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Die Rolle transposabler Elemente in der Genese des malignen Melanom im Fischmodell Xiphophorus
(2023)
Der Name der transposablen Elemente beruht auf ihrer Fähigkeit, ihre genomische Position verändern zu können. Durch Chromosomenaberrationen, Insertionen oder Deletionen können ihre genomischen Transpositionen genetische Instabilität verursachen. Inwieweit sie darüber hinaus regulatorischen Einfluss auf Zellfunktionen besitzen, ist Gegenstand aktueller Forschung ebenso wie die daraus resultierende Frage nach der Gesamtheit ihrer biologischen Signifikanz. Die Weiterführung experimenteller Forschung ist unabdingbar, um weiterhin offenen Fragen nachzugehen. Das Xiphophorus-Melanom-Modell stellt hierbei eines der ältesten Tiermodelle zur Erforschung des malignen Melanoms dar. Durch den klar definierten genetischen Hintergrund eignet es sich hervorragend zur Erforschung des bösartigen schwarzen Hautkrebses, welcher nach wie vor die tödlichste aller bekannten Hautkrebsformen darstellt. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle transposabler Elemente in der malignen Melanomgenese von Xiphophorus.
Background
The oral mucosa has an important role in maintaining barrier integrity at the gateway to the gastrointestinal and respiratory tracts. Smoking is a strong environmental risk factor for the common oral inflammatory disease periodontitis and oral cancer. Cigarette smoke affects gene methylation and expression in various tissues. This is the first epigenome-wide association study (EWAS) that aimed to identify biologically active methylation marks of the oral masticatory mucosa that are associated with smoking.
Results
Ex vivo biopsies of 18 current smokers and 21 never smokers were analysed with the Infinium Methylation EPICBeadChip and combined with whole transcriptome RNA sequencing (RNA-Seq; 16 mio reads per sample) of the same samples. We analysed the associations of CpG methylation values with cigarette smoking and smoke pack year (SPY) levels in an analysis of covariance (ANCOVA). Nine CpGs were significantly associated with smoking status, with three CpGs mapping to the genetic region of CYP1B1 (cytochrome P450 family 1 subfamily B member 1;best p=5.5x10(-8)) and two mapping to AHRR (aryl-hydrocarbon receptor repressor; best p=5.9x10(-9)). In the SPY analysis, 61 CpG sites at 52 loci showed significant associations of the quantity of smoking with changes in methylation values. Here, the most significant association located to the gene CYP1B1, with p=4.0x10(-10). RNA-Seq data showed significantly increased expression of CYP1B1 in smokers compared to non-smokers (p=2.2x10(-14)), together with 13 significantly upregulated transcripts. Six transcripts were significantly downregulated. No differential expression was observed for AHRR. In vitro studies with gingival fibroblasts showed that cigarette smoke extract directly upregulated the expression of CYP1B1.
Conclusion
This study validated the established role of CYP1B1 and AHRR in xenobiotic metabolism of tobacco smoke and highlights the importance of epigenetic regulation for these genes. For the first time, we give evidence of this role for the oral masticatory mucosa.
Osmotic stimulus or stress results in vasopressin release. Animal and human in vitro studies have shown that inflammatory parameters, such as interle ukin-8 (IL-8) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha), increase in parallel in the central nervous system and bronchial, corneal or intestinal epithelial cell lines in response to osmotic stimulus. Whether osmotic stimulus directly causes a systemic inflammatory response in humans is unknown. We therefore investigated the influence of osmotic stimulus on circulatory markers of systemic inflammation in healthy volunteers. In this prospective cohort study, 44 healthy volunteers underwent a standardized test protocol with an osmotic stimulus leading into the hyperosmotic/hypernatremic range (serum sodium >= 150 mmol/L) by hypertonic saline infusion. Copeptin - a marker indicating vasopressin activity - serum sodium and osmolality, plasma IL-8 and TNF-alpha were measured at baseline and directly after osmotic stimulus. Median (range) serum sodium increased from 141 mmol/L (136, 147) to 151 mmol/L (145, 154) (P < 0.01), serum osmolality increased from 295 mmol/L (281, 306) to 315 mmol/L (304, 325) (P < 0.01). Median (range) copeptin increased from 4.3 pg/L (1.1, 21.4) to 28.8 pg/L (19.9, 43.4) (P < 0.01). Median (range) IL-8 levels showed a trend to decrease from 0.79 pg/mL (0.37, 1.6) to 0.7 pg/mL (0.4, 1.9) (P < 0.09) and TNF-alpha levels decreased from 0.53 pg/mL (0.11, 1.1) to 0.45 pg/mL (0.1 2, 0.97) (P < 0.036). Contrary to data obtained in vitro, circulating proinflammatory cytokines tend to or decrease in human plasma after osmotic stimulus. In this study, osmotic stimulus does not increase circulating markers of systemic inflammation.