612 Humanphysiologie
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Stem cell- and growth factor-based regenerative therapies for avascular necrosis of the femoral head
(2012)
Avascular necrosis (AVN) of the femoral head is a debilitating disease of multifactorial genesis, predominately affects young patients, and often leads to the development of secondary osteoarthritis. The evolving field of regenerative medicine offers promising treatment strategies using cells, biomaterial scaffolds, and bioactive factors, which might improve clinical outcome. Early stages of AVN with preserved structural integrity of the subchondral plate are accessible to retrograde surgical procedures, such as core decompression to reduce the intraosseous pressure and to induce bone remodeling. The additive application of concentrated bone marrow aspirates, ex vivo expanded mesenchymal stem cells, and osteogenic or angiogenic growth factors (or both) holds great potential to improve bone regeneration. In contrast, advanced stages of AVN with collapsed subchondral bone require an osteochondral reconstruction to preserve the physiological joint function. Analogously to strategies for osteochondral reconstruction in the knee, anterograde surgical techniques, such as osteochondral transplantation (mosaicplasty), matrix-based autologous chondrocyte implantation, or the use of acellular scaffolds alone, might preserve joint function and reduce the need for hip replacement. This review summarizes recent experimental accomplishments and initial clinical findings in the field of regenerative medicine which apply cells, growth factors, and matrices to address the clinical problem of AVN.
In humans, exposure to stress during development is associated with structural and functional alterations of the prefrontal cortex (PFC), amygdala (AMY), and hippocampus (HC) and their circuits of connectivity, and with an increased risk for developing major depressive disorder particularly in carriers of the short (s) variant of the serotonin transporter (5-HTT) gene-linked polymorphic region (5-HTTLPR). Although changes in these regions are found in carriers of the s allele and/or in depressed patients, evidence for a specific genotype x developmental stress effect on brain structure and function is limited. Here, we investigated the effect of repeated stress exposure during adolescence in mice with partial knockout of the 5-HIT gene (HET) vs. wildtype (WT) on early-adulthood behavioral measures and brain structure [using magnetic resonance imaging (MRI)] relevant to human major depression. Behaviorally, adolescent stress (AS) increased anxiety and decreased activity and did so to a similar degree in HET and WT. In a probabilistic reversal learning task, HET-AS mice achieved fewer reversals than did HET-No-AS mice. 5-HIT genotype and AS were without effect on corticosterone stress response. In terms of structural brain differences, AS reduced the volume of two long-range white matter tracts, the optic tract (OT) and the cerebral peduncle (CP), in WT mice specifically. In a region-of-interest analysis, AS was associated with increased HC volume and HET genotype with a decreased frontal lobe volume. In conclusion, we found that 5-HIT and AS genotype exerted long-term effects on behavior and development of brain regions relevant to human depression.
Cell-autonomous axon growth of young motoneurons is triggered by a voltage-gated sodium channel
(2013)
Spontaneous electrical activity preceding synapse formation contributes to the precise regulation of neuronal development. Examining the origins of spontaneous activity revealed roles for neurotransmitters that depolarize neurons and activate ion channels. Recently, we identified a new molecular mechanism underlying fluctuations in spontaneous neuronal excitability. We found that embryonic motoneurons with a genetic loss of the low-threshold sodium channel Na\(_V\)1.9 show fewer fluctuations in intracellular calcium in axonal compartments and growth cones than wild-type littermates. As a consequence, axon growth of Na\(_V\)1.9-deficient motoneurons in cell culture is drastically reduced while dendritic growth and cell survival are not affected. Interestingly, Na\(_V\)1.9 function is observed under conditions that would hardly allow a ligand- or neurotransmitter-dependent depolarization. Thus, Na\(_V\)1.9 may serve as a cell-autonomous trigger for neuronal excitation. In this addendum, we discuss a model for the interplay between cell-autonomous local neuronal activity and local cytoskeleton dynamics in growth cone function.
