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Objective
Cadherin-13 (CDH13), a member of the calcium-dependent cell adhesion molecule family, has been linked to neurodevelopmental disorders, including autism spectrum (ASD) and attention-deficit/hyperactivity (ADHD) disorders, but also to depression. In the adult brain, CDH13 expression is restricted e.g. to the presynaptic compartment of inhibitory GABAergic synapses in the hippocampus and Cdh13 knockout mice show an increased inhibitory drive onto hippocampal CA1 pyramidal neurons, leading to a shift in excitatory/inhibitory balance. CDH13 is also moderating migration of serotonergic neurons in the dorsal raphe nucleus, establishing projections preferentially to the thalamus and cerebellum during brain development. Furthermore, CDH13 is upregulated by chronic stress as well as in depression, suggesting a role in early-life adaptation to stressful experience. Here, we therefore investigated the interaction between Cdh13 variation and neonatal maternal separation (MS) in mice.
Methods
Male and female wild-type (Cdh13+/+), heterozygous (Cdh13+/−) and homozygous (Cdh13−/−) knockout mice exposed to MS, or daily handling as control, were subjected to a battery of behavioural tests to assess motor activity, learning and memory as well as anxiety-like behaviour. A transcriptome analysis of the hippocampus was performed in an independent cohort of mice which was exposed to MS or handling, but remained naïve for behavioural testing.
Results
MS lead to increased anxiety-like behaviour in Cdh13−/− mice compared to the other two MS groups. Cdh13−/− mice showed a context-dependent effect on stress- and anxiety-related behaviour, impaired extinction learning following contextual fear conditioning and decreased impulsivity, as well as a mild decrease in errors in the Barnes maze and reduced risk-taking in the light-dark transition test after MS. We also show sex differences, with increased locomotor activity in female Cdh13−/− mice, but unaltered impulsivity and activity in male Cdh13−/− mice. Transcriptome analysis revealed several pathways associated with cell surface/adhesion molecules to be altered following Cdh13 deficiency, together with an influence on endoplasmic reticulum function.
Conclusion
MS resulted in increased stress resilience, increased exploration and an overall anxiolytic behavioural phenotype in male Cdh13+/+ and Cdh13+/− mice. Cdh13 deficiency, however, obliterated most of the effects caused by early-life stress, with Cdh13−/− mice exhibiting delayed habituation, no reduction of anxiety-like behaviour and decreased fear extinction. Our behavioural findings indicate a role of CDH13 in the programming of and adaptation to early-life stress. Finally, our transcriptomic data support the view of CDH13 as a neuroprotective factor as well as a mediator in cell-cell interactions, with an impact on synaptic plasticity.
The Gram-negative Epsilonproteobacterium Campylobacter jejuni is currently the most prevalent bacterial foodborne pathogen. Like for many other human pathogens, infection studies with C. jejuni mainly employ artificial animal or cell culture models that can be limited in their ability to reflect the in-vivo environment within the human host. Here, we report the development and application of a human three-dimensional (3D) infection model based on tissue engineering to study host-pathogen interactions. Our intestinal 3D tissue model is built on a decellularized extracellular matrix scaffold, which is reseeded with human Caco-2 cells. Dynamic culture conditions enable the formation of a polarized mucosal epithelial barrier reminiscent of the 3D microarchitecture of the human small intestine. Infection with C. jejuni demonstrates that the 3D tissue model can reveal isolate-dependent colonization and barrier disruption phenotypes accompanied by perturbed localization of cell-cell junctions. Pathogenesis-related phenotypes of C. jejuni mutant strains in the 3D model deviated from those obtained with 2D-monolayers, but recapitulated phenotypes previously observed in animal models. Moreover, we demonstrate the involvement of a small regulatory RNA pair, CJnc180/190, during infections and observe different phenotypes of CJnc180/190 mutant strains in 2D vs. 3D infection models. Hereby, the CJnc190 sRNA exerts its pathogenic influence, at least in part, via repression of PtmG, which is involved in flagellin modification. Our results suggest that the Caco-2 cell-based 3D tissue model is a valuable and biologically relevant tool between in-vitro and in-vivo infection models to study virulence of C. jejuni and other gastrointestinal pathogens.
