Repression of osteocyte Wnt/beta-catenin signaling is an early event in the progression of renal osteodystrophy

Chronic kidney diseasemineral bone disorder (CKD-MBD) is defined by abnormalities in mineral and hormone metabolism, bone histomorphometric changes, and/or the presence of soft-tissue calcification. Emerging evidence suggests that features of CKD-MBD may occur early in disease progression and are associated with changes in osteocyte function. To identify early changes in bone, we utilized the jck mouse, a genetic model of polycystic kidney disease that exhibits progressive renal disease. At 6 weeks of age, jck mice have normal renal function and no evidence of bone disease but exhibit continual decline in renal function and death by 20 weeks of age, when approximately 40% to 60% of them have vascular calcification. Temporal changes in serum parameters were identified in jck relative to wild-type mice from 6 through 18 weeks of age and were subsequently shown to largely mirror serum changes commonly associated with clinical CKD-MBD. Bone histomorphometry revealed progressive changes associated with increased osteoclast activity and elevated bone formation relative to wild-type mice. To capture the early molecular and cellular events in the progression of CKD-MBD we examined cell-specific pathways associated with bone remodeling at the protein and/or gene expression level. Importantly, a steady increase in the number of cells expressing phosphor-Ser33/37-beta-catenin was observed both in mouse and human bones. Overall repression of Wnt/beta-catenin signaling within osteocytes occurred in conjunction with increased expression of Wnt antagonists (SOST and sFRP4) and genes associated with osteoclast activity, including receptor activator of NF-?B ligand (RANKL). The resulting increase in the RANKL/osteoprotegerin (OPG) ratio correlated with increased osteoclast activity. In late-stage disease, an apparent repression of genes associated with osteoblast function was observed. These data confirm that jck mice develop progressive biochemical changes in CKD-MBD and suggest that repression of the Wnt/beta-catenin pathway is involved in the pathogenesis of renal osteodystrophy. (C) 2012 American Society for Bone and Mineral Research.

Association between the C242T polymorphism in the p22phox gene with arterial stiffness in the Brazilian population

de Oliveira Alvim R, Lima Santos PCJ, Goncalves Dias R, Rodrigues MV, de Sa Cunha R, Mill JG, Junior WN, Krieger JE, Pereira AC. Association between the C242T polymorphism in the p22phox gene with arterial stiffness in the Brazilian population. Physiol Genomics 44: 587-592, 2012. First published April 10, 2012; doi:10.1152/physiolgenomics.00122.2011.-NADPH oxidase p22phox subunit is responsible for the production of reactive oxygen species in the vascular tissue. The C242T polymorphism in the p22phox gene has been associated with diverse coronary artery disease phenotypes, but the findings about the protective or harmful effects of the T allele are still controversial. Our main aim was to assess the effect of p22phox C242T genotypes on arterial stiffness, a predictor of late morbidity and mortality, in individuals from the general population. We randomly selected 1,178 individuals from the general population of Vitoria City, Brazil. Genotypes for the C242T polymorphism were detected by PCR-RFLP, and pulse wave velocity (PWV) values were measured with a noninvasive automatic device Complior. p22phox and TNF-alpha gene expression were quantified by real-time PCR in human arterial mammary smooth muscle cells. In both the entire and nonhypertensive groups: individuals carrying the TT genotype had higher PWV values and higher risk for increased arterial stiffness [odds ratio (OR) 1.93, 95% confidence interval (CI) 1.27-2.92 and OR 1.78, 95% CI 1.07-2.95, respectively] compared with individuals carrying CC + CT genotypes, even after adjustment for covariates. No difference in the p22phox gene expression according C242T genotypes was observed. However, TNF-alpha gene expression was higher in cells from individual carrying the T allele, suggesting that this genetic marker is associated with functional phenotypes at the gene expression level. In conclusion, we suggest that p22phox C242T polymorphism is associated with arterial stiffness evaluated by PWV in the general population. This genetic association shed light on the understanding of the genetic modulation on vascular dysfunction mediated by NADPH oxidase.

Tomographic, Histological, and Immunohistochemical Evidences on the Use of N-Butyl-2-Cyanoacrilate for Onlay Graft Fixation in Rabbits

Background: The bone tissue responses to Cyanoacrylate have been described in the literature, but none used N-butyl-2-cyanoacrilate (NB-Cn) for bone graft fixation. Purpose: The aims of the study were: (a) to analyze the bone grafts volume maintenance fixed either with NB-Cn or titanium screw; (b) to assess the incorporation of onlay grafts on perforated recipient bed; and (c) the differences of expression level of tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) protein involved in bone resorption. Materials and Methods: Eighteen New Zealand White rabbits were submitted to calvaria onlay grafting on both sides of the mandible. On one side, the graft was fixed with NB-Cn, while on the other hand the bone graft was secured with an osteosynthesis screw. The computed tomography (CT) was performed just after surgery and at animals sacrifice, after 1 (n = 9) and 6 weeks (n = 9), in order to estimate the bone grafts volume along the experiments. Histological sections of the grafted areas were prepared to evaluate the healing of bone grafts and to assess the expression of TRAP protein. Results: The CT scan showed better volume maintenance of bone grafts fixed with NB-Cn (p = 0.05) compared with those fixed with screws, in both experimental times (analysis of variance). The immunohistochemical evaluation showed that the TRAP expression in a 6-week period was significantly higher compared with the 1-week period, without showing significant difference between the groups (Wilcoxon and MannWhitney). Histological analysis revealed that the NB-Cn caused periosteum damage, but provided bone graft stabilization and incorporation similar to the control group. Conclusion: The perforation provided by screw insertion into the graft during fixation may have triggered early revascularization and remodeling to render increased volume loss compared with the experimental group. These results indicate that the NB-Cn possesses equivalent properties to titanium screw to be used as bone fixation material in osteosynthesis.