Pharmacobehavioral studies in experimental animals, and imaging studies in humans, indicate that serotonergic transmission in the amygdala plays a key role in emotional processing, especially for anxiety-related stimuli. The lateral and basolateral amygdaloid nuclei receive a dense serotonergic innervation in all species studied to date. We investigated interrelations between serotonergic afferents and neuropeptide Y (NPY)-producing neurons, which are a subpopulation of inhibitory interneurons in the rat lateral and basolateral nuclei with particularly strong anxiolytic properties. Dual light microscopic immunolabeling showed numerous appositions of serotonergic afferents on NPY-immunoreactive somata. Using electron microscopy, direct membrane appositions and synaptic contacts between serotonin-containing axon terminals and NPY-immunoreactive cellular profiles were unequivocally established. Double in situ hybridization documented that more than 50 %, and about 30–40 % of NPY mRNA-producing neurons, co-expressed inhibitory 5-HT1A and excitatory 5-HT2C mRNA receptor subtype mRNA, respectively, in both nuclei with no gender differences. Triple in situ hybridization showed that individual NPY mRNA-producing interneurons co-express both 5-HT1A and 5-HT2C mRNAs. Co-expression of NPY and 5-HT3 mRNA was not observed. The results demonstrate that serotonergic afferents provide substantial innervation of NPY-producing neurons in the rat lateral and basolateral amygdaloid nuclei. Studies of serotonin receptor subtype co-expression indicate a differential impact of the serotonergic innervation on this small, but important, population of anxiolytic interneurons, and provide the basis for future studies of the circuitry underlying serotonergic modulation of emotional stimulus processing in the amygdala.
Several attributes intuitively considered to be typical mammalian features, such as complex behavior, live birth and malignant disease such as cancer, also appeared several times independently in lower vertebrates. The genetic mechanisms underlying the evolution of these elaborate traits are poorly understood. The platyfish, X. maculatus, offers a unique model to better understand the molecular biology of such traits. We report here the sequencing of the platyfish genome. Integrating genome assembly with extensive genetic maps identified an unexpected evolutionary stability of chromosomes in fish, in contrast to in mammals. Genes associated with viviparity show signatures of positive selection, identifying new putative functional domains and rare cases of parallel evolution. We also find that genes implicated in cognition show an unexpectedly high rate of duplicate gene retention after the teleost genome duplication event, suggesting a hypothesis for the evolution of the behavioral complexity in fish, which exceeds that found in amphibians and reptiles.
PDZ (PSD-95/Disc large/Zonula occludens-1) protein interaction domains bind to cytoplasmic protein C-termini of transmembrane proteins. In order to identify new interaction partners of the voltage-gated L-type \(Ca^{2+}\) channel Cav1.2 and the plasma membrane \(Ca^{2+}\) ATPase 4b (PMCA4b), we used PDZ domain arrays probing for 124 PDZ domains. We confirmed this byGST pulldowns and immunoprecipitations. In PDZ arrays, strongest interactionswith \(Ca_v1.2\) and PMCA4b were found for the PDZ domains of SAP-102, MAST-205, MAGI-1, MAGI-2, MAGI-3, and ZO-1. We observed binding of the \(Ca_v1.2\) C-terminus to PDZ domains of NHERF1/2, Mint-2, and CASK. PMCA4b was observed to interact with Mint-2 and its known interactions with Chapsyn-110 and CASK were confirmed. Furthermore, we validated interaction of \(Ca_v1.2\) and PMCA4b with NHERF1/2, CASK,MAST-205 and MAGI-3 viaimmunoprecipitation. We also verified the interaction of \(Ca_v1.2\) and nNOS and hypothesized that nNOS overexpression might reduce \(Ca^{2+}\) influx through \(Ca_v1.2\). To address this, we measured \(Ca^{2+}\) currents in HEK 293 cells co-expressing \(Ca_v1.2\) and nNOS and observed reduced voltage-dependent \(Ca_v1.2\) activation. Taken together, we conclude that \(Ca_v1.2\) and PMCA4b bind promiscuously to various PDZ domains, and that our data provides the basis for further investigation of the physiological consequences of these interactions.
