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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.
Transient receptor potential channels are important mediators of thermal and mechanical stimuli and play an important role in neuropathic pain. The contribution of hereditary variants in the genes of transient receptor potential channels to neuropathic pain is unknown. We investigated the frequency of transient receptor potential ankyrin 1, transient receptor potential melastin 8 and transient receptor potential vanilloid 1 single nucleotide polymorphisms and their impact on somatosensory abnormalities in neuropathic pain patients. Within the German Research Network on Neuropathic Pain (Deutscher Forscbungsverbund Neuropathischer Schmerz) 371 neuropathic pain patients were phenotypically characterized using standardized quantitative sensory testing. Pyrosequencing was employed to determine a total of eleven single nucleotide polymorphisms in transient receptor potential channel genes of the neuropathic pain patients and a cohort of 253 German healthy volunteers. Associations of quantitative sensory testing parameters and single nucleotide polymorphisms between and within groups and subgroups, based on sensory phenotypes, were analyzed. Single nucleotide polymorphisms frequencies did not differ between both the cohorts. However, in neuropathic pain patients transient receptor potential ankyrin 1 710G>A (rs920829, E179K) was associated with the presence of paradoxical heat sensation (p=0.03), and transient receptor potential vanilloid 1 1911A>G (rs8065080, I585V) with cold hypoalgesia (p=0.0035). Two main subgroups characterized by preserved (1) and impaired (2) sensory function were identified. In subgroup 1 transient receptor potential vanilloid 1 1911A>G led to significantly less heat hyperalgesia, pinprick hyperalgesia and mechanical hypaesthesia (p=0.006, p=0.005 and p<0.001) and transient receptor potential vanilloid 1 1103C>G (rs222747, M315I) to cold hypaesthesia (p=0.002), but there was absence of associations in subgroup 2. In this study we found no evidence that genetic variants of transient receptor potential channels are involved in the expression of neuropathic pain, but transient receptor potential channel polymorphisms contributed significantly to the somatosensory abnormalities of neuropathic pain patients.
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.
Background:
Mantle cell lymphoma (MCL) is genetically characterized by the t(11; 14)(q13; q32) translocation and a high number of secondary chromosomal alterations. The contribution of DNA methylation to MCL lymphomagenesis is not well known. We sought to identify epigenetically silenced genes in these tumours that might have clinical relevance.
Methodology/Principal Findings:
To identify potential methylated genes in MCL we initially investigated seven MCL cell lines treated with epigenetic drugs and gene expression microarray profiling. The methylation status of selected candidate genes was validated by a quantitative assay and subsequently analyzed in a series of primary MCL (n = 38). After pharmacological reversion we identified 252 potentially methylated genes. The methylation analysis of a subset of these genes (n = 25) in the MCL cell lines and normal B lymphocytes confirmed that 80% of them were methylated in the cell lines but not in normal lymphocytes. The subsequent analysis in primary MCL identified five genes (SOX9, HOXA9, AHR, NR2F2, and ROBO1) frequently methylated in these tumours. The gene methylation events tended to occur in the same primary neoplasms and correlated with higher proliferation, increased number of chromosomal abnormalities, and shorter survival of the patients.
Conclusions:
We have identified a set of genes whose methylation degree and gene expression levels correlate with aggressive clinicopathological features of MCL. Our findings also suggest that a subset of MCL might show a CpG island methylator phenotype (CIMP) that may influence the behaviour of the tumours.
Introduction:
Oncolytic viruses show promise for treating cancer. However, to assess therapeutic efficacy and potential toxicity, a noninvasive imaging modality is needed. This study aimed to determine if insertion of the human sodium iodide symporter (hNIS) cDNA as a marker for non-invasive imaging of virotherapy alters the replication and oncolytic capability of a novel vaccinia virus, GLV-1h153.
Methods:
GLV-1h153 was modified from parental vaccinia virus GLV-1h68 to carry hNIS via homologous recombination. GLV-1h153 was tested against human pancreatic cancer cell line PANC-1 for replication via viral plaque assays and flow cytometry. Expression and transportation of hNIS in infected cells was evaluated using Westernblot and immunofluorescence. Intracellular uptake of radioiodide was assessed using radiouptake assays. Viral cytotoxicity and tumor regression of treated PANC-1tumor xenografts in nude mice was also determined. Finally, tumor radiouptake in xenografts was assessed via positron emission tomography (PET) utilizing carrier-free (124)I radiotracer.
Results:
GLV-1h153 infected, replicated within, and killed PANC-1 cells as efficiently as GLV-1h68. GLV-1h153 provided dose-dependent levels of hNIS expression in infected cells. Immunofluorescence detected transport of the protein to the cell membrane prior to cell lysis, enhancing hNIS-specific radiouptake (P < 0.001). In vivo, GLV-1h153 was as safe and effective as GLV-1h68 in regressing pancreatic cancer xenografts (P < 0.001). Finally, intratumoral injection of GLV-1h153 facilitated imaging of virus replication in tumors via (124)I-PET.