Genotypic variation in Actinidia deliciosa fruit size and carbohydrate content

In a global and increasingly competitive fresh produce market, more attention is being given to fruit quality traits and consumer satisfaction. Kiwifruit occupies a niche position in the worldwide market, when compared to apples, oranges or bananas. It is a fruit with extraordinarily good nutritional traits, and its benefits to human health have been widely described. Until recently, international trade in kiwifruit was restricted to a single cultivar, but different types of kiwifruit are now becoming available in the market. Effective programmes of kiwifruit improvement start by considering the requirements of consumers, and recent surveys indicate that sweeter fruit with better flavour are generally preferred. There is a strong correlation between at-harvest dry matter and starch content, and soluble solid concentration and flavour when fruit are eating ripe. This suggests that carbon accumulation strongly influences the development of kiwifruit taste. The overall aim of the present study was to determine what factors affect carbon accumulation during Actinidia deliciosa berry development. One way of doing this is by comparing kiwifruit genotypes that differ greatly in their ability to accumulate dry matter in their fruit. Starch is the major component of dry matter content. It was hypothesized that genotypes were different in sink strength. Sink strength, by definition, is the effect of sink size and sink activity. Chapter 1 reviews fruit growth, kiwifruit growth and development and carbon metabolism. Chapter 2 describes the materials and methods used. Chapter 3, 4, 5 and 6 describes different types of experimental work. Chapter 7 contains the final discussions and the conclusions Three Actinidia deliciosa breeding populations were analysed in detail to confirm that observed differences in dry matter content were genetically determined. Fruit of the different genotypes differed in dry matter content mainly because of differences in starch concentrations and dry weight accumulation rates, irrespective of fruit size. More detailed experiments were therefore carried out on genotypes which varied most in fruit starch concentrations to determine why sink strengths were so different. The kiwifruit berry comprises three tissues which differ in dry matter content. It was initially hypothesised that observed differences in starch content could be due to a larger proportion of one or other of these tissues, for example, of the central core which is highest in dry matter content. The study results showed that this was not the case. Sink size, intended as cell number or cell size, was then investigated. The outer pericarp makes up about 60% of berry weight in ‘Hayward’ kiwifruit. The outer pericarp contains two types of parenchyma cells: large cells with low starch concentration, and small cells with high starch concentration. Large cell, small cell and total cell densities in the outer pericarp were shown to be not correlated with either dry matter content or fruit size but further investigation of volume proportion among cell types seemed justified. It was then shown that genotypes with fruit having higher dry matter contents also had a higher proportion of small cells. However, the higher proportion of small cell volume could only explain half of the observed differences in starch content. So, sink activity, intended as sucrose to starch metabolism, was investigated. In transiently starch storing sinks, such as tomato fruit and potato tubers, a pivotal role in carbon metabolism has been attributed to sucrose cleaving enzymes (mainly sucrose synthase and cell wall invertase) and to ADP-glucose pyrophosphorylase (the committed step in starch synthesis). Studies on tomato and potato genotypes differing in starch content or in final fruit soluble solid concentrations have demonstrated a strong link with either sucrose synthase or ADP-glucose pyrophosphorylase, at both enzyme activity and gene expression levels, depending on the case. Little is known about sucrose cleaving enzyme and ADP-glucose pyrophosphorylase isoforms. The HortResearch Actinidia EST database was then screened to identify sequences putatively encoding for sucrose synthase, invertase and ADP-glucose pyrophosphorylase isoforms and specific primers were designed. Sucrose synthase, invertase and ADP-glucose pyrophosphorylase isoform transcript levels were anlayzed throughout fruit development of a selection of four genotypes (two high dry matter and two low dry matter). High dry matter genotypes showed higher amounts of sucrose synthase transcripts (SUS1, SUS2 or both) and higher ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPL4, large subunit 4) gene expression, mainly early in fruit development. SUS1- like gene expression has been linked with starch biosynthesis in several crop (tomato, potato and maize). An enhancement of its transcript level early in fruit development of high dry matter genotypes means that more activated glucose (UDP-glucose) is available for starch synthesis. This can be then correlated to the higher starch observed since soon after the onset of net starch accumulation. The higher expression level of AGPL4 observed in high dry matter genotypes suggests an involvement of this subunit in drive carbon flux into starch. Changes in both enzymes (SUSY and AGPse) are then responsible of higher starch concentrations. Low dry matter genotypes showed generally higher vacuolar invertase gene expression (and also enzyme activity), early in fruit development. This alternative cleavage strategy can possibly contribute to energy loss, in that invertases’ products are not adenylated, and further reactions and transport are needed to convert carbon into starch. Although these elements match well with observed differences in starch contents, other factors could be involved in carbon metabolism control. From the microarray experiment, in fact, several kinases and transcription factors have been found to be differentially expressed. Sink strength is known to be modified by application of regulators. In ‘Hayward’ kiwifruit, the synthetic cytokinin CPPU (N-(2-Chloro-4-Pyridyl)-N-Phenylurea) promotes a dramatic increase in fruit size, whereas dry matter content decreases. The behaviour of CPPU-treated ‘Hayward’ kiwifruit was similar to that of fruit from low dry matter genotypes: dry matter and starch concentrations were lower. However, the CPPU effect was strongly source limited, whereas in genotype variation it was not. Moreover, CPPU-treated fruit gene expression (at sucrose cleavage and AGPase levels) was similar to that in high dry matter genotypes. It was therefore concluded that CPPU promotes both sink size and sink activity, but at different “speeds” and this ends in the observed decrease in dry matter content and starch concentration. The lower “speed” in sink activity is probably due to a differential partitioning of activated glucose between starch storage and cell wall synthesis to sustain cell expansion. Starch is the main carbohydrate accumulated in growing Actinidia deliciosa fruit. Results obtained in the present study suggest that sucrose synthase and AGPase enzymes contribute to sucrose to starch conversion, and differences in their gene expression levels, mainly early in fruit development, strongly affect the rate at which starch is therefore accumulated. This results are interesting in that starch and Actinidia deliciosa fruit quality are tightly connected.

