610 Medizin und Gesundheit
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Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is an inherited heart muscle disease caused by heterozygous missense mutations within the gene encoding for the nuclear envelope protein transmembrane protein 43 (TMEM43). The disease is characterized by myocyte loss and fibro-fatty replacement, leading to life-threatening ventricular arrhythmias and sudden cardiac death. However, the role of TMEM43 in the pathogenesis of ACM remains poorly understood. In this study, we generated cardiomyocyte-restricted transgenic zebrafish lines that overexpress eGFP-linked full-length human wild-type (WT) TMEM43 and two genetic variants (c.1073C>T, p.S358L; c.332C>T, p.P111L) using the Tol2-system. Overexpression of WT and p.P111L-mutant TMEM43 was associated with transcriptional activation of the mTOR pathway and ribosome biogenesis, and resulted in enlarged hearts with cardiomyocyte hypertrophy. Intriguingly, mutant p.S358L TMEM43 was found to be unstable and partially redistributed into the cytoplasm in embryonic and adult hearts. Moreover, both TMEM43 variants displayed cardiac morphological defects at juvenile stages and ultrastructural changes within the myocardium, accompanied by dysregulated gene expression profiles in adulthood. Finally, CRISPR/Cas9 mutants demonstrated an age-dependent cardiac phenotype characterized by heart enlargement in adulthood. In conclusion, our findings suggest ultrastructural remodeling and transcriptomic alterations underlying the development of structural and functional cardiac defects in TMEM43-associated cardiomyopathy.
Aufgrund mangelnder Aktivität der Gewebe-unspezifischen Phosphatase (tissue-nonspecific alkaline phosphatase, TNAP) kommt es zum Krankheitsbild der Hypophosphatasie (HPP). Neben skelettalen und neuronalen Symptomen leiden Patienten mit HPP häufig an einem vorzeitigen Verlust der Milchzähne und weiteren dentalen Manifestationen, wie Zahnhartsubstanzdefekten, Eruptionsstörungen, erweiterte Pulpenkammern oder einer verringerten alveolären Knochenhöhe.
Ziel der Arbeit war es, den Einfluss der TNAP auf die Zahnentwicklung von Zebrafischlarven zu untersuchen, um ein neues in-vivo Modell für die dentalen Auswirkungen bei Hypophosphatasie etablieren zu können. Um die sehr kleinen Zähne der Zebrafischlarven auch in frühen Entwicklungsstadien darzustellen, wurden mittels verschiedener histologischer Färbungen die Zahnstrukturen angefärbt und die Larven danach in JB4®, einen polymeren Kunststoff, eingebettet. Im Anschluss wurden histologische Schnitte angefertigt und am Fluoreszenzmikroskop ausgewertet.
Einerseits konnte durch In-situ-Hybridisierung die Expression verschiedener Gene, wie z.B. alpl (welches für die Tnap im Zebrafisch kodiert), im Bereich von dentalen Strukturen in verschiedenen Entwicklungsstadien nachgewiesen werden. Außerdem zeigte die Analyse der dentalen Strukturen nach Inhibition der Tnap mittels Levamisol bei fünf Tage alten Zebrafischlarven eine Veränderung von Form, Größe und Struktur der ersten Zähne. Die TNAP-Inhibition führte auch zur quantitativ nachweisbaren Steigerung des Fluoreszenzsignals von ß-Catenin, welches eine zentrale Funktion im Wnt/ß-Catenin-Signalweg besitzt und essenziell in verschiedenen zellulären Prozessen während der Embryogenese ist.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der Arbeit, dass der Zebrafisch großes Potenzial als in-vivo Modell für die dentalen Symptome bei HPP bietet. Außerdem eröffnen sich neue interessante Fragen in Bezug auf den Einfluss von ß-Catenin bei den frühen pathophysiologischen Prozessen der Erkrankung.
Tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP) is a ubiquitously expressed enzyme that is best known for its role during mineralization processes in bones and skeleton. The enzyme metabolizes phosphate compounds like inorganic pyrophosphate and pyridoxal-5′-phosphate to provide, among others, inorganic phosphate for the mineralization and transportable vitamin B6 molecules. Patients with inherited loss of function mutations in the ALPL gene and consequently altered TNAP activity are suffering from the rare metabolic disease hypophosphatasia (HPP). This systemic disease is mainly characterized by impaired bone and dental mineralization but may also be accompanied by neurological symptoms, like anxiety disorders, seizures, and depression. HPP characteristically affects all ages and shows a wide range of clinical symptoms and disease severity, which results in the classification into different clinical subtypes. This review describes the molecular function of TNAP during the mineralization of bones and teeth, further discusses the current knowledge on the enzyme’s role in the nervous system and in sensory perception. An additional focus is set on the molecular role of TNAP in health and on functional observations reported in common laboratory vertebrate disease models, like rodents and zebrafish.
