The neuranatomical basis of central control of cardiorespiratory interactions in vertebrates

It seems that a dual location for vagal preganglionic neurones (VPNs) has important functional correlates in all vertebrates. This may be particularly the case with the central control exerted over the heart by cardiac VPNs (CVPNs). About 30 % of VPNs but up to 70 % of CVPNs are in the nucleus ambiguus (NA) of mammals. There is a similar proportional representation of VPNs between the major vagal nuclei in amphibians and turtles but in fish and crocodilians; the proportion of VPNs in the NA is closer to 10% and in some lizards and birds it is about 5%. However, the CVPNs are distributed unequally between these nuclei so that 45 % of the CVPNs are located in the NA of the dogfish, and about 30% in the NA of Xenopus and the duck. This topographical separation of CVPNs seems to be of importance in the central control of the heart. Cells in one location may show respiration-related activity (e.g those in the dorsal vagal nucleus (DVN) of dogfish and in the NA of mammals) while cells in the other locations do not. Their different activities and separate functions will be determined by their different afferent inputs from the periphery or from elsewhere in the CNS, which in turn will relate to their central topography. Thus, CVPNs in the NA of mammals receive inhibitory inputs from neighbouring inspiratory neurones, causing respiratory sinus arrythmia (RSA), and the CVPNs in the DVN of the dogfish may generate cardiorespiratory synchrony (CRS).

Diversidade cariotípica e molecular de Leptodactylus (Anura, Leptodactylidae) e obtenção de sondas cromossomo-específicas de anfíbio por citometria de fluxo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

The breathing pattern and the ventilatory response to aquatic and aerial hypoxia and hypercarbia in the frog Pipa carvalhoi

Anuran amphibians are known to exhibit an intermittent pattern of pulmonary ventilation and to exhibit an increased ventilatory response to hypoxia and hypercarbia. However, only a few species have been studied to date. The aquatic frog Pipa carvalhoi inhabits lakes, ponds and marshes that are rich in nutrients but low in O-2. There are no studies of the respiratory pattern of this species and its ventilation during hypoxia or hypercarbia. Accordingly, the aim of the present study was to characterize the breathing pattern and the ventilatory response to aquatic and aerial hypoxia and hypercarbia in this species. With this purpose, pulmonary ventilation (V-1) was directly measured by the pneumotachograph method during normocapnic normoxia to determine the basal respiratory pattern and during aerial and aquatic hypercarbia (5% CO2) and hypoxia (5% O-2). Our data demonstrate that P. carvalhoi exhibits a periodic breathing pattern composed of single events (single breaths) of pulmonary ventilation separated by periods of apnea. The animals had an enhanced V-1 during aerial hypoxia, but not during aquatic hypoxia. This increase was strictly the result of an increase in the breathing frequency. A pronounced increase in V-1 was observed if the animals were simultaneously exposed to aerial and aquatic hypercarbia, whereas small or no ventilatory responses were observed during separately administered aerial or aquatic hypercarbia. P. carvalhoi primarily inhabits an aquatic environment. Nevertheless, it does not respond to low O-2 levels in water, although it does so in air. The observed ventilatory responses to hypercarbia may indicate that this species is similar to other anurans in possessing central chemoreceptors. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Crotamine Pharmacology Revisited: Novel Insights Based on the Inhibition of K-V Channels

Crotamine, a 5-kDa peptide, possesses a unique biological versatility. Not only has its cell-penetrating activity become of clinical interest but, moreover, its potential selective antitumor activity is of great pharmacological importance. In the past, several studies have attempted to elucidate the exact molecular target responsible for the crotamine-induced skeletal muscle spasm. The aim of this study was to investigate whether crotamine affects voltage-gated potassium (K-V) channels in an effort to explain its in vivo effects. Crotamine was studied on ion channel function using the two-electrode voltage clamp technique on 16 cloned ion channels (12 K-V channels and 4 Na-V channels), expressed in Xenopus laevis oocytes. Crotamine selectively inhibits K-V 1.1, K-V 1.2, and K-V 1.3 channels with an IC50 of similar to 300 nM, and the key amino acids responsible for this molecular interaction are suggested. Our results demonstrate for the first time that the symptoms, which are observed in the typical crotamine syndrome, may result from the inhibition of K-V channels. The ability of crotamine to inhibit the potassium current through K-V channels unravels it as the first snake peptide with the unique multifunctionality of cell-penetrating and antitumoral activity combined with K-V channel-inhibiting properties. This new property of crotamine might explain some experimental observations and opens new perspectives on pharmacological uses.