Control of living cells is vital for the survival of organisms. Each cell inside an organism is exposed to diverse external mechano-chemical cues, all coordinated in a spatio-temporal pattern triggering individual cell functions. This complex interplay between external chemical cues and mechanical 3D environments is translated into intracellular signaling loops. Here, we describe how external mechano-chemical cues control cell functions, especially cell migration, and influence intracellular information transport. In particular, this work focuses on the quantitative analysis of (1) intracellular vesicle transport to understand intracellular state changes in response to external cues, (2) cellular sensing of external chemotactic cues, and (3) the cells' ability to migrate in 3D structured environments, artificially fabricated to mimic the 3D environment of tissue in the human body.
Breakdown of sphingomyelin as catalyzed by the activity of sphingomyelinases profoundly affects biophysical properties of cellular membranes which is particularly important with regard to compartmentalization of surface receptors and their signaling relay. As it is activated both upon TCR ligation and co-stimulation in a spatiotemporally controlled manner, the neutral sphingomyelinase (NSM) has proven to be important in T cell activation, where it appears to play a particularly important role in cytoskeletal reorganization and cell polarization. Because these are important parameters in directional T cell migration and motility in tissues, we analyzed the role of the NSM in these processes. Pharmacological inhibition of NSM interfered with early lymph node homing of T cells in vivo indicating that the enzyme impacts on endothelial adhesion, transendothelial migration, sensing of chemokine gradients or, at a cellular level, acquisition of a polarized phenotype. NSM inhibition reduced adhesion of T cells to TNF-α/IFN-γ activated, but not resting endothelial cells, most likely via inhibiting high-affinity LFA-1 clustering. NSM activity proved to be highly important in directional T cell motility in response to SDF1-α, indicating that their ability to sense and translate chemokine gradients might be NSM dependent. In fact, pharmacological or genetic NSM ablation interfered with T cell polarization both at an overall morphological level and redistribution of CXCR4 and pERM proteins on endothelial cells or fibronectin, as well as with F-actin polymerization in response to SDF1-α stimulation, indicating that efficient directional perception and signaling relay depend on NSM activity. Altogether, these data support a central role of the NSM in T cell recruitment and migration both under homeostatic and inflamed conditions by regulating polarized redistribution of receptors and their coupling to the cytoskeleton.
Background: CEACAM3 is a granulocyte receptor mediating the opsonin-independent recognition and phagocytosis of human-restricted CEACAM-binding bacteria. CEACAM3 function depends on an intracellular immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-like sequence that is tyrosine phosphorylated by Src family kinases upon receptor engagement. The phosphorylated ITAM-like sequence triggers GTP-loading of Rac by directly associating with the guanine nucleotide exchange factor (GEF) Vav. Rac stimulation in turn is critical for actin cytoskeleton rearrangements that generate lamellipodial protrusions and lead to bacterial uptake.
Principal Findings: In our present study we provide biochemical and microscopic evidence that the adaptor proteins Nck1 and Nck2, but not CrkL, Grb2 or SLP-76, bind to tyrosine phosphorylated CEACAM3. The association is phosphorylation-dependent and requires the Nck SH2 domain. Overexpression of the isolated Nck1 SH2 domain, RNAi-mediated knock-down of Nck1, or genetic deletion of Nck1 and Nck2 interfere with CEACAM3-mediated bacterial internalization and with the formation of lamellipodial protrusions. Nck is constitutively associated with WAVE2 and directs the actin nucleation promoting WAVE complex to tyrosine phosphorylated CEACAM3. In turn, dominant-negative WAVE2 as well as shRNA-mediated knock-down of WAVE2 or the WAVE-complex component Nap1 reduce internalization of bacteria.
Conclusions: Our results provide novel mechanistic insight into CEACAM3-initiated phagocytosis. We suggest that the CEACAM3 ITAM-like sequence is optimized to co-ordinate a minimal set of cellular factors needed to efficiently trigger actin-based lamellipodial protrusions and rapid pathogen engulfment.
Multiple myeloma (MM) is a largely incurable plasma cell malignancy with a poorly understood and heterogeneous clinical course. To identify potential, functionally relevant somatic mutations in MM, we performed whole-exome sequencing of five primary MM, corresponding germline DNA and six MM cell lines, and developed a bioinformatics strategy that also integrated published mutational data of 38 MM patients. Our analysis confirms that identical, recurrent mutations of single genes are infrequent in MM, but highlights that mutations cluster in important cellular pathways. Specifically, we show enrichment of mutations in adhesion molecules of MM cells, emphasizing the important role for the interaction of the MM cells with their microenvironment. We describe an increased rate of mutations in receptor tyrosine kinases (RTKs) and associated signaling effectors, for example, in EGFR, ERBB3, KRAS and MAP2K2, pointing to a role of aberrant RTK signaling in the development or progression of MM. The diversity of mutations affecting different nodes of a particular signaling network appears to be an intrinsic feature of individual MM samples, and the elucidation of intra- as well as interindividual redundancy in mutations that affect survival pathways will help to better tailor targeted therapeutic strategies to the specific needs of the MM patient.
