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Das Studium der Nierenentwicklung gibt Einblicke in generelle entwicklungsbiologische Prozesse wie induktive Wechselwirkungen, mesenchymale Kondensation, mesenchymale-epitheliale Umformung, Determinierung von Zellschicksal sowie Differenzierung und damit auch in die Entstehung congenitaler Fehlbildungen. Nach Induktion durch die Ureterknospe entstehen aus dem metanephrogenen Mesenchym die funktionellen Einheiten der Niere - die Nephrone - und das Nierenstroma. Diesen morphogenetischen Prozessen liegen komplexe regulatorische Veränderungen in der Genexpression zugrunde, die bislang nicht im Detail aufgeklärt sind. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Identifizierung bekannter und insbesondere neuer Gene, die durch Induktion im metanephrogenen Mesenchym reguliert werden. Mit Hilfe der ddPCR und Transfilter-Organkulturen wurde die Genexpression von induziertem versus nicht-induziertem Mesenchym aus Mäuse-Nierenanlagen untersucht. Einzelne Kandidaten wurden auf differenzielle Expression durch Northern Blot Analyse überprüft und für die weitere Charakterisierung ausgewählt. Als eines der bekannten Gene wurde sFRP2 als im metanephrogenen Mesenchym induziert bestätigt und durch in situ Hybridisierung ganzer Mäuseembryonen und Paraffinschnitte näher untersucht. Es zeigt eine spezifische und dynamische Expression während der Entwicklung der Niere und anderer Gewebe, die mit den Expressionsmustern von sFRP1 und sFRP4 verglichen wurde. Die detailierte Genexpressionsanalyse der sFRP-Familie in der murinen Embryonalentwicklung sollte als Grundlage für funktionelle Studien dieser erst kürzlich entdeckten neuen Genfamilie dienen. Erste Untersuchungen der ddPCR-Produkte C0-5, J6-3 und M2-4 zeigten, daß es sich um neue Gene handelt, die unterschiedliche Expressionsmuster in der Niere zeigen. Während C0-5 dynamisch in Epithelzellen von Ureter und Nephronvorläufern exprimiert ist, markiert J6-3 Stromazellen und M2-4 ist bereits im kondensierenden Mesenchym, später aber auch in den epithelialen Derivaten nachweisbar. Die Isolierung und Analyse der dem C0-5-ddPCR-Fragment entsprechenden cDNA zeigte, daß sie für ein kollagenartiges Protein codiert, welches beim Menschen in der Nähe des EWS-Gens auf Chromosom 22q12 liegt. Darüber hinaus wurde eine neue zu hairy und dem E(spl)-Komplex verwandte Genfamile identifiziert. Aufgrund ihrer Verwandtschaft und einem charakteristischen YRPW-Tetrapeptid wurden sie als Hey-Gene bezeichnet für: "hairy- und E(spl)-verwandt mit YRPW-Motiv". Sie zeigen gegenüber hairy/E(spl) oder den entsprechenden Vertebraten-Homologen der Hes-Genfamilie veränderte DNA- und Protein-Bindungseigenschaften. Darüber hinaus korrelieren ihre Expressionsmuster häufig mit Genen des Delta-Notch-Signaltransduktionsweg, was auf eine Beteiligung der Hey-Gene an Zelldeterminierung und Bildung von Zellgrenzen hinweist. Diese Vermutung konnte durch die Analyse von Dll1-Knockout-Mäusen für die Somitogenese ansatzweise bestätigt werden. Die Kombination von Transfilter-Organkultur mit ddPCR erwies sich als geeignet, um transkriptionell regulierte Gene des metanephrogenen Mesenchyms zu identifizieren. Expressions- und Sequenzanalyse vor allem der neuen Gene deutet auf ihre Beteiligung an der Entwicklung der Niere und anderer Gewebe hin, die nun im Einzelnen untersucht werden muß. Mehr als 50 weitere Kandidaten für neue Gene bilden eine breite Basis zur weiteren Erforschung molekularer Grundlagen der Nierenentwicklung.
