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Die von Proffit und Vig (1981) als Primary Failure of Eruption (PFE, Primäre Durchbruchstörung) klassifizierte Zahndurchbruchstörung resultiert klinisch häufig in schwergradigen Auswirkungen. Hierbei handelt es sich um Beeinträchtigungen des Wachstums des Alveolarfortsatzes, ebenso wie Dilazerationen, große vertikale Defekte und schwergradige lateral offene Bisse.
Die eindeutige Diagnostik und Abgrenzung der PFE von anderen Zahndurchbruchstörungen gestaltete sich bis zur Bestimmung der zugrunde liegenden Ursachen als sehr schwierig. Aufgrund von Fehldiagnosen kam es häufig zu Behandlungsmisserfolgen.
Um die PFE schneller und spezifischer diagnostizieren zu können, ist das Wissen über die zugrunde liegenden Mutationen des Parathormonrezeptor 1- Genes (PTHR1-Genes), welche bei PFE-Patienten isoliert wurden, von großer Bedeutung.
Im Zuge vorangegangener Studien wurden bereits einige Mutationen des PTHR1 als pathogen klassifiziert, hierzu zählt die PTHR1-Mutante W339*, eine Abbruchmutante, welche auf einem Basenaustausch beruht. Darüber hinaus liegen Daten zu potenziell pathogenen Genvariationen, wie die PTHR1-Mutante G452E, eine Aminosäureaustausch-Mutante, vor. Der Nachweis ihrer Pathogenität würde die Diagnosestellung sichern.
Um die Pathogenität der PTHR1-Variationen nachweisen zu können, wurde ihre RNA in X. laevis Oozyten injiziert. Der PTHR1 wurde zusammen mit mTRESK, einem Kaliumkanal, exprimiert und im Anschluss auf sein Verhalten bei Zugabe von 100 nM Parathormon (PTH) mit elektrophysiolgischen Messungen untersucht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die bei nicht an PFE erkrankten Menschen vorkommende Variante des PTHR1 (PTHR1-WT) eine Aktivierung von 260,47% im Vergleich zu den Ausgangswerten unter einer physiologischen Lösung (ND96) zeigte. Im Gegensatz dazu konnte bei der bereits als pathogen klassifizierten PTHR1-Variation W339* kein signifikanter Anstieg der Aktivität unter PTH-Zugabe nachgewiesen werden. Für die potenziell pathogene PTHR1-Mutante G452E konnte ebenfalls keine signifikante Aktivitätssteigerung als Reaktion auf die Zugabe des Agonisten PTH nachzuweisen ermittelt werden.
Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei der PTHR1-Mutante G452E ebenfalls um eine pathogene Variation des PTHR1-Genes handelt, genauso wie bei der als pathogen klassifizierten Variation W339* des PTHR1, da beide in den durchgeführten Messungen dasselbe Verhalten zeigen.
Die als Kontrollgruppe künstlich erzeugte Mutante G452A des PTHR1 zeigte hingegen eine signifikante Aktivierung von 91,02% im Vergleich zu den gemessenen Ausgangswerten unter physiolgischem ND96. Durch einen einfachen Aminosäureaustausch wurde die Basensequenz des Rezeptors so verändert, dass die Funktion trotz der Mutation wieder hergestellt werden konnte. Dies geschah durch den Einbau eines Alanins anstelle des natürlich vorkommenden Glycins. Im Gegensatz zu dem Einbau von Glutamat, bei der im Patientenkollektiv isolierten PTHR1-Mutante G452E, bei welcher die Funktionsfähigkeit nicht mehr vorliegt.
