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Background:
The interaction of eukaryotic host and prokaryotic pathogen cells is linked to specific changes in the cellular proteome, and consequently to infection-related gene expression patterns of the involved cells. To simultaneously assess the transcriptomes of both organisms during their interaction we developed dual 3'Seq, a tag-based sequencing protocol that allows for exact quantification of differentially expressed transcripts in interacting pro-and eukaryotic cells without prior fixation or physical disruption of the interaction.
Results:
Human epithelial cells were infected with Salmonella enterica Typhimurium as a model system for invasion of the intestinal epithelium, and the transcriptional response of the infected host cells together with the differential expression of invading and intracellular pathogen cells was determined by dual 3'Seq coupled with the next-generation sequencing-based transcriptome profiling technique deepSuperSAGE (deep Serial Analysis of Gene Expression). Annotation to reference transcriptomes comprising the operon structure of the employed S. enterica Typhimurium strain allowed for in silico separation of the interacting cells including quantification of polycistronic RNAs. Eighty-nine percent of the known loci are found to be transcribed in prokaryotic cells prior or subsequent to infection of the host, while 75% of all protein-coding loci are represented in the polyadenylated transcriptomes of human host cells.
Conclusions:
Dual 3'Seq was alternatively coupled to MACE (Massive Analysis of cDNA ends) to assess the advantages and drawbacks of a library preparation procedure that allows for sequencing of longer fragments. Additionally, the identified expression patterns of both organisms were validated by qRT-PCR using three independent biological replicates, which confirmed that RELB along with NFKB1 and NFKB2 are involved in the initial immune response of epithelial cells after infection with S. enterica Typhimurium.
Although progenitor cells of the conducting airway have been spatially localized and some insights have been gained regarding their molecular phenotype, relatively little is known about the mechanisms regulating their maintenance, activation, and differentiation. This study investigates the potential roles of E-cadherin in mouse Clara cells, as these cells were shown to represent the progenitor/stem cells of the conducting airways and have been implicated as the cell of origin of human non-small cell lung cancer. Postnatal inactivation of E-cadherin affected Clara cell differentiation and compromised airway regeneration under injury conditions. In steady-state adult lung, overexpression of the dominant negative E-cadherin led to an expansion of the bronchiolar stem cells and decreased differentiation concomitant with canonical Wnt signaling activation. Expansion of the bronchiolar stem cell pool was associated with an incessant proliferation of neuroepithelial body-associated Clara cells that ultimately gave rise to bronchiolar hyperplasia. Despite progressive hyperplasia, only a minority of the mice developed pulmonary solid tumors, suggesting that the loss of E-cadherin function leads to tumor formation when additional mutations are sustained. The present study reveals that E-cadherin plays a critical role in the regulation of proliferation and homeostasis of the epithelial cells lining the conducting airways.
Bei der Kultivierung humaner artikulärer Chondrozyten für eine mögliche therapeutische Anwendung gilt es, deren besondere zellphysiologische Eigenschaften zu berücksichtigen, um ein zell- und molekularbiologisch hochwertiges Transplantat erzielen zu können. Stickstoffmonoxid (NO) gilt als ein wichtiger Faktor für die Homöostase der chondrogenen Extrazellulärmatrix, der für die Funktion des hyalinen Gelenkknorpels entscheidenden Gewebekomponente. Es stellt bisherigen Untersuchungen nach einen wichtigen Regulator im sensiblen Gleichgewicht zwischen der Synthese knorpelspezifischer Matrixproteine und dem Matrixabbau dar. Trotz dieser Bedeutung ist das Wissen über die Expression der NO-generierenden Enzyme in humanen artikulären Chondrozyten, insbesondere unter Kulturbedingungen, sehr begrenzt. Des Weiteren fehlen Erkenntnisse über den Einfluss von NO auf den Differenzierungsstatus dieser Zellen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Charakterisierung der Genexpression adulter Gelenkknorpelzellen während deren Expansion und anschließender Redifferenzierung in einem in vitro-Modell. Das Hauptaugenmerk wurde hierbei auf die 3 NOS-Isoformen sowie die beiden Matrixproteine Kollagen Typ II und Aggrecan gelegt. In Zusatzversuchen wurde die Bedeutung von NO für den Metabolismus sowie für Differenzierungsvorgänge humaner artikulärer Chondrozyten untersucht. Hierbei sollten funktionelle Zusammenhänge aufgezeigt und regulative Abhängigkeiten auf der Ebene der Transkription identifiziert werden. Humane artikuläre Chondrozyten wurden hierfür unter standardisierten Bedingungen enzymatisch aus Knorpelgewebe von Femurköpfen isoliert. Nach Expansion der Zellen in zweidimensionaler Monolayerkultur wurden die amplifizierten Zellen in Form dreidimensionaler Zellaggregate in einem chondrogenen Differenzierungsmedium rekultiviert. Veränderungen des zellulären Phänotyps wurden morphologisch, histochemisch, immunhistochemisch und mittels RT-PCR auf Genexpressionsebene verfolgt. Im Verlauf der Expansion konnte eine funktionelle und morphologische Dedifferenzierung der Chondrozyten dokumentiert werden. Durch 21tägige Rekultivierung in einem definierten chondrogenen Differenzierungsmedium konnten die Zellen ihre, zuvor verloren gegangenen knorpelspezifischen Eigenschaften wieder ausbilden (Redifferenzierung). Die Analyse der Genexpression der NOS-Isoformen humaner artikulärer Chondrozyten auf RNA-Ebene ergab neben der, in der Literatur bereits beschriebenen induzierbaren NOS die Expression zweier weiterer Isoformen, der neuronalen und der endothelialen NOS. In weiteren Versuchen wurde der Effekt verschiedener Mediatoren auf die Genexpression der Gelenkknorpelzellen beobachtet. So wurden Zellaggregate während verschiedener Phasen der Redifferenzierung mit rhIL-1 beta bzw. rhTNF alpha stimuliert. Die Chondrozyten reagierten darauf mit einer starker Induktion der induzierbaren NOS sowie mit einem konsekutiven Anstieg der NO-Freisetzung. Die eNOS-Expression wurde negativ reguliert. Auf die Konzentration der nNOS-Transkripte hatten beide Zytokine keinen messbaren Einfluss. Zudem konnte auf diesen Reiz hin eine drastische Reduktion der Kollagen Typ II und Aggrecan-Expression festgestellt werden. In Zusatzversuchen, bei denen u.a. ein NO-Donor und ein NOS-Inhibitor zum Einsatz kamen wurde dieser Effekt genauer erforscht. Aus den gewonnenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Effekt von IL-1 beta und TNF alpha auf die Synthese der beiden wichtigen Matrixproteine Kollagen Typ II und Aggrecan zumindest teilweise über NO vermittelt wird. In mehren Versuchsreihen gelang es des Weiteren die besondere Bedeutung von NO für die Zelldifferenzierung zu belegen. Die Modifikation des verwendeten chondrogenen Differenzierungsmediums durch Zusatz des NOS-Inhibitors NG-Amino-L-Arginin (L-NAA) führte zu einer deutlich früheren bzw. stärkeren Expression der beiden chondrogenen Markergene Kollagen Typ II und Aggrecan.
