hormones, pathogens and different mutations on gene expression levels, clusters of similarly treated datasets could be found. From the clusters of pathogen-treated and indole-3-acetic acid (IAA) treated datasets, representative genes were selected which pointed to functions which had been associated with pathogen attack or IAA effects previously. Additionally, hypotheses about the functions of so far uncharacterized genes could be set up. Thus, this kind of meta-analysis could be used to propose gene functions and their regulation under different conditions. In this work, also primary data analysis of Arabidopsis thaliana datasets is presented. In the third publication, an experiment which was conducted to find out if microwave irradiation has an effect on the gene expression of a plant cell culture is described. During the first steps, the data analysis was carried out blinded and exploratory analysis methods were applied to find out if the irradiation had an effect on gene expression of plant cells. Small but statistically significant changes in a few genes were found and could be experimentally confirmed. From the functions of the regulated genes and a meta-analysis with publicly available microarray data, it could be suspected that the plant cell culture somehow perceived the irradiation as energy, similar to perceiving light rays. The fourth publication describes the functional analysis of another Arabidopsis thaliana gene expression dataset. The gene expression data of the plant tumor dataset pointed to a switch from a mainly aerobic, auxotrophic to an anaerobic and heterotrophic metabolism in the plant tumor. Genes involved in photosynthesis were found to be repressed in tumors; genes of amino acid and lipid metabolism, cell wall and solute transporters were regulated in a way that sustains tumor growth and development. Furthermore, in the fifth publication, GEPAT (Genome Expression Pathway Analysis Tool), a tool for the analysis and integration of microarray data with other data types, is described. It consists of a web application and database which allows comfortable data upload and data analysis. In later chapters of this thesis (publication 6 and publication 7), GEPAT is used to analyze human microarray datasets and to integrate results from gene expression analysis with other datatypes. Gene expression and comparative genomic hybridization data from 71 Mantle Cell Lymphoma (MCL) patients was analyzed and allowed proposing a seven gene predictor which facilitates survival predictions for patients compared to existing predictors. In this study, it was shown that CGH data can be used for survival predictions. For the dataset of Diffuse Large B-cell lymphoma (DLBCL) patients, an improved survival predictor could be found based on the gene expression data. From the genes differentially expressed between long and short surviving MCL patients as well as for regulated genes of DLBCL patients, interaction networks could be set up. They point to differences in regulation for cell cycle and proliferation genes between patients with good and bad prognosis.
KW  - Microarray
KW  - Differentielle Genexpression
KW  - Genexpression
KW  - Statistische Analyse
KW  - Cluster-Analyse
KW  - Datenanalyse
KW  - Explorative Datenanalyse
KW  - Non-Hodgkin-Lymphom
KW  - B-Zell-Lymphom
KW  - Metabolom
KW  - Tumorklassifikation
KW  - Tumor
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - Schmalwa
KW  - phylogenetische Arrays
KW  - Interaktionsnetzwerke
KW  - lineare Regression
KW  - DNA microarray
KW  - gene expression
KW  - statistical analysis
KW  - clustering
KW  - classification
KW  - interaction networks
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-29747
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TY  - THES
A1  - Blenk, Steffen
T1  - Bioinformatical analysis of B-cell lymphomas
T1  - Bioinformatische Analyse von B-Zell Lymphomen
N2  - Background: The frequency of the most observed cancer, Non Hodgkin Lymphoma (NHL), is further rising. Diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) is the most common of the NHLs. There are two subgroups of DLBCL with different gene expression patterns: ABC (“Activated B-like DLBCL”) and GCB (“Germinal Center B-like DLBCL”). Without therapy the patients often die within a few months, the ABC type exhibits the more aggressive behaviour. A further B-cell lymphoma is the Mantle cell lymphoma (MCL). It is rare and shows very poor prognosis. There is no cure yet. Methods: In this project these B-cell lymphomas were examined with methods from bioinformatics, to find new characteristics or undiscovered events on the molecular level. This would improve understanding and therapy of lymphomas. For this purpose we used survival, gene expression and comparative genomic hybridization (CGH) data. In some clinical studies, you get large data sets, from which one can reveal yet unknown trends. Results (MCL): The published proliferation signature correlates directly with survival. Exploratory analyses of gene expression and CGH data of MCL samples (n=71) revealed a valid grouping according to the median of the proliferation signature values. The second axis of correspondence analysis distinguishes between good and bad prognosis. Statistical testing (moderate t-test, Wilcoxon rank-sum test) showed differences in the cell cycle and delivered a network of kinases, which are responsible for the difference between good and bad prognosis. A set of seven genes (CENPE, CDC20, HPRT1, CDC2, BIRC5, ASPM, IGF2BP3) predicted, similarly well, survival patterns as proliferation signature with 20 genes. Furthermore, some bands could be associated with prognosis in the explorative analysis (chromosome 9: 9p24, 9p23, 9p22, 9p21, 9q33 and 9q34). Results (DLBCL): New normalization of gene expression data of DLBCL patients revealed better separation of risk groups by the 2002 published signature based predictor. We could achieve, similarly well, a separation with six genes. Exploratory analysis of gene expression data could confirm the subgroups ABC and GCB. We recognized a clear difference in early and late cell cycle stages of cell cycle genes, which can separate ABC and GCB. Classical lymphoma and best separating genes form a network, which can classify and explain the ABC and GCB groups. Together with gene sets which identify ABC and GCB we get a network, which can classify and explain the ABC and GCB groups (ASB13, BCL2, BCL6, BCL7A, CCND2, COL3A1, CTGF, FN1, FOXP1, IGHM, IRF4, LMO2, LRMP, MAPK10, MME, MYBL1, NEIL1 and SH3BP5; Altogether these findings are useful for diagnosis, prognosis and therapy (cytostatic drugs).
N2  - Hintergrund: Die Häufigkeit von Non-Hodgkin-Lymphomen (NHL), den am meisten beobachteten Krebserkrankungen, steigt weiter an. Von den aggressiven Non-Hodgkin-Lymphomen (NHL) macht das “großzellige, diffuse B-Zell-Lymphom” (DLBCL) den größten Anteil aus. Durch Genexpressionsmuster wurden zwei Subtypen definiert: ACB (“Activated B-like DLBCL”) und GCB (“Germinal Center B-like DLBCL”). Die Patienten der Gruppe ABC sterben ohne Therapie oft innerhalb weniger Monate, weil der ABC Typ einen aggressiveren Krankheitsverlauf aufweist. Ein weiteres, von einer malignen Entartung der B-Lymphozyten ausgehendes Lymphom, ist das “Mantelzell Lymphom” (MCL). Es tritt selten auf und ist ebenfalls mit einer schlechten Prognose verbunden. Eine vollständige Heilung nach der Therapie ist sehr selten. Methoden: In diesem Projekt wurden diese B-zell Lymphome mit bioinformatischen Methoden untersucht, um auf molekularer Ebene neue Eigenschaften oder bisher unentdeckte Zusammenhänge zu finden. Das würde das Verständnis und damit auch die Therapie voranbringen. Dafür standen uns Überlebens-, Genexpressions- und chromosomale Aberrationsdaten zur Verfügung. Sie sind die bevorzugte Wahl der Mittel, um genetische Veränderungen in Tumorzellen zu bestimmen. Hierbei fallen oft große Datenmengen an, aus welchen man mit bioinformatischen Methoden vorher unerkannte Trends und Hinweise identifizieren kann. Ergebnisse (MCL): Explorative Analysen sowohl der Genexpressions- (zweite Hauptachse der Korrespondenz Analyse) als auch der chromosomalen Aberrationsdaten des Mantelzell-Lymphom zeigten uns hierbei, daß es trotz der linearen Korrelation zwischen der veröffentlichten Proliferationssignatur und der Überlebenszeit sinnvoll ist, in den Patienten (n=71) zwei Ausprägungen zu betrachten: Patienten mit schlechter und mit guter Prognose. Statistische Tests (moderate t-test, Wilcoxon rank-sum test) dieser beiden Typen zeigten Unterschiede im Zellzyklus und ein Netzwerk von Kinasen auf, welche für den Unterschied zwischen guter und schlechter Prognose verantwortlich sind. Sieben Gene (CENPE, CDC20, HPRT1, CDC2, BIRC5, ASPM, IGF2BP3) konnten gefunden werden, die eine ähnliche gute Prognose für Überlebenszeiten ermöglichen, wie eine früher veröffentlichte Proliferationssignatur mit 20 Genen. Außerdem konnten chromosomale Banden durch eine explorative Analyse mit der Prognose assoziiert werden (Chromosom 9: 9p24, 9p23, 9p22, 9p21, 9q33 and 9q34). Ergebnisse (DLBCL): Durch geeignete Normalisierung der Genexpressionsdaten von 248 DLBCL-Patienten trennte der Signatur basierte Predictor die Risikogruppen nun besser auf. Eine ähnlich gute Auftrennung konnte von uns sogar mit sechs Genen erreicht werden. Die explorative Analyse der Genexpressionsdaten konnte die Subtypen ABC und GCB als valide Gruppen bestätigen. In den Genen, die ABC und GCB unterscheiden, ergab sich eine Häufung in späten und frühen Zellzyklusstadien. Klassische Lymphommarker, neu aufgefundene spezielle Gene und Zellzyklusgene bilden ein Netzwerk, das die ABC und GCB Gruppen klassifizieren und Unterschiede in deren Regulation erklären kann (ASB13, BCL2, BCL6, BCL7A, CCND2, COL3A1, CTGF, FN1, FOXP1, IGHM, IRF4, LMO2, LRMP, MAPK10, MME, MYBL1, NEIL1 and SH3BP5. Dies ist auch für die Diagnose, Prognose und Therapie (Zytostatika) interessant.