Die gemessene Aktivität ist zwar geringer als beim WT, legt aber nahe, dass es im Falle dieser künstlichen Mutation nicht zu einer Krankheitsausprägung kommt, da die Reaktion in ihrer Gesamtheit der des PTHR1-WT entspricht. Dies wird auch durch die signifikante Erhöhung des auswärts-gerichteten K+-Stromes deutlich, der sich analog zum gesunden PTHR1 verhält. . Es konnte somit die Funktionsfähigkeit der künstlichen PTHR1-Mutante G452A nachgewiesen werden. Die gesamten erzielten Ergebnisse waren durch die Abbildung von klinischen Befunden auf molekularer Ebene in Oozyten möglich. Durch die Kombination eines Kalium-Kanales mit dem krankheitsspezifischen Rezeptor konnte das Verhalten des Rezeptors anhand des mittels TEVC-Messungen ermittelten Verhaltens des Kalium-Kanales abgebildet werden.
Bei dem verwendeten Kalium-Kanal handelte es sich um mTRESK, welcher mit dem Parathormonrezeptor 1 zusammen exprimiert wurde. Durch die Zugabe des spezifischen Rezeptoragonisten PTH kam es bei den funktionsfähigen Variationen des Rezeptors zu einer Konformationsänderung des G-Proteins. Diese resultierte im weiteren Verlauf in einem Anstieg des intrazellulären Calcium-Spiegels und einer Aktivierung von Calcineurin. Die Dephosphorilierung des Kalium-Kanales mTRESK, welche zu einer Aktivitätssteigerung des Kanals führte, war die Folge.
Dies verdeutlicht, wie auch zukünftig durch die Kooexpression von krankheitsspezifischen Rezeptoren und elektrophysiologisch ableitbaren Strömen, die Bedeutungen und Auswirkungen von Mutationen auf molekularer Ebene funktionell nachgewiesen werden können.
Die vorliegende Arbeit erbringt somit unter Verwendung dieses Expressionssystems den Nachweis dafür, dass es sich bei der im Patientenkollektiv isolierten PTHR1-Mutante G452E um eine pathogene Variation des PTHR1-Genes handelt. Zudem konnten die vorangegangenen Ergebnisse, wonach es sich bei der ebenfalls im Patientenkollektiv isolierten PTHR1-Mutante W339* um eine pathogene Mutation handelt bestätigt werden.
Patienten mit diesen Genvariationen können somit eindeutig die Diagnose PFE erhalten und entsprechend zielführend therapiert werden.
Clostridial neurotoxins (botulinum toxins and tetanus toxin) disrupt neurotransmitter release by cleaving neuronal SNARE proteins. We generated transgenic flies allowing for conditional expression of different botulinum toxins and evaluated their potential as tools for the analysis of synaptic and neuronal network function in Drosophila melanogaster by applying biochemical assays and behavioral analysis. On the biochemical level, cleavage assays in cultured Drosophila S2 cells were performed and the cleavage efficiency was assessed via western blot analysis. We found that each botulinum toxin cleaves its Drosophila SNARE substrate but with variable efficiency. To investigate the cleavage efficiency in vivo, we examined lethality, larval peristaltic movements and vision dependent motion behavior of adult Drosophila after tissue-specific conditional botulinum toxin expression. Our results show that botulinum toxin type B and botulinum toxin type C represent effective alternatives to established transgenic effectors, i.e. tetanus toxin, interfering with neuronal and non-neuronal cell function in Drosophila and constitute valuable tools for the analysis of synaptic and network function.
Die NO/cGMP-vermittelte Signalkaskade ist im vaskulären System entscheidend an der Regulation des Blutdrucks beteiligt. Innerhalb der Kaskade nimmt die NO-sensitive Guanylyl-Cyclase (NO-GC) eine Schlüsselfunktion als wichtigster Rezeptor für das Signalmolekül Stickstoffmonoxids (NO) ein. NO wird endogen von verschiedenen Isoformen der NO Synthase produziert. Die Bindung von NO an die NO GC führt zur Produktion des sekundären Botenstoffs cyclisches Guanosinmonophosphat (cGMP). Dieser Botenstoff aktiviert verschiedene Effektor-Moleküle und bewirkt letztlich eine Relaxation der glatten Muskulatur. Ein weiterer sekundärer Botenstoff, das Signalmolekül cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP), ist ebenfalls an der Regulation des Tonus der glatten Muskulatur und dadurch an der Blutdruckregulation beteiligt. Unterschiedliche Phosphodiesterasen (PDE) bauen die sekundären Botenstoffe ab und beenden dadurch die Signalkaskaden. Die PDE3 spielt hierbei eine besondere Rolle, da sie eine gemischte Substratspezifität besitzt. Um den Einfluss der NO-GC auf das kardiovaskuläre System zu untersuchen, wurden NO-GC Knockout(KO)-Mäuse mit globaler (GCKO) oder Glattmuskel-spezifischer (SMC-GCKO) Deletion der NO-GC generiert.