In the present work, the objective has been to analyse the compatibility of plant and human transcriptional machinery. The experiments revealed that nuclear import and export are conserved among plants and mammals. Further it has been shown that transactivation of a human promoter occurs by human transcription factor NF-\(\kappa\) B in plant cells, demonstrating that the transcriptional machinery is highly conserved in both kingdoms. Functionality was also seen for regulatory elements of NF-\(\kappa\) B such as its inhibitor I\(\kappa\)B isoform \(\alpha\) that negatively regulated the transactivation activity of the p50/RelA heterodimer by interaction with NF-\(\kappa\)B in plant cells. Nuclear export of RelA could be demonstrated by FRAP-measurements so that RelA shows nucleo-cytoplasmic shuttling as reported for RelA in mammalian cells. The data reveals the high level of compatibility of human transcriptional elements with the plant transcriptional machinery. Thus, Arabidopsis thaliana mesophyll protoplasts might provide a new heterologous expression system for the investigation of the human NF-\(\kappa\)B signaling pathways. The system successfully enabled the controlled manipulation of NF-\(\kappa\)B activity. We suggest the plant protoplast system as a tool for reconstitution and analyses of mammalian pathways and for direct observation of responses to e. g. pharmaceuticals. The major advantage of the system is the absence of interference with endogenous factors that affect and crosstalk with the pathway.
Untersuchungen der Transkriptionsebene individueller präimplantatorischer Embryonalstadien können wertvolle Informationen über den physiologischen Status der betrachteten Embryonen, die z.B. zur Verbesserung der Systeme zur In vitro-Produktion von Embryonen genutzt werden können, liefern. Bisher fehlte es jedoch an einer geeigneten Technologie, um eine große Anzahl von Transkripten in einzelnen Embryonen zu erfassen. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren zur globalen Amplifikation embryonaler mRNA-Präparationen zu entwickeln, das die Analyse der Transkriptionsebene einzelner präimplantatorischer Embryonalstadien über die cDNA-Array-Technologie ermöglicht. Dazu wurde die Strategie gewählt, zwei bereits etablierte Amplifikationsverfahren, Polymerasekettenreaktion und In vitro-Transkription, zu kombinieren, um so synergistische Effekte beider Verfahren zu nutzen. Die Evaluierung des entwickelten Verfahrens zeigte eine hohe Reproduzierbarkeit der erhaltenen Genexpressionsdaten und belegte, dass die relativen Mengenverhältnisse einzelner mRNA-Spezies zueinander während der globalen mRNA-Amplifikation nur unwesentlich verändert wurden. Die entwickelte Methodik ist somit geeignet, komplexe Genexpressionsprofile einzelner Blastozysten zu erstellen und Unterschiede in der Expressionsstärke einzelner Transkripte zu detektieren. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass es möglich ist, über heterologe Hybridisierung Genexpressionsprofile boviner Blastozysten mit cDNA-Arrays, die murine Probensequenzen enthalten, reproduzierbar darzustellen. Neben der Detektion individueller Unterschiede in den Genexpressionsprofilen diverser muriner Embryonalstadien und boviner Blastozysten lag ein Schwerpunkt dieser Arbeit in der Untersuchung der Auswirkungen verschiedener in vitro-Produktionssysteme auf die embryonale Genexpression. Die erhaltenen cDNA-Array Expressionsdaten muriner Oozyten, Zweizeller und Blastozysten befanden sich dabei in Übereinstimmung mit Daten früherer Publikationen anderer Arbeitsgruppen. Genexpressionsprofile in vitro fertilisierter boviner Blastozysten ließen eine Beurteilung der Auswirkungen unterschiedlicher Proteinsupplemente des Kulturmediums auf die embryonale Genexpression zu. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum ersten Mal Genexpressionsprofile einzelner präimplantatorischer Säugerembryonen über cDNA-Array-Analyse erstellt. Die entwickelte Technologie ermöglicht es -bei Verwendung entsprechender cDNA-Array-Systeme-, eine theoretisch unbegrenzte Zahl von Transkripten in individuellen Säugerembryonen semiquantitativ zu erfassen. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis komplexer Regulationsabläufe während der frühen Embryonalentwicklung und einer besseren Beurteilung der Lebensfähigkeit und Entwicklungskompetenz in vitro produzierter Embryonen, was für die Verbesserung von In vitro-Produktionssystemen für Embryonen sowohl bei Tieren als auch beim Menschen unerlässlich ist.