Arrhythmogenic cardiomyopathy has been clinically defined since the 1980s and causes right or biventricular cardiomyopathy associated with ventricular arrhythmia. Although it is a rare cardiac disease, it is responsible for a significant proportion of sudden cardiac deaths, especially in athletes. The majority of patients with arrhythmogenic cardiomyopathy carry one or more genetic variants in desmosomal genes. In the 1990s, several knockout mouse models of genes encoding for desmosomal proteins involved in cell–cell adhesion revealed for the first time embryonic lethality due to cardiac defects. Influenced by these initial discoveries in mice, arrhythmogenic cardiomyopathy received an increasing interest in human cardiovascular genetics, leading to the discovery of mutations initially in desmosomal genes and later on in more than 25 different genes. Of note, even in the clinic, routine genetic diagnostics are important for risk prediction of patients and their relatives with arrhythmogenic cardiomyopathy. Based on improvements in genetic animal engineering, different transgenic, knock-in, or cardiac-specific knockout animal models for desmosomal and nondesmosomal proteins have been generated, leading to important discoveries in this field. Here, we present an overview about the existing animal models of arrhythmogenic cardiomyopathy with a focus on the underlying pathomechanism and its importance for understanding of this disease. Prospectively, novel mechanistic insights gained from the whole animal, organ, tissue, cellular, and molecular levels will lead to the development of efficient personalized therapies for treatment of arrhythmogenic cardiomyopathy.
Ras genes are among the most commonly mutated genes in human cancer; yet our understanding of their oncogenic activity at the molecular mechanistic level is incomplete. To identify downstream events that mediate ras-induced cellular transformation in vivo, we analyzed global microRNA expression in three different models of Ras-induction and tumor formation in zebrafish. Six microRNAs were found increased in Ras-induced melanoma, glioma and in an inducible model of ubiquitous Ras expression. The upregulation of the microRNAs depended on the activation of the ERK and AKT pathways and to a lesser extent, on mTOR signaling. Two Ras-induced microRNAs (miR-146a and 193a) target Jmjd6, inducing downregulation of its mRNA and protein levels at the onset of Ras expression during melanoma development. However, at later stages of melanoma progression, jmjd6 levels were found elevated. The dynamic of Jmjd6 levels during progression of melanoma in the zebrafish model suggests that upregulation of the microRNAs targeting Jmjd6 may be part of an anti-cancer response. Indeed, triple transgenic fish engineered to express a microRNA-resistant Jmjd6 from the onset of melanoma have increased tumor burden, higher infiltration of leukocytes and shorter melanoma-free survival. Increased JMJD6 expression is found in several human cancers, including melanoma, suggesting that the up-regulation of Jmjd6 is a critical event in tumor progression.
The following link has been created to allow review of record GSE37015: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?token=jjcrbiuicyyqgpc&acc=GSE37015.
Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is an established optical neuroimaging method for measuring functional hemodynamic responses to infer neural activation. However, the impact of individual anatomy on the sensitivity of fNIRS measuring hemodynamics within cortical gray matter is still unknown. By means of Monte Carlo simulations and structural MRI of 23 healthy subjects (mean age: (25.0 +/- 2.8) years), we characterized the individual distribution of tissue-specific NIR-light absorption underneath 24 prefrontal fNIRS channels. We, thereby, investigated the impact of scalp-cortex distance (SCD), frontal sinus volume as well as sulcal morphology on gray matter volumes (V(gray)) traversed by NIR-light, i.e. anatomy-dependent fNIRS sensitivity. The NIR-light absorption between optodes was distributed describing a rotational ellipsoid with a mean penetration depth of (23.6 +/- 0.7) mm considering the deepest 5% of light. Of the detected photon packages scalp and bone absorbed (96.4 +/- 9: 7)% and V(gray) absorbed (3.1 +/- 1.8)% of the energy. The mean V(gray) volume (1.1 +/- 0.4)cm(3) was negatively correlated (r = - .76) with the SCD and frontal sinus volume (r = - .57) and was reduced by 41.5% in subjects with relatively large compared to small frontal sinus. Head circumference was significantly positively correlated with the mean SCD (r = .46) and the traversed frontal sinus volume (r = .43). Sulcal morphology had no significant impact on V(gray). Our findings suggest to consider individual SCD and frontal sinus volume as anatomical factors impacting fNIRS sensitivity. Head circumference may represent a practical measure to partly control for these sources of error variance.