Conclusion:
Insertion of the hNIS gene does not hinder replication or oncolytic capability of GLV-1h153, rendering this novel virus a promising new candidate for the noninvasive imaging and tracking of oncolytic viral therapy.
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.
Das Enzym alpha-Dioxygenase (alpha-DOX) aus Erbsen (Pisum sativum) wurde mit folgenden Zielsetzungen untersucht: Isolierung und Charakterisierung der für die P. sativum alpha-DOX codierenden cDNA, Überproduktion der P. sativum alpha-DOX in Escherichia coli und nachfolgende Isolierung, Untersuchung der Interaktion der P. sativum alpha-DOX mit Fettsäuresubstraten sowie systematische Studie der Expression der P. sativum alpha-DOX während der Keimung und Entwicklung von Erbsenpflanzen. alpha-Dioxygenasen katalysieren in Pflanzen den Initialschritt der alpha-Oxidation von langkettigen Fettsäuren, die über die intermediäre Bildung von (R)-2-Hydroperoxyfettsäuren führt. Folgeprodukte dieser Reaktion sind die entsprechende (R)-2-Hydroxysäure sowie der um ein C-Atom kettenverkürzte Aldehyd. Es wurde die für die alpha-Dioxygenase aus Erbsen codierende cDNA mit einer Gesamtlänge von 2132 bp isoliert, die ein offenes Leseraster von 1929 bp beinhaltet. Sie codiert für ein Protein mit 643 Aminosäuren und einem errechneten Molekulargewicht von ca. 73 kD. Die Pisum sativum alpha-Dioxygenase wurde in E. coli als Fusionsprotein mit einem 6 x His-tag überproduziert und mittels Metallaffinitätschromatographie an Ni-NTA-Agarose isoliert. Studien zur Interaktion der P. sativum alpha-Dioxygenase mit Fettsäuresubstraten umfassten sowohl Versuche zu Anforderungen auf Seiten des Substrats als auch zu potentiellen Interaktionspartnern auf Seiten des Enzym. Es wurde gezeigt, dass für die Reaktion von alpha-Dioxygenasen mit Fettsäuren die freie Carboxylgruppe des Substrats unerlässlich ist. Aufgrund eines Aminosäuresequenzvergleichs zwischen der alpha-Dioxygenase aus Erbsen und PGHS-1 aus O. aries wurden vier Aminosäuren als potentielle Interaktionspartner auf Seiten der alpha-Dioxygenase aus Erbsen ausgewählt. Es handelte sich um die Arginin-Reste Arg-87, Arg-391, Arg-569 und Arg-570. Mit Hilfe der ortsspezifischen Mutagenese wurde gezeigt, dass der Aminosäurerest Arg-570 für die katalytische Aktivität unerlässlich ist. Die Expression der P. sativum alpha-Dioxygenase in keimenden Erbsen und jungen Erbsenpflanzen wurde sowohl in ihrem zeitlichen Verlauf als auch hinsichtlich der Gewebespezifität betrachtet. Die Ergebnisse zeigten, dass Keimung zu einer deutlichen Akkumulation von alpha-Dioxygenase mRNA in Erbsen führte. Auch alpha-Dioxygenase Protein war in großer Menge in keimenden und jungen Erbsenpflanzen vorhanden. Ausgeprägte Gewebespezifität war festzustellen: alpha-DOX mRNA fand sich fast ausschließlich in Wurzeln von Erbsenpflanzen, in Sprossgewebe dagegen war sie kaum vorhanden. Im Gegensatz dazu lag alpha-DOX Protein gleichermaßen in Spross- und in Wurzelgewebe vor. Parallel zur Reifung der Pflanzen nahm die Menge an alpha-DOX mRNA und Protein ab. Alpha-Dioxygenase-Aktivität war bereits in trockenen Samen detektierbar, während der Keimung nahm sie deutlich zu. Im Vergleich von Spross- und Wurzelgewebe war die Aktivität in Wurzeln höher, bezogen sowohl auf das Frischgewicht der Pflanzen als auch auf die Menge an Gesamtprotein (spezifische Aktivität). Die Untersuchungen an Wurzeln zeigten, dass die Aktivität bezogen auf das Frischgewicht der Pflanzen über den betrachteten Zeitraum kaum variierte, während die spezifische Aktivität mit zunehmendem Alter der Pflanzen kontinuierlich zunahm. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass in Erbsen mehrere alpha-Dioxygenase-Isoenzyme vorhanden sind, so wie man dies für andere höhere Pflanzen bereits postuliert hat. Ein zellprotektiver Effekt von alpha-Dioxygenasen auf Pflanzen während der Interaktion mit Pathogenen ist bekannt. Möglicherweise ist dies auch der Grund für eine verstärkte Expression während der Keimung von Pflanzen. Die bevorzugte Expression in Wurzeln könnte auf eine Funktion als permanentes Schutzsystem gegen Infektion hindeuten.
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.