KW  - Bioinformatik
KW  - Genexpression
KW  - Auswertung
KW  - B-Zell-Lymphom
KW  - Diffuses großzelliges B-Zell-Lymphom
KW  - Mantelzell-Lymphom
KW  - Bioinformatics
KW  - gene expression
KW  - B-cell lymphoma
KW  - Diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL)
KW  - Mantle cell lymphoma (MCL)
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27421
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TY  - THES
A1  - Tyrsin, Dmitry
T1  - Autoregulation of NFATc1 gene
T1  - AUTOREGULATION DES NFATc1 GEN
N2  - Die Familie der NFAT-Transkriptionsfaktoren (NFATc1-c4) ist im Zuge einer Immunreaktion endscheidend an der transkriptionellen Regulation der Genexpression beteiligt. Wurden NFAT-Faktoren zunächst als T-zell-spezifische Aktivatoren von Zytokinpromotoren beschrieben, so hat sich inzwischen gezeigt, dass sie in einer Vielzahl von Geweben eine wichtige Rolle spielen. Als Beispiele seien die Herzklappenentwicklung, die Bildung von Blutgefässen, die Ausbildung neuronaler Axone oder die Osteoklastendifferenzierung genannt [10, 24]. In der hier vorliegenden Arbeit zeigen wir, dass die starke Expression der kurzen Isoform NFATc1/&#945;A in Effektor-T-Lymphozyten durch die induzierbare Aktivität des Promoters P1 kontrolliert wird. Die P1 Aktivierung führt zum Splicing des Exon 1 zu 3 (&#945;-Isoformen) und endet meist durch Benutzung der Polyadenylierungsstelle pA1 hinter Exon 9 (A-Isoformen). Der zweite, schwächerer Promoter P2 befindet sich vor dem zweiten Exon und ist für die konstitutive Synthese der &#946;-Isoformen verantwortlich. Der Transkriptionstart am zweiten Exon geht meist mit der Benutzung einer zweiten, hinter dem 11. Exon gelegenen Polyadenylierungsstelle pA2 einher, die durch alternatives Splicing zur Synthese der Isoformen B und C führt. Insgesamt können so vom nfatc1-Lokus sechs verschiedene Isoformen (&#945;A, &#945;B, &#945;C, &#946;A, &#946;B und &#946;C) generiert werden. Die induzierbare Aktivität des P1-Promoters ist, im Gegensatz zum eher konstitutiv aktiven P2-Promoter, NFAT-abhängig und somit eine Form der Autoregulation. In ruhenden T-Lymphozyten sind einzig die Transkripte der NFATc1/&#946;-Isoformen nachweisbar. Nach einer T-Zell-Aktivierung nimmt ihre Häufigkeit dann ab, während nun die &#945;-Isoformen dominant werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es nach Induktion primärer Effektor-T-Helfer-Zellen oder in T-Zell-Linien zu einer 15-20-fachen Akkumulation der NFATc1/&#945;A mRNA bzw. einer 2-5-fachen Zunahme der NFATc1/&#945;B und C mRNAs kommt. Zur maximalen Induktion des P1-Promotors bedarf es zum einen eines anhaltenden Anstiegs der intrazellulären Kalziumkonzentration, die zur Aktivierung der Phosphatase Calcineurin und damit zur Kernlokalisation der NFAT-Faktoren führt. Zum anderen ist die Aktivierung der Proteinkinase C-Enzyme und der MAP-Kinasen notwendig, wie sie durch Phorbolester in der Zelle vermittelt wird. Dies lässt darauf schließen, dass für eine optimale Aktivierung des P1-Promotors sowohl Signale des T-Zell-Rezeptors als auch Signale von Korezeptoren - wie von CD28 - notwendig sind. Da die Induktion von NFATc1/&#945;A in NFATc2/NFATc3 doppeldefizienten Mäusen normal erfolgt, kann man schlussfolgern, dass NFATc1 in Form einer Autoregulation die Aktivität des P1-Promoters und damit die Synthese der &#945;-Isoformen kontrolliert. Die NFAT-vermittelte Aktivierung des P1-Promoters erfolgt über zwei tandemartig angeordnete NFAT-Bindungsstellen der Nukleotidsequenz TGGAAA, an die jeweils ein NFAT-Protein binden kann. Daneben enthält der Promoter konservierte Bindemotive für CREB-, AP-1, Sp-, NF-kB- und GATA-Faktoren, die wahrscheinlich an der komplexen Kontrolle dieses induzierbaren NFATc1-Promoters beteiligt sind. Zusammengefasst ergibt sich aus diesen Daten das folgende Modell. Die Transkription im nfatc1-Genlokus erfolgt in naiven und in ruhenden Effektor-T-Zellen konstitutiv und gesteuert durch den P2-Promotor. In Folge einer Aktivierung der Zelle verringert sich die Aktivität des P2-Promotors, während gleichzeitig der P1-Promotor induziert wird, der zusammen mit einer verstärkten Nutzung der pA1-Polyadenylierungssequenz für die massive Zunahme der NFATc1/&#945;A-Isoform verantwortlich ist. Dies deutet auf eine besondere Bedeutung dieser kurzen Isoform in der Effektorphase der T-Zell-Aktivierung hin, insbesondere in Th1-Zellen, die NFATc1/&#945;A in hohen Konzentrationen produzieren.