Mechanical cues such as extracellular matrix stiffness and movement have a major impact on cell differentiation and function. To replicate these biological features in vitro, soft substrata with tunable elasticity and the possibility for controlled surface translocation are desirable. Here we report on the use of ultra-soft (Young's modulus <100 kPa) PDMS-based magnetoactive elastomers (MAE) as suitable cell culture substrata. Soft non-viscous PDMS (<18 kPa) is produced using a modified extended crosslinker. MAEs are generated by embedding magnetic microparticles into a soft PDMS matrix. Both substrata yield an elasticity-dependent (14 vs. 100 kPa) modulation of alpha-smooth muscle actin expression in primary human fibroblasts. To allow for static or dynamic control of MAE material properties, we devise low magnetic field (approximate to 40 mT) stimulation systems compatible with cell-culture environments. Magnetic field-instigated stiffening (14 to 200 kPa) of soft MAE enhances the spreading of primary human fibroblasts and decreases PAX-7 transcription in human mesenchymal stem cells. Pulsatile MAE movements are generated using oscillating magnetic fields and are well tolerated by adherent human fibroblasts. This MAE system provides spatial and temporal control of substratum material characteristics and permits novel designs when used as dynamic cell culture substrata or cell culture-coated actuator in tissue engineering applications or biomedical devices.
In dieser Arbeit wurden acht fließfähige Komposite auf das Abrasions und Abscherverhalten von fließfähigen Kompositen untersucht. Die Materialien Filtek Supreme XT, Transbond LR, Transbond Supreme LV, Tetric EvoFlow, Venus Diamond Flow, Vertise Flow, Gradia Direct LoFlo sind im ersten Teil auf Volumenverlust und Tiefenverlust sowohl nach 150.000 als auch nach 300.000 Zyklen getestet worden. Durch die Drei-Medien-Abrasion wurden die fließfähigen Komposite von einem Mohn-Wasser-Gemisch abradiert. Filtek Supreme XT, Transbond LR und Transbond Supreme LV erwiesen sich als besonders abrasionsstabil in Hinblick auf die Langzeitretenion im Mund. In dem zweiten Teil wurden diese acht Materialien auf die Abscherwiderstände untersucht. Es sollte der Einfluss von Temperaturwechseln im Sinne einer künstlichen Alterung geklärt werden und ob eine Zwischenschicht aus niederviskösem Komposit (Adhäsiv) bei fließfähigen Kompositen notwendig ist. Nach Durchführung des Versuches und Auswertung der Ergebnisse erreichten die Komposite mit einem geringeren Füllstoffanteil ohne Adhäsiv ebenso gute Werte wie mit Adhäsiv. Dagegen erzielten Komposite mit hohem Füllstoffanteil und geringer Viskosität, höhere Haftwerte mit Adhäsiv als Zwischenschicht. Besonders das Material Transbond LR bestätigt diese Aussage und erreicht als hochgefülltes Komposit mit einer Zwischenschicht aus Adhäsiv Spitzenwerte von 27,5MPa.
Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) gehört zu den am besten untersuchten und charakterisierten probiotischen Bakterienstämmen. Seit Beginn des letzten Jahrhunderts wird er als Medikament eingesetzt, um verschiedene Darmerkrankungen wie z.B. Diarrhöe, entzündliche Darmerkrankungen und Verstopfung zu behandeln. Die Flagelle des EcN vermittelt Beweglichkeit und kann die Produktion von humanem β-Defensin 2 (hBD2) durch Epithelzellen induzieren. Somit ist dieses Organell direkt in die probiotische Funktion des EcN involviert. Es konnte gezeigt werden, dass die Flagellen anderer Bakterien, wie z.B. dem probiotischen Stamm Bacillus cereus CH oder den pathogenen Stämmen Pseudomonas aeruginosa und Clostridium difficile, die Adhäsion an intestinalen Mucus, welcher von Epithelzellen sekretiert wird, vermitteln. Allerdings blieb unklar, welcher Teil der Flagelle an welche Mucuskomponente bindet. Die Fähigkeit effizient an Wirtgewebe zu adhärieren wird als wichtiges Attribut eines probiotischen Stammes angesehen. Ex vivo Adhäsionsstudien mit Kryoschnitten humaner Darmbiopsien haben gezeigt, dass die Flagelle des EcN in die effiziente Adhäsion an humanes Darmgewebe involviert sein muss. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Funktion der Flagelle des EcN als Adhäsin untersucht. Zunächst wurde die hyperflagellierte Variante EcN ATHF isoliert und durch verschiedene Experimente, z.B. Schwärmagartests und Elektronenmikroskopie, charakterisiert. Weitere ex vivo Adhäsionsstudien mit EcN ATHF zeigten eine höhere Adhäsionseffizienz dieser hyperflagellierten Variante und bestätigten damit die Rolle der Flagelle bei der effizienten Adhäsion von EcN an die Kryoschnitte der humanen Darmbiopsien. Interessanterweise fungierte die Flagelle in in vitro Studien mit den humanen Epithelzellen Caco-2 und T24 nicht als Adhäsin. Diese Unterschiede zwischen den in vitro und ex vivo Studien führten zu der Annahme, dass die Flagelle des EcN in vivo die Adhäsion an Mucus vermittelt, welcher von den Caco-2- und T24-Zellen nicht produziert wird, aber in den Kryoschnitten der Darmbiopsien nachgewiesen wurde. Diese Vermutung wurde durch in vitro Adhäsionsstudien mit der Mucin-produzierenden Epithelzelllinie LS174-T bestätigt, da die Flagellen für eine effektive Adhäsion an diese Zellen essentiell waren. Zudem reduzierte die Präinkubation flagellierter EcN-Stämme mit Mucin2 ihre Adhäsionseffizienz an Kryoschnitte humaner Darmbiopsien. Um die direkte Interaktion zwischen Flagellen des EcN Wildtyps und Mucus zu zeigen, wurde ein ELISA etabliert. Es konnte eine direkte konzentrationsabhängige Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und Mucin2, bzw. humanem Mucus (Kolon) beobachtet werden. Interessanterweise konnte keine Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und murinem Mucus (Duodenum, Ileum, Caecum, Colon) festgestellt werden. Dies weist darauf hin, dass die Mucuszusammensetzung zwischen verschiedenen Spezies variiert. Verschiedene Kohlenhydrate, welche bekannte Mucusbestandteile sind, wurden auf ihre Interaktion mit der Flagelle von EcN getestet und Gluconat wurde als ein Rezeptor identifiziert. Die Präinkubation isolierter Flagellen mit Gluconat reduzierte ihre Interaktion mit Mucin2, bzw. humanem Mucus signifikant. Zudem wurde die oberflächenexponierte Domäne D3 des Flagellins, der Hauptuntereinheit der Flagelle, als möglicher Interaktionspartner von Mucin2, bzw. humanem Mucus ausgeschlossen. Flagellen, die aus einer Domäne D3 Deletionsmutante isoliert wurden, zeigten sogar eine effizientere Bindung an Mucin2, bzw. humanen Mucus. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Änderungen des pH-Wertes signifikante Effekte auf die Interaktion zwischen Mucus und isolierten Flagellen hatten, vermutlich aufgrund von Konformationsänderungen. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Flagelle als neues und scheinbar wichtigstes Adhäsin in vivo für den probiotischen Stamm EcN identifiziert. Hierfür wurden sowohl eine hyperflagellierte Variante, eine ΔfliC Mutante, sowie der dazugehörige komplementierte Stamm verwendet. EcN ist zudem der erste probiotische Stamm für den eine direkte Bindung der Flagellen an humanen Mucus nachgewiesen werden konnte. Die Mucuskomponente Gluconat konnte dabei als wichtiger Rezeptor identifiziert werden. Da einige pathogene Bakterien ihre Flagelle zur Adhäsion an Wirtsgewebe nutzen, könnte dieses Organell EcN dazu befähigen, mit Pathogenen um die erfolgreiche Kolonisierung des Darms zu konkurrieren, was als wichtige Eigenschaft eines Probiotikums betrachtet wird.