Die Koronare Herzkrankheit (KHK) zählt zu den häufigsten Todesursachen in Deutschland und weltweit. Die Atherosklerose der Herzkranzgefäße gilt als pathophysiologisches Korrelat der KHK. Die manifeste KHK geht mit Myokardhypoxie einher, persistierende Myokardhypoxie resultiert im Myokardinfarkt. Atherosklerose ist ein multifaktorieller, sich selbst verstärkender Inflammationsprozess, an dem multiple Zellen und Moleküle beteiligt sind. Hierzu zählen zum Beispiel das monozytär-phagozytäre System (MPS) und Chemokine sowie Chemokinrezeptoren. Auch im Regenerationsprozess nach Myokardinfarkt spielt die MPS-Chemokinrezeptor-Interaktion eine bedeutsame Rolle. Die perkutane Koronarintervention mit Stentimplantation (PCI) hat sich als geeignete Behandlungsmöglichkeit der manifesten KHK etabliert. Häufigste Komplikationsfolge der Implantation von Bare-Metal-Stents stellt die In-Stent-Restenose aufgrund einer überschießenden Inflammationsreaktion dar. Konsekutiv entwickelte Drug-Eluting-Stents sondern Immunmodulatoren zu Eindämmung der Inflammationsreaktion ab. Dadurch kommt es auch zu Eindämmung der gewollten Reendothelialisierung des Stents mit Zunahme gefürchteter Stent-Thrombosen. Ideal wäre demnach eine selektivere Hemmung der Inflammationsreaktion, die die gewünschte Reendothelialisierung nicht beeinträchtigt. Hierzu müssen die molekularbiologischen Zusammenhänge am Gefäßbett nach Stenting beleuchtet werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das Expressionsverhalten der Chemokinrezeptoren CXCR4, CX3CR1 und CCR2 auf Monozyten vor und nach PCI im humanen Modell untersucht, alle untersuchten Probanden litten an Atherosklerose, circa die Hälfte hatte bereits vormalig einen Myokardinfarkt erlitten. 24 Stunden nach Stenting zeigte sich eine signifikant geringere CXCR4-Expression und Positivität auf Monozyten der Gesamtpopulation. Dies ist vermutlich Korrelat einer Achsenaktivierung mittels CXCR4-typischer Rezeptorinternalisierung und mittels Abwanderung CXCR4-positiver Monozyten ins Gefäßbett und spricht für eine grundlegende Rolle der CXCR4-MPS-Interaktion nach PCI. Patienten, die bereits einen Myokardinfarkt erlitten hatten, konnten eine signifikant niedrigere CXCR4-Expression auf Monozyten aufweisen als die Vergleichsgruppe. Weiterhin zeigten Patienten mit pectanginösen Beschwerden einen signifikant höheren Rezeptorverlust an der Oberfläche der Monozyten nach Stenting. Dies deutet auf eine grundlegende Rolle der CXCR4-MPS-Interaktion bei Myokardhypoxie hin und liefert einen Einblick in das komplexe Geschehen der Infarktheilung und Hypoxiekompensation.
Hypothetisch denkbar wäre eine protektive Rolle der CXCR4-Achse nach Ischämie, mit Hypoxie-vermittelter Präkonditionierung humaner Monozyten nach stattgehabtem Myokardinfarkt und konsekutiv basal gesteigerter CXCR4-Expression, die nach erneutem Hypoxie-Ereignis einen schnelleren Zugriff auf CXCR4-vermittelte, protektive Signalwege erlauben könnte. Patienten, die sich bereits vormals einem Stenting unterzogen hatten, konnten eine signifikant niedrigere CX3CR1-Expression auf Monozyten aufweisen. Dies steht in Kongruenz mit Ergebnissen von Tierstudien, die eine grundlegende Rolle von CX3CR1 im chronischen Monozytenrecruitment nach Gefäßverletzung beschrieben hatten. Für CCR2 ergaben sich keine relevanten Ergebnisse. Die Rolle der Interaktion der Chemokinrezeptoren CXCR4, CX3CR1 und CCR2 mit humanen Monozyten in Neointimagenese, Atherosklerose und Myokardheilung nach Infarkt ist nicht eindeutig beschrieben und wird zum Teil kontrovers diskutiert. Unsere Studie liefert interessante neue Erkenntnisse bezüglich der Beteiligung der untersuchten Rezeptoren und dem MPS bei den beschriebenen pathogenetischen Prozessen. Die erstmalig beschriebene CXCR4-MPS-Interaktion nach Stenting sowie die Hinweise auf eine Beteiligung von CX3CR1 im chronischen Monozytenrecruitment der humanen Neointimagenese liefern einen interessanten Anhaltspunkt für die Entwicklung neuer, selektiver Antagonisten im Kampf gegen die In-Stent-Restenose.