Um das Zusammenspiel von cAMP und cGMP näher zu beleuchten, wurde im ersten Teil dieser Arbeit die PDE3 genauer untersucht. Im Gefäßsystem wird lediglich die PDE3A und nicht die PDE3B exprimiert. Die Aorten von GCKO- und SMC-GCKO-Tieren reagieren sensitiver auf PDE3A-Blockade als die Kontroll-Tiere. Auch die akute Blockade der NO-GC führt zu diesem Sensitivitätseffekt. Die PDE3A ist in Folge der NO-GC-Deletion sowohl in ihrer Expression, als auch ihrer Aktivität um die Hälfte reduziert. Dies dient vermutlich kompensatorisch dazu, das cAMP-Signal weitgehend zu erhalten und so eine cAMP-induzierte Relaxation der Gefäße zu gewährleisten. Ohne Rückkopplung zwischen den beiden Signalwegen käme es vermutlich zu weiteren negativen Konsequenzen für das Herz-Kreislaufsystem. Diese Daten weisen auf eine direkte Regulation der PDE3 in glatten Muskelzellen durch die NO/cGMP-Signalkaskade und einen PDE3-vermittelten cAMP/cGMP-Crosstalk hin. Der genaue Mechanismus dieser Expressionsregulation ist noch unklar. Denkbar wäre eine cGMP-vermittelte Transkriptionsregulation oder eine Modulation der Translation der PDE3A.
Der Verlust der NO-GC führt in GCKO- und SMC-GCKO-Mäusen zu einem erhöhten systolischen Blutdruck von ~30 mmHg. Bei der Entwicklung der arteriellen Hypertonie könnte eine erhöhte Aortensteifigkeit beteiligt sein, die im zweiten Teil dieser Arbeit näher untersucht wurde. In GCKO-Mäusen ist die aortale Steifigkeit und daraus resultierend die Pulswellengeschwindigkeit (PWV) deutlich erhöht. Die Steigerung der PWV wird in den GCKO-Tieren zusätzlich durch den verminderten Aorten-Durchmesser bedingt. Außerdem weisen die Aorten dieser Tiere eine veränderte Wandstruktur auf, die zu einer Verminderung der aortalen Windkesselfunktion führt. Diese Veränderungen könnten die Blutdruckerhöhung in GCKO-Mäusen erklären. In SMC-GCKO-Tieren tritt keine dieser Gefäß-Modifikationen auf. Eine Aortensteifigkeit als mögliche Ursache für den erhöhten systolischen Blutdruck in den SMC-GCKO-Tieren kann somit ausgeschlossen werden. Zur Aufklärung müssen weitere Versuche zum Aufbau der Gefäßwände und zur Bestimmung des peripheren Widerstands gemacht werden. Auch der Einfluss anderer Zelltypen, wie z.B. Perizyten oder Fibroblasten, auf die Blutdruckregulation sollte untersucht werden.
Correlating molecular labeling at the ultrastructural level with high confidence remains challenging. Array tomography (AT) allows for a combination of fluorescence and electron microscopy (EM) to visualize subcellular protein localization on serial EM sections. Here, we describe an application for AT that combines near-native tissue preservation via high-pressure freezing and freeze substitution with super-resolution light microscopy and high-resolution scanning electron microscopy (SEM) analysis on the same section. We established protocols that combine SEM with structured illumination microscopy (SIM) and direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). We devised a method for easy, precise, and unbiased correlation of EM images and super-resolution imaging data using endogenous cellular landmarks and freely available image processing software. We demonstrate that these methods allow us to identify and label gap junctions in Caenorhabditis elegans with precision and confidence, and imaging of even smaller structures is feasible. With the emergence of connectomics, these methods will allow us to fill in the gap-acquiring the correlated ultrastructural and molecular identity of electrical synapses.