N2  - NFAT transcription factors play critical roles in gene transcription during immune responses. Besides regulation of lymphokine promoters in T lymphocytes, NFAT factors are also expressed in other cell types and regulate the activity of numerous genes that control the generation of cardiac septa and valves in embryonic heart, the formation of blood vessels, the outgrowth of neuronal axons and the differentiation of osteoclasts during bone formation [10, 24]. Here we show that the induction of NFATc/&#945;A in effector T cells is controlled by a strong inducible promoter, P1. It results in splicing of exon 1 to exon 3 transcripts and, in concert with the activity of a poly A site downstream of exon 9, leads to the massive synthesis of NFATc/&#945;A in effector Th1 cells. A second, weak promoter, P2, lies in front of exon 2 and directs the synthesis of longer NFAT &#946; isoforms. Both P1 and P2 direct the synthesis of three different RNAs: &#945;A, &#945;B, &#945;C and &#946;A, &#946;B, &#946;C correspondingly. The B and C isoforms arise from alternative splicing and poly A addition at the distal site pA2. P1 but not P2 activity is autoregulated by NFAT factors which bind to two tandemly arranged NFAT sites within P1 and enhance its induction. In resting T cells, the NFATc1/&#946; RNAs are the most prominent nfatc1 transcripts and their synthesis is reduced upon T-cell activation. However, following activation in primary effector T cells or in T-cell lines of human or murine origin, a 15&#8211;20-fold induction of NFATc1/&#945;A RNA was detected, whereas only a 2&#8211;5-fold increase was observed for the NFATc1/&#945;B or NFATc1/&#945;C RNAs. Optimal induction of P1 promoter require involving of a persistent increase in free cytosolic Ca2+ induced by ionomycin, which stimulates the nuclear translocation and transcriptional activation of all NFATc factors and phorbol esters, which activate protein kinase C and other protein kinase pathways in T cells. This suggests that both TCR and co-receptor signals contribute to give full P1 nfatc1 induction. Because NFATc1/&#945;A induction is unaffected in NFATc2+c3 double-deficient T cells, NFATc1 autoregulates its own synthesis by controlling P1 activity and NFATc1/&#945;A induction. P1 promoter contains tandemly arranged NFAT core binding motif TGGAAA to witch bind monomeric NFATc1 proteins and numerous conservative binding sites of other transcriptional factors like CREB, Fos, ATF-2, Sp1, NF-kB and GATA suggesting complex multi-factor regulation of NFATc1 gene. We also highlight that initial phase of nfatc1 transcription in naive CD4+ T cells is controlled by the promoter P2 which is constitutively active in resting T cells. The activation of resting T cells results in a decrease of P2 and the induction of P1 activity and, under optimal conditions, in the predominant synthesis of NFATc1/&#945;A in effector T cells. In addition to the high concentrations of poly A factors required for optimal pA1 function, the levels of transcription factors, in particular NFATs, must also increase for P1 induction. That could be explained by achievement of certain threshold levels for transcriptional activation. Finally, the altered transactivation potential of NFATc1/&#945;A suggests a specific role for this NFATc1 protein in gene control, such as in Th1 effector cells where NFATc1/&#945;A is synthesized at high concentrations.
KW  - Autoregulation
KW  - Posttranskriptionelle Regulation
KW  - Genexpression
KW  - Promotor <Genetik>
KW  - Regulatorgen
KW  - NFATc1
KW  - Autoregulation
KW  - T-Zellen
KW  - Transkriptionfaktoren
KW  - Genexpression
KW  - NFATc1
KW  - Autoregulation
KW  - T-cells
KW  - Transcription factors
KW  - Gene
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26544
ER  - 
TY  - THES
A1  - Busold, Christian
T1  - Facilitating functional interpretation of microarray data by integration of gene annotations in Correspondence Analysis
T1  - Verbesserte funktionelle Analyse von Microarraydaten mittels Integration von Gen-Annotationen in Korrespondenzanalyse
N2  - DNS-Chips (’Microarrays’) haben sich zu einer der Standardmethoden zur Erstellung von genomweiten Expressionsstudien entwickelt. Mittlerweile wurden dazu eine Vielzahl von Methoden zur Identifizierung von differentiell regulierten Genen veröffentlicht. Ungeachtet dessen stellt die abschliessende funktionelle Interpretation der Ergebnisse einen der Engpässe in der Analyse von Chip-Daten dar. Die Mehrzahl der Analysemethoden stellt die signifikant regulierten Gene in Listen dar, aus denen in einem weiteren Schritt gemeinsame funktionelle Eigenschaften abgeleitet werden müssen. Dies stellt nicht nur eine arbeitsintensive Arbeit dar, die mit steigender Anzahl an experimentellen Konditionen immer weniger praktikabel wird, sondern ist auch fehleranfällig, da diese Auswertung im allgemeinen auf dem visuellen Vergleich von Listen beruht. In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden für eine rechnergestützte Auswertung von funktionellen Geneigenschaften entwickelt und validiert. Hierzu wurde die ’Gene Ontology’ als Quelle für die Annotationsdaten ausgewählt, da hier die Daten in einem Format gespeichert sind, das sowohl eine leichte menschliche Interaktion sowie die statistische Analyse der Annotationen ermöglicht. Diese Genannotation wurden als Zusatzinformationen in die Korrespondenzanalyse integriert, welches eine simultane Darstellung von Genen, Hybridisierungen und funktionellen Kategorien in einer Grafik ermöglicht. Aufgrund der ständig wachsenden Anzahl an verfügbaren Annotationen und der Tatsache, daß zwischen den meisten experimentellen Bedingungen nur wenige funktionelle Prozesse differentiell reguliert sind, wurden Filter entwickelt, die die Anzahl der dargestellten Annotationen auf eine im gegebenen experimentellen Kontext relevante Gruppe reduzieren. Die Anwendbarkeit der Visualisierung und der Filter wurde auf Datensätzen unterschiedlicher Komplexität getestet: beginnend mit dem gut verstandenen Glukosestoffwechsel im Modellorganismus S. cerevisiae, bis hin zum Vergleich unterschiedlicher Tumortypen im Menschen. In beiden Fällen generierte die Methode gut zu interpretierende Grafiken, in denen die funktionellen Hauptunterschiede durch die dargestellten Annotationen gut beschrieben werden [90]. Während die Integration von Annotationsdaten wie GO die funktionelle Interpretation vereinfacht, fehlt die Möglichkeit zur Identifikation einzelner relevanter Schlüsselgene. Um eine solche Analyse zu ermöglichen, wurden Daten zum Vorkommen von Transskriptionsfaktorbindestellen in den 5’-Bereichen von Genen integriert. Auch diese Methode wurde an Datensätzen von S. cerevisiae und vergleichenden Studien von humanen Krebszelllinien validiert.In beiden Fällen konnten Transkriptionsfaktoren identifiziert werden, die für die beobachteten transkriptionellen Unterschiede von entscheidender Bedeutung sind [206]. Zusammenfassend, ermöglicht die Integration von Zusatzinformationen in die Korrespondenzanalyse eine simultane Visualisierung von Genen, Hybridisierungen und Annotationsdaten in einer einzigen, gut zu interpretierenden Grafik. Dies erlaubt auch in komplexen experimentellen Bedingungen eine intuitive Identifizierung von relevanten Annotationen. Der hier vorgestellte Ansatz, ist nicht auf die gezeigten Datenstrukturen beschränkt, sondern kann auf die Mehrzahl der verfügbaren Annotationsdaten angewendet werden.
N2  - DNA microarrays have become a standard technique to assess the mRNA levels for complete genomes. To identify significantly regulated genes from these large amounts of data a wealth of methods has been developed. Despite this, the functional interpretation (i.e. deducing biological hypothesis from the data) still remains a major bottleneck in microarray data analysis. Most available methods display the set of significant genes in long lists, from which common functional properties have to be extracted. This is not only a tedious and time-consuming task, which becomes less and less feasible with increasing numbers of experimental conditions, but is also prone to errors, since it is commonly done by eye. In the course of this work methods have been developed and tested, that allow for a computerbased analysis of functional properties being relevant in the given experimental setting. To this end the Gene Ontology was chosen as an appropriate source of annotation data, because it combines human-readability with computer-accessibility of the annotations term and thus allows for a statistical analysis of functional properties. Here the gene-annotations are integrated in a Correspondence Analysis which allows to visualize genes, hybridizations and functional categories in a single plot. Due to the increasing amounts of available annotations and the fact that in most settings only few functional processes are differentially regulated, several filter criteria have been developed to reduce the number of displayed annotations to a set being relevant in the given experimental setting. The applicability of the presented visualization and filtering have both been validated on datasets of varying complexity. Starting from the well studied glucose-pathway in S. cerevisiae up to the comparison of different tumor types in human. In both settings the method generated well interpretable plots, which allowed for an immediate identification of the major functional differences between the experimental conditions [90]. While the integration of annotation data like GO facilitates functional interpretation, it lacks the capability to identify key regulatory elements. To facilitate such an analysis, the occurrence of transcription factor binding sites in upstream regions of genes has been integrated to the analysis as well. Again this methodology was biologically validated on S. cerevisiae as well human cancer data sets. In both settings TFs known to exhibit central roles for the observed transcriptional changes were plotted in marked positions and thus could be immediately identified [206]. In essence, integration of supplementary information in Correspondence Analysis visualizes genes, hybridizations and annotation data in a single, well interpretable plot. This allows for an intuitive identification of relevant annotations even in complex experimental settings. The presented approach is not limited to the shown types of data, but is generalizable to account for the majority of the available annotation data.
