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ResearcherID
- D-1221-2009 (1)
- J-8841-2015 (1)
- N-2030-2015 (1)
African trypanosomes are unicellular parasites that cause nagana and sleeping sickness in livestock and man, respectively. The major pathogens for the animal disease include Trypanosoma vivax, T. congolense, and T. brucei brucei, whereas T. b. gambiense and T. b. rhodesiense are responsible for human infections. Given that the bloodstream form (BSF) of African trypanosomes is exclusively extracellular, its cell surface forms a critical boundary with the host environment. The cell surface of the BSF African trypanosomes is covered by a dense coat of immunogenic variant surface glycoproteins (VSGs). This surface protein acts as an impenetrable shield that protects the cells from host immune factors and is also involved in antibody clearance and antigenic variation, which collectively ensure that the parasite stays ahead of the host immune system. Gene expression in T. brucei is markedly different from other eukaryotes: most genes are transcribed as long polycistronic units, processed by trans-splicing a 39-nucleotide mini exon at the 5′ and polyadenylation at the 3′ ends of individual genes to generate the mature mRNA.
Therefore, gene expression in T. brucei is regulated post-transcriptionally, mainly by the action of RNA binding proteins (RBPs) and conserved elements in the 3′ untranslated regions (UTR) of transcripts. The expression of VSGs is highly regulated, and only a single VSG gene is expressed at a time from one of the ~15 subtelomeric domains termed bloodstream expression sites (BES). When cells are engineered to simultaneously express two VSGs, the total VSG mRNA do not exceed the wild type amounts. This suggests that a robust VSG mRNA balancing mechanism exists in T. brucei. The present study uses inducible and constitutive expression of ectopic VSG genes to show that the endogenous VSG mRNA is regulated only if the second VSG is properly targeted to the ER. Additionally, the endogenous VSG mRNA response is triggered when high amounts of the GFP reporter with a VSG 3′UTR is targeted to the ER. Further evidence that non-VSG ER import signals can efficiently target VSGs to the ER is presented. This study suggests that a robust trans-regulation of the VSG mRNA is elicited at the ER through a feedback loop to keep the VSG transcripts in check and avoid overshooting the secretory pathway capacity.
Further, it was shown that induction of expression of the T. vivax VSG ILDat1.2 in T. brucei causes a dual cell cycle arrest, with concomitant upregulation of the protein associated with differentiation (PAD1) expression. It could be shown that T. vivax VSG ILDat1.2 can only be sufficiently expressed in T. brucei after replacing its native GPI signal peptide with that of a T. brucei VSG. Taken together, these data indicate that inefficient VSG GPI anchoring and expression of low levels of the VSG protein can trigger differentiation from slender BSF to stumpy forms. However, a second T. vivax VSG, ILDat2.1, is not expressed in T. brucei even after similar modifications to its GPI signals. An X-ray crystallography approach was utilized to solve the N-terminal domain (NTD) structure of VSG ILDat1.2. This is first structure of a non-T. brucei VSG, and the first of a surface protein of T. vivax to be solved. VSG ILDat1.2 NTD maintains the three-helical bundle scaffold conserved in T. brucei surface proteins. However, it is likely that there are variations in the architecture of the membrane proximal region of the ILDat1.2 NTD and its CTD from T. brucei VSGs. The tractable T. brucei system is presented as a model that can be used to study surface proteins of related trypanosome species, thus creating avenues for further characterization of trypanosome surface coats.
Nucleotide sequence of the cloned mRNA and gene of the ADP/ATP carrier from Neurospora crassa
(1984)
A cDNA complementary to the mRNA of the ADPIATP carrier from Neurospora crassa was identified among ordered cDNA clones by hybridizing total polyadenylated RNA to pools of 96 cDNA recombinant plasmids and subsequent cellfree translation of hybridization-selected mRNA. Further carrier cDNAs were found by colony fdter hybridization at a frequency of 0.2-0.3%. The gene of the carrier was cloned and isolated on a 4.6-kbp EcoRl fragment of total Neurospora DNA, and the start of the mRNA was determined by Sl nuclease mapping. From the nucleotide sequence of the cDNA and the genomic DNA, the primary structure of the gene, of the mRNA and of the ADP I ATP carrier protein could be deduced. The gene occurs in a single copy in the genome and related genes are absent. It contains two short introns, and a pyrimidine-rieb promoter region. The mRNA has a 46-bp 5 1 end and a 219-bp 3 1 end. There is an open reading frame coding for the 313 amino acid residues of the Neurospora carrier protein. The amino acid sequence is homologous in 148 positions with the established primary structure of the beef heart carrier.