Background: Alveolar echinococcosis, caused by Echinococcus multilocularis larvae, is a chronic disease associated with considerable modulation of the host immune response. Dendritic cells (DC) are key effectors in shaping the immune response and among the first cells encountered by the parasite during an infection. Although it is assumed that E. multilocularis, by excretory/secretory (E/S)-products, specifically affects DC to deviate immune responses, little information is available on the molecular nature of respective E/S-products and their mode of action. Methodology/Principal Findings: We established cultivation systems for exposing DC to live material from early (oncosphere), chronic (metacestode) and late (protoscolex) infectious stages. When co-incubated with Echinococcus primary cells, representing the invading oncosphere, or metacestode vesicles, a significant proportion of DC underwent apoptosis and the surviving DC failed to mature. In contrast, DC exposed to protoscoleces upregulated maturation markers and did not undergo apoptosis. After pre-incubation with primary cells and metacestode vesicles, DC showed a strongly impaired ability to be activated by the TLR ligand LPS, which was not observed in DC pre-treated with protoscolex E/S-products. While none of the larvae induced the secretion of pro-inflammatory IL-12p70, the production of immunosuppressive IL-10 was elevated in response to primary cell E/S-products. Finally, upon incubation with DC and naive T-cells, E/S-products from metacestode vesicles led to a significant expansion of Foxp3+ T cells in vitro. Conclusions: This is the first report on the induction of apoptosis in DC by cestode E/S-products. Our data indicate that the early infective stage of E. multilocularis is a strong inducer of tolerance in DC, which is most probably important for generating an immunosuppressive environment at an infection phase in which the parasite is highly vulnerable to host attacks. The induction of CD4+CD25+Foxp3+ T cells through metacestode E/S-products suggests that these cells fulfill an important role for parasite persistence during chronic echinococcosis.
Expression of surfactant protein B is dependent on cell density in H441 lung epithelial cells
(2017)
Background
Expression of surfactant protein (SP)-B, which assures the structural stability of the pulmonary surfactant film, is influenced by various stimuli, including glucocorticoids; however, the role that cell-cell contact plays in SP-B transcription remains unknown. The aim of the current study was to investigate the impact of cell-cell contact on SP-B mRNA and mature SP-B expression in the lung epithelial cell line H441.
Methods
Different quantities of H441 cells per growth area were either left untreated or incubated with dexamethasone. The expression of SP-B, SP-B transcription factors, and tight junction proteins were determined by qPCR and immunoblotting. The influence of cell density on SP-B mRNA stability was investigated using the transcription inhibitor actinomycin D.
Results
SP-B mRNA and mature SP-B expression levels were significantly elevated in untreated and dexamethasone-treated H441 cells with increasing cell density. High cell density as a sole stimulus was found to barely have an impact on SP-B transcription factor and tight junction mRNA levels, while its stimulatory ability on SP-B mRNA expression could be mimicked using SP-B-negative cells. SP-B mRNA stability was significantly increased in high-density cells, but not by dexamethasone alone.
Conclusion
SP-B expression in H441 cells is dependent on cell-cell contact, which increases mRNA stability and thereby potentiates the glucocorticoid-mediated induction of transcription. Loss of cell integrity might contribute to reduced SP-B secretion in damaged lung cells via downregulation of SP-B transcription. Cell density-mediated effects should thus receive greater attention in future cell culture-based research.
Bei einer Vielzahl neuromuskulärer und neurodegenerativer Erkrankungen spielen Fehlfunktionen der Mitochondrien eine wichtige Rolle. Da die Proteine der Atmungsketten-komplexe sowohl durch die mitochondriale DNA als auch durch das Kerngenom codiert werden, können Mutationen in beiden Genomen die Auslöser dieser Erkrankungen darstellen. Veränderungen der mitochondrialen DNA lassen sich - im Gegensatz zum Kerngenom - bisher nicht korrigieren, weshalb bei einem großen Teil der Erkrankungen nur die Symptome und nicht die Auslöser behandelt werden können. Das grundlegende Problem stellt dabei der Transport der DNA in die Mitochondrien dar. Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe von physikalischen Transfektionsmethoden exogene DNA in die Mitochondrien menschlicher Kulturzellen einzubringen. Dazu wurden unterschiedliche Vektoren hergestellt, die in Mitochondrien das an die Mitochondrien angepasste grün fluoreszierende mtEGFP exprimieren sollen. Die Expressionsfähigkeit und Prozessierung dieser Konstrukte konnte in in-vitro-Assays mit einem Mitochondrienextrakt nachgewiesen werden. Bei Transfektionsversuchen mit der Gene Gun gelang es erstmals, exogene Plasmid-DNA in die Mitochondrien menschlicher Zellen einzubringen. Das durch die transfizierten Vektoren exprimierte mtEGFP konnte am Fluoreszenzmikroskop eindeutig in den Mitochondrien der Zellen lokalisiert werden. Eine Transfektion mit Hilfe magnetischer Partikel erwies sich jedoch nicht als zielführend, da die die Partikel eine Eigenfluoreszenz aufwiesen, die eine Detektion der mtEGFP-Expression verhinderten. Eine wichtige Voraussetzung für die Transfektion von Mitochondrien durch mechanische Methoden wie die Mikroinjektion ist die reversible Induktion von Megamitochondrien, da sie erst in diesem Zustand penetriert werden können. Durch eine Ansäuerung des Kulturmediums mit Natriumacetat bzw. Essigsäure konnten Mitochondrien erzeugt werden, die beinahe die Größe des Zellkerns aufwiesen und somit ideale Bedingungen für die Mikroinjektion darstellen. Bei den anschließenden Mikroinjektionsversuchen mit den hergestellten mitochondrialen Expressionsvektoren wurden wiederum Zellen mit eindeutig grün fluoreszierenden Mitochondrien gefunden. Zusammenfassend wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig menschliche Mitochondrien mit exogener DNA transfiziert. Dies stellt einen grundlegenden Schritt für die Entwicklung neuer Therapieformen bei mitochondrialen Myopathien dar. Zuvor müssen die Transfektionsmethoden jedoch noch weiter optimiert werden, um eine höhere Transfektionseffizienz zu erreichen.