Aktive Zonen (AZs) sind hoch spezialisierte, subzelluläre Kompartimente von Neuronen, die der synaptischen Übertragung dienen. Sie enthalten Gerüstproteine wie RIM (Rab3 interacting molecule) sowie elektronendichte Projektionen bestehend aus Bruchpilot bei Drosophila melanogaster oder Bassoon im Säuger, welche Schlüsselkomponenten des Vesikelverkehrs darstellen. Bei der Fliege sind Anzahl und Verteilung von Bruchpilot-Molekülen in AZs relevant für die funktionelle Differenzierung. Ihre Anordnung wird im Abstand von weniger als einem Mikrometer innerhalb einer präsynaptischen Endigung reguliert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden elektrophysiologische Ableitungen und konfokale sowie höchstauflösende, immunhistochemische Bildgebung mit dem dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Verfahren an larvalen, neuromuskulären Synapsen von Drosophila durchgeführt. Dabei wurde das genetische Potenzial des Modellorganismus genutzt, um relevante Proteinfunktionen und -interaktionen zu analysieren.
RIM als zentrale Komponente Aktiver Zonen ist relevant für synaptische Plastizität. Eine als CORD7 (cone-rod dystrophy type 7) bezeichnete Punktmutation (Arginin zu Histidin) innerhalb der 310 Helix der C2A-Domäne von RIM wurde mit erhöhten kognitiven Fähigkeiten einer Patientengruppe in Verbindung gebracht. Weil die Drosophila C2A-Domäne eine hohe Homologie zur Säugerdomäne aufweist, konnte der Einfluss dieser Mutation auf Struktur und Funktion von Synapsen untersucht werden. Es zeigte sich, dass der Aminosäureaustausch der CORD7-Position und des benachbarten Arginin-Restes die synaptische Organisation und Transmission beeinflussen.
In einer Reihe weiterer Experimente wurde das Zusammenspiel von Bruchpilot und Synaptotagmin, dem Calciumsensor der evozierten Transmitterfreisetzung, analysiert. Während AZs ohne Bruchpilot auch ohne Synaptotagmin funktionieren, führt dessen Reduktion zu einer Umverteilung von Bruchpilot-Molekülen innerhalb von AZs und zu dramatischen Änderungen in ihrer Anzahl. Abschließend wurde so ein Beitrag zum Verständnis der molekularen Organisation synaptischer Informationsverarbeitung und Plastizität geleistet, wobei zu klären bleibt, wie die zuverlässige Speicherung von Informationen an AZs erreicht werden kann.
RNA polymerase II dependent transcription and nucleotide excision repair are mediated by a multifaceted interplay of subunits within the general transcription factor II H (TFIIH). A better understanding of the molecular structure of TFIIH is the key to unravel the mechanism of action of this versatile protein complex within these vital cellular processes. The importance of this complex becomes further evident in the context of severe diseases like xeroderma pigmentosum, Cockayne's syndrome and trichothiodystrophy, that arise from single point mutations in TFIIH subunits. Here we describe the structure of the p34 subunit of the TFIIH complex from the eukaryotic thermophilic fungus Chaetomium thermophilum. The structure revealed that p34 contains a von Willebrand Factor A (vWA) like domain, a fold which is generally known to be involved in protein-protein interactions. Within TFIIH p34 strongly interacts with p44, a positive regulator of the helicase XPD. Putative protein-protein interfaces are analyzed and possible binding sites for the p34-p44 interaction suggested.
The blood–brain barrier choline transporter (BBB-ChT) may have utility as a drug delivery vector to the central nervous system (CNS). We therefore initiated molecular docking studies with the AutoDock and AutoDock Vina (ADVina) algorithms to develop predictive models for compound screening and to identify structural features important for binding to this transporter. The binding energy predictions were highly correlated with r2=0.88, F=692.4, standard error of estimate =0.775, and P-value<0.0001 for selected BBB-ChT-active/inactive compounds (n=93). Both programs were able to cluster active (Gibbs free energy of binding <−6.0 kcal*mol-1) and inactive (Gibbs free energy of binding >−6.0 kcal*mol-1) molecules and dock them significantly better than at random with an area under the curve value of 0.86 and 0.84, respectively. In ranking smaller molecules with few torsional bonds, a size-related bias in scoring producing false-negative outcomes was detected. Finally, important blood–brain barrier parameters, such as the logBBpassive and logBBactive values, were assessed to predict compound transport to the CNS accurately. Knowledge gained from this study is useful to better understand the binding requirements in BBB-ChT, and until such time as its crystal structure becomes available, it may have significant utility in developing a highly predictive model for the rational design of drug-like compounds targeted to the brain.