Plants initially accepted by foraging leaf-cutting ants are later avoided if they prove unsuitable for their symbiotic fungus. Plant avoidance is mediated by the waste produced in the fungus garden soon after the incorporation of the unsuitable leaves, as foragers can learn plant odors and cues from the damaged fungus that are both present in the recently produced waste particles. We asked whether avoidance learning of plants unsuitable for the symbiotic fungus can take place entirely at the colony dump. In order to investigate whether cues available in the waste chamber induce plant avoidance in naïve subcolonies, we exchanged the waste produced by subcolonies fed either fungicide-treated privet leaves or untreated leaves and measured the acceptance of untreated privet leaves before and after the exchange of waste. Second, we evaluated whether foragers could perceive the avoidance cues directly at the dump by quantifying the visits of labeled foragers to the waste chamber. Finally, we asked whether foragers learn to specifically avoid untreated leaves of a plant after a confinement over 3 hours in the dump of subcolonies that were previously fed fungicide-treated leaves of that species. After the exchange of the waste chambers, workers from subcolonies that had access to waste from fungicide-treated privet leaves learned to avoid that plant. One-third of the labeled foragers visited the dump. Furthermore, naïve foragers learned to avoid a specific, previously unsuitable plant if exposed solely to cues of the dump during confinement. We suggest that cues at the dump enable foragers to predict the unsuitable effects of plants even if they had never been experienced in the fungus garden.
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren zwischen Blutzirkulation und Zentralnervensystem (ZNS) dar. Sie besteht aus spezialisierten Endothelzellen, welche die zerebralen Kapillaren auskleiden und durch sehr dichte Tight Junctions (TJs) miteinander verbunden sind. Weitere Komponenten der dynamischen Blut-Hirn-Schrankenbarriere stellen Perizyten, Astrozyten, Neurone und Mikrogliazellen dar, welche zusammen mit der extrazellulären Matrix der Basalmembran der Gehirnkapillaren und den zuvor genannten Endothelzellen ein komplexes regulatorisches System, die so genannte neurovaskuläre Einheit bilden (Hawkins und Davis 2005).
Die Hauptfunktionen der BHS lassen sich in drei Untergruppen untergliedern, die physikalische, metabolische und Transport-Barriere (Neuhaus und Noe 2010). Hauptsächlich dient die BHS der Aufrechterhaltung der Homöostase des ZNS und dem Schutz vor neurotoxischen Substanzen sowie Pathogenen, wie Bakterien und Viren. Zudem ist sie auch für die Versorgung der Neuronen mit Nährstoffen und regulierenden Substanzen sowie den Efflux von Stoffwechselendprodukten des ZNS zurück ins Blut verantwortlich. Für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und Multiple Sklerose oder Gehirntumoren, stellt die Dichtigkeit der BHS gegenüber Substanzen und die hohe metabolische Aktivität der Endothelzellen aber ein großes Problem dar. Viele Medikamente sind nicht in der Lage in ausreichender Konzentration die BHS zu überwinden, um an ihren Wirkort zu gelangen oder werden vor dem Transport metabolisiert und die Wirksamkeit dadurch eingeschränkt. Weiterhin spielen auch Defekte der BHS eine entscheidende Rolle in der Beeinflussung der Pathogenese vieler ZNS-Erkrankungen.
Aufgrund des hohen Bedarfs an geeigneten Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung für Medikamentenentwicklung und Infektionsstudien wurden eine Vielzahl unterschiedlicher BHS-Modelle entwickelt. Neben in silico-, azellulären in vitro- und in vivo-Modellen sind auch zahlreiche zellbasierte Modelle der BHS entwickelt worden. Standardisierte Modelle auf Basis immortalisierter
Zelllinien jedoch weisen nur eine inhomogene TJ-Expression auf und verfügen meist
über eine geringe Barriereintegrität, erfasst über transendotheliale elektrische Widerstände (TEER)
unter 150
· cm2 (Deli et al. 2005). Im Vergleich dazu wurden in Tierexperimenten TEER-Werte
von mehr als 1500
· cm2 an der BHS gemessen (Butt et al. 1990; Crone und Olesen 1982). Die
Verfügbarkeit humaner primärer BHS-Zellen ist sehr limitiert und ihr Einsatz nicht nur im Hinblick
auf ethische Aspekte bedenklich. Humane Gehirnzellen können z. B. aus Biopsie- oder Autopsiematerial
von Patienten mit Epilepsie oder Gehirntumoren isoliert werden. Allerdings besteht hier
das Risiko, dass die isolierten Zellen krankheitsbedingt verändert sind, was die Eigenschaften der
BHS-Modelle erheblich beeinflussen kann.
Eine Alternative, die diese Probleme umgeht, ist die Verwendung von humanen induziert pluripotenten
Stammzellen (hiPSCs), um standardisierte humane BHS-Modelle unter reproduzierbaren
Bedingungen bereitzustellen.
Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, hiPSCs in vitro nach etablierten und standardisierten Methoden
in Endothelzellen der BHS, neurale Stammzellen (hiPS-NSCs) sowie Astrozyten (hiPS-A)
zu differenzieren (Lippmann et al. 2012; Lippmann et al. 2014; Wilson et al. 2015; Yan et al. 2013;Reinhardt et al. 2013) und zum Aufbau der Modelle einzusetzen. Die Endothelzellen wurden mit
Hilfe protein- und genbasierter Nachweismethoden auf das Vorhandensein von endothelzellspezifischen
TJ-Markern sowie spezifischen Transportern untersucht und funktionell charakterisiert. Die
Kryokonservierung der hiPS-EC-Progenitoren, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt
wurde, ermöglicht eine größere räumliche und zeitliche Flexibilität beim Arbeiten mit den stammzellbasierten
Modellen sowie das Anlegen standardisierter Zellbanken. Weiterhin wurden multipotente
NSCs aus fetalen Gehirnbiopsien isoliert (fNSCs) und als Kontrollkulturen zu den hiPS-NSCs
für den Aufbau von BHS-Modellen eingesetzt.