Studio del pathway della Displasia Ectodermica Anidrotica (EDA)

Anhidrotic Ectodermal Dysplasia (EDA), is the most frequent form among Ectodermal Dysplasias, hereditary genetic disorders causing ectodermal appendages defective development. Indeed, EDA is characterized by defective formation of hair follicles, sweat glands and teeth both in human patients and animals. EDA, the gene mutated in Anhidrotic Ectodermal Dysplasia, encodes Ectodysplasin, a TNF family member that activates NF-kB mediated transcription. This disease can occur with mutations in other EDA-NF-kB pathway members, as EDA receptor, EDAR and its adapter, EDARADD. Moreover, mutations in TRAF6, NEMO, IKB and NF-kBs genes are responsible for Immunodeficiency associated EDA (EDA-ID). Several molecules, as SHH, WNT/DKK, BMP and LTβ, have already been reported to be EDA pathway regulators or effectors although the knowledge of the full spectrum of EDA targets remains incomplete. During the first part of the research project a gene expression analysis was performed in primary keratinocytes from Wild-type and Tabby (EDA model mouse) mice to identify novel EDA target genes. Earlier expression profiling at various developmental time points in Tabby and Wild-type mouse skin reported genes differentially expressed in the two samples and, to increase the resolution to find genes whose expression may be restricted to epidermal cells, the study was extended to primary keratinocyte cultures established from E19 Wild-type and Tabby skin. Using microarrays bearing 44,000 gene probes, we found 385 “preliminary candidate” genes whose expression was significantly affected by Eda defect. By comparing expression profiles to those from Eda-A1 (where Eda-A1 is highly expressed) transgenic skin, we restricted the list to 38 “candidate EDA targets”, 14 of which were already known to be expressed in hair follicles or epidermis. This work confirmed expression changes for 3 selected genes, Tbx1, Bmp7, and Jag1, both in primary keratinocytes and in Wild-type and Tabby whole skin, by Q-PCR and Western blotting analyses. Thus, this study detected novel candidate pathways downstream of EDA. In the second part of the research project, plasmid constructs were produced and analyzed to create a transgenic mouse model for Immunodeficiency associated EDA disease (XL-EDA-ID). In particular, plasmids containing mouse Wild-type and mutated Nemo cDNA under K-17 epidermis-specific promoter control and a Flag tag, were prepared, on the way to confine transgene expression to mice epidermis and to determine EDA phenotype without immunodeficiency for a comparison to Tabby model phenotype. EDA-ID mutations reported in patients and selected for this study are: C417R (C409R in mouse), causing Zinc Finger protein domain destabilization and A288G (A282G in mouse) affecting oligomerization of the protein. Moreover, the ex-novo mutation, ZnF, C-terminal Zinc Finger domain deletion, was tested. Thus, the constructs were analyzed by transient transfection, Western blotting and luciferase assays techniques, detecting Nemo Wild-type and mutant protein products and residue NF-kB activity in presence of mutants, after TNF stimulation. In particular, MEF_Nemo-/- cell line was used to monitor NF-kB activity without endogenous Nemo gene. Results show reduced NF-kB activity in presence of mutated Nemo forms compared to Wild-type: 81% for A282G (A288G in human); 24% for C409R (C417R in human); 15% for ZnF. C409R mutation (C417R in human), reported in 6 EDA-ID human patients, was selected to prepare transgenic model mouse. Mice (white, FVP) born following K17-promoter-Flag-Nemo_C409R plasmid region pronuclear injection, were analyzed for the transgene presence in the genotype and a preliminar examination of their phenotype was performed. In particular, one mouse showed considerable coat defects if compared to Wild-type mice. This preliminar analysis suggests a possible influence of Nemo mutant over-expression in epidermis without immunodeficiency. Still, more microscopic studies to analyze hair subtypes, Guard, Awl and Zigzag (usually alterated inTabby mouse model), Immunohistochemistry experiments to detect epidermis restricted Nemo expression and sweat glands analysis, will follow. This and other transgene positive mice will be crossed with black mice C57BL6 to obtain at least two indipendent agouti lines to analyze. Theses mice will be used in EDA target genes detection through microarrays. Following, plasmid constructs containing other Nemo mutant forms (A282G and ZnF) might be studied by the same experimental approaches to prepare more transgenic model mice to compare to Nemo_C409R and Tabby mouse models.