KW  - Microarray
KW  - DNS
KW  - Genexpression
KW  - Auswertung
KW  - Microarray Analyse
KW  - GO-Annotationen
KW  - funktionelle Analyse
KW  - Korrespondenzanalyse
KW  - microarray data analysis
KW  - GO-annotations
KW  - functional interpretation
KW  - correspondence analysis
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21150
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wu, Rongxue
T1  - Integrins and SPARC : potential implications for cardiac remodeling
N2  - Der enorme Umbau des Herzgewebes, wie man ihn nach Drucküberlastung des Ventrikels oder MyokardInfarkt beobachten kann, gilt als eine der kausalen Ursachen des Herzversagens. Die Veränderungen in der Architektur des Herzens beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Herzmuskels, begründet sind sie jedoch in Anpassungsprozessen auf der zellulären Ebene vor allem in einer Modulation der Expression bestimmter Gene. Gemeinsam mit Integrinen, den Transmembran-Rezeptoren, welche die extrazelluläre Umgebung mit dem intrazellulären Zytoskelett verbinden, gehören Proteine der extrazellulären Matrix (ECM) und matrizelluläre Proteine zu den Schlüsselkomponenten, die den Umbauprozess im Herzen steuern. Aus diesen Gründen hatte diese Doktorarbeit zum Ziel, die Rolle der Integrine für die Regulation der Genexpression und die Leistungsfähigkeit des Herzmuskels während der durch Drucküberlastung oder myokardialen Infarkt (MI) hervorgerufenen Wundheilungsprozesse zu analysieren. Um die Beteiligung von Integrin Beta 1 zu untersuchen, wurde ein experimentelles Modell der Drucküberlastung im Mausherzen (aortic banding; Konstriktion der Aorta; AB) eingesetzt, wobei Mäuse mit einer konditionalen, Herz-spezifischen Deletion des Integrin Beta 1 Gens untersucht wurden. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die physiologischen Unterschiede und eine veränderte Genexpression im gestressten Herzen in An- oder Abwesenheit von Integrin Beta 1 gelegt. Interessanterweise wurden die Mäuse, welche eine Kombination aus Integrin knock-out Allel und dem Kardiomyozyten-spezifischen konditionalen knock-out Allel von Integrin Beta 1 aufwiesen im normalen Mendelschen Verhältnis geboren und wuchsen normal auf. Obwohl diese Tiere immer noch geringe Mengen von Integrin Beta 1 in ihrem Herzen aufwiesen (exprimiert von nicht-Myozyten), besaßen diese Mäuse eine veränderte Herzfunktion und waren sehr sensitiv gegenüber AB. Im Gegensatz zu der kompensatorischen hypertrophischen Reaktion, die in Wildtyp Mäusen zu beobachten war, zeigte sich in den Integrin Beta 1–defizienten Mausherzen kein Gewebeumbau. Auch die erhöhte Expression von verschiedenen ECM Proteinen, insbesondere die verstärkte Expression des matrizellulären Proteins SPARC, unterblieb nach AB in den Integrin Beta 1–defizienten Tieren. Interessanterweise konnte auch eine transiente Erhöhung der SPARC mRNA während der Umbauprozesse im Herzen in Folge von myokardialem Infarkt (MI) mittels cDNA Makroarrays festgestellt werden. In der Tat fanden sich größere Mengen von SPARC bereits 2 Tage (~2,5-fach erhöht), 7 Tage (~4-fach erhöht) und 1 Monat (~2-fach erhöht) nach MI, während ein spezifischer Inhibitor der Integrin alpha v Untereinheit diese Hochregulation von SPARC in vivo verhinderte. Immunfluoreszenz Untersuchungen von Herzgewebe verdeutlichten, dass sich die erhöhte Expression von SPARC auf das Infarktareal beschränkte, dass die Expression von SPARC nach einer anfänglichen Erhöhung im Verlauf von 1 Monaten wieder auf das Anfangsniveau zurückging und dass die verstärkte Expression von der Einwanderung von Fibroblasten in das ischämische Herzgewebe begleitet war. In vitro stimulierten die Wachstumsfaktoren TGF-Beta 1 und PDGF-BB die Expression von SPARC durch Fibroblasten. Wie sich an Hand von ELISA und Western Blot Untersuchungen feststellen ließ, war die Inhibition von Integrin Beta v nicht in der Lage, die durch TGF-Beta 1 oder PDGF induzierte Sekretion von SPARC zu beeinflussen. Jedoch zeigte sich, dass Vitronektin, ein Ligand von Integrin alpha v, sowohl die Sekretion von TGF-Beta 1 als auch von PDGF-BB durch Kardiomyozyten induzierte und diese Reaktion wurde durch den Integrin alpha v Inhibitor komplett unterdrückt. In funktioneller Hinsicht wirkte SPARC auf die durch ECM Proteine induzierte Migration von Fibroblasten ein, so dass man davon ausgehen kann, dass die lokale Freisetzung von SPARC nach myokardialem Infarkt zur Wundheilung im Herzen beiträgt. Zusammenfassend läßt die Kombination der in vivo und in vitro erhobenen experimentellen Daten den Schluss zu, dass mehrere Integrin Untereinheiten eine entscheidende Rolle während der Gewebeumbildung im Herzen spielen. Integrin-abhängige Genexpressionsereignisse wie beispielsweise die erhöhte Expression von SPARC nach MI sind entscheidend an der Koordination der Wundheilung beteiligt. Diese Prozesse scheinen auf einer komplexen Wechselwirkung und Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen wie Kardiomyozyten und Fibroblasten zu beruhen, um lokal begrenzt eine Heilung und Vernarbung des verletzten Gewebes zu regulieren. Die Aufklärung des fein abgestimmten Wechselspiels zwischen Integrinen matrizellulären Proteinen wie SPARC und Wachstumsfaktoren wird sicherlich zu einem besseren und klinisch nutzbarem Verständnis der molekularen Mechanismen des Gewebeumbaus im Herzen beitragen.
N2  - The massive remodeling of the heart tissue, as observed in response to pressure overload or myocardial infarction, is considered to play a causative role in the development of heart failure. Alterations in the heart architecture clearly affect the mechanical properties of the heart muscle, but they are rooted in changes at the cellular level including modulation of gene expression. Together with integrins, the transmembrane receptors linking the extracellular environment to the cytoskeleton, extracellular matrix (ECM) proteins and matricellular proteins are key components of the remodeling process in the heart. Therefore, this thesis was aimed at analysing the role of integrins in the regulation of gene expression and heart muscle performance during cardiac wound repair induced by pressure overload or myocardial infarction (MI). To investigate the contribution of integrin Beta 1, we characterised the response of mice with a conditional, cardiac-specific deletion of the integrin Beta 1 gene in an experimental model of pressure overload by aortic banding (AB). In particular, we measured physiological alterations and gene expression events in the stressed heart in the presence or absence of integrin Beta 1. Interestingly, mice containing a knock-out allele and the ventricular myocyte-specific conditional allele of the integrin Beta 1 gene were born and grew up to adulthood. Though these animals still exhibited minor amounts of integrin Beta1 in the heart (expressed by non-myocytes), these mice displayed abnormal cardiac function and were highly sensitive to AB. Whereas a compensatory hypertrophic response to pressure overload was observed in wildtype mice, the integrin Beta 1-deficient mice were not able to undergo heart tissue remodeling. Furthermore, ECM gene expression was altered and, in particular, the increased expression of the matricellular protein SPARC after AB was abolished in integrin Beta 1–deficient mice. Interestingly, we also found a transient upregulation of SPARC mRNA during heart remodeling after MI using cDNA macroarrays. Indeed, increased SPARC protein levels were observed starting at day 2 (2.55±0.21fold, p<0.01), day 7 (3.72±0.28 fold, p<0.01) and 1 month (1.9±0.16 fold, p<0.01) after MI, which could be abolished by using an integrin alpha v inhibitor in vivo. Immunofluorescence analysis of heart tissue demonstrated that the increased SPARC expression was confined to the infarcted area and occurred together with the influx of fibroblasts into the heart. In vitro, either TGF-Beta 1 or PDGF-BB stimulated SPARC expression by fibroblasts. Inhibition of integrin alpha v did not interfere with TGF-Beta1 or PDGF induced SPARC secretion as determined by ELISA assays or Western blot. However, secretion of TGF-Beta1 and PDGF-BB by cardiomyocytes was induced by vitronectin, a ligand of integrin alpha v, and this response was blocked by the integrin alpga v inhibitor. Functionally, SPARC modulated the migratory response of fibroblasts towards ECM proteins suggesting that the local deposition of SPARC following MI contributes to scar formation. Taken together, our combined in vivo and in vitro data demonstrate that several integrin subunits play critical roles during tissue remodeling in the injured heart. Integrin-dependent gene expression events such as the upregulation of SPARC following MI are critical to orchestrate the healing response. These processes appear to involve complex cross-talk between different cell types such as cardiomyocytes and fibroblasts to allow for locally confined scar formation. The elucidation of the sophisticated interplay between integrins, matricellular proteins such as SPARC, and growth factors will undoubtedly provide us with a better and clinically useful understanding of the molecular mechanisms governing heart remodeling.