Mit dem Ziel die in vivo-BHS bestmöglich zu imitieren und die Modelleigenschaften zu optimieren,
wurde ein Set aus zehn unterschiedlichen BHS-Modellen basierend auf primären Zellen, hiPSCs
und fNSCs analysiert. Der Aufbau der BHS-Modelle erfolgte unter Verwendung von Transwellsystemen.
Durch die systematische Untersuchung des Einflusses der unterschiedlichen Zelltypen der
neurovaskulären Einheit auf die Barriereintegrität und Genexpression des BHS-Endothels, konnten
die Quadrupel-Kulturen mit Perizyten, Astrozyten und hiPS-NSCs als die Kultur mit den physiologischsten
Eigenschaften identifiziert werden. Auf Grund der signifikant erhöhten TEER-Werte
von bis zu 2500
· cm2 und einer um mindestens 1,5-fachen Steigerung der Genexpression BHSrelevanter
Transporter und TJ-Moleküle gegenüber den Monokulturen, wurden diese Modelle für
weiterführende Studien ausgewählt.
Das Vorhandensein eines komplexen, in vivo-ähnlichen TJ-Netzwerkes, bestehend aus Occludin,
Claudin 1, 3, 4 und 5, konnte mittels quantitativer Realtime-PCR, Western Blot sowie ultrastruktureller
Analyse in der Gefrierbruch- und Raster-Elektronenmikroskopie nachgewiesen werden.
Neben der Begrenzung der parazellulären Permeabilität, welche über die geringe Permeation von
FITC-Dextran (4 kDa und 40 kDa), Fluoreszein und Lucifer Yellow nachgewiesen wurde, stellt die
BHS ebenfalls eine Barriere für den transzellulären Transport von Substanzen dar. Eine Beurteilung
der Modelle hinsichtlich der Qualifikation für die Nutzung im Wirkstoffscreening wurde mit
Hilfe von Transportversuchen unter dem Einsatz von BHS-relevanten Referenzsubstanzen durchgeführt.
Die Klassifikation der Testsubstanzen erfolgte analog ihrer Permeationsgeschwindigkeiten:
Diazepam und Koffein gelten als schnell transportierte Wirkstoffe, Ibuprofen, Celecoxib und Diclofenac
werden mit einer mittleren Geschwindigkeit über die BHS transportiert und Loratadin sowie
Rhodamin 123 sind langsam permeierende Substanzen. Innerhalb der Versuche mit den Quadrupelkulturen
wurde diese Reihenfolge bestätigt, lediglich für Koffein wurde ein signifikant niedrigerer
Permeationskoeffizient verglichen mit der Monokultur erzielt.
Der Einsatz der hiPSC-Technologie ermöglicht es zudem, aus einer Stammzelllinie große Mengen
an humanen somatischen Zelltypen zu generieren und für gezielte Anwendungen bereitzustellen.
Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass mit Hilfe eines eigens für diese Zwecke
konstruierten Rührreaktorsystems eine reproduzierbare Expansion der hiPSCs unter definierten Bedingungen
ermöglicht wurde. Basierend auf dieser Grundlage ist nun ein Hochdurchsatz-Screening
von Medikamenten denkbar.
Die in dieser Arbeit präsentierten Daten belegen die Etablierung eines stammzellbasierten in vitro-
Quadrupelmodels der humanen BHS, welches über in vivo-ähnliche Eigenschaften verfügt. Die
Anforderungen, die an humane BHS-Modelle gestellt werden, wie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,
eine angemessene Charakterisierung, welche die Untersuchung der Permeabilität von Referenzsubstanzen
einschließt, die Analyse der Expression von BHS-relevanten Transportermolekülen sowie die solide und physiologische Morphologie der Zellen, wurden erfüllt.
Das etablierte BHS-Modell kann in der Pharmaindustrie für die Entwicklung von Medikamenten
eingesetzt werden. Ausreichend qualifizierte Modelle können hier in der präklinischen Forschung
genutzt werden, um Toxizitäts- und Transportstudien an neu entwickelten Substanzen durchzuführen
und eine bessere in vitro-in vivo-Korrelation der Ergebnisse zu ermöglichen oder Mechanismen
zu entwickeln, um die BHS-Barriere gezielt zu überwinden.
Electric shock is a common stimulus for nociception-research and the most widely used reinforcement in aversive associative learning experiments. Yet, nothing is known about the mechanisms it recruits at the periphery. To help fill this gap, we undertook a genome-wide association analysis using 38 inbred Drosophila melanogaster strains, which avoided shock to varying extents. We identified 514 genes whose expression levels and/or sequences covaried with shock avoidance scores. We independently scrutinized 14 of these genes using mutants, validating the effect of 7 of them on shock avoidance. This emphasizes the value of our candidate gene list as a guide for follow-up research. In addition, by integrating our association results with external protein-protein interaction data we obtained a shock avoidance- associated network of 38 genes. Both this network and the original candidate list contained a substantial number of genes that affect mechanosensory bristles, which are hairlike organs distributed across the fly's body. These results may point to a potential role for mechanosensory bristles in shock sensation. Thus, we not only provide a first list of candidate genes for shock avoidance, but also point to an interesting new hypothesis on nociceptive mechanisms.
