Changes in the expression of proteins associated with aerobic glycolysis and cell migration are involved in tumorigenic ability of two glioma cell lines

Background: The most frequent and malignant brain cancer is glioblastoma multiforme (GBM). In gliomas, tumor progression and poor prognosis are associated with the tumorigenic ability of the cells. U87MG cells (wild-type p53) are known to be tumorigenic in nude mice, but T98G cells (mutant p53) are not tumorigenic. We investigated the proteomic profiling of these two cell lines in order to gain new insights into the mechanisms that may be involved in tumorigenesis. Results: We found 24 differentially expressed proteins between T98G and U87MG cells. Gene Ontology supports the notion that over-representation of differentially expressed proteins is involved in glycolysis, cell migration and stress oxidative response. Among those associated with the glycolysis pathway, TPIS and LDHB are up-regulated in U87MG cells. Measurement of glucose consumption and lactate production suggests that glycolysis is more effective in U87MG cells. On the other hand, G6PD expression was 3-fold higher in T98G cells and this may indicate a shift to the pentose-phosphate pathway. Moreover, GRP78 expression was also three-fold higher in T98G than in U87MG cells. Under thapsigargin treatment both cell lines showed increased GRP78 expression and the effect of this agent was inversely correlated to cell migration. Quantitative RT-PCR and immunohistochemistry of GRP78 in patient samples indicated a higher level of expression of GRP78 in grade IV tumors compared to grade I and non-neoplastic tissues, respectively. Conclusions: Taken together, these results suggest an important role of proteins involved in key functions such as glycolysis and cell migration that may explain the difference in tumorigenic ability between these two glioma cell lines and that may be extrapolated to the differential aggressiveness of glioma tumors.

Inhibition of Aurora kinases enhances chemosensitivity to temozolomide and causes radiosensitization in glioblastoma cells

Glioblastoma remains one of the most devastating human malignancies, and despite therapeutic advances, there are no drugs that significantly improve the patient survival. Altered expression of the Aurora kinases was found in different malignancies, and their inhibition has been studied in cancer therapy. In this study, we analyzed the expression of Aurora A and Aurora B in glioblastoma samples and also analyzed whether the effects of Aurora kinase inhibition were associated with temozolomide or not on cell lines and primary cultures of glioblastoma. RT-PCR assays were used to determine the mRNA expression in glioblastoma tumor samples and in the cell lines. Cell proliferation was measured by XTT assay, and apoptosis was determined by flow cytometry. Drug combination analyses were made based in Chou-Talalay method. Gamma radiation for clonogenic survival used the doses of 2, 4 and 6 Gy. Changes in Aurora B level were assessed by Western blot analysis. Aurora A and B were expressed in glioblastoma samples as well as in the glioblastoma cell lines (n = 6). Moreover, ZM447439, a selective Aurora kinase inhibitor, decreased the proliferation separately and synergistically with temozolomide in primary cultures and cell lines of glioblastoma. ZM also enhanced the effects of radiation on the two cell lines studied (U343 and U251), mainly when associated with TMZ in U343 cells. Treatment with ZM induced apoptotic cell death and diminished Aurora B protein level. These data suggest that Aurora kinase inhibition may be a target for glioblastoma treatment and could be used as adjuvant to chemo- and radiotherapy.

Clinical implication of 14-3-3 epsilon expression in gastric cancer

AIM: To evaluate for the first time the protein and mRNA expression of 14-3-3 epsilon in gastric carcinogenesis. METHODS: 14-3-3 epsilon protein expression was determined by western blotting, and mRNA expression was examined by real-time quantitative RT-PCR in gastric tumors and their matched non-neoplastic gastric tissue samples. RESULTS: Authors observed a significant reduction of 14-3-3 epsilon protein expression in gastric cancer (GC) samples compared to their matched non-neoplastic tissue, Reduced levels of 14-3-3 epsilon were also associated with diffuse-type GC and early-onset of this pathology. Our data suggest that reduced 14-3-3 epsilon may have a role in gastric carcinogenesis process. CONCLUSION: Our results reveal that the reduced 14-3-3 epsilon expression in GC and investigation of 14-3-3 epsilon interaction partners may help to elucidate the carcinogenesis process. (C) 2012 Baishideng. All rights reserved.