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst bei den gesammelten 14 Tumoren mit einem putativen allelischen Verlust im Bereich 8p21.3-22 nochmals eine LOH-Analyse durchgeführt und die Voruntersuchungen bestätigt. Als zweiter Schritt konnte die Etablierung des MTUS1-Antikörpers erfolgreich durchgeführt werden. Die Paraffinblöcke wurde aus dem Institut für Pathologie herausgesucht und selbstständig Schnitte davon angefertigt. Die immunhistochemische Analyse der MTUS1-Expression ergab einen Expressionsverlust bei 7 von 14 Tumoren und eine Reduktion der Expression bei weiteren 3 der 14 Tumoren. Bei insgesamt 7 von 14 Tumoren scheint somit die Expression von dem allelischen Verlust assoziiert zu sein. Allerdings konnte bei den übrigen 7 Tumoren eine Expression des MTUS1-Gens nachgewiesen werden. Ein allelischer Verlust führt somit nicht immer zu einer Inaktivierung von MTUS1. MTUS1 wird somit nicht immer nach dem klassischen Mechanismen der Knudson-Hypothese (Mutation des ersten Allels gefolgt von der Deletion des zweiten Alles) inaktiviert. Möglicherweise kann in weiteren Studien ein anderes Gen in dem entsprechenden Bereich identifiziert werden, das im Rahmen eines allelischen Verlustes immer komplett inaktiviert wird. Außerdem sollten, da andere Studien eine Relevanz von MTUS1 als Tumorsupressorgen beim kolorektalen Karzinom und auch bei anderen Tumoren zeigen konnten, weitere Studien durchgeführt werden, in denen alternativen Inaktivierungsmechanismen von MTUS1 untersucht werden.
Peripheral neuropathy is accompanied by changes in the neuronal environment. The blood-nerve barrier (BNB) is crucial in protecting the neural homeostasis: Tight junctions (TJ) seal paracellular spaces and thus prevent external stimuli from entering. In different models of neuropathic pain, the BNB is impaired, thus contributing to local damage, immune cell invasion and, ultimately, the development of neuropathy with its symptoms. In this study, we examined changes in expression and microstructural localization of two key tight junction proteins (TJP), claudin-1 and the cytoplasmic anchoring ZO-1, in the sciatic nerve of mice subjected to chronic constriction injury (CCI). Via qPCR and analysis of fluorescence immunohistochemistry, a marked downregulation of mRNA as well as decreased fluorescence intensity were observed in the nerve for both proteins. Moreover, a distinct zig-zag structure for both proteins located at cell-cell contacts, indicative of the localization of TJs, was observed in the perineurial compartment of sham-operated animals. This microstructural location in cell-cell-contacts was lost in neuropathy as semiquantified via computational analysis, based on a novel algorithm. In summary, we provide evidence that peripheral neuropathy is not only associated with decrease in relevant TJPs but also exhibits alterations in TJP arrangement and loss in barrier tightness, presumably due to internalization. Specifically, semiquantification of TJP in cell-cell-contacts of microcompartments could be used in the future for routine clinical samples of patients with neuropathy.
Donor CD4\(^+\)Foxp3\(^+\) regulatory T cells (T reg cells) suppress graft-versus-host disease (GvHD) after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HCT allo-HCT]). Current clinical study protocols rely on the ex vivo expansion of donor T reg cells and their infusion in high numbers. In this study, we present a novel strategy for inhibiting GvHD that is based on the in vivo expansion of recipient T reg cells before allo-HCT, exploiting the crucial role of tumor necrosis factor receptor 2 (TNFR2) in T reg cell biology. Expanding radiation-resistant host T reg cells in recipient mice using a mouse TNFR2-selective agonist before allo-HCT significantly prolonged survival and reduced GvHD severity in a TNFR2-and T reg cell-dependent manner. The beneficial effects of transplanted T cells against leukemia cells and infectious pathogens remained unaffected. A corresponding human TNFR2-specific agonist expanded human T reg cells in vitro. These observations indicate the potential of our strategy to protect allo-HCT patients from acute GvHD by expanding T reg cells via selective TNFR2 activation in vivo.