KW  - Integrine
KW  - Genexpression
KW  - Herzmuskel
KW  - Grundsubstanz
KW  - Extracellular matrix
KW  - gene expression
KW  - cardiac remodeling
KW  - migration
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17531
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ye, Fang
T1  - The role of DNA supercoiling in the coordinated regulation of gene expression in Helicobacter pylori
N2  - Summary Mechanisms of global gene regulation in bacteria are not well characterized yet. Changes in global or local supercoiling of chromosomal DNA are thought to play a role in global gene silencing and gene activation. In Helicobacter pylori, a bacterium with few dedicated transcriptional regulators, the structure of some promoters indicates a dependency on DNA topology. For example, the promoter of the major flagellar subunit gene flaA (ó28-dependent) has a shorter spacing of 13 nucleotides (nt) in comparison to the consensus promoter (15 nt). Supercoiling changes might be a mechanism of gene-specific and global transcriptional regulation in this bacterium. The aim of this study was to elucidate, if changes in global supercoiling have an influence on global gene regulation in H. pylori, and on the temporal regulation of the flagellar biosynthesis pathway in this organism. In the present work, global DNA supercoiling in H. pylori was visualized for the first time, by determining the supercoiling state of plasmids under different growth conditions. Using this method, we showed that cellular supercoiling was clearly growth phase-dependent in H. pylori. Coinciding with increased supercoiling during the growth phases, transcription of the flaA gene was increased, while the transcription of a second ó28-dependent gene with regular promoter spacing (HP0472) was reduced, supporting the hypothesis that growth phase-dependency of promoters might be mediated by changes of DNA topology. Supercoiling in H. pylori could be influenced in a reproducible fashion by inhibition of gyrase using novobiocin, which led to DNA relaxation and to a concomitant decrease of flaA transcript levels. Promoter spacer mutagenesis of the flaA promoter was performed. With flaA promoters of increased or reduced length, transcription of flaA was reduced, less susceptible to supercoiling changes, and, under specific conditions, inverted as compared to the wild type promoter. Transcriptional interdependence between the coupled topA-flaB genes and flaA was found by analysis of the flaA promoter mutants. Chromosomally linked gyrA-flgR, and topA-flaB genes were all dependent on supercoiling and coregulated with each other. Comprehensive transcript profiling (DNA microarrays) of wildtype H. pylori with and without novobiocin treatment identified a number of genes (10% of total genes), including flagellin, virulence and housekeeping genes, which were strongly dependent on and appeared to be synchronized by supercoiling changes (transcriptional up- or downregulation). These findings indicate a tightly coupled temporal regulation of flagellar biogenesis and metabolism in H. pylori, dependent on global supercoiling. A specific group of genes was also regulated in H. pylori by overexpression of Topoisomerase I, as detected by genome-wide analysis (DNA microarray). The DNA-bending protein HU is thought to be responsible for influencing the negative supercoiling of DNA, through its ability to wrap DNA. HU is encoded by the hup single gene in H. pylori, and constitutively expressed during the whole growth curve. An H. pylori hup mutant was constructed. H. pylori cells lacking HU protein were viable, but exhibited a severe growth defect. Our data indicate that the lack of HU dramatically changes global DNA supercoiling, indicating an important function of HU in chromosome structuring in H. pylori. Transcriptome analyses were performed and demonstrated that a total of 66 genes were differentially transcribed upon hup deletion, which include virulence genes and many other cell functions. The data indicate that HU might act as further important global regulator in H. pylori. Increased gene expression of heat shock proteins and a decreased transcription of the urease gene cluster may indicate a co-ordinated response of H. pylori to changes of environmental conditions in its specific ecological niche, mediated by HU. After the whole genomic sequences of H. pylori strains 26695 and J99 were published, two ORFs (HP0116 and HP0440) were presumptively annotated as topoisomerase I orthologs. HP0116 is the functional H. pylori topoisomerase I (TopA). HP0440 (topA2) was found in only few (5 of 43) strains. Western blot analysis indicated that TopA2 is antigenically different from TopA. TopA2 is transcribed in H. pylori, but the protein must be functionally different from TopA, since it is lacking one functionally essential zinc finger motif, and was not able to functionally complement a TopA-deficient E. coli. Like topA, topA2 was also transcribed in a growth phase-dependent manner. We did not find a function of TopA2 in DNA structuring or topology, but, in the present study, we were able for the first time to establish a unique function for TopA2 in global gene regulation, by comprehensive transcriptome analysis (DNA microarray). Transcriptome analysis showed that a total of 46 genes were differentially regulated upon topA2 deletion, which included flagellar genes and urease genes. These results suggest that TopA2 might act as a novel important regulator of both flagellar biosynthesis and urease in H. pylori.
N2  - Zusammenfassung Die Mechanismen der globalen Kontrolle der Genregulation bei Bakterien sind bisher noch wenig charakterisiert. Unterschiede in der globalen oder lokalen Topologie der chromosomalen DNA spielen wahrscheinlich eine Rolle bei der globalen Kontrolle der Genexpression. Bei Helicobacter pylori, einem Bakterium mit wenigen funktionell definierten Transkriptionsregulatoren, spricht die Struktur einiger Promotoren daf&#252;r, da&#223; sie durch die DNA-Topologie kontrolliert werden. Der Promotor des Hauptflagellingens flaA, ein Sigma-28 abh&#228;ngiger Promotor, hat ein gegen&#252;ber dem Konsensuspromotor (15 Nukleotide) verk&#252;rztes Spacing von 13 Nukleotiden. Ver&#228;nderungen der DNA-Superhelizit&#228;t k&#246;nnten ein Mechanismus der genspezifischen und globalen transkriptionellen Kontrolle in diesem Bakterium sein. Ziel dieser Untersuchungen war es zu zeigen, ob Ver&#228;nderungen des globalen Supercoiling-Niveaus einen Einflu&#223; auf die globale Genregulation von H. pylori haben und ob sie sich auf die zeitlich gesteuerte Regulation der Gei&#223;elbiosynthese (Beweglichkeitsorganell; essenzieller Virulenz- und Persistenzfaktor von H. pylori) in diesem Organismus auswirkt. In der vorliegenden Arbeit wurde das Niveau der DNA-Superspiralisierung bei H. pylori erstmals durch Visualisierung des Supercoilingzustands von Plasmiden unter unterschiedlichen Wachstumsbedingungen dargestellt. Wir konnten mit dieser Methode zeigen, da&#223; das zellul&#228;re Supercoiling-Niveau bei H. pylori in Abh&#228;ngigkeit von der Wachstumsphase stark variiert. In Wachstumsphasen mit erh&#246;htem Supercoiling war auch die Transkription des flaA-Gens erh&#246;ht, w&#228;hrend die Transkription eines zweiten Sigma-28-abh&#228;ngigen Gens mit normalem Promotorabstand (HP0472) reduziert war. Dieser Befund st&#252;tzte die Hypothese, da&#223; die wachstumsphasenabh&#228;ngige Aktivit&#228;t dieser Promotoren durch Ver&#228;nderungen der DNA-Topologie bewirkt wird. Das Supercoiling-Niveau konnte reproduzierbar durch Hemmung der Gyrase mit Novobiocin beeinflusst werden. Die Gegenwart von Novobiocin f&#252;hrte zur DNA-Relaxation und zu einem gleichzeitigen Absinken der Transkription von flaA. Es wurde eine gerichtete Mutagenese der Promotor-Spacer-Region des flaA-Promotors durchgef&#252;hrt. Die Verl&#228;ngerung oder Verk&#252;rzung des H.pylori flaA-Promotors f&#252;hrte zu einer verminderten Transkription von flaA, sowie zu reduzierter Empfindlichkeit der Promotoraktivit&#228;t gegen&#252;ber Ver&#228;nderungen des Supercoiling-Niveaus. Unter spezifischen Bedingungen war die Supercoiling-Abh&#228;ngigkeit umgekehrt im Vergleich zum Wildtyppromotor. Es konnte weiterhin eine inverse transkriptionelle Abh&#228;ngigkeit zwischen dem gekoppelten Genpaar topA-flaB und flaA durch Analyse der flaA-Promotormutanten nachgewiesen werden. Auch die chromosomal gekoppelten Gene gyrA und flgR sowie topA und flaB waren abh&#228;ngig vom Supercoiling-Zustand und miteinander koreguliert. Die Analyse des Transkriptoms von H.pylori-Wildtypbakterien mit DNA-Microarrays mit und ohne Novobiocinbehandlung f&#252;hrte zur Identifizierung von zahlreichen Genen (etwa 10% des Gesamttranskriptoms), deren Expression Supercoiling-abh&#228;ngig war und durch Ver&#228;nderungen des Supercoilings synchronisiert ver&#228;ndert werden konnte. Unter diesen waren Flagellin-, andere Virulenz-, sowie Grundstoffwechsel-Gene. Diese Befunde weisen auf eine enge Verbindung zwischen der chronologischen Kontrolle der Flagellen-Biogenese und des Metabolismus bei H. pylori, die gemeinsam durch das Supercoiling-Niveau gesteuert werden. Eine definierte Gruppe von Genen konnte bei H.pylori durch &#220;berexpression von Topoisomerase-1 reguliert werden. Das Protein HU beeinflusst ebenfalls das Supercoiling-Niveau von DNA durch seine F&#228;higkeit, DNA zu biegen. HU wird bei H. pylori durch das Gen hup kodiert und ist w&#228;hrend s&#228;mtlicher Wachstumsphasen konstitutiv exprimiert. Eine HU-defiziente Mutante wurde konstruiert. Zellen, die kein HU-Protein exprimierten, waren lebensf&#228;hig, zeigten aber einen deutlichen Wachstumsdefekt. Unsere Daten weisen daraufhin, da&#223; der Mangel von HU sich dramatisch auf das globale DNA-Supercoiling-Niveau auswirkt, und sprechen f&#252;r eine wichtige Funktion von HU bei der Kontrolle der DNA-Struktur von H. pylori. Mittels DNA-Microarray-Hybridisierung wurden die Transkriptome von H. pylori-Wildtyp und HU-Mutante miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen, da&#223; insgesamt 66 Gene in der HU-Mutante differentiell transkribiert werden, darunter Virulenzgene und Gene f&#252;r viele andere Zellfunktionen. Diese Daten deuten darauf hin, da&#223; auch HU eine wichtige Rolle in der Kontrolle der globalen Genexpression bei H. pylori spielt. Die erh&#246;hte Expression von Hitzestress-Proteinen, verbunden mit einer verminderten Transkription des Ureasegenclusters, k&#246;nnte auf eine koordinierte Antwort der Bakterien auf Ver&#228;nderungen der Umweltbedingungen in ihrer spezifischen &#246;kologischen Nische hinweisen. Nach der Publikation der Gesamtgenomsequenzen von H.pylori 26695 und J99 wurden 2 ORFs (HP 0116 und HP 0440) als Topoisomerase-1-Orthologe annotiert. HP 0116 ist das funktionelle H.pylori Topoisomerase-1-Gen. HP 0442 (topA2) wurde nur in wenigen (5 aus 43) St&#228;mmen nachgewiesen. topA2 ist trotz seines seltenen Vorkommens kein Pseudogen und wird in H.pylori transkribiert. Westernblot-Analysen sprechen daf&#252;r, da&#223; TopA2 sich antigenetisch von TopA unterscheidet. Das TopA2-Protein unterscheidet sich ebenfalls funktionell von TopA, da ihm ein funktionell essentielles Zinkfingermotiv fehlt. TopA2 konnte au&#223;erdem eine TopA-defiziente E.coli-Mutante nicht funktionell komplementieren. Wie bei topA war auch die Transkription von topA2 von der Wachstumsphase abh&#228;ngig. Eine Funktion von TopA2 bei der Kontrolle der DNA-Topologie konnte bisher nicht nachgewiesen werden, Transkriptomanalysen zeigten aber, dass TopA2 eine klare Regulationsfunktion hat, da die topA2-Mutante gravierende Ver&#228;nderungen des Transkriptoms gegen&#252;ber dem Wildtyp aufwies. Diese Untersuchungen zeigten, da&#223; 46 Gene in der TopA2-Mutante differentiell reguliert wurden, darunter Flagellengene und Ureasegene. Die Ergebnisse sprechen daf&#252;r, da&#223; TopA2 ein weiterer wichtiger Regulator von sowohl Flagellenbiosynthese als auch Ureasebildung bei H.pylori sein k&#246;nnte.
KW  - Helicobacter pylori
KW  - Genexpression
KW  - Flagelline
KW  - Supercoiling
KW  - regulation
KW  - flagella
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9878
ER  - 
TY  - THES
A1  - Spohn, Gunther
T1  - The transcriptional control of virulence gene expression in Helicobacter pylori
T1  - Die transkriptionelle Kontrolle der Virulenzgenexpression in Helicobacter pylori
N2  - The Gram-negative, spiral-shaped, microaerophilic bacterium Helicobacter pylori is the causative agent of various disorders of the upper gastrointestinal tract, such as chronic superficial gastritis, chronic active gastritis, peptic ulceration and adenocarcinoma. Although many of the bacterial factors associated with disease development have been analysed in some detail in the recent years, very few studies have focused so far on the mechanisms that regulate expression of these factors at the molecular level. In an attempt to obtain an overview of the basic mechanisms of virulence gene expression in H. pylori, three important virulence factors of this pathogen, representative of different pathogenic mechanisms and different phases of the infectious process, are investigated in detail in the present thesis regarding their transcriptional regulation. As an essential factor for the early phase of infection, including the colonisation of the gastric mucosa, the flagella are analysed; the chaperones including the putative adhesion factors GroEL and DnaK are investigated as representatives of the phase of adherence to the gastric epithelium and persistence in the mucus layer; and finally the cytotoxin associated antigen CagA is analysed as representative of the cag pathogenicity island, which is supposed to account for the phenomena of chronic inflammation and tissue damage observed in the later phases of infection. RNA analyses and in vitro transcription demonstrate that a single promoter regulates expression of cagA, while two promoters are responsible for expression of the upstream divergently transcribed cagB gene. All three promoters are shown to be recognised by RNA polymerase containing the vegetative sigma factor sigma 80. Promoter deletion analyses establish that full activation of the cagA promoter requires sequences up to -70 and binding of the C-terminal portion of the alpha subunit of RNA polymerase to an UP-like element located between -40 and -60, while full activation of the major cagB promoter requires sequences upstream of -96 which overlap with the cagA promoter. These data suggest that the promoters of the pathogenicity island represent a class of minimum promoters, that ensure a basic level of transcription, while full activation requires regulatory elements or structural DNA binding proteins that provide a suitable DNA context. Regarding flagellar biosynthesis, a master transcriptional factor is identified that regulates expression of a series of flagellar basal body and hook genes in concert with the alternative sigma factor sigma 54. Evidence is provided that this regulator, designated FlgR (for flagellar regulatory protein), is necessary for motility and transcription of five promoters for seven basal body and hook genes. In addition, FlgR is shown to act as a repressor of transcription of the sigma 28-regulated promoter of the flaA gene, while changes in DNA topology are shown to affect transcription of the sigma 54-regulated flaB promoter. These data indicate that the regulatory network that governs flagellar gene expression in H. pylori shows similarities to the systems of both Salmonella spp. and Caulobacter crescentus. In contrast to the flagellar genes which are regulated by three different sigma factors, the three operons encoding the major chaperones of H. pylori are shown to be transcribed by RNA polymerase containing the vegetative sigma factor sigma 80. Expression of these operons is shown to be regulated negatively by the transcriptional repressor HspR, a homologue of a repressor protein of Streptomyces spp., known to be involved in negative regulation of heat shock genes. In vitro studies with purified recombinant HspR establish that the protein represses transcription by binding to large DNA regions centered around the transcription initiation site in the case of one promoter, and around -85 and -120 in the case of the the other two promoters. In contrast to the situation in Streptomyces, where transcription of HspR-regulated genes is induced in response to heat shock, transcription of the HspR-dependent genes in H. pylori is not inducible with thermal stimuli. Transcription of two of the three chaperone encoding operons is induced by osmotic shock, while transcription of the third operon, although HspR-dependent, is not affected by salt treatment. Taken together, the analyses carried out indicate that H. pylori has reduced its repertoire of specific regulatory proteins to a basic level that may ensure coordinate regulation of those factors that are necessary during the initial phase of infection including the passage through the gastric lumen and the colonisation of the gastric mucosa. The importance of DNA topology and/or context for transcription of many virulence gene promoters may on the other hand indicate, that a sophisticated global regulatory network is present in H. pylori, which influences transcription of specific subsets of virulence genes in response to changes in the microenvironment.