Kiwifruit bud release from dormancy: effect of exogenous cytokinins

A new formulate containing citokinins, that is commercialized as Cytokin, has been introduced as dormancy breaking agents. During a three-years study, Cytokin was applied at different concentrations and application times in two producing areas of the Emilia-Romagna region to verify its efficacy as a DBA. Cytokin application increased the bud break and showed a lateral flower thinning effect. Moreover, treated vines showed an earlier and more uniform flowering as compared to control ones. Results obtained on the productive performance revealed a constant positive effect in the fruit fresh weight at harvest. Moreover, Cytokin did not cause any phytotoxicity even at the highest concentrations. Starting from the field observation, which suggested the involvement of cytokinins in kiwifruit bud release from dormancy, 6-BA was applied in open field condition and molecular and histological analyses were carried out in kiwifruit buds collected starting from the endo dormant period up to complete bud break to compare the natural occurring situation to the one induced by exogenous cytokinin application. In details, molecular analyses were set up on to verify the expression of genes involved in the reactivation of cell cycle: cyclin D3, histone H4, cyclin-dependent kinase B, as well as of others which are known to be up regulated during bud release in other species, i.e.isopenteniltransferases (IPTs), which catalyze the first step in the CK biosynthesis, and sucrose synthase 1 and A, which are involved in the sugar supplied. Moreover, histological analyses of the cell division rate in kiwifruit bud apical meristems were performed. These analyses showed a reactivation of the cell divisions during bud release and changes in the expression level of the investigated genes.

Generierung und Transduktion wachstumsnegativer Signale durch den Contactinhibin-Rezeptor

Generierung und Transduktion wachstumsnegativer Signale durch den Contactinhibin-RezeptorDie kontaktabhängige Wachstumshemmung, Kontaktinhibition, basierend auf der Interaktion von Contactinhibin (Ci) und seinem Rezeptor (CiR), reguliert das Zellwachstum. Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Signalweiterleitung über den CiR.Der transformierende Wachstumsfaktor TGF-beta führt in den meisten Zelltypen wie die Kontaktinhibition zum Zellzyklusstopp in der G1-Phase. Um mögliche Interaktionen der beiden Signalkaskaden zu untersuchen, wurden humane Keratinozyten (HaCaT) mit einem dominant-negativen TGF-beta-Rezeptor Typ II stabil transfiziert. Das Ausschalten des TGF-beta-Signalweges resultierte in einer erhöhten Sättigungsdichte und Aufhebung der Kontaktinhibition. Die durch Kontaktinhibition induzierte Zunahme der Expression der TGF-beta-mRNA bestätigte die mögliche Interaktion der beiden Signalwege.In einem weiteren Ansatz sollte die Proteinkinase C (PKC) als möglicher Second Messenger der Kontaktinhibition untersucht werden. Die Herunterregulierung der PKC-Isoformen alpha, delta, epsilon und mu nach Langzeit-Behandlung mit 12-O-Tetradecanoylphorbol-13-acetat führte in humanen Fibroblasten (FH109) zu einer Reduktion der Kontaktinhibition. Nur durch Inkubation mit dem spezifischen Inhibitor der delta-Isoform Rottlerin konnte die Kontaktinhibition vollständig aufgehoben werden. Eine Beteiligung der PKC-delta in die Kontaktinhibition wurde dadurch bestätigt, daß sowohl die Stärke ihrer Proteinexpression als auch ihre intrazelluläre Verteilung über Zell-Zellkontakte reguliert wurde. Außerdem führte die transiente Transfektion von Maus-Fibroblasten, NIH3T3, mit einer dominant-negativen Mutante der PKC-delta zu einem transformierten Phänotyp.

Modulation der Immunogenität von humanen Nierenzellkarzinomzellen durch stabilen TAP1-Gentransfer