The genomes of kinetoplastids are organized into polycistronic gene clusters that are flanked by the modified DNA base J. Previous work has established a role of base J in promoting RNA polymerase II termination in Leishmania spp. where the loss of J leads to termination defects and transcription into adjacent gene clusters. It remains unclear whether these termination defects affect gene expression and whether read through transcription is detrimental to cell growth, thus explaining the essential nature of J. We now demonstrate that reduction of base J at specific sites within polycistronic gene clusters in L. major leads to read through transcription and increased expression of downstream genes in the cluster. Interestingly, subsequent transcription into the opposing polycistronic gene cluster does not lead to downregulation of sense mRNAs. These findings indicate a conserved role for J regulating transcription termination and expression of genes within polycistronic gene clusters in trypanosomatids. In contrast to the expectations often attributed to opposing transcription, the essential nature of J in Leishmania spp. is related to its role in gene repression rather than preventing transcriptional interference resulting from read through and dual strand transcription.
Background
The human endogenous retrovirus K (HERV-K) has been acquired by the genome of human ancestors million years ago. It is the most complete of the HERVs with transcriptionally active gag, pol and env genes. Splice variants of env, which are rec, 1.5 kb transcript and Np9 have been suggested to be tumorigenic. Transcripts of HERV-K have been detected in a multitude of human cancers. However, no such reports are available concerning glioblastomas (GBM), the most common malignant brain tumor in adults. Patients have a limited prognosis of 14.6 months in median, despite standard treatment. Therefore, we elucidated whether HERV-K transcripts could be detected in these tumors and serve as new molecular target for treatment.
Findings
We analyzed human GBM cell lines, tissue samples from patients and primary cell cultures of different passages for HERV-K full length mRNA and env, rec and 1.5 kb transcripts. While the GBM cell lines U138, U251, U343 and GaMG displayed weak and U87 strong expression of the full length HERV-K, the splice products could not be detected, despite a weak expression of env mRNA in U87 cells. Very few tissue samples from patients showed weak expression of env mRNA, but none of the rec or 1.5 kb transcripts. Primary cells expressed the 1.5 kb transcript weakly in early passages, but lost HERV-K expression with extended culture time.
Conclusions
These data suggest that HERV-K splice products do not play a role in human malignant gliomas and therefore, are not suitable as targets for new therapy regimen.
Das humane MLC1 (auch als KIAA0027 oder WKL1 benannt) ist ein 377 AS umfassendes Protein, welches vornehmlich in neuralen Geweben exprimiert wird. Aufgrund von Strukturanalysen und Homologievergleichen wurde eine Funktion als Ionenkanal mit acht Transmembrandomänen postuliert. Loss-of-function-Mutationen des MLC1-Gens lassen sich mit dem Auftreten der Megalenzephale Leukenzephalopathie mit subkortikalen Zysten korrelieren. Ferner konnte anhand einer Stammbaumanalyse gezeigt werden, dass die C1121A-Mutation in einer größeren Familie mit dem Auftreten der Periodischen Katatonie nach Leonhardt (PK) kosegregierte, wobei Folgeuntersuchungen zur Assoziation von MLC1-Mutationen und dem Auftreten der PK widersprüchliche Ergebnisse erbrachten.
Zur weiteren Aufklärung der biologischen Funktion von MLC1 war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, in zwei experimentellen Ansätzen nähere Kenntnisse zum transkriptionellen Expressionsmuster von MLC1 in vivo zu gewinnen, und anschließend durch Herstellung eines polyklonalen Antikörpers gegen das humane MLC1 den Grundstein für weitergehende Untersuchungen zur funktionellen Bedeutung von MLC1 zu legen.
Mittels In Situ-Hybridisierung humaner und muriner Gewebeschnitte aus Hippocampus und Cerebellum konnte gezeigt werden, dass die MLC1/Mlc1-Transkription in diesen Geweben vornehmlich in den Bergmann-Gliazellen der Purkinjezellschicht des Cerebellums sowie – in schwächerem Umfang – in verstreut liegenden und in der subgranulären Zone des Gyrus dentatus gehäuften Astrozyten des murinen Hippocampus nachweisbar war. Im zweiten Schritt der Analyse wurden humane post-mortem cDNA-Proben aus verschiedenen Gehirnregionen und zusätzlich einigen nicht-neuralen Geweben von zwei Menschen gewonnen, mittels quantitativer Real-time-PCR die Genexpression von MLC1 bestimmt und mithilfe des Expressionsniveaus von ausgewählten Housekeeping-Genen (GAPDH, L13a, β-Aktin, ARP und Cyclophilin) normalisiert. Es zeigte sich, dass in allen getesteten Hirnregionen eine deutliche MLC1-Expression festzustellen war, deren Maxima im Cerebellum und Frontalhirn und deren Minima im Putamen bzw. im nicht-neuralen Plexus chorioideus lagen. Zudem konnte eine nicht-neurale Expression auf sehr geringem Niveau für Lunge und Milz nachgewiesen werden.