A UML profile for the OBO relation ontology

Background: Ontologies have increasingly been used in the biomedical domain, which has prompted the emergence of different initiatives to facilitate their development and integration. The Open Biological and Biomedical Ontologies (OBO) Foundry consortium provides a repository of life-science ontologies, which are developed according to a set of shared principles. This consortium has developed an ontology called OBO Relation Ontology aiming at standardizing the different types of biological entity classes and associated relationships. Since ontologies are primarily intended to be used by humans, the use of graphical notations for ontology development facilitates the capture, comprehension and communication of knowledge between its users. However, OBO Foundry ontologies are captured and represented basically using text-based notations. The Unified Modeling Language (UML) provides a standard and widely-used graphical notation for modeling computer systems. UML provides a well-defined set of modeling elements, which can be extended using a built-in extension mechanism named Profile. Thus, this work aims at developing a UML profile for the OBO Relation Ontology to provide a domain-specific set of modeling elements that can be used to create standard UML-based ontologies in the biomedical domain. Results: We have studied the OBO Relation Ontology, the UML metamodel and the UML profiling mechanism. Based on these studies, we have proposed an extension to the UML metamodel in conformance with the OBO Relation Ontology and we have defined a profile that implements the extended metamodel. Finally, we have applied the proposed UML profile in the development of a number of fragments from different ontologies. Particularly, we have considered the Gene Ontology (GO), the PRotein Ontology (PRO) and the Xenopus Anatomy and Development Ontology (XAO). Conclusions: The use of an established and well-known graphical language in the development of biomedical ontologies provides a more intuitive form of capturing and representing knowledge than using only text-based notations. The use of the profile requires the domain expert to reason about the underlying semantics of the concepts and relationships being modeled, which helps preventing the introduction of inconsistencies in an ontology under development and facilitates the identification and correction of errors in an already defined ontology.

Relative CO(2)/NH(3) selectivities of mammalian aquaporins 0-9

Previous work showed that aquaporin 1 (AQP1), AQP4-M23, and AQP5 each has a characteristic CO(2)/NH(3) and CO(2)/H(2)O permeability ratio. The goal of the present study is to characterize AQPs 0-9, which traffic to the plasma membrane when heterologously expressed in Xenopus oocytes. We use video microscopy to compute osmotic water permeability (P(f)) and microelectrodes to record transient changes in surface pH (ΔpH(S)) caused by CO(2) or NH(3) influx. Subtracting respective values for day-matched, H(2)O-injected control oocytes yields the channel-specific values P(f)* and ΔpH(S)*. We find that P(f)* is significantly >0 for all AQPs tested except AQP6. (ΔpH(S)*)(CO(2)) is significantly >0 for AQP0, AQP1, AQP4-M23, AQP5, AQP6, and AQP9. (ΔpH(S)*)(NH(3)) is >0 for AQP1, AQP3, AQP6, AQP7, AQP8, and AQP9. The ratio (ΔpH(S)*)(CO(2))/P(f)* falls in the sequence AQP6 (∞) > AQP5 > AQP4-M23 > AQP0 ≅ AQP1 ≅ AQP9 > others (0). The ratio (ΔpH(S)*)(NH(3))/P(f)* falls in the sequence AQP6 (∞) > AQP3 ≅ AQP7 ≅ AQP8 ≅ AQP9 > AQP1 > others (0). Finally, the ratio (ΔpH(S)*)(CO(2))/(-ΔpH(S)*)(NH(3)) falls in the sequence AQP0 (∞) ≅ AQP4-M23 ≅ AQP5 > AQP6 > AQP1 > AQP9 > AQP3 (0) ≅ AQP7 ≅ AQP8. The ratio (ΔpH(S)*)(CO(2))/(-ΔpH(S)*)(NH(3)) is indeterminate for both AQP2 and AQP4-M1. In summary, we find that mammalian AQPs exhibit a diverse range of selectivities for CO(2) vs. NH(3) vs. H(2)O. As a consequence, by expressing specific combinations of AQPs, cells could exert considerable control over the movements of each of these three substances

Relative CO2/NH3 permeabilities of human RhAG, RhBG and RhCG

Mammalian glycosylated rhesus (Rh) proteins include the erythroid RhAG and the nonerythroid RhBG and RhCG. RhBG and RhCG are expressed in multiple tissues, including hepatocytes and the collecting duct (CD) of the kidney. Here, we expressed human RhAG, RhBG and RhCG in Xenopus oocytes (vs. H2O-injected control oocytes) and used microelectrodes to monitor the maximum transient change in surface pH (ΔpHS) caused by exposing the same oocyte to 5 % CO2/33 mM HCO3 − (an increase) or 0.5 mM NH3/NH4 + (a decrease). Subtracting the respective values for day-matched, H2O-injected control oocytes yielded channel-specific values (*). (ΔpH∗S)CO2 and (−ΔpH∗S)NH3 were each significantly >0 for all channels, indicating that RhBG and RhCG—like RhAG—can carry CO2 and NH3. We also investigated the role of a conserved aspartate residue, which was reported to inhibit NH3 transport. However, surface biotinylation experiments indicate the mutants RhBGD178N and RhCGD177N have at most a very low abundance in the oocyte plasma membrane. We demonstrate for the first time that RhBG and RhCG—like RhAG—have significant CO2 permeability, and we confirm that RhAG, RhBG and RhCG all have significant NH3 permeability. However, as evidenced by (ΔpH∗S)CO2/(−ΔpH∗S)NH3 values, we could not distinguish among the CO2/NH3 permeability ratios for RhAG, RhBG and RhCG. Finally, we propose a mechanism whereby RhBG and RhCG contribute to acid secretion in the CD by enhancing the transport of not only NH3 but also CO2 across the membranes of CD cells.