Glutamat spielt in der Entwicklung des ZNS eine besondere Rolle (z.B. Steuerung der Migration von Proneuronen, Einfluß auf die Ausbildung von Synapsen und Differenzierung von Pyramidenzelldendriten und Proliferation glialer Vorläuferzellen). Durch Regulation der extrazellulären Glutamatkonzentration kommt den Glutamattransportern dabei eine besondere Bedeutung zu. Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb, die postnatale zelluläre und regionale Expression der Glutamattransporter GLT1 und GLAST im Hippocampus der Ratte zu untersuchen, um Rückschlüsse auf ihre Funktion während der postnatalen Ontogenese (Postnataltag 1-60, P1-60) zu ziehen. Dazu wurde nichtradioaktive In-situ-Hybridisierung (ISH) mit Digoxigenin-markierten cRNA-Sonden eingesetzt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass beide Transporter vor allem in Gliazellen (besonders Astroblasten/Astrozyten) nachweisbar sind und dass die Expression von GLT1 und GLAST während der Ontogenese der Ratte im Hippocampus unterschiedlich erfolgt. Aus unseren Ergebnissen kann geschlossen werden, dass GLAST und GLT1 eine unterschiedliche Bedeutung während der Ausbildung der hippocampalen Verbindungen haben dürften. Der trisynaptische hippocampale Verbindungsweg entwickelt sich hauptsächlich in der ersten postnatalen Woche. Während dieser Zeit verlagert sich die exzitatorische Funktion in Hippocampusneuronen von GABA auf Glutamat. Diese Transmitterumstellung korreliert zeitlich mit der deutlichen Zunahme der GLT1-Expression im Hippocampus, was auf eine entscheidende Rolle von GLT1 bei der Bildung hippocampaler Verbindungen durch Regulation der extrazellulären Glutamatkonzentration hinweist. Demgegenüber ist kein offensichtlicher Zusammenhang zwischen GLAST-Expression und Transmitterumstellung zu erkennen. Wie in adulten Stadien kommt dem Transporter unter physiologischen Bedingungen auch in der Ontogenese wohl vor allem eine Reservefunktion zu.
Die hochaffine Glutamataufnahme in Neurone und Gliazellen des ZNS, die von unterschiedlichen Transportern vermittelt wird, spielt eine wichtige Rolle für die Entfernung des Neurotransmitters Glutamat aus dem Extrazellularraum. Die Glutamataufnahme ist notwendig, um das Transmittersignal zu beenden und eine rezeptorvermittelte Übererregung von Neuronen zu verhindern (siehe Kanai et al., 1993). In den vergangenen Jahren wurden die cDNAs von fünf unterschiedlichen Subtypen von Glutamattransportern kloniert: GLT1 oder EAAT2 (Pines et al., 1992), GLAST oder EAAT1 (Storck et al., 1992), EAAC1 oder EAAT3 (Kanai & Hedinger, 1992), EAAT4 (Fairman et al., 1995) und EAAT5 (Arriza et al., 1997). GLT1, GLAST und EAAC1 werden im gesamten ZNS exprimiert (Kanai & Hedinger, 1992; Pines et al., 1992; Storck et al., 1992; Rothstein et al., 1994; Torp et al., 1994, 1997; Chaudry et al., 1995; Lehre et al., 1995; Schmitt et al., 1996, 1997; Velaz-Faircloth et al., 1996; Berger & Hediger, 1998). EAAT4 bzw. EAAT5 scheinen jedoch vorwiegend auf das Kleinhirn (Fairman et al., 1995; Furuta et al., 1997; Dehnes et al., 1998) bzw. die Retina (Arriza et al., 1997) beschränkt zu sein. In vivo antisense Methoden zeigten, dass vor allem die Glutamattransporter GLT1 (Glutamattransporter 1) und GLAST (Glutamat/Aspartat-Transporter) für die Niedrighaltung der extrazellulären Glutamat-Konzentrationenen zuständig sind (Rothstein et al., 1996). Bestätigt wurden diese Ergebnisse durch Untersuchungen an Mäusen, bei denen GLT1 gentechnisch ausgeschaltet wurde. Diese Tiere weisen erhöhte Glutamatkonzentrationen im Gehirn, tödliche Krampfanfälle und neuronale Degeneration im Hippocampus (CA1) auf (Tanaka et al., 1997). Untersuchungen über die zelluläre Expression von GLT1 und GLAST bei adulten Tieren zeigten, dass beide Transporter fast ausschließlich in Astrozyten und Bergmanngliazellen lokalisiert sind (GLT1: Danbolt et al., 1992; Levy et al., 1993; Rothstein et al., 1994; Lehre et al., 1995; Schmitt et al., 1996; Milton et al., 1997; GLAST: Lehre et al., 1995; Chaudry et al., 1995; Schmitt et al., 1997). Studien über die regionale Verteilung von GLT1 und GLAST im ZNS der Ratte ergaben, dass beide Transporter stark im Hippocampus exprimiert werden. Die Transporterproteine sind hier vor allem in Astrozyten von Stratum lacunosum-moleculare des Ammonshorns (CA) und Stratum moleculare des Gyrus dentatus lokalisiert (Schmitt et al., 1996, 1997). In diesen Schichten endet der glutamaterge Tractus perforans (Ottersen & Storm-Mathisen, 1989) (Abb. 1). Dieser entspringt im entorhinalen Cortex und gelangt von dort zum ipsilateralen Hippocampus (bis zu 95% der Fasern) (Raisman et al., 1965; Nafstad, 1967; Hjorth-Simonsen & Jeune, 1972; Scheff, 1989). In den äußeren zwei Dritteln des Stratum moleculare des Gyrus dentatus werden 85-90% aller Synapsen von den Fasern des Tractus perforans gebildet (Scheff, 1989). Aus diesem Grund kann diese Region als überwiegend glutamaterges Terminationsfeld angesehen werden.