Bei Nierenzellkarzinomen (NZK), wie auch bei vielen anderen Tumoren konnte eine reduzierte Expression der Klasse I Haupthistokompatibilitäts-Komplexe (MHC Klasse I) nachgewiesen werden, die assoziiert sein kann mit der gestörten Expression oder Funktion von Komponenten der Antigenprozessierung. Eine verminderte Erkennung solcher Tumore durch zytotoxische T-Lymphozyten und ein Zusammenhang mit einem Fortschreiten der Erkrankung führte zu der Annahme, daß es sich bei diesen Störungen um "immune escape"-Mechanismen handelt. Um die Bedeutung des heterodimeren Peptidtransporters TAP ("transporter associated with antigen processing") für die Immunogenität von Nierenzellkarzinomen zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals der stabile Gentransfer des humanen TAP1A-Gens in Nierenzellkarzinom-Zellen erfolgreich durchgeführt.
Dies konnte durch die Optimierung der Transfektionsmethode und des verwendeten Plasmid-Vektors erreicht werden. Die Transfektionen wurden mit Hilfe der Rechteck-Impuls-Elektroporation unter spezifischen, in der Arbeit etablierten Bedingungen durchgeführt. Der CMV-regulierte TAP-Expressions-Vektor wurde dahingehend verbessert, daß durch die Einführung einer IRES ("internal ribosomal entry site") Sequenz eine bicistronische m-RNS transkribiert wird, die sowohl das TAP1-Transgen als auch den Neomycin-Selektionsmarker enthält.
Es konnte nach klonaler Selektion eine stabile, aber unter den sieben getesteten Klonen heterogene Transkription der transgenen TAP1-mRNS nachgewiesen werden. In der Protein-Expression zeigten 5/7 der TAP1A-positive Klone eine mindestens zweifache Induktion der TAP1-Expression. In 2/7 dieser TAP1A-positive Klone war die TAP1-Überexpression mit einer Erhöhung der MHC Klasse I-Expression und selektiver Induktion des HLA-A2-Moleküls in der Durchflußzytometrie verbunden. Eine Quantifizierung des Peptidtransportes ergab je nach verwendetem Modellpeptid eine geringe oder gar keine Erhöhung der Transportrate in den TAP1-Transfektanden gegenüber Kontrollzellen. Ebenfalls konnte in Zytotoxizitäts-Analysen mit einer autologen T-Zellinie eine Erhöhung der spezifischen Lyse nicht gezeigt werden. Jedoch wurden im Zellkultur-Überstand dieser Zytotoxizitäts-Analysen bei einigen TAP1A-positive Transfektanden gegenüber mock transfizierten-Kontrollzellen deutlich erhöhte Werte des Tumornekrose-Faktor-alpha (TNF-alpha) gemessen, was als Maß einer T-Zell-Aktivierung gilt. Diese Ergebnisse sind konsistent mit einer ebenfalls deutlich gesteigerten T-Zell-Proliferation in Anwesenheit von TAP1A-positive Transfektanden.
Die alleinige stabile Überexpression von TAP1 in Nierenzellkarzinomzellen kann somit zu einer Modulation der MHC Klasse I-Expression und der T-Zell-Reaktivität führen. Das weist darauf hin, daß eine starke, konstitutive TAP1-Expression eine grundlegende Voraussetzung für eine effiziente Antigenprozessierung und Immunantwort darstellt und die Immuntoleranz gegenüber NZK durch stabilen TAP1-Gentransfer beinflußbar ist. Eine denkbare klinische Anwendung dieser Technik ist die Herstellung einer Tumorantigen-präsentierenden Zellvakzine, die eine T-Zell-Anergie gegenüber NZK durchbrechen könnte.
Schlüsselwörter: TAP, MHC, Antigenprozessierung, Tumorimmunologie, Gentransfer

Identifizierung eines adaptiven antibakteriellen Abwehrmechanismus des marinen Schwammes Suberites domuncula

Schwämme (Porifera) sind die phylogenetisch ältesten Metazoa. Sie besitzen komplexe Abwehrsysteme, welche vor allem auf der Synthese bioaktiver niedermolekularer Sekundärmetaboliten beruhen und diese Tiere zu einer der reichhaltigsten Quellen für medizinisch nutzbare Wirkstoffe machen. Besonders der marine Einsiedler-Korkschwamm (Suberites domuncula) hat sich in den letzten Jahren zur Untersuchung der molekularen Zusammenhänge dieser Abwehrmechanismen als besonders geeignet herausgestellt. So wurden in diesem Schwamm beispielsweise zwei lyso-PAF (plättchenaktivierender Faktor) Derivate (1-O Hexadecyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin und 1-O-Octadecyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin) identifiziert und charakterisiert, sowie deren ausgeprägte antibakterielle Aktivität besonders gegenüber gramnegativen Bakterien demonstriert. Eine Behandlung mit der Modellsubstanz zur Simulation einer bakteriellen Infektion, dem Endotoxin Lipopolysaccharid (LPS), für insgesamt 72 Stunden resultierte in einem Anstieg der Expressionslevel zweier an der Biosynthese dieser bioaktiven Etherphospholipide beteiligten Proteine. Unter Anwendung der Methode des Differential Display konnte einerseits das Schlüsselenzym der Etherphospholipid Biosynthese Alkyl- Dihydroxyacetonphosphat (DHAP)-Synthase und andererseits die regulatorische Untereinheit der PAF-deacetylierenden PAF Acetylhydrolase I

Candidate genes affecting fat deposition, carcass composition and meat quality traits in pigs

Pig meat quality is determined by several parameters, such as lipid content, tenderness, water-holding capacity, pH, color and flavor, that affect consumers’ acceptance and technological properties of meat. Carcass quality parameters are important for the production of fresh and dry-cure high-quality products, in particular the fat deposition and the lean cut yield. The identification of genes and markers associated with meat and carcass quality traits is of prime interest, for the possibility of improving the traits by marker-assisted selection (MAS) schemes. Therefore, the aim of this thesis was to investigate seven candidate genes for meat and carcass quality traits in pigs. In particular, we focused on genes belonging to the family of the lipid droplet coat proteins perilipins (PLIN1 and PLIN2) and to the calpain/calpastatin system (CAST, CAPN1, CAPN3, CAPNS1) and on the gene encoding for PPARg-coactivator 1A (PPARGC1A). In general, the candidate genes investigation included the protein localization, the detection of polymorphisms, the association analysis with meat and carcass traits and the analysis of the expression level, in order to assess the involvement of the gene in pork quality. Some of the analyzed genes showed effects on various pork traits that are subject to selection in genetic improvement programs, suggesting a possible involvement of the genes in controlling the traits variability. In particular, significant association results have been obtained for PLIN2, CAST and PPARGC1A genes, that are worthwhile of further validation. The obtained results contribute to a better understanding of biological mechanisms important for pig production as well as for a possible use of pig as animal model for studies regarding obesity in humans.