Die Bedeutung des Zwei-Partner-Sekretionssystems für die Adhärenz von Meningokokken an Epithelzellen
(2009)
Das two-partner secretion-system (TPS-System) ist ein unter Gram-negativen Bakterien weit verbreiteter Weg der Proteinsekretion. Die als TpsA bezeichneten Exoproteine des TPS Systems benötigen ein spezifisches Partnerprotein (genannt TpsB) in Form eines kanalbildenden Transporters. Im sequenzierten Genom des Meningokokkenstammes MC58 finden sich fünf putative tpsA Gene, die als hemagglutinin/hemolysin-related protein (hrps) bezeichnete werden. Neben MC58 finden sich auch in den anderen sequenzierten Meningokokkenstämmen (FAM18, Z2491, alpha14) hrps. Diese weisen N-terminal Homologien zum filamentösen Hämagglutinin (FHA) von B. pertussis auf, das als TpsA-Protein des two-partner-secretion-system (TPS) aus der Zelle transportiert wird. In dieser Arbeit werden die hrps als hrpA Gene bzw. HrpA-Proteine bezeichnet. Alle sequenzierten Meningokokkenstämme verfügen über tpsB homologe Gene (hrpB), die jeweils in enger Nachbarschaft zu den hrpA Genen zu finden sind. Das Vorhandensein von hrpA und hrpB Genen deutet darauf hin, dass auch Meningokokken über ein funktionales TPS-System verfügen. Bei einer Dot-Blot-Analyse von 830 Meningokokkenstämmen aus einer bayerischen Trägerstudie mit Sonden spezifisch für die C-terminalen Bereiche der im Stamm MC58 gefundenen hrpA Gene hybridisierten 80% der ausgewerteten Stämme mit mindestens einer der Sonden. Stämme der hypervirulenten klonalen Komplexen (ST-8, ST-11, ST32, ST-44) zeigten sogar in über 99% eine positive Reaktion. Dagegen wiesen die nicht-hypervirulenten klonalen Komplexe zu 29% im Dot Blot kein hrpA auf, das homolog zu den hrpA Genen von Stamm MC58 ist, wobei es sich hierbei mehrheitlich (82%) um cnl Stämme handelte, so dass sich nur in 10% der untersuchten Kapsel-null-locus-Stämme (cnl) ein zu den hrpA Genen von MC58 homologes Gen nachweisen ließ. Mit der Hypothese, dass auch diese Stämme ein hrpA besitzen, welches sich im C-terimalen Anteil von denen des MC58 unterscheidet wurden in dieser Arbeit Dot Blots durchgeführt, deren Sonde spezifisch für das hrpB NMC0443 war. 97,6% der mit dieser Sonde untersuchten Stämme zeigten die Anwesenheit eines hrpB Homologs. Um die Vermutung zu bestätigen, dass allen hrpB Genen ein zugehöriges hrpA Gen benachbart liegt, wurden repräsentativ PCRs von häufigen klonalen Komplexen durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass ein TPS-System sowohl in den hypervirulenten als auch den nicht-hypervirulenten klonalen Komplexen der Meningokokken vorkommt. Die vielfältigen Funktionen von bereits untersuchten TpsA Proteinen sind zumeist mit der Pathogenität der Bakterien assoziiert. In dieser Arbeit wurde ein möglicher Einfluss der HrpA Proteine auf die Adhäsion der Bakterien an humane Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl eine kapsellose, als auch eine kapsellose, LPS-trunkierte hrpA Deletionsmutante signifikant schlechter an Epithelzellen adhäriert als die parentalen Vergleichsstämme. Ebenso zeigten die analog durchgeführten Infektionsversuche mit der hrpB Deletionsmutante einen Adhärenzverlust, der jedoch nur für die unbekapselte und LPS trunkierte hrpB Deletionsmutante signifikant war. In dieser Arbeit ist es gelungen das HrpB Protein des Stammes 2120 in E. coli zu exprimieren und aufzureinigen, sodass die Entwicklung eines gegen HrpB gerichteten Antikörpers in Auftrag gegeben werden konnte. Mit Hilfe dieses Antikörpers sollen noch offene Fragen zur Synthese und dem Transport des HrpB Transportproteins beantwortet werden. Außerdem können weitere Untersuchungen zur Lage und Verteilung der HrpBs in der Meningokokkenmembran dazu beitragen, weiteren Aufschluss über die Komplexität von Pathogenität und Virulenz von N. meningitidis zu geben.