Changes in spatial and temporal gene expression during incompatible interaction between common bean and anthracnose pathogen

Common bean, one of the most important legumes for human consumption, may have drastic reduction in yield due to anthracnose, a disease caused by the fungus Colletotrichum lindemuthianum. Rapid induction of the plant defense mechanisms is essential to establish an incompatible interaction with this pathogenic fungus. In this study, we evaluated spatial (leaves, epicotyls and hypocotyls) and temporal (24, 48, 72 and 96 hours after inoculation [HAI]) relative expression (RE) of 12 defense-related transcripts selected from previously developed ESTs libraries, during incompatible interaction between the resistant common bean genotype SEL 1308 and the avirulent anthracnose pathogen race 73, using real time quantitative RT-PCR (RT-qPCR) analysis. All selected transcripts, including the ones coding for pathogenesis-related (PR) proteins (PR1a, PR1b, PR2, and PR16a and PR16b) were differentially regulated upon pathogen inoculation. The expression levels of these transcripts were dependent on the tissue and time post inoculation. This study contributes to a better understanding of the kinetics of induced defenses against a fungal pathogen of common bean and may be used as a base line to study defenses against a broad range of pathogens including bacteria as well as non-host resistance. (C) 2012 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Molecular mapping of the regenerative niche in a murine model of myocardial infarction

Adult stem cells are distributed through the whole organism, and present a great potential for the therapy of different types of disease. For the design of efficient therapeutic strategies, it is important to have a more detailed understanding of their basic biological characteristics, as well as of the signals produced by damaged tissues and to which they respond. Myocardial infarction (MI), a disease caused by a lack of blood flow supply in the heart, represents the most common cause of morbidity and mortality in the Western world. Stem cell therapy arises as a promising alternative to conventional treatments, which are often ineffective in preventing loss of cardiomyocytes and fibrosis. Cell therapy protocols must take into account the molecular events that occur in the regenerative niche of MI. In the present study, we investigated the expression profile of ten genes coding for chemokines or cytokines in a murine model of MI, aiming at the characterization of the regenerative niche. MI was induced in adult C57BL/6 mice and heart samples were collected after 24 h and 30 days, as well as from control animals, for quantitative RT-PCR. Expression of the chemokine genes CCL2, CCL3, CCL4, CCL7, CXCL2 and CXCL10 was significantly increased 24 h after infarction, returning to baseline levels on day 30. Expression of the CCL8 gene significantly increased only on day 30, whereas gene expression of CXCL12 and CX3CL1 were not significantly increased in either ischemic period. Finally, expression of the IL-6 gene increased 24 h after infarction and was maintained at a significantly higher level than control samples 30 days later. These results contribute to the better knowledge of the regenerative niche in MI, allowing a more efficient selection or genetic manipulation of cells in therapeutic protocols.

Tumor microenvironmental genomic alterations in juvenile nasopharyngeal angiofibroma

Background To better characterize the pathophysiology of juvenile nasopharyngeal angiofibroma (JNA), endothelial and stromal cells were evaluated by genomic imbalances in association with transcript expression levels of genes mapped on these altered regions. Methods. High-resolution comparative genomic hybridization (HR-CGH) was used in laser-captured endothelial and stromal cells from 9 JNAs. Ten genes were evaluated by quantitative real-timereverse transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR) in 15 cases. Results. Although gains were more frequently detected in endothelial cells, 57% of chromosomal alterations were common by both components. Gene expression analyses revealed a positive correlation between endothelial and stromal components for ASPM, CDH1, CTNNB1, FGF18, and SUPT16H. A significant difference was found for FGF18 and AURKB overexpression in stromal cells and AR down-expression in endothelial cells. Conclusions. A similar pattern of gene expression and chromosomal imbalances in both exponents would suggest a common mechanism of functional regulation. AURKB, FGF18, and SUPT16H were identified as potential molecular markers in JNA. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. Head Neck 34: 485-492, 2012

Signal transduction-related responses to phytohormones and environmental challenges in sugarcane