Ameisen der Gattung Camponotus beherbergen bakterielle Symbionten der Gattung Blochmannia in spezialisierten Zellen des Mitteldarms (Blochmann, 1882; Buchner, 1965; Sauer, 2000; Schröder et al., 1996). Die Genomsequenzierung dieser Symbionten zeigte, dass Blochmannia, ähnlich den Symbionten von Blattläusen, hauptsächlich Gene der Aminosäurebiosynthese beibehalten hat (Degnan et al., 2005; Gil et al., 2003). Die Relevanz dieser nahrungsaufwertenden Funktion konnte experimentell bestätigt werden (Feldhaar et al., 2007). Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der dynamischen Interaktion der beiden Partner während des komplexen Lebenszyklus des holometabolen Wirtes. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass die Symbiose vor allem während der Larven- und Puppenphasen von Bedeutung sein könnte (Feldhaar et al., 2007; Wolschin et al., 2004; Zientz et al., 2006). Mit fluoreszenter in situ Hybridisierung (FISH) und konfokaler Laserscanning Mikroskopie konnte in der vorliegenden Arbeit die Lokalisierung von B. floridanus während der wichtigsten Entwicklungsstadien aufgeklärt werden. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Symbionten schon im ersten Larvenstadium in spezialisierten Zellen um den Darm angeordnet sind, aber in späteren Stadien nicht, wie bisher angenommen, auf diese Bakteriozyten beschränkt sind, sondern bis zum Schlupf der jungen Arbeiterinnen massiv andere Darmzellen infizieren. Übereinstimmend mit Bestimmungen der Zellzahl in den verschiedenen Wirtsstadien ist die Anzahl der Symbionten gegen Ende der Metamorphose am höchsten. Die Symbiose degeneriert in sehr alten Arbeiterinnen, gut gefüllte Bakteriozyten werden jedoch noch monatelang beibehalten. Mit Macroarray- und qRT- PCR- basierten Transkriptomanalysen wurde die Expression der bakteriellen Gene in charakteristischen Entwicklungsstadien des Wirtes untersucht. Allgemein zeigen vor allem Gene für molekulare Chaperons und bestimmte bakterielle Grundfunktionen eine hohe Expression. Aber auch viele Gene, die möglicherweise wichtige Funktionen in der Symbiose besitzen, wie die Biosynthese essentieller Aminosäuren und das Recycling von Stickstoffverbindungen, zeigen ein hohes absolutes Transkriptlevel. Zudem besteht eine positive Korrelation zwischen dem Expressionsniveau und dem GC- Gehalt der Gene, die in dem höheren Selektionsdruck und damit einer geringeren Mutationsrate der essentiellen Gene begründet liegt (Schaber et al., 2005). Durch Proteinanalysen konnte bestätigt werden, dass die Faktoren mit der höchsten absoluten Transkription die dominanten Proteine der Symbionten darstellen. In den unterschiedlichen Entwicklungsstadien zeigen viele Gene eine deutliche Dynamik, deren Ausmaß aber, verglichen mit freilebenden Bakterien, gering ist. Aus den Expressionsprofilen aufeinanderfolgender Gene lassen sich mögliche Transkriptionseinheiten ableiten, die teilweise auch experimentell bestätigt wurden. Oftmals zeigen auch Gene, die nicht in Transkriptionseinheiten angeordnet sind, aber verwandten Stoffwechselwegen angehören, ähnliche Muster. Dies deutet auf das Vorhandensein grundlegender Genregulations-mechanismen hin, obwohl im Genom von B. floridanus nur noch sehr wenige Transkriptionsfaktoren codiert sind (Gil et al., 2003). Auf übergeordneter Ebene zeigt sich, dass bei Symbionten aus späten Puppenstadien viele symbioserelevante Gene im Vergleich zu Genen des Grundmetabolismus eine erhöhte Expression zeigen. Dies betrifft besonders die Biosynthese aromatischer und verzweigter Aminosäuren, die in diesen Stadien vom Wirt in hoher Menge benötigt werden, während die internen Reserven gleichzeitig zur Neige gehen. Dies äußert sich auch im deutlichen Abfallen der Speicherproteinmenge des Wirts gegen Ende der Puppenphase. Die festgestellte Veränderung der Symbiontenzahl übertrifft das geringe Ausmaß der Genregulation um ein Vielfaches. Die Bakterien liegen in jedem Stadium polyploid mit bis zu 100 Genomkopien vor, dieser Polyploidiegrad bleibt jedoch während der gesamten Wirtsentwicklung weitestgehend konstant. Somit scheint die Kontrolle des Wirts über die bakterielle Vermehrung der entscheidende Faktor dieser Symbiose zu sein. Die verbleibenden regulatorischen Fähigkeiten der Bakterien stellen möglicherweise eine Feinjustierung von optimierten Produktionseinheiten dar, deren Anzahl nach den Bedürfnissen des Wirtes verändert wird. Insgesamt konnten in der vorliegenden Arbeit neue Einblicke in das komplexe Zusammenleben von Blochmannia und Camponotus gewonnen werden, die zu einem besseren Verständnis der biologischen Funktion und der grundlegenden Mechanismen dieser Symbiose führen. Eine der wichtigsten Fragestellungen nach dem Sinn einer nahrungsaufwertenden Symbiose für einen Nahrungsgeneralisten konnte mit starken Hinweisen auf eine stadienabhängige Relevanz der Symbiose beantwortet werden, die den enormen evolutionären Erfolg dieser Ameisengattung erklären könnte. 