Movement of NH3 through the human urea transporter B: a new gas channel

Aquaporins and Rh proteins can function as gas (CO2 and NH3) channels. The present study explores the urea, H2O, CO2, and NH3 permeability of the human urea transporter B (UT-B) (SLC14A1), expressed in Xenopus oocytes. We monitored urea uptake using [14C]urea and measured osmotic water permeability (Pf) using video microscopy. To obtain a semiquantitative measure of gas permeability, we used microelectrodes to record the maximum transient change in surface pH (∆pHS) caused by exposing oocytes to 5% CO2/33 mM HCO3- (pHS increase) or 0.5 mM NH3/NH4+ (pHS decrease). UT-B expression increased oocyte permeability to urea by >20-fold, and Pf by 8-fold vs. H2O-injected control oocytes. UT-B expression had no effect on the CO2-induced ∆pHS but doubled the NH3-induced ∆pHS. Phloretin reduced UT-B-dependent urea uptake (Jurea * ) by 45%, Pf * by 50%, and (- ∆pHS * )NH3 by 70%. p-Chloromercuribenzene sulfonate reduced Jurea * by 25%, Pf * by 30%, and (∆pHS * )NH3 by 100%. Molecular dynamics (MD) simulations of membrane-embedded models of UT-B identified the monomeric UT-B pores as the main conduction pathway for both H2O and NH3 and characterized the energetics associated with permeation of these species through the channel. Mutating each of two conserved threonines lining the monomeric urea pores reduced H2O and NH3 permeability. Our data confirm that UT-B has significant H2O permeability and for the first time demonstrate significant NH3 permeability. Thus the UTs become the third family of gas channels. Inhibitor and mutagenesis studies and results of MD simulations suggest that NH3 and H2O pass through the three monomeric urea channels in UT-B.

Characterization of L-type Calcium Channel Binding-Site of a new class of Calcium modulators by a Multidisciplinary approach

Many potential diltiazem related L-VDCC blockers were developed using a multidisciplinary approach. This current study was to investigate and compare diltiazem with to the newly developed compounds by mouse Langendorff-perfused heart, Ca2+-transient and on recombinant L-VDCC. Twenty particular compounds were selected by the ligand-based virtual screening procedure (LBVS). From these compounds, five of them (5b, M2, M7, M8 and P1) showed a potent and selective inotropic activity on guinea-pig left atria driven 1 Hz. Further assays displayed an interesting negative inotropic effect of M2, M8, P1 and M7 on guinea pig isolated left papillary muscle driven at 1 Hz, a relevant vasorelaxant activity of 5b, M2, M7, M8 and P1 on K+-depolarized guinea-pig ileum longitudinal smooth muscle and a significant inhibition of contraction of 5b, M2, M8 and P1 on carbachol stimulated ileum longitudinal smooth muscle. Wild-type human heart and rabbit lung α1 subunits were expressed (combined with the regulatory α2δ and β3 subunits) in Xenopus Leavis oocytes using a two-electrode voltage clamp technique. Diltiazem is a benzothiazepine Ca2+ channel blocker used clinically for its antihypertensive and antiarrhythmic effects. Previous radioligand binding assays revealed a complex interaction with the benzothiazepine binding site for M2, M7 and M8. (Carosati E. et al. J. Med Chem. 2006, 49; 5206). In agreement with this findings, the relative order of increased rates of contraction and relaxation at lower concentrations s(≤10-6M) in unpaced hearts was M7>M2>M8>P1. Similar increases in Ca2+ transient were observed in cardiomyocytes. Diltiazem showed negative inotropic effects whereas 5b had no significant effect. Diltiazem blocks Ca2+current in a use-dependent manner and facilitates the channel by accelerating the inactivation and decelerating the recovery from inactivation. In contrast to diltiazem, the new analogs had no pronounced use-dependence. Application of 100 μM M8, M2 showed ~ 10% tonic block; in addition, M8, M2 and P1 shifted the steady state inactivation in hyperpolarized direction and the current inactivation time was significantly decreased compared with control (219.6 ± 11.5 ms, 226 ± 14.5 vs. 269 ± 12.9 vs. 199.28 ± 8.19 ms). Contrary to diltiazem, the recovery from the block by M8 and M2 was comparable to control. Only P1 showed a significantly decrease of the time for the recovery from inactivation. All of the compounds displayed the same sensitivity on the Ca2+ channel rabbit lung α1 except P1. Taken together, these findings suggest that M8, M2 and P1 might directly decrease the binding affinity or allow rapid dissociation from the benzothiazepine binding site.