Abstract Background Sugarcane is an increasingly economically and environmentally important C4 grass, used for the production of sugar and bioethanol, a low-carbon emission fuel. Sugarcane originated from crosses of Saccharum species and is noted for its unique capacity to accumulate high amounts of sucrose in its stems. Environmental stresses limit enormously sugarcane productivity worldwide. To investigate transcriptome changes in response to environmental inputs that alter yield we used cDNA microarrays to profile expression of 1,545 genes in plants submitted to drought, phosphate starvation, herbivory and N2-fixing endophytic bacteria. We also investigated the response to phytohormones (abscisic acid and methyl jasmonate). The arrayed elements correspond mostly to genes involved in signal transduction, hormone biosynthesis, transcription factors, novel genes and genes corresponding to unknown proteins. Results Adopting an outliers searching method 179 genes with strikingly different expression levels were identified as differentially expressed in at least one of the treatments analysed. Self Organizing Maps were used to cluster the expression profiles of 695 genes that showed a highly correlated expression pattern among replicates. The expression data for 22 genes was evaluated for 36 experimental data points by quantitative RT-PCR indicating a validation rate of 80.5% using three biological experimental replicates. The SUCAST Database was created that provides public access to the data described in this work, linked to tissue expression profiling and the SUCAST gene category and sequence analysis. The SUCAST database also includes a categorization of the sugarcane kinome based on a phylogenetic grouping that included 182 undefined kinases. Conclusion An extensive study on the sugarcane transcriptome was performed. Sugarcane genes responsive to phytohormones and to challenges sugarcane commonly deals with in the field were identified. Additionally, the protein kinases were annotated based on a phylogenetic approach. The experimental design and statistical analysis applied proved robust to unravel genes associated with a diverse array of conditions attributing novel functions to previously unknown or undefined genes. The data consolidated in the SUCAST database resource can guide further studies and be useful for the development of improved sugarcane varieties.

Identification of differentially expressed genes from Trichoderma harzianum during growth on cell wall of Fusarium solani as a tool for biotechnological application

Background: The species of T. harzianum are well known for their biocontrol activity against many plant pathogens. However, there is a lack of studies concerning its use as a biological control agent against F. solani, a pathogen involved in several crop diseases. In this study, we have used subtractive library hybridization (SSH) and quantitative real-time PCR (RT-qPCR) techniques in order to explore changes in T. harzianum genes expression during growth on cell wall of F. solani (FSCW) or glucose. RT-qPCR was also used to examine the regulation of 18 genes, potentially involved in biocontrol, during confrontation between T. harzianum and F. solani. Results: Data obtained from two subtractive libraries were compared after annotation using the Blast2GO suite. A total of 417 and 78 readable EST sequence were annotated in the FSCW and glucose libraries, respectively. Functional annotation of these genes identified diverse biological processes and molecular functions required during T. harzianum growth on FSCW or glucose. We identified various genes of biotechnological value encoding to proteins which function such as transporters, hydrolytic activity, adherence, appressorium development and pathogenesis. Fifteen genes were up-regulated and sixteen were down-regulated at least at one-time point during growth of T. harzianum in FSCW. During the confrontation assay most of the genes were up-regulated, mainly after contact, when the interaction has been established. Conclusions: This study demonstrates that T. harzianum expressed different genes when grown on FSCW compared to glucose. It provides insights into the mechanisms of gene expression involved in mycoparasitism of T. harzianum against F. solani. The identification and evaluation of these genes may contribute to the development of an efficient biological control agent.

Quantitative detection of Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis and Pseudomonas aeruginosa in human oral epithelial cells from subjects with periodontitis and periodontal health