HMGN Proteine sind Architekturelemente des Chromatins und besitzen die Fähigkeit, Chromatin aufzulockern. Sie ermöglichen anderen Proteinen den Zugang zu Nukleosomen und unterstützen DNA-abhängige Prozesse wie Replikation, Transkription und DNA-Reparatur. In dieser Arbeit wurde die funktionelle Rolle der HMGN Proteine während der Embryogenese am Beispiel des südafrikanischen Krallenfroschs Xenopus laevis untersucht. Dabei wurde entdeckt, dass sowohl die Expression als auch die zelluläre Verteilung der HMGN Proteine entwicklungsspezifisch reguliert ist. Eine Manipulation der HMGN Proteinmengen während der Embryonalentwicklung führte zu schweren Fehlentwicklungen in Postblastula Embryonen. In der Oogenese waren sowohl Xenopus HMGN mRNAs als auch Xenopus HMGN Proteine in allen Oozytenstadien nachweisbar. Interessanterweise waren HMGN Proteine in späteren Oozytenstadien nur im Zytoplasma zu finden und nicht mit Lampenbürstenchromosomen assoziiert. Im Zuge der Maturation der Oozyten zu Eiern verschwinden die Proteine gänzlich. Während der Embryogenese waren HMGN Proteine dann erst wieder ab der Blastula detektierbar, zeitgleich mit der transkriptionellen Aktivierung des embryonalen Genoms. Gleichzeitig wiesen ihre Expressionsmuster, zumindest auf mRNA-Ebene, auf Gewebspezifität hin. Whole mount in situ-Hybridisierungen und RT-PCR-Analysen zeigten eine erhöhte mRNA-Menge in mesodermalen und neuroektodermalen Geweben von Schwanzknospenstadien. Nach Injektion rekombinanter HMGN Proteine (Überexpression) oder Morpholino-Antisense-Oligonukleotiden (knock-down) in die Zygote entwickelten sich Embryonen mit offenen Rücken, stark verkürzten und gebogenen Körperachsen und deformierten Kopfstrukturen als Hauptmerkmale. Histologische Analysen und insbesondere die Magnetresonanz Bildgebung deuteten auf Fehler in der Mesodermdifferenzierung hin. Die Analysen zeigen, dass eine bestimmte kritische zelluläre HMGN Proteinmenge für eine korrekte Embryonalentwicklung von Xenopus laevis notwendig ist. Durch „animal cap assays“ und RT-PCR-Expressionsanalysen Mesoderm-spezifischer Gene konnte schließlich gezeigt werden, dass HMGN Proteine die Regulation Mesoderm-spezifischer Gene beeinflussen. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass auch die HMGN-Genexpression während der Mesodermdifferenzierung reguliert wird. Durch eine Analyse des Expressionsbeginns entwicklungsrelevanter Gene während der Midblastula Transition konnte gezeigt werden, dass veränderte HMGN Proteinmengen den Expressionsbeginn spezifischer Gene wie Xbra und chordin beeinflussen. Damit konnte zum ersten Mal ein Einfluss dieser ubiquitären Chromatinproteine auf die Expression spezifischer Gene gefunden werden. Die durch HMGN Proteine verursachte fehlerhafte Expression von Xbra und chordin als Schlüsselgene der Mesodermdifferenzierung kann die Fehlentwicklungen mesodermaler Strukturen erklären.
The initial stages of the interaction between the host and Aspergillus fumigatus at the alveolar surface of the human lung are critical in the establishment of aspergillosis. Using an in vitro bilayer model of the alveolus, including both the epithelium (human lung adenocarcinoma epithelial cell line, A549) and endothelium (human pulmonary artery epithelial cells, HPAEC) on transwell membranes, it was possible to closely replicate the in vivo conditions. Two distinct sub-groups of dendritic cells (DC), monocyte-derived DC (moDC) and myeloid DC (mDC), were included in the model to examine immune responses to fungal infection at the alveolar surface. RNA in high quantity and quality was extracted from the cell layers on the transwell membrane to allow gene expression analysis using tailored custom-made microarrays, containing probes for 117 immune-relevant genes. This microarray data indicated minimal induction of immune gene expression in A549 alveolar epithelial cells in response to germ tubes of A. fumigatus. In contrast, the addition of DC to the system greatly increased the number of differentially expressed immune genes. moDC exhibited increased expression of genes including CLEC7A, CD209 and CCL18 in the absence of A. fumigatus compared to mDC. In the presence of A. fumigatus, both DC subgroups exhibited up-regulation of genes identified in previous studies as being associated with the exposure of DC to A. fumigatus and exhibiting chemotactic properties for neutrophils, including CXCL2, CXCL5, CCL20, and IL1B. This model closely approximated the human alveolus allowing for an analysis of the host pathogen interface that complements existing animal models of IA.