B-type cytochromes of the DOMON domain superfamily (Novel redox elements of plant plasma membrane)

The aim of the present study is understanding the properties of a new group of redox proteins having in common a DOMON-type domain with characteristics of cytochromes b. The superfamily of proteins containing a DOMON of this type includes a few protein families. With the aim of better characterizing this new protein family, the present work addresses both a CyDOM protein (a cytochrome b561) and a protein only comprised of DOMON(AIR12), both of plant origin. Apoplastic ascorbate can be regenerated from monodehydroascorbate by a trans-plasma membrane redox system which uses cytosolic ascorbate as a reductant and comprises a high potential cytochrome b. We identified the major plasma membrane (PM) ascorbate-reducible b-type cytochrome of bean (Phaseolus vulgaris) and soybean (Glycine max) hypocotyls as orthologs of Arabidopsis auxin-responsive gene air12. The protein, which is glycosylated and glycosylphosphatidylinositol-anchored to the external side of the PM in vivo, was expressed in Pichia pastoris in a recombinant form, lacking the glycosylphosphatidylinositol-modification signal, and purified from the culture medium. Recombinant AIR12 is a soluble protein predicted to fold into a β-sandwich domain and belonging to the DOMON superfamily. It is shown to be a b-type cytochrome with a symmetrical α-band at 561 nm, to be fully reduced by ascorbate and fully oxidized by monodehydroascorbate. Redox potentiometry suggests that AIR12 binds two high-potential hemes (Em,7 +135 and +236 mV). Phylogenetic analyses reveal that the auxin-responsive genes AIR12 constitute a new family of plasma membrane b-type cytochromes specific to flowering plants. Although AIR12 is one of the few redox proteins of the PM characterized to date, the role of AIR12 in trans-PM electron transfer would imply interaction with other partners which are still to be identified. Another part of the present project was aimed at understanding of a soybean protein comprised of a DOMON fused with a well-defined b561 cytochrome domain (CyDOM). Various bioinformatic approaches show this protein to be composed of an N-terminal DOMON followed by b561 domain. The latter contains five transmembrane helices featuring highly conserved histidines, which might bind haem groups. The CyDOM has been cloned and expressed in the yeast Pichia pastoris, and spectroscopic analyses have been accomplished on solubilized yeast membranes. CyDOM clearly reveal the properties of b-type cytochrome. The results highlight the fact that CyDOM is clearly able to lead an electron flux through the plasmamembrane. Voltage clamp experiments demonstrate that Xenopus laevis oocytes transformed with CyDOM of soybean exhibit negative electrical currents in presence of an external electron acceptor. Analogous investigations were carried out with SDR2, a CyDOM of Drosophila melanogaster which shows an electron transport capacity even higher than plant CyDOM. As quoted above, these data reinforce those obtained in plant CyDOM on the one hand, and on the other hand allow to attribute to SDR2-like proteins the properties assigned to CyDOM. Was expressed in Regenerated tobacco roots, transiently transformed with infected a with chimeral construct GFP: CyDOM (by A. rhizogenes infection) reveals a plasmamembrane localization of CyDOM both in epidermal cells of the elongation zone of roots and in root hairs. In conclusion. Although the data presented here await to be expanded and in part clarified, it is safe to say they open a new perspective about the role of this group of proteins. The biological relevance of the functional and physiological implications of DOMON redox domains seems noteworthy, and it can but increase with future advances in research. Beyond the very finding, however interesting in itself, of DOMON domains as extracellular cytochromes, the present study testifies to the fact that cytochrome proteins containing DOMON domains of the type of “CyDOM” can transfer electrons through membranes and may represent the most important redox component of the plasmamembrane as yet discovered.

Elektrophysiologische Charakterisierung und PKC-vermittelte Regulation des humanen Transporters für basische Aminosäuren hCAT-1