Das Tuberoinfundibuläre Peptid von 39 Aminosäuren (TIP39), ein kurzes Oligopeptid mit einer N-terminalen und einer C-terminalen alpha-Helix, wurde ursprünglich bei der Suche nach einem Liganden für den neu beschriebenen PTH2-Rezeptor aus einem Hypothalamus-Hypophysen-Extrakt isoliert. Aus der bisherigen Charakterisierung von TIP39 ist am meisten bekannt bezüglich der Expressions-Muster und der Interaktion am PTH2-Rezeptor. TIP39 ist der stärkste bekannte Aktivator des PTH2-Rezeptors und wirkt am PTH1-Rezeptor als funktioneller Antagonist. Inzwischen wurde auch das TIP39 Gen des Menschen und der Maus charakterisiert. Die physiologische Rolle von TIP39 ist dennoch bisher weitgehend ungeklärt, diskutiert werden Einflüsse auf den Kalzium-Phosphat-Haushalt, die Hypothalamus-Hypophysen-Achse oder die Nozizeption. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung des TIP39 kodierenden Gens des Zebrafischs danio rerio. Die komplette cDNA konnte amplifiziert werden und wurde unter der Accession No. AF486190 in der GenBank veröffentlicht. Der Genlocus konnte mittels Radiation Hybrid Mapping auf Chromosom 17 lokalisiert werden. Die 3 charakterisierten Exons und 2 Introns umfassen zusammen ca. 3750 bp. Daneben wurde die Prozessierung des Genprodukts aufgeklärt: TIP39 wird beim Zebrafisch als Preprohormon translatiert, am N-terminalen Ende findet sich eine 25 Aminosäuren lange Signalsequenz, die für sezernierte Peptide typisch ist und welche für die Aufnahme in das Endoplasmatische Retikulum verantwortlich ist. In diesem Bereich finden sich eine weitgehende Übereinstimmungen zwischen den analysierten Spezies. Gefolgt wird die Zielsequenz von einem 93 Aminosäuren langen Zwischenpeptid, das sich als wenig konserviert zwischen den Spezies zeigt. Die eigentliche Sequenz von TIP39 beim Zebrafisch zeigte eine Sequenzhomologie von 59% zur humanen Sequenz und wurde mittels Blast Suche als hochkonserviert in allen 12 untersuchten Spezies wiedergefunden. Im genomischen Southern-Blot zeigte sich, dass TIP39 beim Zebrafisch im einfachen Chromosomensatz ein „single-copy“ Gen ist. Mittels RT-PCR konnte eine sehr frühe erste Expression von TIP39 bereits ab 16 Stunden nach Fertilisation gezeigt werden. Im Bereich des supraoptischen Trakts des Zebrafischhirn konnte eine scharf umschriebene Zellpopulation mit starker TIP39-Expression detektiert werden. Durch Knockdown-Experimente konnte beim Zebrafisch gezeigt werden, dass ein Fehlen von TIP39 Expression während der Embryogenese zu einer Fehlentwicklung des Frontalhirns führt und zudem mit einer Funktionsbeeinträchtigung der Schwanzmotorik einhergeht. Hierfür wurden gerade befruchteten Zebrafischeiern im Zwei-Zell-Stadium sogenannte „Morpholinos“ injiiziert, welche als Antisense-Nukleotide spezifisch die Translation von TIP39 hemmen. Ergänzend konnte im Mäusehirn die Expression von TIP39 mittels in-situ Hybridisierung bestimmt werden. Es zeigte sich eine Expression von TIP39 in einer Vielzahl von klar umschriebenen Neuronengruppen, so im Hypothalamus, dem limbischen System und in sensorischen Neuronen, ohne dass sich im Einzelfall jeweils sicher eine Funktion hieraus ableiten lässt. In der vorliegenden Arbeit konnte somit erstmals gezeigt werden, dass TIP39 zur korrekten Neurogenese bei der Entwicklung des Frontalhirns des Zebrafisches unabdingbar ist und auch die frühe Entwicklung der Motoneurone durch TIP39 beeinflusst wird. Die ermittelten Daten unterstützen die Vorstellung von TIP39 als ein sezerniertes Neuropeptid, das als Transmitter in der Sensorik, insbesondere der Nozizeption, wirkt. Auch eine Beeinflussung der zentralnervösen Steuerung der Motorik durch TIP39 wird angenommen. Die gute Lokalisations-Übereinstimmung der Expressionen von TIP39 mit seinem zugeordneten Rezeptor, dem PTH2-Rezeptor, lässt eine systemische endokrine Wirkung von TIP39 wenig wahrscheinlich erscheinen, sondern stärkt die Hypothese von TIP39 als einem para-, bzw. autokrin wirkenden Neurotransmitter.