Bioinformatische, genomweite Analyse genexpressionsregulierender Faktoren in Lebergewebe

Für eine Reihe einzelner genetischer Faktoren und Promotorelemente wurde in der Vergangenheit eine Regulation der Genexpression in der Leber (und auch in anderen Geweben) gezeigt. Mit der Verfügbarkeit des gesamten humanen Genoms sowie dessen Expressionsdaten in großen Microarray- und SAGE-Datenbanken bietet sich die Möglichkeit, solche Regulationsmechanismen in großem, genomweitem Maßstab zu untersuchen. Dabei geht diese Arbeit der Frage nach, ob es übergeordnete, eine Expression speziell in der Leber fördernde oder hemmende Faktoren gibt oder ob jedes Gen von einer unabhängigen Kombination von Faktoren reguliert wird, in dessen Summe die Expression des individuellen Gens in der Leber am stärksten ist. Sollten sich übergeordnete, eine Expression in der Leber stimulierende Faktoren finden, wären diese interessant für die Entwicklung neuer Behandlungskonzepte bei Lebererkrankungen. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden aus einem Affymetrix Microarray Datenset für 12 Gewebe die Expressiondaten von insgesamt jeweils 15.472 Genen extrahiert. In einem zweiten Schritt wurden zusätzlich die Promotorsequenzen der einzelnen zugehörigen Gene, definiert als eine 1000 bp Region upstream des Transkriptionsstarts, in dieselbe Datenbank abgelegt. Die Promotorsequenzen wurden über den PromotorScan-Algorithmus analysiert. Auf diese Weise wurden Transkriptionsfaktorbindungsstellen auf 7042 der Promotoren identifiziert. Es fand sich eine Gesamtzahl von 241.984 Transkriptionsfaktorbindungsstellen. Anhand der Microarray-Expressionsdaten wurde die Gesamtgruppe der verfügbaren Gene und Promotoren in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in die Gruppe der Gene, deren Expression in der Leber deutlich am höchsten gefunden wurde und in die Gruppe der Gene, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Jeder potentiell bindende Transkriptionsfaktor wurde auf unterschiedliches Vorkommen in diesen beiden Gruppen hin untersucht. Dies geschah unter der Vorstellung, dass übergeordnete Faktoren, die eine Expression in der Leber stimulieren in der Gruppe der Gene, die in der Leber am höchsten exprimiert sind, verhältnismäßig wesentlich häufiger zu finden sein könnten. Eine solches häufigeres Vorkommen ließ sich jedoch für keinen einzigen Faktor nachweisen. Transkriptionsfaktorbindungsstellen sind typischerweise zwischen 5 und 15 bp lang. Um auszuschließen, dass mit dem verwendeten PromotorScan-Algorithmus Transkriptionsfaktorbindungsstellen, die bisher nicht bekannt sind, nicht übersehen wurden, wurden die Häufigkeit sämtlicher möglicher 8 bp (48) und 10 bp (410) Nukleotid-Kombinationen in diesen Promotoren untersucht. Biologisch relevante Unterschiede fanden sich zwischen den beiden Gruppen nicht. In gleicher Weise wurde auch die Bedeutung von TATA-Boxen untersucht. TATA-Boxen kommt bei der Transkriptionsinitiierung eine wichtige Rolle zu, indem über sie die Bindung des initialen Transkriptionskomplexes vermittelt wird. Insgesamt 1033 TATA-Boxen wurden ebenfalls mittels PromotorScan vorausgesagt. Dabei waren 57 auf Promotoren von Genen, die in der Leber überexprimiert waren und 976 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben überexprimiert waren. Der Vergleich dieser beiden Gruppen ließ keine signifikant unterschiedliche Häufigkeit an TATA-Boxen erkennen. Im weiteren wurde die Bedeutung von CpG-Islands für eine potentiell differentielle Regulation untersucht. Insgesamt wurden 8742 CpG-Islands in einem Bereich von bis zu 5 kb upstream des Transkriptionsstarts identifiziert, 364 davon auf Promotoren von Genen, die am höchsten in der Leber exprimiert waren, 8378 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Signifikante Unterschiede in der Verteilung von CpG-Islands auf Promotoren dieser beiden Gengruppen ließen sich nicht nachweisen. Schließlich wurden die RNA- und Proteinsequenzen des Transkriptoms und Proteoms hinsichtlich ihrer Zusammensetzung aus einzelnen Nukleotiden bzw. Aminosäuren analysiert. Auch hierbei fanden sich keine signifikanten Unterschiede in der Verteilung zwischen beiden Gengruppen. Die Zusammenschau der Ergebnisse zeigt, dass die Regulation der einzelnen Gene im Lebergewebe im wesentlichen individuell erfolgt. Im Rahmen der vorgelegten bioinformatischen Analysen fanden sich keine übergeordneten genetischen „Leberfaktoren“, die speziell eine Expression von Genen in der Leber stimulieren. Neue therapeutische Ansätze, die auf eine Regulation der Genexpression in der Leber zielen, werden somit auch weiterhin auf die Beeinflussung individueller Gene fokussiert bleiben.