ZusammenfassungDer humane kationische Aminosäure-Transporter hCAT-1 (CAT für cationic amino acid transporter) gehört zur Familie der Na+- und pH-unabhängigen Transporter für basische Aminosäuren (BAS). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit unterschiedlichen Aspekten des hCAT-1-vermittelten Transportes, die in zwei Teilabschnitten behandelt werden. Im ersten Abschnitt wurden die Transporteigenschaften von hCAT-1-exprimierenden X. laevis-Oozyten mit Hilfe von elektrophysiologischen Methoden untersucht und mit denen der Isoformen hCAT-2A und -2B verglichen. Dabei zeigte sich, dass es durch die Expression von hCAT-2A und -2B in Oozyten zur Bildung eines BAS-Potentiales kommt, jedoch nicht durch die Expression von hCAT-1. Hierfür dürfte die hohe Transstimulierbarkeit des hCAT-1-Proteins verantwortlich sein. Obwohl das Membranpotential einer Zelle die Akkumulation von BAS durch die hCAT-Proteine beeinflusst, war bei sehr hohen extrazellulären BAS-Konzentrationen die Akkumulation durch hCAT-1 und -2B im Gegensatz zu hCAT-2A nicht vom Membranpotential abhängig, da unter diesen Bedingungen der Efflux limitierend wirkte. Mit Hilfe der voltage clamp-Methode wurden die L-Arginin-induzierten Maximalströme (Vmax) und die Leitfähigkeiten der hCAT-Proteine bestimmt. Die so ermittelten Vmax-Werte sind nur halb so groß wie die durch Flux-Studien bestimmten. Daher muss von einem Gegentransport an positiver Ladung (Substrat) ausgegangen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hCAT-Isoformen zwei unterschiedliche Leitfähigkeitszustände für BAS besitzen, die von der intrazellulären BAS-Konzentration abhängig sind. Eine Leitfähigkeitszunahme durch Zugabe von extrazellulärem L-Arginin konnte bei allen hCAT-Isoformen in depletierten Oozyten beobachtet werden. In BAS-beladenen Oozyten führte die Zugabe von L-Arginin dagegen zu keiner (hCAT-1 und hCAT-2B) bzw. zu einer geringen (hCAT-2A) Zunahme der Leitfähigkeit der Transporter. Im Substratgleichgewicht jedoch nahm die Leitfähigkeit der drei untersuchten hCAT-Isoformen in Abhängigkeit von der Substratkonzentration zu. Überraschenderweise wurden für die untersuchten hCAT-Isoformen Leck-Ströme in Abwesenheit von BAS nachgewiesen. An hCAT-2B-exprimierenden Oozyten wurde eine erhöhte Leitfähigkeit für K+-Ionen gezeigt. Die physiologische Bedeutung dieser Kanalfunktion ist jedoch noch völlig ungeklärt. Im zweiten Abschnitt wurde der Mechanismus der Proteinkinase C (PKC)-vermittelten Inhibition der hCAT-1-Transportaktivität untersucht. Hierfür wurden hCAT-1.EGFP-Konstrukte in Oozyten und in U373MG Glioblastom-Zellen exprimiert. Mit Hilfe konfokaler Mikroskopie und Western-Blot-Analysen von biotinylierten Zelloberflächen-Proteinen wurde gezeigt, dass die PKC-vermittelte Reduktion der hCAT-1-Transportaktivität auf einer Reduktion der hCAT-Expression an der Zelloberfläche beruht. Ähnliche Ergebnisse wurden auch mit dem endogen in humanen DLD-1 Kolonkarzinom-Zellen exprimierten hCAT-1 erzielt. Der PKC-Effekt war auch noch nach Entfernung der putativen PKC-Erkennungsstellen am hCAT-1-Protein vorhanden. Daher reguliert die PKC die hCAT-1-Transportaktivität vermutlich über einen indirekten Mechanismus, d. h. nicht über eine direkte Phosphorylierung des hCAT-1-Proteins. Die Veränderung der Zelloberflächenexpression stellt einen neuen Regulationsmechanismus für die CAT-Proteine dar, der erklären kann, warum sich Modifikationen in der CAT-Proteinexpression oft nicht in entsprechenden Veränderungen der Transportaktivität widerspiegeln.

Analyse der Transportfunktion und Proteinexpression des kationischen Aminosäure-Transporters hCAT-3 und des verwandten Proteins SLC7A4