Understanding the causal relationship between genotype and phenotype is a major objective in biology. The main interest is in understanding trait architecture and identifying loci contributing to the respective traits. Genome-wide association mapping (GWAS) is one tool to elucidate these relationships and has been successfully used in many different species. However, most studies concentrate on marginal marker effects and ignore epistatic and gene-environment interactions. These interactions are problematic to account for, but are likely to make major contributions to many phenotypes that are not regulated by independent genetic effects, but by more sophisticated gene-regulatory networks. Further complication arises from the fact that these networks vary in different natural accessions. However, understanding the differences of gene regulatory networks and gene-gene interactions is crucial to conceive trait architecture and predict phenotypes.
The basic subject of this study – using data from the Arabidopsis 1001 Genomes Project – is the analysis of pre-mature stop codons. These have been incurred in nearly one-third of the ~ 30k genes. A gene-gene interaction network of the co-occurrence of stop codons has been built and the over and under representation of different pairs has been statistically analyzed. To further classify the significant over and under- represented gene-gene interactions in terms of molecular function of the encoded proteins, gene ontology terms (GO-SLIM) have been applied. Furthermore, co- expression analysis specifies gene clusters that co-occur over different genetic and phenotypic backgrounds. To link these patterns to evolutionary constrains, spatial location of the respective alleles have been analyzed as well. The latter shows clear patterns for certain gene pairs that indicate differential selection.
Olfactory circuits change structurally and physiologically during development and adult life. This allows insects to respond to olfactory cues in an appropriate and adaptive way according to their physiological and behavioral state, and to adapt to their specific abiotic and biotic natural environment. We highlight here findings on olfactory plasticity and modulation in various model and non-model insects with an emphasis on moths and social Hymenoptera. Different categories of plasticity occur in the olfactory systems of insects. One type relates to the reproductive or feeding state, as well as to adult age. Another type of plasticity is context-dependent and includes influences of the immediate sensory and abiotic environment, but also environmental conditions during postembryonic development, periods of adult behavioral maturation, and short- and long-term sensory experience. Finally, plasticity in olfactory circuits is linked to associative learning and memory formation. The vast majority of the available literature summarized here deals with plasticity in primary and secondary olfactory brain centers, but also peripheral modulation is treated. The described molecular, physiological, and structural neuronal changes occur under the influence of neuromodulators such as biogenic amines, neuropeptides, and hormones, but the mechanisms through which they act are only beginning to be analyzed.
Coordinated regulation of the lysosomal and autophagic systems ensures basal catabolism and normal cell physiology, and failure of either system causes disease. Here we describe an epigenetic rheostat orchestrated by c-MYC and histone deacetylases that inhibits lysosomal and autophagic biogenesis by concomitantly repressing the expression of the transcription factors MiT/TFE and FOXH1, and that of lysosomal and autophagy genes. Inhibition of histone deacetylases abates c-MYC binding to the promoters of lysosomal and autophagy genes, granting promoter occupancy to the MiT/TFE members, TFEB and TFE3, and/or the autophagy regulator FOXH1. In pluripotent stem cells and cancer, suppression of lysosomal and autophagic function is directly downstream of c-MYC overexpression and may represent a hallmark of malignant transformation. We propose that, by determining the fate of these catabolic systems, this hierarchical switch regulates the adaptive response of cells to pathological and physiological cues that could be exploited therapeutically.
New experimental methods have drastically accelerated the pace and quantity at which biological data is generated. High-throughput DNA sequencing is one of the pivotal new technologies. It offers a number of novel applications in various fields of biology, including ecology, evolution, and genomics. However, together with those opportunities many new challenges arise. Specialized algorithms and software are required to cope with the amount of data, often requiring substantial training in bioinformatic methods. Another way to make those data accessible to non-bioinformaticians is the development of programs with intuitive user interfaces.
In my thesis I developed analyses and programs to tackle current problems with high-throughput data in biology. In the field of ecology this covers the establishment of the bioinformatic workflow for pollen DNA meta-barcoding. Furthermore, I developed an application that facilitates the analysis of ecological communities in the context of their traits. Information from multiple public databases have been aggregated and can now be mapped automatically to existing community tables for interactive inspection. In evolution the new data are used to reconstruct phylogenetic trees from multiple genes. I developed the tool bcgTree to automate this process for bacteria. Many plant genomes have been sequenced in current years. Sequencing reads of those projects also contain data from the chloroplasts. The tool chloroExtractor supports the targeted extraction and analysis of the chloroplast genome. To compare the structure of multiple genomes specialized software is required for calculation and visualization of the relationships. I developed AliTV to address this. In contrast to existing programs for this task it allows interactive adjustments of produced graphics. Thus, facilitating the discovery of biologically relevant information. Another application I developed helps to analyze transcriptomes even if no reference genome is present. This is achieved by aggregating the different pieces of information, like functional annotation and expression level, for each transcript in a web platform. Scientists can then search, filter, subset, and visualize the transcriptome.
Together the methods and tools expedite insights into biological systems that were not possible before.