Valutazione del ruolo dell'espressione di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di cellule di osteosarcoma ed MSCs

L’osteosarcoma (OS) è il tumore primitivo dell’osso più comune in età pediatrica e adolescenziale. L’OS è stato recentemente riconsiderato come una patologia da de-differenziamento, legata all’interruzione del processo cui vanno incontro i precursori osteoblastici, quali le cellule staminali mesenchimali (MSCs), per trasformarsi in osteoblasti maturi. Il sistema IGF è coinvolto nella regolazione della proliferazione e del differenziamento di cellule di OS. IRS-1 è un mediatore critico di tale via di segnalazione e il suo livello di espressione modula il differenziamento di cellule ematopoietiche. Lo scopo di questa tesi è stato quello di definire il ruolo di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di MSCs e cellule di OS. Il potenziale differenziativo di cellule di OS umano e murino e di MSCs derivate da midollo osseo è stato valutato tramite Alizarin Red staining e Real Time-PCR. Dai dati ottenuti è emerso come i livelli di espressione di IRS-1 diminuiscano durante il differenziamento osteoblastico. Conseguentemente, i livelli di espressione di IRS-1 sono stati manipolati utilizzando shRNA per down-regolare l’espressione della proteina o un plasmide per sovra-esprimerla. Sia la down-regolazione sia la sovra-espressione di IRS-1 hanno inibito il differenziamento osteoblastico delle linee cellulari considerate. Allo scopo di valutare il contributo di IRS-1 nella via di segnalazione di IGF-1R è stato utilizzato l’inibitore di tale recettore, αIR-3. Anche in questo caso è stata osservata una riduzione della capacità differenziativa. L’inibitore del proteasoma MG-132 ha portato ad un aumento dei livelli di IRS-1, portando nuovamente all’inibizione del differenziamento osteoblastico e suggerendo che l’ubiquitinazione di questa proteina potrebbe avere un ruolo importante nel mantenimento di appropriati livelli di espressione di IRS-1. I risultati ottenuti indicano la criticità dei livelli di espressione di IRS-1 nella determinazione della capacità differenziativa sia di cellule di OS umano e murino, sia delle MSCs.

Oligomerisation, localisation and interaction of the sensor histidine kinases DcuS and CitA in Escherichia coli

The two-component system DcuSR of Escherichia coli regulates gene expression of anaerobic fumarate respiration and aerobic C4-dicarboxylate uptake. C4-dicarboxylates and citrate are perceived by the periplasmic domain of the membrane-integral sensor histidine kinase DcuS. The signal is transduced across the membrane by phosphorylation of DcuS and of the response regulator DcuR, resulting in activation of DcuR and transcription of the target genes.rnIn this work, the oligomerisation of full-length DcuS was studied in vivo and in vitro. DcuS was genetically fused to derivatives of the green fluorescent protein (GFP), enabling fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements to detect protein-protein interactions in vivo. FRET measurements were also performed with purified His6-DcuS after labelling with fluorescent dyes and reconstitution into liposomes to study oligomerisation of DcuS in vitro. In vitro and in vivo fluorescence resonance energy transfer showed the presence of oligomeric DcuS in the membrane, which was independent of the presence of effector. Chemical crosslinking experiments allowed clear-cut evaluation of the oligomeric state of DcuS. The results showed that detergent-solubilised His6-DcuS was mainly monomeric and demonstrated the presence of tetrameric DcuS in proteoliposomes and in bacterial membranes.rnThe sensor histidine kinase CitA is part of the two-component system CitAB of E. coli, which is structurally related to DcuSR. CitAB regulates gene expression of citrate fermentation in response to external citrate. The sensor kinases DcuS and CitA were fused with an enhanced variant of the yellow fluorescent protein (YFP) and expressed in E. coli under the control of an arabinose-inducible promoter. The subcellular localisation of DcuS-YFP and CitA-YFP within the cell membrane was studied by means of confocal laser fluorescence microscopy. Both fusion proteins were found to accumulate at the cell poles. The polar accumulation was slightly increased in the presence of the stimulus fumarate or citrate, respectively, but independent of the expression level of the fusion proteins. Cell fractionation demonstrated that polar accumulation was not related to inclusion bodies formation. The degree of polar localisation of DcuS-YFP was similar to that of the well-characterised methyl-accepting chemotaxis proteins (MCPs), but independent of their presence. To enable further investigations on the function of the polar localisation of DcuS under physiological conditions, the sensor kinase was genetically fused to the flavin-based fluorescent protein Bs2 which shows fluorescence under aerobic and anaerobic conditions. The resulting dcuS-bs2 gene fusion was inserted into the chromosome of various E. coli strains.rnFurthermore, a protein-protein interaction between the related sensor histidine kinases DcuS and CitA, regulating common metabolic pathways, was detected via expression studies under anaerobic conditions in the presence of citrate and by in vivo FRET measurements.

Gen knockdown der Metalloproteasen Meprin alpha 1, alpha 2 und beta im Zebrabärbling Danio rerio

