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- D-1221-2009 (1)
- J-8841-2015 (1)
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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.