RNA sequencing (RNA-seq) has become a powerful tool to understand molecular mechanisms and/or developmental programs. It provides a fast, reliable and cost-effective method to access sets of expressed elements in a qualitative and quantitative manner. Especially for non-model organisms and in absence of a reference genome, RNA-seq data is used to reconstruct and quantify transcriptomes at the same time. Even SNPs, InDels, and alternative splicing events are predicted directly from the data without having a reference genome at hand. A key challenge, especially for non-computational personnal, is the management of the resulting datasets, consisting of different data types and formats. Here, we present TBro, a flexible de novo transcriptome browser, tackling this challenge. TBro aggregates sequences, their annotation, expression levels as well as differential testing results. It provides an easy-to-use interface to mine the aggregated data and generate publication-ready visualizations. Additionally, it supports users with an intuitive cart system, that helps collecting and analysing biological meaningful sets of transcripts. TBro’s modular architecture allows easy extension of its functionalities in the future. Especially, the integration of new data types such as proteomic quantifications or array-based gene expression data is straightforward. Thus, TBro is a fully featured yet flexible transcriptome browser that supports approaching complex biological questions and enhances collaboration of numerous researchers.
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.
Swelling-activated pathways for myo-inositol, one of the most abundant organic osmolytes in mammalian cells, have not yet been identified. The present study explores the SLC5A3 protein as a possible transporter of myo-inositol in hyponically swollen HEK293 cells. To address this issue, we examined the relationship between the hypotonicity-induced changes in plasma membrane permeability to myo-inositol Pino [m/s] and expression/localization of SLC5A3. Pino values were determined by cell volumetry over a wide tonicity range (100–275 mOsm) in myo-inositol-substituted solutions. While being negligible under mild hypotonicity (200–275 mOsm), Pino grew rapidly at osmolalities below 200 mOsm to reach a maximum of ∼3 nm/s at 100–125 mOsm, as indicated by fast cell swelling due to myo-inositol influx. The increase in Pino resulted most likely from the hypotonicity-mediated incorporation of cytosolic SLC5A3 into the plasma membrane, as revealed by confocal fluorescence microscopy of cells expressing EGFP-tagged SLC5A3 and super-resolution imaging of immunostained SLC5A3 by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). dSTORM in hypotonic cells revealed a surface density of membrane-associated SLC5A3 proteins of 200–2000 localizations/μm2. Assuming SLC5A3 to be the major path for myo-inositol, a turnover rate of 80–800 myo-inositol molecules per second for a single transporter protein was estimated from combined volumetric and dSTORM data. Hypotonic stress also caused a significant upregulation of SLC5A3 gene expression as detected by semiquantitative RT-PCR and Western blot analysis. In summary, our data provide first evidence for swelling-mediated activation of SLC5A3 thus suggesting a functional role of this transporter in hypotonic volume regulation of mammalian cells.
Volumenregulatorische Transportwege von anorganischen und organischen Osmolyten in Säugetierzellen
(2014)
Die Aufrechterhaltung des Zellvolumens unter variablen osmotischen Bedingungen stellt für nahezu alle tierischen Zellen eine essenzielle Aufgabe dar. Um regulatorische Volumenanpassungen vorzunehmen besitzen sie daher effektive Mechanismen, mit deren Hilfe der zelluläre Gehalt an organischen und anorganischen Osmolyten erhöht (= regulatorische Volumenzunahme; RVI) oder gesenkt (= regulatorische Volumenabnahme; RVD) werden kann. Trotz langjähriger Forschung auf diesem Gebiet konnten die hieran beteiligten Transportwege für Osmolyte bisher nur unvollständig aufgeklärt werden.
Insbesondere bei T-Lymphozyten sind wichtige Zellfunktionen wie die Proliferation, Migration und die T-Zell-Aktivierung eng mit volumenregulatorischen Mechanismen verbunden. Bei all diesen Prozessen sind u. a. unterschiedliche Kaliumkanäle beteiligt, die insbesondere für die pharmakologische Manipulation von Immunsystemprozessen von wissenschaftlichem Interesse sind. Bisherige Modelle der hypotonen Volumenregulation von T-Lymphozyten berücksichtigen lediglich den spannungsabhängigen KV1.3 sowie den Ca2+-aktivierten IKCa1-Kanal, die zur Klasse der 6TM/P-K+-Kanäle gehören.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine potentielle Rolle von kürzlich entdeckten Zwei-Poren Domänen Kaliumkanälen (K2P) am RVD von murinen und humanen primären CD4+-T-Lymphozyten untersucht. In einem kombinierten genetischen und pharmakologischen Ansatz mittels knockout-Tiermodellen und dem Einsatz kanalspezifischer Inhibitoren konnte mithilfe zellvolumetrischer Analysen gezeigt werden, dass die K2P-Vertreter TASK1, TASK2, TASK3 und TRESK maßgeblich am schwellungsaktivierten Efflux von K+ beteiligt sind. Beurteilt an den Ergebnissen dieser Untersuchung sind der spannungsabhängige TASK2- und der Ca2+-aktivierte TRESK-Kanal für die hypotone Volumenregulation in T-Zellen deutlich bedeutender als TASK1 und TASK3. Der Beitrag der Kanäle TASK2 und TRESK am RVD-Prozess war über dies vergleichbar mit dessen des bisher bekannten KV1.3-Kanals. In dieser Arbeit wurde damit erstmals eine Beteiligung der K2P-Kanäle am RVD muriner und humaner CD4+-Lymphozyten identifiziert. Aufgrund der engen Verbindung zwischen T-Zell-Funktion und der Volumenregulation können Zwei-Poren Domänen K+-Kanäle damit in den engeren Kreis potentieller immunmodulierende Angriffspunkte aufgefasst werden.