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung des humanen kationischen Aminosäure-Transporters 3 (hCAT-3) und mit der Generierung spezifischer Antikörper gegen hCAT-3, mCAT-3 und das verwandte Protein SLC7A4. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass hCAT-3 glykosyliert und in der Plasmamembran lokalisiert ist. Transportstudien an hCAT-3-exprimierenden Xenopus laevis Oozyten demonstrierten einen selektiven Transport von kationischen L-Aminosäuren. Die Transporteigenschaften von hCAT-3 (KM, Vmax, Trans-Stimulation) ähnelten den der Isoform hCAT-2B am meisten. Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zu Untersuchungen an CAT-3 von Maus und Ratte, in denen nur eine geringe CAT-Aktivität gezeigt wurde, die zudem durch neutrale und anionische Aminosäuren und durch D-Arginin hemmbar war. Die höchste Expression von hCAT-3 wurde im Thymus gefunden, was bedeutet, dass er nicht auf neuronale Zellen beschränkt ist. Dieser Befund steht im Gegensatz zur ausschließlich neuronalen Expression von rCAT-3 bzw. mCAT-3. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Generierung spezifischer Antikörper gegen die C-Termini des humanen und murinen CAT-3 und des verwandten Proteins SLC7A4. Dafür wurden Antiseren gegen Fusionsproteine zwischen dem bakteriellen trpE-Protein und den C-Termini der jeweiligen Isoform gewonnen. Zur Aufreinigung der Antikörpern wurden Affinitätssäulen mit Fusionsprotein aus Glutathion S-Transferase und den jeweils gleichen carboxyterminalen Aminosäuren von hCAT-3, SLC7A4 und mCAT-3 hergestellt. Zur Überprüfung der Spezifität der Affinitäts-aufgereinigten Antikörper wurden Western-Blot-Analysen mit Lysaten von X. laevis-Oozyten durchgeführt, die mit cRNA der jeweiligen Isoform injiziert worden waren. Weiterhin wurden humane U373MG Glioblastom-Zellen, in denen die jeweilige Isoform überexprimiert worden war, zur Überprüfung der Antikörper verwendet. Es konnte nachgewiesen werden, dass die neu gewonnenen Antikörper das jeweilige glykosylierte und deglykosylierte CAT-Protein spezifisch erkannten. Die hCAT-3 Antikörper wurden dazu verwendet die endogene Expression in NT2-Teratokarzinom-Zellen nachzuweisen. Hierbei zeigte sich, dass die intrazelluläre Expression höher war als an der Zelloberfläche. Nur etwa 10-20% des hCAT-3-Gesamtproteins wurden an der Zelloberfläche exprimiert. Die gleiche subzelluläre Verteilung zeigte sich in mit hCAT-3.EGFP stabil transfizierten U373MG-Zellen. Um die Auswirkung einer PKC-Aktivierung auf die Aktivität und Expression von hCAT-3 untersuchen zu können, wurden Transportexperimente an Oozyten und Western-Blot Analysen mit biotinylierten Zelloberflächen-Proteinen durchgeführt. Der PKC-Aktivator PMA reduzierte die hCAT-3 Expression um ca. 35% reduziert. Sowohl in X. laevis Oozyten, als auch in U373MG-Zellen war die Verminderung der Transportaktivität von einer Reduktion der Zelloberflächen-Expression von hCAT-3 begleitet. Die Vorbehandlung mit dem PKC-Inhibitor Bisindolylmaleimid I (BIM I) reduzierte beide PMA-Effekt. Es ist daher davon auszugehen, dass die Reduktion der Zelloberflächen-Expression durch PKC vermittelt wurde. Ähnlich wie hCAT-1 scheint auch hCAT-3 durch eine klassische PKC, am wahrscheinlichsten PKC? und PKC?, herunterreguliert zu werden. Durch konfokale Mikroskopie von überexprimierten hCAT-3.GFP-Konstrukten in U373MG-Zellen konnten diese Ergebnisse bestätigt werden. Ähnliche Ergebnisse wurden auch unter Verwendung der selbst hergestellten Antikörper gegen den endogenen hCAT-3 in NT2 Teratokarzinom-Zellen erzielt.