Unter den sechs Arten der Gattung Listeria finden sich nur zwei pathogene Spezies. L. monocytogenes ist pathogen für Mensch und Tier, L. ivanovii nur tierpathogen. Beide Arten besitzen ein Virulenzgencluster, das auch als Pathogenitätsinsel LIPI-1 bezeichnet wird. Pathogenitätsinseln (PAIs) sind bei gram-negativen Bakterien weit verbreitet, wurden bei gram-positiven Pathogenen bisher jedoch nur selten beschrieben. In L. ivanovii wurde nun ein weiterer Virulenz-assoziierter, instabiler Chromosomenabschnitt entdeckt, der in einem Teilbereich Eigenschaften einer Pathogenitätsinsel besitzt. Ausgehend von einem spontanen, aber reproduzierbaren Deletionsereignis eines großen Genomabschnitts, der einige schon bekannte Virulenz-assoziierte Gene umfasst (i-inlE, i-inlF, smcL), wurden in Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern an der "Universidad Complutense de Madrid", insbesondere mit G. Domínguez-Bernal die komplette deletierte Region sowie flankierende Genombereiche genauer analysiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten rechts von dem bereits charakterisierten Gen smcL 13 neue Open Reading Frames (ORFs) bzw. Gene (ydeI, rnaH, norA) von L. ivanovii identifiziert werden, die größtenteils in der Deletionsmutante L. ivanovii GD-3 deletiert waren. Für die meisten Open Reading Frames konnten Homologien zu ORFs in den Genomsequenzen von L. monocytogenes und der apathogenen Art L. innocua gefunden werden. Eigene experimentelle Analysen zeigten zudem, dass diese ORFs in ähnlicher Anordnung auch in den apathogenen Arten L. seeligeri und L. welshimeri vorhanden sind, was wahrscheinlich macht, dass sie nicht an der Virulenz von Listerien beteiligt sind. G. Domínguez-Bernal fand im links von smcL liegenden Bereich eine Reihe neuer Internalingene, die alle spezifisch für L. ivanovii sind. Für die Gene i-inlE, i-inlF und smcL ist bereits bekannt, dass diese Virulenz-assoziiert sind. Dies führte zur Definition einer neuen, LIPI-2 genannten Pathogenitätsinsel in L. ivanovii, die außer smcL und i-inlFE alle neu gefundenen Internalingene umfasst. In dieser Arbeit durchgeführte Untersuchungen der LIPI-2 flankierenden Bereiche zeigten, dass diese in L. monocytogenes und auch den apathogenen Arten L. innocua, L. seeligeri und L. welshimeri bemerkenswert konserviert sind. Durch Transkriptionsuntersuchungen mittels RT-PCR wurde die Expression der neu identifizierten Gene analysiert. Hierbei wurden verschiedene Kulturbedingungen untersucht sowie die Transkription nach Infektion mehrerer Zelllinien bestimmt. Bei der Sequenzanalyse wurde für fast alle Internalingene eine PrfA-Box identifiziert und es bestätigte sich in dieser Arbeit, dass die meisten der Internalingene PrfA-abhängig exprimiert werden. Allerdings wiesen die einzelnen Gene kein einheitliches Transkriptionsprofil unter verschiedenen in vitro-Bedingungen auf. Eine Analyse der Genexpression nach Infektion verschiedener Zelllinien zeigte schließlich, dass die Internalingene während einer Infektion differentiell transkribiert werden und möglicherweise am Infektionsgeschehen beteiligt sind. Das Expressionsmuster der zu LIPI-2 benachbarten Open Reading Frames bestätigte, dass diese Gene PrfA-unabhängig und unter verschiedenen Bedingungen konstitutiv exprimiert werden. Das Expressionsmuster dieser Gene läßt den Schluss zu, dass sie vermutlich nicht zur Virulenz von L. ivanovii beitragen. Die Untersuchung der Virulenzclustergene in LIPI-1 schließlich zeigte eine deutliche PrfA-Abhängigkeit der Genexpression. Es konnte bestätigt werden, dass deren Transkription unter PrfA-induzierenden Bedingungen verstärkt wird. Zudem fand sich auch nach Infektion eine deutliche Expression dieser Gene.
Die Alzheimer Demenz und der Morbus Parkinson als häufigste neurodegenerative Erkrankungen führen zu schwerer Behinderung, zu Pflegebedürftigkeit und meist über Komplikationen zum Tod. Ihr langer Verlauf stellt für Betroffene, Angehörige sowie für das Gesundheitssystem eine enorme Belastung dar. Da die Ätiologie der Alzheimer Demenz und des Morbus Parkinson sowie der meisten neurodegenerativen Krankheiten im Einzelnen nicht bekannt sind und phänotypische Überschneidungen auftreten, sind die Möglichkeiten der eindeutigen Diagnosestellung häufig eingeschränkt oder erst postmortal möglich. Um eine Therapie bei Auftreten der ersten klinischen Symptome zu beginnen oder eine Voraussage der Erkrankungen zu ermöglichen, ist eine sensitive und validierte Frühdiagnostik nötig. Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb, auf der Genebene potentielle pathogenetische Verbindungen, mögliche diagnostische Markerproteine sowie Zusammenhänge zum zeitlichen Verlauf beider Krankheiten zu identifizieren. Dafür wurde mit der Real-Time Polymerasekettenreaktion die Expression von 44 Genen anhand von post mortem Gehirngewebe von Patienten mit Alzheimer Demenz, Morbus Parkionson im Vergleich zu Gesunden aus den vier Hirnregionen Hippocampus, Gyrus frontalis medialis, Gyrus temporalis medialis und Kleinhirn untersucht. Im Resultat zeigen die Gene mit einer statistisch signifikant veränderten Expression, z. B. Glutamattransporter, olfaktorische Rezeptoren oder vakuoläre Sortierungsproteine, bei beiden Erkrankungen gehäuft gleichsinnige Änderungen. Anhand dieser Ergebnisse ist eine kausale Verknüpfung des veränderten Genmetabolismus mit der ablaufenden Neurodegeneration zu vermuten. Zusätzlich wird die Hypothese gemeinsamer pathogenetischer Mechanismen beider Erkrankungen untermauert. Zusammenhänge der Genexpression zum zeitlichen Verlauf der Erkrankungen werden nur vereinzelt belegt, bekräftigten dann aber die Annahme einer Assoziation zu den degenerativen Prozessen. Die Identifizierung eines spezifischen Biomarkers für eine der beiden Erkrankungen war ein Ziel der vorliegenden Arbeit. Aufgrund seiner Expressionsänderung im Hippocampus bei Patienten mit Alzheimer Demenz könnte das BACE1-Gen (Beta site APP cleaving enzyme 1), das dort eine signifikante Expressionsabnahme zeigt, als solcher für dieses Patientenkollektiv diskutiert werden. Die häufig in dieser Arbeit im Hippocampus detektierten, signifikanten Expressionsänderungen, weisen zudem auf eine besondere Affektion dieser Hirnregion bei der Alzheimer Demenz als auch beim Morbus Parkinson hin. Des Weiteren werden in der vorliegenden Arbeit im Kleinhirn, einer Hirnregion, in der bei beiden Erkrankungen scheinbar kaum oder keine pathologischen Prozesse ablaufen, gehäuft und dann ähnliche Änderungen der Genexpression gemessen, die für eine Beteiligung des Kleinhirns bei beiden Krankheiten sprechen, deren Bedeutung bislang unklar ist.