N2  - Das Gram-negative, spiralförmige Bakterium Helicobacter pylori verursacht verschiedene Krankheiten des oberen Verauungstraktes, wie z.B. chronische superfizielle Gastritis, chronische aktive Gastritis, Ulzera und Magenkarzinom. Obwohl viele der bakteriellen Faktoren, die zur Entwicklung dieser Krankheitsformen beitragen, in den letzten Jahren untersucht wurden, sind die molekularen Mechanismen, die die Expression dieser Faktoren regulieren, noch weitgehend unbekannt. Als Ansatz zur Untersuchung der grundlegenden Mechanismen der Virulenzgenexpression in H. pylori wurden in der vorliegenden Arbeit drei wichtige Virulenzfaktoren repräsentativ für die verschiedenen Phasen des Infektionsprozesses ausgewählt und in Bezug auf ihre transkriptionelle Regulation analysiert. Als essentielle Faktoren für die frühe Phase der Infektion, gekennzeichnet durch die Erstbesiedelung der Schleimschicht des Magens durch die Bakterien, wurden die Flagellen untersucht. Die Chaperone-Proteine mit den mutmaßlichen Adhärenzfaktoren GroEL und DnaK wurden stellvertretend für die Phase der Adhäsion an die Magenepithelzellen und die anschließende persistente Besiedelung der Magenschleimhaut analysiert. Als Verteter der cag Pathogenitätsinsel, die mit großer Wahrscheinlichkeit für die chronische Entzündung und Schädigung des Magengewebes in den späteren Phasen der Infektion verantwortlich ist, wurde schließlich das sogenannte Cytotoxin-assoziierte Antigen CagA untersucht. RNA-Analysen und in vitro-Transkriptionsstudien konnten zeigen, daß die Transkription des cagA-Gens von einem einzigen Promotor aus gesteuert wird, während die Expression des stromaufwärts gelegenen divergenten cagB-Gens von zwei Promotoren reguliert wird. Alle drei Promotoren werden von der vegetativen, sigma 80-enthaltenden RNA-Polymerase erkannt. Durch die Einführung spezifischer Deletionen zwischen cagA und cagB konnte weiterhin gezeigt werden, daß zur vollständigen Aktivierung des cagA-Promoters Sequenzen bis -70 sowie die Bindung der alpha-Untereinheit der RNA-Polymerase an ein UP-ähnliches Element zwischen -40 und -60 erforderlich sind, während die vollständige Aktivierung des wichtigsten cagB-Promotors Sequenzen oberhalb von -96 erfordert, die mit denjenigen des cagA Promoters überlappen. Diese Daten lassen darauf schließen, daß die Promotoren der Pathogenitätsinsel eine Klasse von Minimalpromotoren darstellen, die ein geringes Niveau an Transkription garantieren, für ihre volle Aktivierung aber regulatorische Elemente oder strukturelle DNA-bindende Proteine benötigen, die ein spezielles topologisches Umfeld produzieren. Bezüglich der Flagellen konnte ein zentraler Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der in Kooperation mit dem alternativen Sigma-Faktor sigma 54 die Expression einer Serie von Genen kontrolliert, die für strukturelle Komponenten des Flagellenkörpers kodieren. Es konnte gezeigt werden, daß dieser Faktor (genannt FlgR für Flagellen-Regulator) für die Motilität der Bakterien notwendig ist und die Transkription von fünf Operonen reguliert, die für sieben strukturelle Gene des Flagellen-Basalkörpers und -Hakens kodieren. Darüberhinaus reprimiert FlgR die Transkription des sigma 28-regulierten flaA-Gens, während Änderungen der DNA-Topologie die Transkription des sigma 54-regulierten flaB-Promotors beeinflussen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß das regulatorische Netzwerk, welches die Expression der strukturellen Komponenten der Flagellen in H. pylori kontrolliert, Ähnlichkeiten zu den in Caulobacter crescentus und Salmonella spp. beschriebenen Systemen aufweist. Im Gegensatz zu den Flagellengenen, die von drei verschiedenen Sigma-Faktoren reguliert werden, konnte im Fall der drei Operone, die für die Haupt-Chaperone von H. pylori kodieren, eine sigma 80-abhängige Transkription nachgewiesen werden. Die Expression dieser Operone wird darüberhinaus negativ reguliert durch den transkriptionellen Repressor HspR, ein Homolog des gleichnamigen Hitzeschockrepressors von Streptomyces spp. In vitro-Experimente mit gereinigtem rekombinantem HspR konnten zeigen, daß das Protein die Transkription durch die Bindung an große DNA Regionen reprimiert, die in einem Fall mit dem Transkriptionsstart überlappen, und in den anderen beiden Fällen um -85 bzw. -120 lokalisiert sind. Im Gegensatz zur Situation in Streptomyces, wo die Transkription HspR-abhängiger Gene durch Hitzeschock induziert werden kann, ist die Transkription der HspR-regulierten Gene in H. pylori nicht mit Temperaturerhöhungen induzierbar. Die Expression zweier der drei Chaperone-kodierenden Operone kann dagegen durch osmotischen Schock induziert werden, während die Transkription des dritten Operons, trotz seiner HspR-Abhängigkeit, nicht durch osmotische Reize beeinflußbar ist. In ihrer Gesamtheit lassen die transkriptionellen Analysen der verschiedenen Virulenzfaktoren darauf schließen, daß H. pylori sein Repertoire an spezifischen regulatorischen Genen auf ein minimales Niveau reduziert hat, das die koordinierte Regulation derjenigen Faktoren sicherstellt, die für die Anfangsphase der Infektion, namentlich die Durchquerung des Magenlumens und die Erstbesiedelung des Magenepithels, notwendig sind. Die Bedeutung von DNA-Topologie und -Kontext für die Transkription vieler Virulenzgene könnte andererseits auf die Anwesenheit eines hochentwickelten globalen regulatorischen Netzwerkes hinweisen, welches die Transkription spezifischer Untergruppen von Virulenzgenen in Reaktion auf bestimmte Umweltfaktoren beeinflußt.