Das Globingen-Repertoire von Amphibien und Teleostiern

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die molekulare Evolution von Globinen in Amphibien und Teleostiern untersucht und Analysen zur Genexpression ausgewählter Globine durchgeführt. Die bisher besonders für die neueren Mitglieder der Superfamilie der Globine – Neuroglobin und Cytoglobin – schwerpunktmäßig in Mammaliern erbrachten Daten sollten durch die Analyse in Amphibien und Teleostiern auf ihre generelle Gültigkeit für Vertebraten überprüft werden. Die Analysen zur Genexpression wurden sowohl in silico, basierend auf genomischen wie EST-Daten, als auch experimentell durch qualitative und quantitative RT-PCR-Nachweise durchgeführt. Die mRNA-Lokalisation wurde durch in situ-Hybridisierungen an Gewebeschnitten beziehungsweise durch Whole mount in situ-Hybridisierung an ganzen Embryonen detektiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das Globin-Repertoire von Xenopus tropicalis umfassend analysiert. Die Expressionsanalyse der gefundenen Globine umfasste nicht nur adulte Tiere, sonder erstmals auch detailliert die Entwicklungsstadien eines Vertebraten. Dabei wurde festgestellt, dass die vorwiegend neuronale Expression des streng konservierten Neuroglobins ein generelles Charakteristikum aller Tetrapoden ist und bereits in der frühembryonalen Entwicklung auftritt. Auch für das als Einzelkopie im Amphibiengenom vertretene Cytoglobin konnte eine strenge Sequenzkonservierung gezeigt werden. Das Expressionsmuster des Amphibien-Cytoglobins stimmte mit dem aus Mammaliern bekannten überein und zeigte konservierte Charakteristika dieses Globins bei Tetrapoden auf. Die Analyse des Xenopus-Genoms ergab zudem, dass Krallenfrösche nicht über Myoglobin verfügen. Genomische Vergleiche syntäner Genregionen ließen auf Rearrangements in diesem Genombereich im Verlauf der Evolution schließen, in deren Folge das Myoglobingen in den Krallenfröschen deletiert wurde. Die Hämoglobine wurden in Xenopus tropicalis erstmals in einem Amphibium umfassend analysiert. Die Gene zeigten demnach eine geclusterte Anordnung: der tropische Krallenfrosch verfügte über je ein funktionelles α- bzw. β-adultes und sieben bzw. vier α- bzw. β-larvale Hämoglobine, die während der Entwicklung bzw. in adulten Tieren charakteristisch exprimiert wurden. Die Analyse der Hämoglobine hinsichtlich ihrer Lage in einem Cluster, ihrer phylogenetischen Relation zueinander und nicht zuletzt ihres Expressionsmusters ließen Rückschlüsse auf ihre Evolution zu. Zusätzlich zu diesen bereits bekannten Globinen konnte im Rahmen dieser Dissertation das Globingen-Repertoirs von Xenopus um zwei weitere, bisher unbekannte Globine erweitert werden. Diese wurden entsprechend ihrer bisher unbekannten Funktion als GlobinX und GlobinY bezeichnet. Während GlobinY bisher ausschließlich in Amphibien nachgewiesen werden konnte, wurde GlobinX zudem in Teleostiern detektiert und repräsentiert damit ein auf Anamnia beschränktes Globin. Die rekombinante Proteinexpression von Neuroglobin, Cytoglobin, GlobinX und GlobinY des tropischen Krallenfrosches zeigte ein hexakoordiniertes Bindungsschema dieser Globine in ihrem Deoxy-Zustand. In einem zweiten Teil dieser Dissertation wurden Neuroglobin und Cytoglobin in Teleostiern untersucht und die Analyse für diese zwei Gene somit über die Tetrapoden hinaus auf den gesamten Stammbaum der Vertebraten ausgedehnt. Dabei wurde deutlich, dass die vorwiegend neuronale Expression des seit 420 Millionen Jahren streng konservierten Neuroglobins ein generelles Merkmal dieses Globins in allen Vertebraten ist. Der in Amphibien und Teleostiern erbrachte und mit Ergebnissen in Mammaliern übereinstimmende Nachweis von Neuroglobin in neuronalen Geweben mit einem hohen Stoffwechsel lässt derzeit eine Funktion dieses Globins im Sauerstoffmetabolimus als wahrscheinlich erscheinen. Ob Neuroglobin dabei als kurzzeitiger Sauerstoffspeicher, O2-Transoprter oder aber in der Detoxifikation reaktiver Sauerstoff- bzw. Stickstoffspezies agiert, bleibt zu untersuchen. Für Cytoglobin konnte eine offenbar alle Teleostier betreffende Genduplikation nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen zeigen die Monophylie der Vertebraten-Cytoglobine. Der Vergleich der paralogen Cytoglobine der Teleostier mit dem syntänen Genombereich des humanen Cytoglobins zeigte die wahrscheinliche Entstehung der Fisch-Cytoglobine durch eine Genomduplikation in einem Vorfahren aller Teleostier vor etwa 300-450 Millionen Jahren. Die paralogen Cytoglobine zeigten in Danio rerio und Tetraodon nigroviridis differierende, charakteristische Expressionsmuster, die mit der Theorie der Subfunktionalisierung von Genen in Folge eines Duplikationsereignisses kompatibel sind. Die Analyse zeigte, dass Cygb-1 prädominant in Gehirn und Herz exprimiert wurde, Cygb-2 hingegen bevorzugt in Gehirn und Auge. Dies bestätigte indirekt die Hypothese, nach der das Cytoglobin der Mammalier zwei unterschiedliche Funktionen in differenten Geweben wahrnimmt. Die rekombinante Expression von Cygb-1 des Zebrabärblings zeigte zudem, das auch dieses Globin in seiner Deoxy-Form über ein hexakoordiniertes Bindungsschema verfügt.

Die Schleimkeratine TK-alpha and TK-gamma des Zebrabärblings Danio rerio

Die Schleimkeratine TKα und TKγ aus dem Schleimaal Eptatretus stoutii besitzten für Keratine außergewöhnliche Eigenschaften. In speziellen Drüsen reifen die Schleimkeratine zu 3 µm dicken und bis zu 60 cm langen kabelartigen Filamenten heran und werden anschließend zur Feindabwehr ins umgebende Wasser extrazellulär sezerniert, wodurch die viskoelastischen Eigenschaften des Schleims modifiziert werden. Mittlerweile wurden die Schleimkeratine auch in höheren Wirbeltiergruppen (Knochenfische und Amphibien) entdeckt. Zu Beginn meiner Promotion war jedoch bis auf EST-Verteilungsprofile noch nichts über die Expression und Funktion der Schleimkeratine in diesen Organismen bekannt. rnIm Rahmen meiner Arbeit wurden die Schleimkeratine TKα und TKγ erstmalig im Zebrabärbling Danio rerio identifiziert und näher charakterisiert. Mittels rekombinanter Expression wurden TKα und TKγ in ausreichenden Mengen hergestellt und auf ihre Bindungseigenschaften hin untersucht. Hierbei konnte ich zeigen, dass TKα und TKγ einerseits miteinander Heteromere formen und andererseits, dass das TKα in der Lage ist, auch homopolymere Strukturen auszubilden. Letztere Eigenschaft wurde bisher noch bei keinem bekannten cytoplasmatischen Keratin beschrieben. Ergänzend zu diesen Untersuchungen wurde eine Expressionsanalyse durchgeführt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Schleimkeratine im Zebrabärbling nicht extrazellulär sezerniert werden und zum anderen keine höheren, kabelartigen Strukturen ausformen. Vielmehr werden die Schleimkeratine bei adulten Tieren in den basalen Zellschichten der Epidermis exprimiert, welche keinen mechanischen Schutz in Form von Schuppen aufweisen (Stirnhautepidermis, Epidermis in Geweben zwischen den Flossenstrahlen). Innerhalb dieser Zellen formen die Schleimkeratine ein filamentöses Netzwerk aus, dass sich an der basalen Zellseite konzentriert. Eine mögliche Funktion von TKα und TKγ könnte demnach in der Erhöhung der mechanischen Integrität von stark beanspruchten Geweben liegen, die keinen Schutz in Form von Schuppen aufweisen. So werden TKα und TKγ in larvalen Entwicklungsstadien in der Epidermis, sowie im mechanisch stark beanspruchten Notochord koexprimiert. rnDa das Notochord im Zebrabärbling auch in entwicklungsbiologischen Vorgängen eine entscheidende Rolle spielt und weiterhin in aktuellen Untersuchungen am glatten Krallen-frosch Xenopus laevis Funktionen der Schleimkeratine TKα und TKγ innerhalb von Degenerationsprozessen während der Metamorphose nachgewiesen werden konnten, sind auch im Zebrabärbling Danio rerio Funktionen der Schleimkeratine TKα und TKγ im Rahmen von Entwicklungsprozessen denkbar.rn