Epithelial cells in oral cavities can be considered reservoirs for a variety of bacterial species. A polymicrobial intracellular flora associated with periodontal disease has been demonstrated in buccal cells. Important aetiological agents of systemic and nosocomial infections have been detected in the microbiota of subgingival biofilm, especially in individuals with periodontal disease. However, non-oral pathogens internalized in oral epithelial cells and their relationship with periodontal status are poorly understood. The purpose of this study was to detect opportunistic species within buccal and gingival crevice epithelial cells collected from subjects with periodontitis or individuals with good periodontal health, and to associate their prevalence with periodontal clinical status. Quantitative detection of total bacteria and Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Enterococcus faecalis in oral epithelial cells was determined by quantitative real-time PCR using universal and species-specific primer sets. Intracellular bacteria were visualized by confocal microscopy and fluorescence in situ hybridization. Overall, 33 % of cell samples from patients with periodontitis contained at least one opportunistic species, compared with 15 % of samples from healthy individuals. E. faecalis was the most prevalent species found in oral epithelial cells (detected in 20.6 % of patients with periodontitis, P = 0.03 versus healthy individuals) and was detected only in cells from patients with periodontitis. Quantitative real-time PCR showed that high levels of P. aeruginosa and S. aureus were present in both the periodontitis and healthy groups. However, the proportion of these species was significantly higher in epithelial cells of subjects with periodontitis compared with healthy individuals (P = 0.016 for P. aeruginosa and P = 0.047 for S. aureus). Although E. faecalis and P. aeruginosa were detected in 57 % and 50 % of patients, respectively, with probing depth and clinical attachment level ≥6 mm, no correlation was found with age, sex, bleeding on probing or the presence of supragingival biofilm. The prevalence of these pathogens in epithelial cells is correlated with the state of periodontal disease.

The cardiovascular actions of fractalkine/CX3CL1 in the hypothalamic paraventricular nucleus are attenuated in rats with heart failure

The paraventricular nucleus (PVN) of the hypothalamus plays an important role in the regulation of sympathetic nerve activity, which is significantly elevated in chronic heart failure (CHF). Fractalkine (FKN) and its cognate receptor, CX3CR1, are constitutively expressed in the central nervous system, but their role and physiological significance are not well known. The aims of the present study were to determine whether FKN plays a cardiovascular role within the PVN and to investigate how the actions of FKN might be altered in CHF. We show that both FKN and CX3CR1 are expressed on neurons in the PVN of rats, suggesting that they may have a physiological function in this brain nucleus. Unilateral microinjection of FKN directly into the PVN of anaesthetized rats elicited a significant dose-related decrease in blood pressure (1.0 nmol, -5 ± 3 mmHg; 2.5 nmol, -13 ± 2 mmHg; 5.0 nmol, -22 ± 3 mmHg; and 7.5 nmol, -32 ± 3 mmHg) and a concomitant increase in heart rate (1.0 nmol, 6 ± 3 beats min(-1); 2.5 nmol, 11 ± 3 beats min(-1); 5 nmol, 18 ± 4 beats min(-1); and 7.5 nmol, 27 ± 5 beats min(-1)) compared with control saline microinjections. In order to determine whether FKN signalling is altered in rats with CHF, we first performed quantitative RT-PCR and Western blot analysis and followed these experiments with functional studies in rats with CHF and sham-operated control rats. We found a significant increase in CX3CR1 mRNA and protein expression, as determined by quantitative RT-PCR and Western blot analysis, respectively, in the PVN of rats with CHF compared with sham-operated control rats. We also found that the blood pressure effects of FKN (2.5 nmol in 50 nl) were significantly attenuated in rats with CHF (change in mean arterial pressure, -6 ± 3 mmHg) compared with sham-operated control rats (change in mean arterial pressure, -16 ± 6 mmHg). These data suggest that FKN and its receptor, CX3CR1, modulate cardiovascular function at the level of the PVN and that the actions of FKN within this nucleus are altered in heart failure

Strukturelle und funktionelle Untersuchungen zur Bedeutung der endogenen retroviralen Insertion HERV-K(C4) im C4-Gen des Menschen