KW  - Helicobacter-pylori-Infektion
KW  - Virulenz
KW  - Genexpression
KW  - Helicobacter pylori
KW  - Transkription
KW  - Virulenzfaktoren
KW  - Flagellen
KW  - Pathogenitätsinsel
KW  - Chaperone
KW  - Helicobacter pylori
KW  - transcription
KW  - virulence factors
KW  - flagella
KW  - pathogenicity island
KW  - chaperones
Y1  - 1999
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2334
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jager, Tertia ¬de¬
T1  - Estrogen action in the myocardium
T1  - Östrogenwirkung im Myokard
N2  - Cardiovascular disease is the leading cause of mortality in both men and women in the Western world. Earlier observations have pointed out that pre-menopausal women have a lower risk of developing cardiovascular disease than age-matched men, with an increase in risk after the onset of menopause. This observation has directed the attention to estrogen as a potential protective factor in the heart. So far the focus of research and clinical studies has been the vascular system, leaving the current knowledge on the role of estrogen in the myocardium itself rather scarce. Functional estrogen receptor-alpha as well as -beta have recently been identified in the myocardium, making the myocardium an estrogen target organ. The focus of this thesis was 1) to investigate the role of estrogen and estrogen receptors in modulating myocardial gene expression both in vivo in an animal model for cardiac hypertrophy (spontaneously hypertensive rats; SHR), as well as in vitro in isolated neonatal cardiomyocytes, 2) to investigate the mechanisms of the rapid induction of an estrogen target gene, the early growth response gene-1 (Egr-1) and 3) to initiate the search for novel estrogen target genes in the myocardium. 1) The effects of estrogen on the expression of one of the major myocardial specific contractile proteins, the alpha-myosin heavy chain (alpha-MHC) have been investigated. In ovarectomised animals treated either with 17beta-estradiol alone or in combination with a specific estrogen receptor antagonist, ICI 182780, it was shown that both alpha-MHC mRNA and protein were upregulated by estrogen in an estrogen receptor specific manner. The in vivo results were confirmed in vitro in isolated neonatal cardiomyocytes which showed that estrogen has a direct action on the myocardium potent enough to upregulate the expression of alpha-MHC. Furthermore it was shown that the alpha-MHC promoter is induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner and first investigations into the mechanisms involved in this upregulation identified Egr-1 as a potential transcription factor which, upon induction by estrogen, drives the expression of the alpha-MHC promoter. 2) Previously it was shown that Egr-1 is rapidly induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner which was mediated via 5 serum response elements (SREs) in the promoter region and surprisingly not via the estrogen response elements (EREs). In this study it was shown that estrogen-treatment of cardiomyocytes resulted in the recruitment of serum response factor (SRF), or an antigenically related protein, to the SREs in the Egr-1 promoter, which was specifically inhibited by the estrogen receptor antagonist ICI 182780. Transfection experiments showed that estrogen induced a heterologous promoter consisting only of 5 tandem repeats of the c-fos SRE in an ER-dependent manner, which identified SREs as promoter elements able to confer an estrogen response to target genes. 3) Potentially new target genes regulated by estrogen in vivo were analysed using hearts of ovarectomised animals as well as ovarectomised animals treated with estrogen. Analyses of cDNA microarray filters containing 1250 known genes identified 24 genes that were modified by estrogen in vivo. Among these genes, some might have potentially important functions in the heart and further analyses of these genes will create a more global picture of the role and function of estrogen in the myocardium. Taken together, the results showed that estrogen does have a direct action on the myocardium both by regulating the expression of myocardial specific genes in vivo, as well as exerting rapid non-nuclear effects in cardiac myocytes. It was shown that SREs in the promoter region of genes can confer an estrogen response to genes identifying SREs as important elements in regulation of genes by estrogen. Furthermore, 24 potentially new estrogen targets were identified in the myocardium, contributing to the general understanding of estrogen action in the myocardium.
N2  - Kardiovaskuläre Erkrankungen gehören zu den häufigsten Todesursachen in westlichen Ländern. Vor den Wechseljahren besteht für Frauen ein geringeres Risiko, Herzerkrankungen zu entwickeln als für gleichaltrige Männer. Nach dem Eintritt der Menopause sind diese geschlechtsspezifischen Unterschiede aufgehoben, da sich das Risiko bei Frauen erhöht. Dies deutet darauf hin, dass Östrogene kardioprotektiv wirken. Bislang konzentrierten sich sowohl Forschung als auch klinische Studien hauptsächlich auf das vaskuläre System, so dass wenig über die Rolle von Östrogenen im Myokard bekannt ist. Zwar wurde gezeigt, dass funktionelle Östrogenrezeptoren (alpha- und beta-Form) in Herzmuskelzellen exprimiert werden, ihre genaue Funktion im Myokard ist jedoch noch ungeklärt. Dies lieferte den Ansatzpunkt für die vorliegende Arbeit, die sich mit der Rolle von Östrogenen im Myokard beschäftigte. Dazu wurde 1) der Einfluss der Östrogene auf die Genexpression im Myokard sowohl in vivo mit Hilfe eines Tiermodells für Herzhypertrophie, der spontan hypertensiven Ratte (SHR), als auch in vitro an isolierten neonatalen Kardiomyozyten untersucht. 2) Weiterhin wurde der Mechanismus der schnellen Geninduktion durch Östrogene mit Hilfe eines bereits identifizierten östrogenresponsiven Gens, dem ?Early growth response gene-1? (Egr-1), analysiert. 3) Gleichzeitig wurden erste Versuche zur Identifizierung bislang unbekannter Östrogenzielgene im Myokard eingeleitet. 1) Die Beeinflussung der myokardiale Genexpression wurde an Hand eines myokardial spezifischen kontraktilen Proteins, der alpha-Myosinschwerkette (alpha-MHC), untersucht. Östrogensubstitution in ovarektomierten Ratten induzierte alpha-MHC sowohl auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene in einer spezifisch durch Östrogenrezeptoren vermittelten Weise. In isolierten Kardiomyozyten konnten diese in vivo Ergebnisse bestätigt werden, indem gezeigt wurde, dass Östrogene direkt auf die Herzmuskelzellen wirken und die alpha-MHC-Expression induzieren. Weiterhin wurde die Östrogenrezeptor-abhängige Induktion des alpha-MHC-Promotors durch Östrogene nachgewiesen. Untersuchungen zu dem Mechanismus dieser Induktion identifizierten Egr-1 als potentiellen Transkriptionsfaktor, der durch Östrogene induziert wird und so die alpha-MHC-Induktion vermittelt. 2) Es wurde bereits in einer früheren Arbeit nachgewiesen, dass Egr-1 durch Östrogene in Kardiomyozyten induziert wird. Diese schnelle Induktion wird durch serumresponsive Elemente (SREs), nicht aber durch die östrogenresponsiven Elemente (EREs) im Egr-1 Promotor vermittelt. Zur Untersuchung des Mechanismus dieser schnellen Induktion konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Östrogenbehandlung die Bindung von SRF (serum response factor) an die SREs im Egr-1 Promoter auslöst. Ebenso wurde ein künstlicher Promotor aus 5 SREs des c-fos Promotors durch Östrogene induziert. Diese Induktion fand in einer spezifisch Östrogenrezeptor-vermittelten Weise statt. Damit konnten SREs neben EREs und AP-1 als Promoterelemente identifiziert werden, die eine wichtige Rolle bei der östrogenabhängigen Induktion von Zielgenen spielen. 3) Ein Ansatz zur Identifizierung neuer potentieller Östrogenzielgene im Myokard wurde etabliert. Mit Hilfe der Microarray-Technik wurde die Genexpression in Herzen von ovarektomierten, östrogenbehandelten Tieren mit unbehandelten Tieren verglichen. Durch die Verwendung von cDNA Mikroarray-Membranen mit 1250 cDNAs bekannter Rattengene wurden 24 Gene identifiziert, deren Expression möglicherweise durch Östrogene im Herzen beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit ist es somit gelungen zu zeigen, dass Östrogene eine direkte Wirkung auf das Myokard haben, indem sie die Expression des wichtigen kontraktilen Proteins a-MHC beeinflussen. Daneben vermitteln Östrogene auch schnelle nicht-genomische Geninduktionen via SREs. Zusätzlich wurden 24 potentiell neue Östrogenzielgene im Myokard identifiziert, was zu dem allgemeinen Verständnis der Östrogenwirkung im Myokard beiträgt.
KW  - Herzmuskel
KW  - Östrogene
KW  - Genexpression
KW  - Östrogene
KW  - Östrogenrezeptor
KW  - Myokard
KW  - alpha-Myosinschwerkette
KW  - Egr-1
KW  - serumresponsive Elemente
KW  - SRF
KW  - estrogen
KW  - estrogen receptor
KW  - myocardium
KW  - alpha-myosin heavy chain
KW  - Egr-1
KW  - serum response element
KW  - SRF
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1182573
ER  -