PTH1R Mutants Found in Patients with Primary Failure of Tooth Eruption Disrupt G-Protein Signaling
(2016)
Aim
Primary failure of tooth eruption (PFE) is causally linked to heterozygous mutations of the parathyroid hormone receptor (PTH1R) gene. The mutants described so far lead to exchange of amino acids or truncation of the protein that may result in structural changes of the expressed PTH1R. However, functional effects of these mutations have not been investigated yet.
Materials and Methods
In HEK293 cells, PTH1R wild type was co-transfected with selected PTH1R mutants identified in patients with PFE. The effects on activation of PTH-regulated intracellular signaling pathways were analyzed by ELISA and Western immunoblotting. Differential effects of wild type and mutated PTH1R on TRESK ion channel regulation were analyzed by electrophysiological recordings in Xenopus laevis oocytes.
Results
In HEK293 cells, activation of PTH1R wild type increases cAMP and in response activates cAMP-stimulated protein kinase as detected by phosphorylation of the vasodilator stimulated phosphoprotein (VASP). In contrast, the PTH1R mutants are functionally inactive and mutant PTH1R/Gly452Glu has a dominant negative effect on the signaling of PTH1R wild type. Confocal imaging revealed that wild type PTH1R is expressed on the cell surface, whereas PTH1R/Gly452Glu mutant is mostly retained inside the cell. Furthermore, in contrast to wild type PTH1R which substantially augmented K+ currents of TRESK channels, coupling of mutated PTH1R to TRESK channels was completely abolished.
Conclusions
PTH1R mutations affect intracellular PTH-regulated signaling in vitro. In patients with primary failure of tooth eruption defective signaling of PTH1R mutations is suggested to occur in dento-alveolar cells and thus may lead to impaired tooth movement.
Background
Traumatic brain injury (TBI) is a major cause of death and disability. Neuroinflammation contributes to acute damage after TBI and modulates long-term evolution of degenerative and regenerative responses to injury. The aim of the present study was to evaluate the relationship of microglia activation to trauma severity, brain energy metabolism, and cellular reactions to injury in a mouse closed head injury model using combined in vivo PET imaging, ex vivo autoradiography, and immunohistochemistry.
Methods
A weight-drop closed head injury model was used to produce a mixed diffuse and focal TBI or a purely diffuse mild TBI (mTBI) in C57BL6 mice. Lesion severity was determined by evaluating histological damage and functional outcome using a standardized neuroscore (NSS), gliosis, and axonal injury by immunohistochemistry. Repeated intra-individual in vivo μPET imaging with the specific 18-kDa translocator protein (TSPO) radioligand [\(^{18}\)F]DPA-714 was performed on day 1, 7, and 16 and [\(^{18}\)F]FDG-μPET imaging for energy metabolism on days 2–5 after trauma using freshly synthesized radiotracers. Immediately after [\(^{18}\)F]DPA-714-μPET imaging on days 7 and 16, cellular identity of the [\(^{18}\)F]DPA-714 uptake was confirmed by exposing freshly cut cryosections to film autoradiography and successive immunostaining with antibodies against the microglia/macrophage marker IBA-1.
Results
Functional outcome correlated with focal brain lesions, gliosis, and axonal injury. [\(^{18}\)F]DPA-714-μPET showed increased radiotracer uptake in focal brain lesions on days 7 and 16 after TBI and correlated with reduced cerebral [\(^{18}\)F]FDG uptake on days 2–5, with functional outcome and number of IBA-1 positive cells on day 7. In autoradiography, [\(^{18}\)F]DPA-714 uptake co-localized with areas of IBA1-positive staining and correlated strongly with both NSS and the number of IBA1-positive cells, gliosis, and axonal injury. After mTBI, numbers of IBA-1 positive cells with microglial morphology increased in both brain hemispheres; however, uptake of [\(^{18}\)F]DPA-714 was not increased in autoradiography or in μPET imaging.