Die Messung der Genexpression ist für viele Bereiche der Biologie und Medizin wichtig geworden und unterstützt Studien über Behandlung, Krankheiten und Entwicklungsstadien. Microarrays können verwendet werden, um die Expression von tausenden mRNA-Molekülen gleichzeitig zu messen und ermöglichen so einen Einblick und einen Vergleich der verschiedenen zellulären Bedingungen. Die Daten, die durch Microarray-Experimente gewonnen werden, sind hochdimensional und verrauscht, eine Interpretation der Daten ist deswegen nicht einfach. Obwohl Programme für die statistische Auswertung von Microarraydaten existieren, fehlt vielen eine Integration der Analyseergebnisse mit einer automatischen Interpretationsmöglichkeit. In dieser Arbeit wurde GEPAT, Genome Expression Pathway Analysis Tool, entwickelt, das eine Analyse der Genexpression unter dem Gesichtspunkten der Genomik, Proteomik und Metabolik ermöglicht. GEPAT integriert statistische Methoden zum Datenimport und -analyse mit biologischer Interpretation für Genmengen oder einzelne Gene, die auf dem Microarray gemessen werden. Verschiedene Typen von Oligonukleotid- und cDNAMicroarrays können importiert werden, unterschiedliche Normalisierungsmethoden können auf diese Daten angewandt werden, anschließend wird eine Datenannotation durchgeführt. Nach dem Import können mit GEPAT verschiedene statische Datenanalysemethoden wie hierarchisches, k-means und PCA-Clustern, ein auf einem linearen Modell basierender t-Test, oder ein Vergleich chromosomaler Profile durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Analysen können auf Häufungen biologischer Begriffe und Vorkommen in Stoffwechselwegen oder Interaktionsnetzwerken untersucht werden. Verschiedene biologische Datenbanken wurden integriert, um zu jeder Gensonde auf dem Array Informationen zur Verfügung stellen zu können. GEPAT bietet keinen linearen Arbeitsablauf, sondern erlaubt die Benutzung von beliebigen Teilmengen von Genen oder biologischen Proben als Startpunkt einer neuen Analyse oder Interpretation. Dabei verlässt es sich auf bewährte Datenanalyse-Pakete, bietet einen modularen Ansatz zur einfachen Erweiterung und kann auf einem verteilten Computernetzwerk installiert werden, um eine große Zahl an Benutzern zu unterstützen. Es ist unter der LGPL Open-Source Lizenz frei verfügbar und kann unter http://gepat.sourceforge.net heruntergeladen werden.
Maintenance of genome integrity is critical to guarantee transfer of an intact genome from parent to off-spring during cell division. DNA polymerases (Pols) provide roles in both replication of the genome and the repair of a wide range of lesions. Amongst replicative DNA Pols, translesion DNA Pols play a particular role: replication to bypass DNA damage. All cells express a range of translesion Pols, but little work has examined their function in parasites, including whether the enzymes might contribute to host-parasite interactions. Here, we describe a dual function of one putative translesion Pol in African trypanosomes, which we now name TbPolIE. Previously, we demonstrated that TbPolIE is associated with telomeric sequences and here we show that RNAi-mediated depletion of TbPolIE transcripts results in slowed growth, altered DNA content, changes in cell morphology, and increased sensitivity to DNA damaging agents. We also show that TbPolIE displays pronounced localization at the nuclear periphery, and that its depletion leads to chromosome segregation defects and increased levels of endogenous DNA damage. Finally, we demonstrate that TbPolIE depletion leads to deregulation of telomeric variant surface glycoprotein genes, linking the function of this putative translesion DNA polymerase to host immune evasion by antigenic variation.
Emerging evidence emphasizes the strong impact of regulatory genomic elements in neurodevelopmental processes and the complex pathways of brain disorders. The present genome-wide quantitative trait loci analyses explore the \(cis\)-regulatory effects of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) on DNA methylation (meQTL) and gene expression (eQTL) in 110 human hippocampal biopsies. We identify \(cis\)-meQTLs at 14,118 CpG methylation sites and \(cis\)-eQTLs for 302 3′-mRNA transcripts of 288 genes. Hippocampal \(cis\)-meQTL-CpGs are enriched in flanking regions of active promoters, CpG island shores, binding sites of the transcription factor CTCF and brain eQTLs. \(Cis\)-acting SNPs of hippocampal meQTLs and eQTLs significantly overlap schizophrenia-associated SNPs. Correlations of CpG methylation and RNA expression are found for 34 genes. Our comprehensive maps of \(cis\)-acting hippocampal meQTLs and eQTLs provide a link between disease-associated SNPs and the regulatory genome that will improve the functional interpretation of non-coding genetic variants in the molecular genetic dissection of brain disorders.
