Relevanz der Methioninoxidation aus evolutionärer Sicht und im akuten oxidativen Stressmodell der Alzheimerschen Krankheit

Im Laufe der Evolution müssen Sauerstoff-metabolisierende Organismen eine Reihe von Anpassungen entwickelt haben, um in der zytotoxischen oxidativen Umgebung der sauerstoff-haltigen Erdatmosphäre überleben zu können. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten vergleichenden Analysen mitochondrial kodierter und kern-kodierter Proteome mehrerer hundert Spezies haben ergeben, dass die Evolution eines alternativen genetischen Codes in Mitochondrien eine moderne Adaptation in diesem Sinne war. Viele aerobe Tiere und Pilze dekodieren in Abweichung vom genetischen Standard-Code das Codon AUA als Methionin. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese Spezies dadurch eine massive Akkumulation der sehr leicht oxidierbaren Aminosäure Methionin in ihren Atmungskettenkomplexen erreichen, die generell ein bevorzugtes Ziel reaktiver Sauerstoffspezies sind. Der gewonnene Befund lässt sich widerspruchsfrei nur unter Annahme einer antioxidativen Wirkung dieser Aminosäure erklären, wie sie erstmals 1996 von R. Levine anhand von Oxidationsmessungen in Modellproteinen postuliert worden war. In der vorliegenden Arbeit wird diese Hypothese nun direkt mittels neuartiger Modellsubstanzen in lebenden Zellen bestätigt. Die durchgeführten bioinformatischen Analysen und zellbiologischen Experimente belegen, dass kollektive Proteinveränderungen die Triebkraft für die Evolution abweichender genetischer Codes sein können.rnDie Bedeutung von oxidativem Stress wurde darüber hinaus auch im Referenzrahmen einer akuten oxidativen Schädigung im Einzelorganismus untersucht. Da oxidativer Stress in der Pathogenese altersassoziierter neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimerschen Krankheit prominent involviert zu sein scheint, wurden die Auswirkungungen von Umwelt-induziertem oxidativem Stress auf den histopathologischen Verlauf in einem transgenen Modell der Alzheimerschen Krankheit in vivo untersucht. Dabei wurden transgene Mäuse des Modells APP23 im Rahmen von Fütterungsversuchen einer lebenslangen Defizienz der Antioxidantien Selen oder Vitamin E ausgesetzt. Während die Selenoproteinexpression durch die selendefiziente Diät gewebespezifisch reduziert wurde, ergaben sich keine Anzeichen eines beschleunigten Auftretens pathologischer Marker wie amyloider Plaques oder Neurodegeneration. Es war vielmehr ein unerwarteter Trend hinsichtlich einer geringeren Plaquebelastung in Vitamin E-defizienten Alzheimermäusen zu erkennen. Auch wenn diese Daten aufgrund einer geringen Versuchstiergruppengröße nur mit Vorsicht interpretiert werden dürfen, so scheint doch ein Mangel an essentiellen antioxidativen Nährstoffen die Progression in einem anerkannten Alzheimermodell nicht negativ zu beeinflussen.rn

Effects of nutrients and sea-level rise on salt marshes of different soil types

The present thesis analyses the effects of the enrichment of the soil with fertilizer and sea level rise (SLR) on salt marsh vegetation. We simulated different conditions of the salt marshes under current and projected sea level rise. These habitats are colonised by various types of plants, we focused on species belonging to the genus Spartina. This plant seems to be particularly sensitive to eutrophication due to human activities, as experiments have documented a loss of habitat associated with altered nutrient conditions. We manipulated experimentally the types of sediment, the concentration of nutrients and sea level rise. We wanted to test whether eutrophication can affect the aboveground/belowground growth of the vegetation, and indirectly the erosion of the sediment, with potentially interacting effects with soil type and SLR in affecting the loss of the habitats and species. The study lasted from July to October. The data were analysed using Permanova. The results showed that the plants were placed in growth spiked sediment different from those raised in the untreated sediment. Furthermore, the sediment underwent a level of erosion differently depending on the growth of plants and the condition they were in the pots, current or future sea levers. These results suggest that the total salt marsh habitat is very sensitive to changes caused by human activities, and that excessive eutrophication, combined with SLR will likely facilitate further loss of salt marsh vegetation.