Der Längenpolymorphismus des C4-Gens beruht auf der An- oder Abwesenheit einer 6.4 kb langen Insertion im Intron 9. Es handelt sich dabei um einen eigenständigen bisher noch nicht beschriebenen Virus-Typ, der alle Sequenzmerkmale der Familie der humanen endogenen Retroviren (HERV) trägt und zu den HERV-K Viren gehört. Der Provirus wurde als HERV-K(C4) bezeichnet. Die Orientierung dieses retroviralen Elements ist entgegengesetzt zu der Transkriptionsrichtung des C4-Gens. Mittels RT-PCR, RNase Protection Assays und Northern-Blot Analysen konnte der Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense mRNA-Transkripten in verschiedenen humanen Zellinien und Geweben erbracht werden. Die retroviralen Transkripte schlossen am 5'- und 3'-Ende Sequenzen des C4-Exon 9 und Exon 10 ein, so daß diese wahrscheinlich "readthrough" Transkripte darstellen, die durch einen 5' des LTR2 gelegenen Promotor initiiert oder im Zusammenhang mit der C4-Expression transkribiert und reguliert werden. Weiterhin konnten insgesamt 4 HERV-K(C4)-mRNA Spezies, einschließlich einer Vollängen-RNA detektiert werden. Die drei subgenomischen mRNAs werden vermutlich durch einfaches und mehrfaches Spleißen generiert. Die quantitative Analyse in verschiedenen humanen Zellinien ergab, daß HERV-K(C4) durchschnittlich mit einer Kopienanzahl zwischen ca.1 bis 100 Transkripten in einer Zelle vorkommt, so daß es sich um low abundance mRNAs handelt. Mittels eines Reportergen-System konnte eine Aktivität des LTR2-Promotors in der Sense-Orientierung des Retrovirus nachgewiesen werden, die nach Stimulation mit IFN- signifikant abnahm. Ein humanes Modell-Systems wurde etabliert, um die Theorie einer Antisense-Abwehr gegen exogene Retroviren in HepG2-Zellen zu überprüfen. Die Theorie basiert auf dem Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense-Transkripten, die über eine Heteroduplexbildung mit der Sense-mRNA von verwandten, infektiösen Retroviren eine mögliche Blockierung deren Translation erwirken könnten. Es konnte eine signifikante Abnahme der retroviralen Expression von bis zu 45% nach steigenden Dosen an IFN- in HepG2-Zellen nachgewiesen werden. Der funktionell aktive 3'-LTR-Sense Promotor sowie der Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense Transkripten sprechen für die bedeutende Rolle von HERV-K(C4) bei der Genregulation und Schutz gegen exogene Retroviren, wodurch eine Selektion stattgefunden hat.

Regulatorische und supprimierte T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) sind in der Lage die Proliferation und Cytokin-Produktion konventioneller T-Zellen zu supprimieren, wobei die beteiligten Moleküle weitestgehend unbekannt sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden differentielle Analysen sowohl auf mRNA - als auch auf Proteinebene durchgeführt um Moleküle zu identifizieren, welche präferentiell in regulatorischen bzw. in supprimierten T-Zellen (Tsups) exprimiert werden. Der Transkriptionsfaktor Pur-alpha konnte als präferentiell in murinen Tsups exprimiert identifiziert werden. Die präferentielle Expression von Pur-alpha in murinen Tsups konnte durch quantitative PCR-Analysen bestätigt werden. In humanen Tregs konnte mittels „differentieller Proteom-Analyse“ das Lektin Galectin-10 als das am stärksten präferentiell exprimierte Protein identifiziert werden. Die differentielle Expression von Galectin-10 konnte sowohl auf mRNA-Ebene als auch mit Hilfe eines spezifischen Antiserums gegen Galectin-10 bestätigt werden. Zur Untersuchung einer möglichen Beteiligung von Galectin-10 am anergen Phänotyp sowie an den suppressiven Eigenschaften von Tregs wurde ein Galectin-10-Expressionskonstrukt generiert. Die Überexpression von Galectin-10 in konventionellen T-Zellen führte zur Apoptose der transfizierten Zellen. Die Überexpression von Galectin-10 in der humanen T-Zell-Linie „Jurkat“ konnte hingegen problemlos durchgeführt werden, führte aber nicht zur Vermittlung suppressiver Eigenschaften. Zum Nachweis einer Beteiligung von Galectin-10 an den funktionellen Eigenschaften regulatorischer T-Zellen werden in weiterführenden Versuchen momentan siRNA-Experimente etabliert, um die Galectin-10-Biosynthese in Tregs spezifisch zu unterdrücken.