Im zweiten und umfangreicheren Teil dieser Arbeit wurden darüber hinaus die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte (small organic osmolytes; SOOs) untersucht. SOOs stellen chemisch inerte Verbindungen dar, zu denen vor allem Polyole (Sorbitol, myo-Inositol), Methylamine (Betain, α-Glycerophosphocholin) sowie Aminosäuren (α- bzw. β-Alanin und Prolin) und deren Derivate (Taurin) zählen. Da SOOs weder die zelluläre Struktur noch die Funktion von Makromolekülen beeinträchtigen, sind sie wichtige Instrumente der Volumenregulation, die sich in hohen Konzentrationen im Zytosol nahezu aller Zellen wiederfinden. Werden tierische Zellen mit hypotonen Bedingungen konfrontiert, dann ist bei nahezu allen Zellen die Freisetzung organischer Osmolyte zu beobachten, wodurch die zelluläre Osmolarität unabhängig von Elektrolyten angepasst werden kann. Trotz der wichtigen Funktion der SOOs in der Osmoregulation tierischer Zellen konnte die molekulare Identität beteiligter Effluxwege (Kanäle bzw. Transporter) bisher nicht aufgeklärt werden.
Ungeachtet der molekularen Identität der SOO-Effluxwege war es aus zahlreichen biotechnologischen Anwendungen zu Beginn dieser Arbeit bekannt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte eine größenselektive Permeabilität für eine Reihe monomerer Zucker und verwandter Verbindungen aufweisen. Um diese Größenselektivität näher zu charakterisieren, wurde im ersten Schritt die schwellungsaktivierte Membranpermeabilität für eine Reihe strukturell homogener Polyethylenglykole unterschiedlicher Polymerlänge (PEG200–1500; hydrodynamische Radien zwischen ~0,5-1,5 nm) unter iso- und hypotonen Bedingungen in Jurkat-Lymphozyten untersucht. Unter milden hypotonen Bedingungen (200 mOsm) war die Plasmamembran der untersuchten Lymphozyten für PEG300-1500 undurchlässig, was aus der Fähigkeit der Zellen zur hypotonen Volumenregulation geschlossen werden konnte. Darüber hinaus wurde RVD in stark hypotonen Lösungen (100 mOsm) mit PEG600-1500 beobachtet, während PEG300-400 unter vergleichbaren osmotischen Bedingungen die Volumenregulation der Zellen inhibierten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass starkes hypotones Zellschwellen der Lymphozyten zur Permeabilisierung der Plasmamembran für PEG300-400, nicht jedoch für PEG600-1500, führt. Anhand der hydrodynamischen Radien Rh der verwendeten PEGs konnte ein cutoff-Radius von ~0,74 nm für schwellungsaktivierte Transportwege organischer Osmolyte bestimmt werden. Da diese schwellungsaktivierten Transportwege vielfältig für Zellbeladungstechniken verwendet werden, könnte dieses Ergebnis für zahlreiche biotechnologische und biomedizinische Anwendungen von Interesse sein.
Im zweiten Schritt wurde der Versuch unternommen, potentielle Transportwege für organische Osmolyte im RVD-Prozess molekular zu identifizieren. Da es grundlegend ungeklärt war, wie viele unterschiedliche Transporter bzw. Kanäle am Efflux der zahlreichen organischen Osmolyte beteiligt sind, erfolgte zunächst die vergleichende Analyse des schwellungsaktivierten Membrantransports strukturell verschiedener SOOs einschließlich der Aminosulfonsäure Taurin und des Polyols myo-Inositol. Hierbei wurde erstmals gezeigt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für Taurin und myo-Inositol deutlich unterschiedliche Aktivitätsprofile aufweisen. Während der Taurintransport bereits unter milden hypotonen Bedingungen, d.h. nach einer geringen Absenkung der Osmolalität von 300 auf ~230 mOsm, aktiviert wurde, erfolgte die Aktivierung der Membranpermeabilität für myo-Inositol bei einer viel niedrigeren Osmolalität von ~150 mOsm. Darüber hinaus wiesen die beiden Transportwege unter vergleichbarem hypotonen Stress von 100 mOsm deutlich unterschiedliche Aktivitätsdauern auf (Transport von Taurin ~95 min und myo-Inositol ~40 min). Somit deuteten diese Ergebnisse erstmals auf substrat-spezifische Transportwege für SOOs hin, die voneinander stark abweichende osmotische Aktivierungsprofile besitzen.