Induktion von Pro-Autophagie-Signalen durch einen extra- oder intrazellulären Alpha-Toxin-Angriff

Autophagie ist ein konservierter, kataboler Mechanismus in allen eukaryoten Zellen. Unter anderem wird ihm eine wichtige Rolle als zellautonomer Abwehrmechanismus gegen Mikroorganismen zugeschrieben; von manchen Infektionserregern wird er jedoch unterlaufen oder sogar genutzt. Der stärkste Auslöser der Autophagie ist ein Mangel an Nährstoffen, insbesondere Aminosäuren. Über die Deaktivierung der Kinase mTORC1 und die Phosphorylierung des eukaryoten Translationsinitiationsfaktors eIF2α hemmt die Nährstoffknappheit die Proteinbiosynthese und aktiviert gleichzeitig Autophagie. Wie Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, Autophagie auslösen oder manipulieren, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Modifikationen an Mikroben oder Phagosomen und Adapterproteine, die diese Veränderungen und Komponenten des Autophagieapparates erkennen, scheinen jedenfalls bei der selektiven Erkennung durch die Autophagie-Maschinerie wichtig zu sein. rnIn der vorliegenden Dissertationsarbeit wird die Rolle des membranporenbildenden α-Toxins von Staphylococcus aureus für die Induktion von Autophagie beleuchtet. Zum einen erwies sich die Akkumulation von (EGFP)-LC3(II), einem Marker der Autophagosomen, um intrazelluläre S. aureus als abhängig von α-Toxin. Zweitens, genügt extrazellulär appliziertes α-Toxin um (EGFP)-LC3(II)-positive Endosomen zu induzieren. Während der Angriff aus dem extrazellulären Raum jedoch binnen kurzer Zeit eine fokale Kumulation von phosphoryliertem eIF2α an der Plasmamembran induziert, die an der Internalisierung des Toxins beteiligt ist, findet sich am phagosomalen Kompartiment keine Toxin-abhängige Anhäufung von p-eIF2α oder proximalen Autophagieregulatoren. Dies impliziert, dass Toxin-Angriff auf die Plasmamembran, nicht aber auf das Phagosom, zu einer Reaktion führt, wie sie bei massivem Nährstoffmangel zu beobachten ist. Obwohl keine α-Toxin-abhängige Kumulation von p-eIF2α bei einem Angriff aus dem Phagosom erfolgt, findet sich um α-Toxin-produzierende Bakterien eine massive Kumulation von LC3 und Adapterprotein p62/Sequestosome1. Dies deutet daraufhin, dass der Ort des Angriffs - Plasmamembran oder Phagosom – für den Autophagie-induzierenden Mechanismus wichtig sein könnte. Der unterschiedliche Effekt auf die zellulären Ionenkonzentrationen, den ein Angriff auf die Plasmamembran oder auf ein Phagosom auslösen würde, bietet hierfür eine mögliche Erklärung. Die Aktivierung der Autophagie über Adapterproteine könnte dann als back-up Mechanismus fungieren, der auch dann greift, wenn eine Invasion ohne Schädigung der Plasmamembran erfolgt. Ein cross-talk der beiden Induktionswege ist angesichts der Bedeutung von p62 für die selektive und die Hunger-assoziierte Autophagie gut möglich; sezerniertes Toxin könnte durch die Aktivierung der basalen Autophagie Adapter-basierte Mechanismen verstärken.

Cannabinoid receptor 1 and 2 agonists increase lipid accumulation in hepatocytes

Cannabinoid receptors CB1 and CB2 are expressed in the liver, but their regulation in fatty hepatocytes is poorly documented. The aim of this study was to investigate the effects of selective CB1 or CB2 agonists on the expression of key regulators of lipid metabolism.

TILLING for Mutations in Model Plants and Crops

A growing world population, changing climate and limiting fossil fuels will provide new pressures on human production of food, medicine, fuels and feed stock in the twenty-first century. Enhanced crop production promises to ameliorate these pressures. Crops can be bred for increased yields of calories, starch, nutrients, natural medicinal compounds, and other important products. Enhanced resistance to biotic and abiotic stresses can be introduced, toxins removed, and industrial qualities such as fibre strength and biofuel per mass can be increased. Induced and natural mutations provide a powerful method for the generation of heritable enhanced traits. While mainly exploited in forward, phenotype driven, approaches, the rapid accumulation of plant genomic sequence information and hypotheses regarding gene function allows the use of mutations in reverse genetic approaches to identify lesions in specific target genes. Such gene-driven approaches promise to speed up the process of creating novel phenotypes, and can enable the generation of phenotypes unobtainable by traditional forward methods. TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genome) is a high-throughput and low cost reverse genetic method for the discovery of induced mutations. The method has been modified for the identification of natural nucleotide polymorphisms, a process called Ecotilling. The methods are general and have been applied to many species, including a variety of different crops. In this chapter the current status of the TILLING and Ecotilling methods and provide an overview of progress in applying these methods to different plant species, with a focus on work related to food production for developing nations.