RNA-basierte Impfstoffe zur Induktion optimaler Immunantworten

Antigen-kodierende RNA wird als eine sichere und effiziente Alternative zu traditionellen Impfstoff-Formulierungen, wie Peptid-, Protein-, rekombinanten viralen oder DNA basierten Impfstoffen betrachtet. Der endgültige klinische Nutzen RNA-basierter Impfstoffe wird von der Optimierung verschiedener Parameter abhängig sein, die zur Induktion und effizienten Expansion der humoralen und zellvermittelten Immunantwort beitragen. Vor diesem Hintergrund war die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, die Etablierung pharmakologischer und immunologischer Parameter für die Generierung effektiver Immunantworten durch RNA-Impfstoffe sowie deren Wirksamkeit in vitro und im Mausmodell unter Nutzung von Modellantigenen zu testen. Zur Untersuchung und Optimierung der RNA-Pharmakokinetik, als einem Schlüsselaspekt der klinischen Medikamentenentwicklung, wurde der Einfluss von strukturellen Modifikationen auf die Transkriptstabilität und Translationseffizienz von Reporter-Proteinen in einer zeitabhängigen Kinetik evaluiert. Es wurde gezeigt, dass ein poly(A) Schwanz von 120 Adenosinen, verglichen mit einem kürzeren, ein freies 3´ poly(A) Ende, verglichen mit einem verdeckten und eine doppelte β-globin 3´ UTR, unabhängig voneinander zu einer Erhöhung der IVT-RNA Stabilität und zu einer Verbesserung der Translationseffizienz beitrugen und dadurch insgesamt zu einer erhöhten Proteinexpression führten. Antigen-kodierende IVT-RNA mit diesen molekularen Merkmalen in Kombination führte, im Vergleich zur Standard IVT-RNA, zu einer erhöhten Dichte und Stabilität von Peptid/MHC-Komplexen auf der Zelloberfläche transfizierter DCs und dadurch zu einer verbesserten Stimulation von CD4+ und CD8+ T-Zellen im murinen und humanen System. Mit dem Ziel, die RNA kodierte Antigenform für die Induktion einer verstärkten Antikörperantwort zu modifizieren, wurde im zweiten Teil der Arbeit ein Antigen-IgM Fusionskonstrukt hergestellt und hinsichtlich seiner Eignung als neues Impfstoff-Format untersucht. Die Ausgangshypothese, dass die RNA kodierten Antigen-IgM Fusionsproteine polymerisieren, von transfizierten Zellen sezerniert werden und aufgrund der repetitiven Antigenstruktur im Vergleich mit dem monomeren Antigen zu einer Verstärkung der Antikörperantwort führen, wurde in vitro und in vivo im Mausmodell bestätigt. Die Entwicklung und Evaluierung von Zytokinfusionsproteinen zur selektiven Verstärkung der antigenspezifischen Immunantworten bildeten den dritten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Zur weiteren Verstärkung der Antikörperantwort wurde basierend auf den Resultaten aus dem zweiten Teil ein IL2-IgM Fusionskonstrukt hergestellt. Die Ko-Transfektion von Antigen-IgM und IL2-IgM kodierender IVT-RNA führte zu einer signifikant stärkeren Antikörperantwort als die Ko-Transfektion von Antigen-IgM und IL2. Für die Initiierung einer erfolgreichen anti-Tumor-Immunantwort ist das Priming antigenspezifischer T-Zellen essentiell. Um die Effizienz dieses Prozesses zu steigern, wurde ein bifunktionelles IL2-mCD40L Fusionskonstrukt hergestellt und sein Einfluss auf die Effektorfunktion von DCs in vitro und in vivo untersucht. Es wurde gezeigt, dass ein RNA kodiertes IL2-mCD40L Fusionsprotein als genetisches Adjuvanz zu einer Effizienzsteigerung des Priming zytotoxischer T-Zellen führt. Somit wurden in dieser Arbeit durch die Optimierung der Pharmakokinetik, die Modifikation der Antigenform und die Herstellung und Evaluierung von Zytokinfusionskonstrukten als genetische Adjuvantien, RNA-basierte Impfstoffe für eine optimierte Induktion von antigenspezifischen Immunantworten weiter verbessert.