Zur Gewinnung eines polyklonalen Antikörpers gegen humanes MLC1 wurden mittels computergestützter Verfahren ein 117 AS langes Vakzinierungsprotein entworfen, welches immunogene Abschnitte des N-Terminus (61 AS) und C-Terminus (54 AS) enthielt. Die kodierende Sequenz wurde unter Verwendung des Impact-CN®-Expressionssystems in einen pTYB-Vektor kloniert, in ER2566-Zellen exprimiert, das Protein affinitätschromatographisch über Chitin-Säulen isoliert und aufgereinigt und mittels Bradford-Assay und SDS-Gelelektrophorese nachgewiesen.
Leider konnte trotz vielfältiger Variation der Versuchsparameter kein eindeutiger Nachweis einer ausreichenden Expression des MLC1-Proteins in den ER2566-Zellen erbracht werden, die für die anschließende Vakzinierung von Kaninchen zur Gewinnung des polyklonalen Antiserums erforderlich gewesen wäre. Die Gründe hierfür sind unklar, denkbar sind beispielsweise eine suboptimale Codon-Frequenz, eine schlechte Proteinlöslichkeit, intrazelluläre mRNA-Degradation, proteolytische Abbauvorgänge oder eine Hemmung der Proteinbiosynthese durch die biologische Funktion des Proteins.
Zusammenfassend konnten die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens zur MLC1-Expression leisten. Dabei entsprachen die Befunde zur humanen MLC1-Expression weitgehend den diesbezüglichen Beobachtungen zur regionalen und zellulären Expressionsstärkenverteilung aus dem Mausmodell, welche eine funktionelle Bedeutung von MLC1 im Rahmen von neuralen Schrankenstrukturen nahelegten (vgl. Schmitt et al. 2003). Mittels der zwischenzeitlich von anderen Arbeitsgruppen (über andere experimentelle Verfahren) erzeugten Antikörper gegen MLC1 konnte gezeigt werden, dass funktionelles MLC1 vermutlich als zellmembranständiges Dimer vorliegt und seine biologische Funktion u.a. durch Interaktion mit dem DGC (=Dystrophin-assoziierten Glykoprotein-Komplex) in den Caveolae ausübt. Es bleibt eine Aufgabe für die Zukunft, die genauen molekularen Mechanismen dieser Prozesse und ihre mögliche therapeutische Beeinflussbarkeit zur Behandlung der MLC zu erforschen. Auch die Frage der potenziellen extraneuralen MLC1-Expression, für die in dieser Arbeit Hinweise gefunden wurden, mag ein interessanter Ansatzpunkt für zukünftige Forschungsarbeiten sein.
Single-cell time-lapse analysis of depletion of the universally conserved essential protein YgjD
(2011)
Background:
The essential Escherichia coli gene ygjD belongs to a universally conserved group of genes whose function has been the focus of a number of recent studies. Here, we put ygjD under control of an inducible promoter, and used time-lapse microscopy and single cell analysis to investigate the phenotypic consequences of the depletion of YgjD protein from growing cells.
Results:
We show that loss of YgjD leads to a marked decrease in cell size and termination of cell division. The transition towards smaller size occurs in a controlled manner: cell elongation and cell division remain coupled, but cell size at division decreases. We also find evidence that depletion of YgjD leads to the synthesis of the intracellular signaling molecule (p) ppGpp, inducing a cellular reaction resembling the stringent response. Concomitant deletion of the relA and spoT genes - leading to a strain that is uncapable of synthesizing (p) ppGpp abrogates the decrease in cell size, but does not prevent termination of cell division upon YgjD depletion.
Conclusions:
Depletion of YgjD protein from growing cells leads to a decrease in cell size that is contingent on (p) ppGpp, and to a termination of cell division. The combination of single-cell time-lapse microscopy and statistical analysis can give detailed insights into the phenotypic consequences of the loss of essential genes, and can thus serve as a new tool to study the function of essential genes.