Activation of the unfolded protein response in human acute myeloid leukemia

There is accumulating evidence for the involvement of the unfolded protein response (UPR) in the pathogenesis of many tumor types in humans. This is particularly the case in rapidly growing solid tumors in which the demand for oxygen and nutrients can exceed the supply until new tumor-initiated blood vessels are formed. In contrast, the role of the UPR during leukemogenesis remains largely unknown. Acute myeloid leukemia (AML) is a genetically heterogeneous clonal disorder characterized by the accumulation of somatic mutations in hematopoietic progenitor cells that alter the physiological regulation of self-renewal, survival, proliferation, or differentiation. The CCAAT/enhancer-binding protein alpha (CEBPA) gene is a key myeloid transcription factor and a frequent target for disruption in AML. In particular, translation of CEBPA mRNA can be specifically blocked by binding of the chaperone calreticulin (CALR), a well-established effector of the UPR, to a stem loop structure within the 5' region of the CEBPA mRNA. The relevance of this mechanism was first elucidated in certain AML subtypes carrying the gene rearrangements t(3;21) or inv(16). In our recent work, we could demonstrate the induction of key effectors of the UPR in leukemic cells of AML patients comprising all subtypes (according to the French-American-British (FAB) classification for human AML). The formation of the spliced variant of the X-box binding protein (XBP1s) was detectable in 17.4% (17 of 105) of AML patients. Consistent with an activated UPR, this group had significantly increased expression of the UPR target genes CALR, the 78 kDa glucose-regulated protein (GRP78), and the CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein (CHOP). Consistently, in vitro studies confirmed that calreticulin expression was upregulated via activation of the ATF6 pathway in myeloid leukemic cells. As a consequence, CEBPA protein expression was inhibited in vitro as well as in leukemic cells from patients with activated UPR. We therefore propose a model of the UPR being involved in leukemogenesis through induction of calreticulin along the ATF6 pathway, thereby ultimately suppressing CEBPA translation and contributing to the block in myeloid differentiation and cell-cycle deregulation which represent key features of the leukemic phenotype. From a more clinical point of view, the presence of activated UPR in AML patient samples was found to be associated with a favorable disease course.

Inhibition of SIRT1 Impairs the Accumulation and Transcriptional Activity of HIF-1α Protein under Hypoxic Conditions

Sirtuins and hypoxia-inducible transcription factors (HIF) have well-established roles in regulating cellular responses to metabolic and oxidative stress. Recent reports have linked these two protein families by demonstrating that sirtuins can regulate the activity of HIF-1 and HIF-2. Here we investigated the role of SIRT1, a NAD+-dependent deacetylase, in the regulation of HIF-1 activity in hypoxic conditions. Our results show that in hepatocellular carcinoma (HCC) cell lines, hypoxia did not alter SIRT1 mRNA or protein expression, whereas it predictably led to the accumulation of HIF-1α and the up-regulation of its target genes. In hypoxic models in vitro and in in vivo models of systemic hypoxia and xenograft tumor growth, knockdown of SIRT1 protein with shRNA or inhibition of its activity with small molecule inhibitors impaired the accumulation of HIF-1α protein and the transcriptional increase of its target genes. In addition, endogenous SIRT1 and HIF-1α proteins co-immunoprecipitated and loss of SIRT1 activity led to a hyperacetylation of HIF-1α. Taken together, our data suggest that HIF-1α and SIRT1 proteins interact in HCC cells and that HIF-1α is a target of SIRT1 deacetylase activity. Moreover, SIRT1 is necessary for HIF-1α protein accumulation and activation of HIF-1 target genes under hypoxic conditions.

Pabp binds to the osk 3'UTR and specifically contributes to osk mRNA stability and oocyte accumulation

RNA localization is tightly coordinated with RNA stability and translation control. Bicaudal-D (Bic-D), Egalitarian (Egl), microtubules and their motors are part of a Drosophila transport machinery that localizes mRNAs to specific cellular regions during oogenesis and embryogenesis. We identified the Poly(A)-binding protein (Pabp) as a protein that forms an RNA-dependent complex with Bic-D in embryos and ovaries. pabp also interacts genetically with Bic-D and, similar to Bic-D, pabp is essential in the germline for oocyte growth and accumulation of osk mRNA in the oocyte. In the absence of pabp, reduced stability of osk mRNA and possibly also defects in osk mRNA transport prevent normal oocyte localization of osk mRNA. pabp also interacts genetically with osk and lack of one copy of pabp(+) causes osk to become haploinsufficient. Moreover, pointing to a poly(A)-independent role, Pabp binds to A-rich sequences (ARS) in the osk 3'UTR and these turned out to be required in vivo for osk function during early oogenesis. This effect of pabp on osk mRNA is specific for this RNA and other tested mRNAs localizing to the oocyte are less and more indirectly affected by the lack of pabp