Conclusions
[\(^{18}\)F]DPA-714 uptake in μPET/autoradiography correlates with trauma severity, brain metabolic deficits, and microglia activation after closed head TBI.
TRPC4α and TRPC4β Similarly Affect Neonatal Cardiomyocyte Survival during Chronic GPCR Stimulation
(2016)
The Transient Receptor Potential Channel Subunit 4 (TRPC4) has been considered as a crucial Ca\(^{2+}\) component in cardiomyocytes promoting structural and functional remodeling in the course of pathological cardiac hypertrophy. TRPC4 assembles as homo or hetero-tetramer in the plasma membrane, allowing a non-selective Na\(^{+}\) and Ca\(^{2+}\) influx. Gαq protein-coupled receptor (GPCR) stimulation is known to increase TRPC4 channel activity and a TRPC4-mediated Ca\(^{2+}\) influx which has been regarded as ideal Ca\(^{2+}\) source for calcineurin and subsequent nuclear factor of activated T-cells (NFAT) activation. Functional properties of TRPC4 are also based on the expression of the TRPC4 splice variants TRPC4α and TRPC4β. Aim of the present study was to analyze cytosolic Ca\(^{2+}\) signals, signaling, hypertrophy and vitality of cardiomyocytes in dependence on the expression level of either TRPC4α or TRPC4β. The analysis of Ca\(^{2+}\) transients in neonatal rat cardiomyocytes (NRCs) showed that TRPC4α and TRPC4β affected Ca\(^{2+}\) cycling in beating cardiomyocytes with both splice variants inducing an elevation of the Ca\(^{2+}\) transient amplitude at baseline and TRPC4β increasing the Ca\(^{2+}\) peak during angiotensin II (Ang II) stimulation. NRCs infected with TRPC4β (Ad-C4β) also responded with a sustained Ca\(^{2+}\) influx when treated with Ang II under non-pacing conditions. Consistent with the Ca\(^{2+}\) data, NRCs infected with TRPC4α (Ad-C4α) showed an elevated calcineurin/NFAT activity and a baseline hypertrophic phenotype but did not further develop hypertrophy during chronic Ang II/phenylephrine stimulation. Down-regulation of endogenous TRPC4α reversed these effects, resulting in less hypertrophy of NRCs at baseline but a markedly increased hypertrophic enlargement after chronic agonist stimulation. Ad-C4β NRCs did not exhibit baseline calcineurin/NFAT activity or hypertrophy but responded with an increased calcineurin/NFAT activity after GPCR stimulation. However, this effect was not translated into an increased propensity towards hypertrophy but rather less hypertrophy during GPCR stimulation. Further analyses revealed that, although hypertrophy was preserved in Ad-C4α NRCs and even attenuated in Ad-C4β NRCs, cardiomyocytes had an increased apoptosis rate and thus were less viable after chronic GPCR stimulation. These findings suggest that TRPC4α and TRPC4β differentially affect Ca\(^{2+}\) signals, calcineurin/NFAT signaling and hypertrophy but similarly impair cardiomyocyte viability during GPCR stimulation.
Functional and genetic dissection of mechanosensory organs of \(Drosophila\) \(melanogaster\)
(2016)
In Drosophila larvae and adults, chordotonal organs (chos) are highly versatile mechanosensors
that are essential for proprioception, touch sensation and hearing. Chos share molecular,
anatomical and functional properties with the inner ear hair cells of mammals. These multiple
similarities make chos powerful models for the molecular study of mechanosensation.
In the present study, I have developed a preparation to directly record from the sensory neurons
of larval chos (from the lateral chos or lch5) and managed to correlate defined mechanical inputs
with the corresponding electrical outputs. The findings of this setup are described in several case
studies.
(1) The basal functional lch5 parameters, including the time course of response during continuous
mechanical stimulation and the recovery time between successive bouts of stimulation, was
characterized.