Als aussichtsreiche Kandidaten für diese Transportwege wurden zwei Mitglieder der Gruppe der Solute Carrier (SLC) untersucht, die klare Übereinstimmungen mit den gesuchten Transportern für SOOs aufweisen. Daher wurde im Weiteren eine RVD-Beteiligung dieser Transportergruppe mit einer Kombination aus molekularbiologischer und konventioneller bzw. hochaufgelöster mikroskopischen Techniken überprüft. Die semiqantitativen RT-PCR-Ergebnisse dieser Arbeit zeigen dabei, dass die Gentranskription der potentiellen SOO-Transporter SLC5A3 und SLC6A6 in den untersuchten Zelllinien Jurkat, HEK wie auch HepG2-Zellen durch hypotone Bedingungen deutlich verstärkt wird. Hierbei nimmt der zelluläre mRNA-Gehalt der Gene SLC5A3 zwischen 20-60% und SLC6A6 um 30-100% innerhalb von 10-20 min zu, was auf eine potentielle RVD-Beteiligung von SLC-Transportern hindeutet. Ausgehend von diesem Ergebnis wurde daraufhin die zelluläre Lokalisation des SLC5A3-Transporters unter isotonen und hypotonen Bedingungen mikroskopisch untersucht. Wie anhand der konfokalen lasermikroskopischen Untersuchung zu erkennen ist, findet unter hypotoner Stimulation eine zelluläre Umverteilung des mit EGFP fluoreszenzmarkierten Proteins SLC5A3 statt. Innerhalb von 10 min wird der Transporter dabei von intrazellulären Regionen in Richtung Plasmamembran verlagert. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der hochauflösenden Mikroskopie-Technik dSTORM gezeigt werden, dass der Transporter SLC5A3 unter hypotoner Stimulation verstärkt mit der Plasmamembran assoziiert vorliegt. Diese verstärkte Membranassoziation des SLC5A3-Proteins deutet damit auf einen schwellungsinduzierten exozytotischen Einbau des Transporters hin.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen damit erstmals, dass SLC-Transporter wie SLC5A3, SLC6A6 und vermutlich andere Vertreter der SLC-Superfamilie potentiell am Mechanismus der hypotonen Volumenregulation beteiligt sind. Da SLC-Transporter als wichtige Transportsysteme für Therapeutika angesehen werden und die Mechanismen der Volumenregulation bereits in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen implementiert sind, könnte der hier aufgedeckte Zusammenhang einen Erkenntnisgewinn für zahlreiche biomedizinische Forschungsgebiete darstellen.
Highlights
• Dopamine receptor-1 activation induces TrkB cell-surface expression in striatal neurons
• Dopaminergic deficits cause TrkB accumulation and clustering in the ER
• TrkB clusters colocalize with cargo receptor SORCS-2 in direct pathway striatal neurons
• Intracellular TrkB clusters fail to fuse with lysosomes after dopamine depletion
Summary
Disturbed motor control is a hallmark of Parkinson’s disease (PD). Cortico-striatal synapses play a central role in motor learning and adaption, and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) from cortico-striatal afferents modulates their plasticity via TrkB in striatal medium spiny projection neurons (SPNs). We studied the role of dopamine in modulating the sensitivity of direct pathway SPNs (dSPNs) to BDNF in cultures of fluorescence-activated cell sorting (FACS)-enriched D1-expressing SPNs and 6-hydroxydopamine (6-OHDA)-treated rats. DRD1 activation causes enhanced TrkB translocation to the cell surface and increased sensitivity for BDNF. In contrast, dopamine depletion in cultured dSPN neurons, 6-OHDA-treated rats, and postmortem brain of patients with PD reduces BDNF responsiveness and causes formation of intracellular TrkB clusters. These clusters associate with sortilin related VPS10 domain containing receptor 2 (SORCS-2) in multivesicular-like structures, which apparently protects them from lysosomal degradation. Thus, impaired TrkB processing might contribute to disturbed motor function in PD.
In the mammalian brain, the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as a key factor for synaptic refinement, plasticity and learning. Although BDNF-induced signaling cascades are well known, the spatial aspects of the synaptic BDNF localization remained unclear. Recent data provide strong evidence for an exclusive presynaptic location and anterograde secretion of endogenous BDNF at synapses of the hippocampal circuit. In contrast, various studies using BDNF overexpression in cultured hippocampal neurons support the idea that postsynaptic elements and other dendritic structures are the preferential sites of BDNF localization and release. In this study we used rigorously tested anti-BDNF antibodies and achieved a dense labeling of endogenous BDNF close to synapses. Confocal microscopy showed natural BDNF close to many, but not all glutamatergic synapses, while neither GABAergic synapses nor postsynaptic structures carried a typical synaptic BDNF label. To visualize the BDNF distribution within the fine structure of synapses, we implemented super resolution fluorescence imaging by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Two-color dSTORM images of neurites were acquired with a spatial resolution of ~20 nm. At this resolution, the synaptic scaffold proteins Bassoon and Homer exhibit hallmarks of mature synapses and form juxtaposed bars, separated by a synaptic cleft. BDNF imaging signals form granule-like clusters with a mean size of ~60 nm and are preferentially found within the fine structure of the glutamatergic presynapse. Individual glutamatergic presynapses carried up to 90% of the synaptic BDNF immunoreactivity, and only a minor fraction of BDNF molecules was found close to the postsynaptic bars. Our data proof that hippocampal neurons are able to enrich and store high amounts of BDNF in small granules within the mature glutamatergic presynapse, at a principle site of synaptic plasticity.