Asymmetrisches Dimethylarginin als kardiovaskulärer Risikofaktor : Transportmechanismen und Auswirkungen einer Akkumulation

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Membrantransporter-vermittelten Export von asymmetrischem Dimethyl-L-Arginin (ADMA) aus der Endothelzelle. Da ADMA-Plasmakonzentrationen mit Erkrankungen wie koronaren Herzkrankheiten, Atherosklerose, Bluthochdruck und Endotheldysfunktion in Verbindung gebracht werden, ist ein effektiver ADMA-Export aus der Zelle heraus unabdingbar. Um den Mechanismus hierfür aufzuklären, wurden die immortalisierte Endothelzelllinie EA.hy926 und weitere primäre Endothelzellen (humane Umbilikalvenenendothelzellen und Endothelzellen der großen und kleinen Herzgefäße) auf die Expression basischer Aminosäuretransporter mittels einer qRT-PCR hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass alle getesteten Endothelzellen die Aminosäuretransporter hCAT-1, y+LAT1 und y+LAT2 exprimierten. Basierend auf ADMA-Exportdaten, die mit entsprechenden Transporter-überexprimierenden Xenopus laevis-Oozyten gewonnen wurden, wurde festgestellt, dass alle drei Membrantransporter ADMA exportieren konnten. Der physiologisch wichtige Exportweg für intrazellulär anfallendes ADMA scheint dabei der via y+L zu sein, da es sich hierbei um einen aktiven Exportmechanismus handelt, der im Gegentransport von im humanen Plasma reichlich vorhandenen neutralen Aminosäuren und Natriumionen den nach innen gerichteten Natriumgradienten ausnutzt. Die Wichtigkeit des Membrantransportes für die Kontrolle intrazellulärer ADMA-Konzentrationen wurde in vitro durch Entzug von extrazellulären Austauschsubstraten und einer daraus resultierenden Blockade der Transportfunktion gezeigt. Hierbei wurde innerhalb von zwei Stunden ein 2,5-facher Anstieg der intrazellulären ADMA-Konzentration festgestellt, die bei Präsenz von Austauschsubstrat für die Transporter nicht auftrat. Die Relevanz der y+LATs für den ADMA-Export wurde durch Herunterregulation dieser Proteine mittels siRNA sichtbar: Unter diesen Bedingungen konnte ADMA auch in Anwesenheit von Austauschsubstrat für das System y+L weniger effektiv exportiert werden. Eine wichtige Aufgabe des humanen Endothels ist die Bildung bioaktiven Stickstoffmonoxids, das unter anderem eine Vasodilatation der Gefäße bewirkt. Für diese NO-Synthese wird L-Arginin als Substrat von der endothelialen NO-Synthase benötigt. ADMA stellt einen kompetitiven Inhibitor dar, dessen erhöhtes intrazelluläres Vorkommen möglicherweise hemmend auf die NO-Synthase wirken könnte. Es konnten hier allerdings keine Auswirkungen eines um das 4-fache gestiegenen, intrazellulären ADMA-Spiegels auf die Tätigkeit der endothelialen NO-Synthase festgestellt werden. Möglicherweise bedarf es eines noch weiter zu Gunsten des ADMAs verschobenen, intrazellulären L-Arginin:ADMA-Verhältnisses, um eine Hemmung der NO-Synthase festzustellen. Dies könnte bei einem pathologischen Transporterausfall eintreten, der intrazellulär permanent höhere ADMA-Konzentrationen zur Folge hätte. Des Weiteren hätte ein Anstieg der Arginasetätigkeit und damit einhergehend ein Substratdefizit für die NO-Synthase den gleichen Effekt. Der translationale Ansatz mit humanen peripheren mononukleären Blutzellen von Patienten aus der 2. Medizinischen Klinik zeigte die Tendenz einer Korrelation zwischen dem ADMA-Exportvermögen und der Endothelfunktion und brachte zudem die Erkenntnis eines individuell äußerst variablen ADMA-Exportvermögens zutage.