(2) The calcium-independent receptor of α-latrotoxin (dCIRL/Latrophilin), an Adhesion class G
protein-coupled receptor (aGPCR), is identified as a modulator of the mechanical signals
perceived by lch5 neurons. The results indicate that dCIRL/Latrophilin is required for the
perception of external and internal mechanical stimuli and shapes the sensitivity of neuronal
mechanosensation.
(3) By combining this setup with optogenetics, I have confirmed that dCIRL modulates lch5
neuronal activity at the level of their receptor current (sensory encoding) rather than their ability
to generate action potentials.
(4) dCIRL´s structural properties (e.g. ectodomain length) are essential for the mechanosensitive
properties of chordotonal neurons.
(5) The versatility of chos also provides an opportunity to study multimodalities at multiple levels.
In this context, I performed an experiment to directly record neuronal activities at different
temperatures. The results show that both spontaneous and mechanically evoked activity increase
in proportion to temperature, suggesting that dCIRL is not required for thermosensation in chos.
These findings, from the development of an assay of sound/vibration sensation, to neuronal
signal processing, to molecular aspects of mechanosensory transduction, have provided the first
insights into the mechanosensitivity of dCIRL.
In addition to the functional screening of peripheral sensory neurons, another
electrophysiological approach was applied in the central nervous system: dCIRL may impact the
excitability of the motor neurons in the ventral nerve cord (VNC). In the second part of my work,
whole-cell patch clamp recordings of motor neuron somata demonstrated that action potential
firing in the dCirl\(^K\)\(^O\) did not differ from control samples, indicating comparable membrane
excitability.
The second messenger cyclic AMP (cAMP) plays an important role in synaptic plasticity. Although there is evidence for local control of synaptic transmission and plasticity, it is less clear whether a similar spatial confinement of cAMP signaling exists. Here, we suggest a possible biophysical basis for the site-specific regulation of synaptic plasticity by cAMP, a highly diffusible small molecule that transforms the physiology of synapses in a local and specific manner. By exploiting the octopaminergic system of Drosophila, which mediates structural synaptic plasticity via a cAMP-dependent pathway, we demonstrate the existence of local cAMP signaling compartments of micrometer dimensions within single motor neurons. In addition, we provide evidence that heterogeneous octopamine receptor localization, coupled with local differences in phosphodiesterase activity, underlies the observed differences in cAMP signaling in the axon, cell body, and boutons.
The cardiac hormone atrial natriuretic peptide (ANP) regulates systemic and pulmonary arterial blood pressure by activation of its cyclic GMP-producing guanylyl cyclase-A (GC-A) receptor. In the lung, these hypotensive effects were mainly attributed to smooth muscle-mediated vasodilatation. It is unknown whether pulmonary endothelial cells participate in the homeostatic actions of ANP. Therefore, we analyzed GC-A/cGMP signalling in lung endothelial cells and the cause and functional impact of lung endothelial GC-A dysfunction. Western blot and cGMP determinations showed that cultured human and murine pulmonary endothelial cells exhibit prominent GC-A expression and activity which were markedly blunted by hypoxia, a condition known to trigger pulmonary hypertension (PH). To elucidate the consequences of impaired endothelial ANP signalling, we studied mice with genetic endothelial cell-restricted ablation of the GC-A receptor (EC GC-A KO). Notably, EC GC-A KO mice exhibit PH already under resting, normoxic conditions, with enhanced muscularization of small arteries and perivascular infiltration of inflammatory cells. These alterations were aggravated on exposure of mice to chronic hypoxia. Lung endothelial GC-A dysfunction was associated with enhanced expression of angiotensin converting enzyme (ACE) and increased pulmonary levels of Angiotensin II. Angiotensin II/AT(1)-blockade with losartan reversed pulmonary vascular remodelling and perivascular inflammation of EC GC-A KO mice, and prevented their increment by chronic hypoxia. This experimental study indicates that endothelial effects of ANP are critical to prevent pulmonary vascular remodelling and PH. Chronic endothelial ANP/GC-A dysfunction, e.g. provoked by hypoxia, is associated with activation of the ACE-angiotensin pathway in the lung and PH.