Effects of dopamine on BDNF / TrkB mediated signaling and plasticity on cortico-striatal synapses
(2021)
Progressive loss of voluntary movement control is the central symptom of Parkinson's disease (PD). Even today, we are not yet able to cure PD. This is mainly due to a lack of understanding the mechanisms of movement control, network activity and plasticity in motor circuits, in particular between the cerebral cortex and the striatum. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as one of the most important factors for the development and survival of neurons, as well as for synaptic plasticity. It is thus an important target for the development of new therapeutic strategies against neurodegenerative diseases. Together with its receptor, the Tropomyosin receptor kinase B (TrkB), it is critically involved in development and function of the striatum. Nevertheless, little is known about the localization of BDNF within presynaptic terminals in the striatum, as well as the types of neurons that produce BDNF in the cerebral cortex. Furthermore, the influence of midbrain derived dopamine on the control of BDNF / TrkB interaction in striatal medium spiny neurons (MSNs) remains elusive so far. Dopamine, however, appears to play an important role, as its absence leads to drastic changes in striatal synaptic plasticity. This suggests that dopamine could regulate synaptic activity in the striatum via modulation of BDNF / TrkB function. To answer these questions, we have developed a sensitive and reliable protocol for the immunohistochemical detection of endogenous BDNF. We find that the majority of striatal BDNF is provided by glutamatergic, cortex derived afferents and not dopaminergic inputs from the midbrain. In fact, we found BDNF in cell bodies of neurons in layers II-III and V of the primary and secondary motor cortex as well as layer V of the somatosensory cortex. These are the brain areas that send dense projections to the dorsolateral striatum for control of voluntary movement. Furthermore, we could show that these projection neurons significantly downregulate the expression of BDNF during the juvenile development of mice between 3 and 12 weeks.
In parallel, we found a modulatory effect of dopamine on the translocation of TrkB to the cell surface in postsynaptic striatal Medium Spiny Neurons (MSNs). In MSNs of the direct pathway (dMSNs), which express dopamine receptor 1 (DRD1), we observed the formation of TrkB aggregates in the 6-hydroxydopamine (6-OHDA) model of PD. This suggests that DRD1 activity controls TrkB surface expression in these neurons. In contrast, we found that DRD2 activation has opposite effects in MSNs of the indirect pathway (iMSNs). Activation of DRD2 promotes a rapid decrease in TrkB surface expression which was reversible and depended on cAMP. In parallel, stimulation of DRD2 led to induction of phospho-TrkB (pTrkB). This effect was significantly slower than the effect on TrkB surface expression and indicates that TrkB is transactivated by DRD2. Together, our data provide evidence that dopamine triggers dual modes of plasticity on striatal MSNs by acting on TrkB surface expression in DRD1 and DRD2 expressing MSNs. This surface expression of the receptor is crucial for the binding of BDNF, which is released from corticostriatal afferents. This leads to the induction of TrkB-mediated downstream signal transduction cascades and long-term potentiation (LTP). Therefore, the dopamine-mediated translocation of TrkB could be a mediator that modulates the balance between dopaminergic and glutamatergic signaling to allow synaptic plasticity in a spatiotemporal manner. This information and the fact that TrkB is segregated to persistent aggregates in PD could help to improve our understanding of voluntary movement control and to develop new therapeutic strategies beyond those focusing on dopaminergic supply.
The capacity of Xiphophorus to develop neoplasia can be formally assigned to a "tumor gene" (Tu), which appears to be a normal part of the genome of all individuals. The wild fish have evolved population-specific and cell type-specific systems of regulatory genes (R) for Tu that protect the fish from neoplasia. Hybridization of members of different wild populations in the laborstory followed by treatment of the hybrids with carcinogens led to disintegration of the R systems permitting excessive expression of Tu and thus resulting in neoplasia. Certain hybrids developed neoplasia even spontaneously. Observations on the genuine phenotypic effect of the derepressed Tu in the early embryo indicated an essential normal function of this oncogene in cell differentiation, proliferation and cell-cell communication. Tu appeared to be indispensable in the genome but may also be present in accessory copics. Recently, c-src, the cellular homolog of the Rous sarcoma virus oncogene v-src, was detected in Xiphophorus. The protein product of c-src, pp60c-src, was identified and then examined by its associated kinase activity. This pp60c-src was found in all individuals tested, but, depending on the genotype, its kinase activity was different. The genetic characters of c-src, such as linkage relations, dosage relations, expression, etc., correspond to those of Tu. From a systematic study which showed that pp60c-src was present in all metazoa tested ranging from mammals down to sponges, we concluded that c-src has evolved with the multicellular organization of animals. Neoplasia of animals and humans is a characteristic closely related to this evolution. Our data showed that small aquariurn fish, besides being used successfully because they are time-, space-, and money-saving systems for carcinogenicity testing, are also highly suitable for basic studies on neoplasia at the populational, morphological, developmental, cell biological, and molecular levels.
Neoplasia in Xiphophorus can be classified into: a) a Jarge group triggered by carcinogens; b) a large group triggered by promoters; and c) a small group that develops "spontaneously" according to Mendelian Jaw. The process leading to susceptibility for neoplasia is represented by the disintegration of gene systems that normally protect the fish from neoplasia. Interpopulational arid interracial hybridization is the most effective process that Ieads to disintegration of the protective gene systems. Environmental factors may complete disintegration in somatic cells and thus may trigger neoplasia. The applications of the findings on Xiphophorus to humans are discussed.
No abstract available.