Expressions- und Funktionsanalysen von Neuroglobin und Cytoglobin

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten durchgeführt. Beide Globine wurden erst kürzlich entdeckt, und ihre Funktionen konnten trotz vorliegender Daten zur Struktur und biochemischen Eigenschaften dieser Proteine bisher nicht eindeutig geklärt werden. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurde die zelluläre und subzelluläre Lokalisation von Neuroglobin und Cytoglobin in murinen Gewebeschnitten untersucht. Die Expression von Ngb in neuronalen und endokrinen Geweben hängt offensichtlich mit den hohen metabolischen Aktivitäten dieser Organe zusammen. Insbesondere im Gehirn konnten regionale Unterschiede in der Ngb-Expression beobachtet werden. Dabei korrelierte eine besonders starke Neuroglobin-Expression mit Gehirnbereichen, die bekanntermaßen die höchsten Grundaktivitäten aufweisen. In Anbetracht dessen liegt die Funktion des Neuroglobins möglicherweise im basalen O2-Metabolismus dieser Gewebe, wobei Ngb als O2-Lieferant und kurzfristiger O2-Speicher den vergleichsweise hohen Sauerstoffbedarf vor Ort sicherstellen könnte. Weitere Funktionen in der Entgiftung von ROS bzw. RNS oder die kürzlich publizierte mögliche Rolle des Ngb bei der Verhinderung der Mitochondrien-vermittelten Apoptose durch eine Reduktion des freigesetzten Cytochrom c wären darüber hinaus denkbar. Die Cygb-Expression im Gehirn beschränkte sich auf relativ wenige Neurone in verschiedenen Gehirnbereichen und zeigte dort vorwiegend eine Co-Lokalisation mit der neuronalen NO-Synthase. Dieser Befund legt eine Funktion des Cytoglobins im NO-Metabolismus nahe. Quantitative RT-PCR-Experimente zur mRNA-Expression von Ngb und Cygb in alternden Säugern am Bsp. der Hamsterspezies Phodopus sungorus zeigten keine signifikanten Änderungen der mRNA-Mengen beider Globine in alten im Vergleich zu jungen Tieren. Dies widerspricht publizierten Daten, in denen bei der Maus anhand von Western Blot-Analysen eine Abnahme der Neuroglobin-Menge im Alter gezeigt wurde. Möglicherweise handelt es sich hierbei um speziesspezifische Differenzen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte vergleichende Sequenzanalyse der humanen und murinen NGB/Ngb-Genregion liefert zum einen Hinweise auf die mögliche Regulation der Ngb-Expression und zum anderen eine wichtige Grundlage für die funktionellen Analysen dieses Gens. Es konnte ein minimaler Promotorbereich definiert werden, der zusammen mit einigen konservierten regulatorischen Elementen als Basis für experimentelle Untersuchungen der Promotoraktivität in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen dienen wird. Bioinformatische Analysen führten zur Identifizierung des sog. „neuron restrictive silencer element“ (NRSE) im Ngb-Promotor, welches vermutlich für die vorwiegend neuronale Expression des Proteins verantwortlich ist. Die kontrovers diskutierte O2-abhängige Regulation der Ngb-Expression konnte hingegen anhand der durchgeführten komparativen Sequenzanalysen nicht bestätigt werden. Es wurden keine zwischen Mensch und Maus konservierten Bindestellen für den Transkriptionsfaktor HIF-1 identifiziert, der die Expression zahlreicher hypoxieregulierter Gene, z.B. Epo und VEGF, vermittelt. Zusammen mit den in vivo-Daten spricht dies eher gegen eine Regulation der Ngb-Expression bei verminderter Verfügbarkeit von Sauerstoff. Die Komplexität der Funktionen von Ngb und Cygb im O2-Stoffwechsel der Vertebraten macht den Einsatz muriner Modellsysteme unerlässlich, die eine sukzessive Aufklärung der Funktionen beider Proteine erlauben. Die vorliegende Arbeit liefert auch dazu einen wichtigen Beitrag. Die hergestellten „gene-targeting“-Vektorkonstrukte liefern in Verbindung mit den etablierten Nachweisverfahren zur Genotypisierung von embryonalen Stammzellen die Grundlage zur erfolgreichen Generierung von Ngb-knock out sowie Ngb- und Cygb-überexprimierenden transgenen Tieren. Diese werden für die endgültige Entschlüsselung funktionell relevanter Fragestellungen von enormer Bedeutung sein.

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.