Lytic herpes simplex virus 1 (HSV-1) infection triggers disruption of transcription termination (DoTT) of most cellular genes, resulting in extensive intergenic transcription. Similarly, cellular stress responses lead to gene-specific transcription downstream of genes (DoG). In this study, we performed a detailed comparison of DoTT/DoG transcription between HSV-1 infection, salt and heat stress in primary human fibroblasts using 4sU-seq and ATAC-seq. Although DoTT at late times of HSV-1 infection was substantially more prominent than DoG transcription in salt and heat stress, poly(A) read-through due to DoTT/DoG transcription and affected genes were significantly correlated between all three conditions, in particular at earlier times of infection. We speculate that HSV-1 either directly usurps a cellular stress response or disrupts the transcription termination machinery in other ways but with similar consequences. In contrast to previous reports, we found that inhibition of Ca\(^{2+}\) signaling by BAPTA-AM did not specifically inhibit DoG transcription but globally impaired transcription. Most importantly, HSV-1-induced DoTT, but not stress-induced DoG transcription, was accompanied by a strong increase in open chromatin downstream of the affected poly(A) sites. In its extent and kinetics, downstream open chromatin essentially matched the poly(A) read-through transcription. We show that this does not cause but rather requires DoTT as well as high levels of transcription into the genomic regions downstream of genes. This raises intriguing new questions regarding the role of histone repositioning in the wake of RNA Polymerase II passage downstream of impaired poly(A) site recognition.
Recently, a genome-wide analysis identified DNA methylation of the HIF3A (hypoxia-inducible factor 3A) as strongest correlate of BMI. Here we tested the hypothesis that HIF3A mRNA expression and CpG-sites methylation in adipose tissue (AT) and genetic variants in HIF3A are related to parameters of AT distribution and function. In paired samples of subcutaneous AT (SAT) and visceral AT (VAT) from 603 individuals, we measured HIF3A mRNA expression and analyzed its correlation with obesity and related traits. In subgroups of individuals, we investigated the effects on HIF3A genetic variants on its AT expression (N = 603) and methylation of CpG-sites (N = 87). HIF3A expression was significantly higher in SAT compared to VAT and correlated with obesity and parameters of AT dysfunction (including CRP and leucocytes count). HIF3A methylation at cg22891070 was significantly higher in VAT compared to SAT and correlated with BMI, abdominal SAT and VAT area. Rs8102595 showed a nominal significant association with AT HIF3A methylation levels as well as with obesity and fat distribution. HIF3A expression and methylation in AT are fat depot specific, related to obesity and AT dysfunction. Our data support the hypothesis that HIF pathways may play an important role in the development of AT dysfunction in obesity.
Several novel synaptic proteins have been identified by monoclonal antibodies (mAbs) of the Würzburg hybridoma library generated against homogenized Drosophila brains, e.g. cysteine string protein, synapse-associated protein of 47 kDa, and Bruchpilot. However, at present no routine technique exists to identify the antigens of mAbs of our library that label only a small number of cells in the brain. Yet these antibodies can be used to reproducibly label and thereby identify these cells by immunohistochemical staining. Here we describe the staining patterns in the Drosophila brain for ten mAbs of the Würzburg hybridoma library. Besides revealing the neuroanatomical structure and distribution of ten different sets of cells we compare the staining patterns with those of antibodies against known antigens and GFP expression patterns driven by selected Gal4 lines employing regulatory sequences of neuronal genes. We present examples where our antibodies apparently stain the same cells in different Gal4 lines suggesting that the corresponding regulatory sequences can be exploited by the split-Gal4 technique for transgene expression exclusively in these cells. The detection of Gal4 expression in cells labeled by mAbs may also help in the identification of the antigens recognized by the antibodies which then in addition to their value for neuroanatomy will represent important tools for the characterization of the antigens. Implications and future strategies for the identification of the antigens are discussed.
Interleukin-4 (IL-4) is an anti-inflammatory and analgesic cytokine that induces opioid receptor transcription. We investigated IL-4 knockout (ko) mice to characterize their pain behavior before and after chronic constriction injury (CCI) of the sciatic nerve as a model for neuropathic pain. We investigated opioid responsivity and measured cytokine and opioid receptor gene expression in the peripheral and central nervous system (PNS, CNS) of IL-4 ko mice in comparison with wildtype (wt) mice. Naïve IL-4 ko mice displayed tactile allodynia (wt: 0.45 g; ko: 0.18 g; p<0.001), while responses to heat and cold stimuli and to muscle pressure were not different. No compensatory changes in the gene expression of tumor necrosis factor-alpha (TNF), IL-1β, IL-10, and IL-13 were found in the PNS and CNS of naïve IL-4 ko mice. However, IL-1β gene expression was stronger in the sciatic nerve of IL-4 ko mice (p<0.001) 28 days after CCI and only IL-4 ko mice had elevated IL-10 gene expression (p = 0.014). Remarkably, CCI induced TNF (p<0.01), IL-1β (p<0.05), IL-10 (p<0.05), and IL-13 (p<0.001) gene expression exclusively in the ipsilateral spinal cord of IL-4 ko mice. The compensatory overexpression of the anti-inflammatory and analgesic cytokines IL-10 and IL-13 in the spinal cord of IL-4 ko mice may explain the lack of genotype differences for pain behavior after CCI. Additionally, CCI induced gene expression of μ, κ, and δ opioid receptors in the contralateral cortex and thalamus of IL-4 ko mice, paralleled by fast onset of morphine analgesia, but not in wt mice. We conclude that a lack of IL-4 leads to mechanical sensitivity; the compensatory hyperexpression of analgesic cytokines and opioid receptors after CCI, in turn, protects IL-4 ko mice from enhanced pain behavior after nerve lesion.