Die Metalloproteasen Meprin α und β übernehmen Schlüsselfunktionen in vielen (patho-) physiologischenrnProzessen. So sind sie beteiligt an der Umstrukturierung der extrazellulären Matrix, an immunologischenrnReaktionen oder an entzündlichen Gewebserkrankungen. Die beiden Enzyme kommenrnhauptsächlich in den Bürstensaummembranen von Niere und Darm sowie in der Haut von Vertebratenrnvor. Für die Erforschung der biologischen Aktivität der Meprine wurde in dieser Arbeit der ModellorganismusrnDanio rerio verwendet, der vor allem durch die Möglichkeit der gentechnischen Manipulationrnprädestiniert ist. Im Fisch konnten drei homologe Enzyme (Meprin α1, α2 und β) nachgewiesenrnwerden. Während mRNA-Analysen eine nahezu ubiquitäre Verteilung der Meprine offenbarten,rnkonnte ich mittels spezifischer Antikörper die Expression auf Proteinebene nachweisen. WährendrnMeprin α1 und β verstärkt im Darmepithel und in der Epidermis lokalisiert sind, konnte Meprinrnα2 ausschließlich in der Lamina propria des Darms identifiziert werden.rnDer Hauptteil der vorliegenden Arbeit zielt auf die spezifische Reduzierung des Expressionslevels derrnMeprine in Embryonen des Zebrabärblings. Dies wurde durch die Mikroinjektion von sogenanntenrnMorpholinos in die Zygote erzielt. Morpholinos sind RNA-Moleküle, die spezifisch an die mRNA desrnZielproteins binden können und die Translation verhindern. Die auftretenden Effekte durch das Fehlenrnder Meprine lassen so Rückschlüsse auf ihre physiologische Funktion zu. Nach der Injektion vonrnMorpholinos gegen Meprin α1 zeigten sich lediglich leichte epidermale Deformationen. Bei Meprin βrnhingegen kam es zu einer massiven Fehlbildung von Organen im Rumpf- und Schwanzbereich. Diesesrnführte zu erheblichen Defekten; die Embryonen starben innerhalb der ersten 24 Stunden nach derrnBefruchtung. Demzufolge müssen Meprin α1 und Meprin β insbesondere an der Gewebsdifferenzierungrnbeteiligt sein. Dies korreliert mit verschiedenen Experimenten, u.a. an knockout Mäusen, ausrndenen hervorgeht, dass die Prozessierung und Aktivierung der Cytokine Interleukin-1β oder Interleukin-rn18 durch Meprin β erfolgen kann.rnDie Injektion von Meprin α2-Morpholinos erbrachte ein weiteres, eindrucksvolles Ergebnis: Das Blutgefäßsystemrnvon injizierten Embryonen war vollständig unterbrochen und es sammelten sich Erythrozytenrnim Bereich der Caudalvene an. Diese Phänotypen gleichen den knockdown-Experimenten mitrndem vascular endothelial growth factor VEGF-A, dem entscheidenden Wachstumsfaktor in der Angiogenesern(Blutgefäßbildung). Eine Inkubation des humanen VEGF-A mit (humanem) rekombinantemrnMeprin α bzw. β führte zu einer differenzierten Prozessierung des Moleküls. Diese Ergebnisse legenrnnahe, dass Meprin α pro-angiogenetisch wirkt, indem es VEGF-A prozessiert und damit die Gefäßbildungrnaktiviert. Aus den Daten dieser Arbeit wird die hohe Signifikanz der Meprine für die Proliferationrnund Differenzierung spezieller Gewebe deutlich, welche somit eine wichtige Grundlage für Studienrnan höheren Vertebraten darstellt.

DNA-Reparatur-assoziierte genetische und epigenetische Faktoren für die Zweittumorentstehung nach Tumoren im Kindes- und Jugendalter

Die Ursachen der Zweittumorentwicklung bei Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten, sind weitgehend unklar. Strahlenexposition oder Chemotherapie führen in normalen somatischen Zellen zu DNA-Schäden, welche bei fehlerhafter Reparatur eine Karzinogenese auslösen können. Es ist denkbar, dass genetische Unterschiede z. B. in den Signalwegen der Zellzykluskontrolle und der DNA-Reparatur nach therapieinduzierten DNA-Schäden eine entscheidende Rolle bei der Zweittumorentwicklung spielen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 20 Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten und einen unabhängigen Zweittumor entwickelten, mit 20 gematchten Kontrollpersonen ohne Zweittumorentwicklung verglichen. Die primären Fibroblasten der Patienten wurden auf somatische, genetische und/oder epigenetische Unterschiede in DNA-Reparaturnetzwerken untersucht. Die biologisch relevantesten Ergebnisse lieferten Proteinuntersuchungen mittels Antikörper-Microarrays. Hierbei wurde eine konstitutiv erniedrigte Menge an RAD9A und einigen anderen DNA-Reparatur-Proteinen (BRCA1, DDIT3, MSH6, p53, RAD51) in den Zweittumorpatienten im Vergleich zu den Eintumorpatienten festgestellt. Nach einer DNA-Schädigung durch 1 Gray Bestrahlung erhöhte sich die RAD9A-Proteinmenge, wobei die Zweittumorpatienten eine geringere Induktion als die Eintumorpatienten zeigten. Bei der Quantifizierung der mRNA-Expression mittels RTq-PCR wurde ein niedrigerer RAD9A-mRNA-Level sowohl in den unbehandelten und als auch in den 1 Gray bestrahlten Zellen der Zweittumorpatienten festgestellt. SNP-Array und Methylierungsanalysen konnten keine Auffälligkeiten im RAD9A-Lokus nachweisen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Modulationen von RAD9A und anderen Zellzyklusarrest- und DNA-Reparaturproteinen zum Risiko einer Zweittumorentwicklung in Kinderkrebspatienten beitragen. Bei einem diskordanten monozygoten Zwillingspaar wurde in ca. 20% der Zellen des Zweittumorzwillings eine Hypermethylierung des Tumorsuppressorgens BRCA1 festgestellt, die mit einer konstitutiv erniedrigten BRCA1-Proteinexpression einhergeht und einen möglichen Krebsrisikofaktor darstellt. Die partielle Deletion des Gens RSPO3, die wahrscheinlich als somatisches Zellmosaik beim Zweittumorzwilling vorliegt, korreliert mit einer niedrigeren RSPO3-mRNA-Expression und ist vermutlich auch mit einer erhöhten Krebsprädisposition assoziiert.