Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

Pathogenic mechanisms in mitochondrial optic neuropathies

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) and Autosomal Dominant Optic Atrophy (ADOA) are the two most common inherited optic neuropathies and both are the result of mitochondrial dysfunctions. Despite the primary mutations causing these disorders are different, being an mtDNA mutation in subunits of complex I in LHON and defects in the nuclear gene encoding the mitochondrial protein OPA1 in ADOA, both pathologies share some peculiar features, such a variable penetrance and tissue-specificity of the pathological processes. Probably, one of the most interesting and unclear aspect of LHON is the variable penetrance. This phenomenon is common in LHON families, most of them being homoplasmic mutant. Inter-family variability of penetrance may be caused by nuclear or mitochondrial ‘secondary’ genetic determinants or other predisposing triggering factors. We identified a compensatory mechanism in LHON patients, able to distinguish affected individuals from unaffected mutation carriers. In fact, carrier individuals resulted more efficient than affected subjects in increasing the mitochondrial biogenesis to compensate for the energetic defect. Thus, the activation of the mitochondrial biogenesis may be a crucial factor in modulating penetrance, determining the fate of subjects harbouring LHON mutations. Furthermore, mtDNA content can be used as a molecular biomarker which, for the first time, clearly differentiates LHON affected from LHON carrier individuals, providing a valid mechanism that may be exploited for development of therapeutic strategies. Although the mitochondrial biogenesis gained a relevant role in LHON pathogenesis, we failed to identify a genetic modifying factor for the variable penetrance in a set of candidate genes involved in the regulation of this process. A more systematic high-throughput approach will be necessary to select the genetic variants responsible for the different efficiency in activating mitochondrial biogenesis. A genetic modifying factor was instead identified in the MnSOD gene. The SNP Ala16Val in this gene seems to modulate LHON penetrance, since the Ala allele in this position significantly predisposes to be affected. Thus, we propose that high MnSOD activity in mitochondria of LHON subjects may produce an overload of H2O2 for the antioxidant machinery, leading to release from mitochondria of this radical and promoting a severe cell damage and death ADOA is due to mutation in the OPA1 gene in the large majority of cases. The causative nuclear defects in the remaining families with DOA have not been identified yet, but a small number of families have been mapped to other chromosomal loci (OPA3, OPA4, OPA5, OPA7, OPA8). Recently, a form of DOA and premature cataract (ADOAC) has been associated to pathogenic mutations of the OPA3 gene, encoding a mitochondrial protein. In the last year OPA3 has been investigated by two different groups, but a clear function for this protein and the pathogenic mechanism leading to ADOAC are still unclear. Our study on OPA3 provides new information about the pattern of expression of the two isoforms OPA3V1 and OPA3V2, and, moreover, suggests that OPA3 may have a different function in mitochondria from OPA1, the major site for ADOA mutations. In fact, based on our results, we propose that OPA3 is not involved in the mitochondrial fusion process, but, on the contrary, it may regulate mitochondrial fission. Furthermore, at difference from OPA1, we excluded a role for OPA3 in mtDNA maintenance and we failed to identify a direct interaction between OPA3 and OPA1. Considering the results from overexpression and silencing of OPA3, we can conclude that the overexpression has more drastic consequences on the cells than silencing, suggesting that OPA3 may cause optic atrophy via a gain-of-function mechanism. These data provide a new starting point for future investigations aimed at identifying the exact function of OPA3 and the pathogenic mechanism causing ADOAC.

Molecular phylogeography of the Woodland Ringlet (Erebia medusa [Denis and Schiffermüller] 1775) in Europe

Phylogeography is a recent field of biological research that links phylogenetics to biogeography through deciphering the imprint that evolutionary history has left on the genetic structure of extant populations. During the cold phases of the successive ice ages, which drastically shaped species’ distributions since the Pliocene, populations of numerous species were isolated in refugia where many of them evolved into different genetic lineages. My dissertation deals with the phylogeography of the Woodland Ringlet (Erebia medusa [Denis and Schiffermüller] 1775) in Central and Eastern Europe. This Palaearctic butterfly species is currently distributed from central France and south eastern Belgium over large parts of Central Europe and southern Siberia to the Pacific. It is absent from those parts of Europe with mediterranean, oceanic and boreal climates. It was supposed to be a Siberian faunal element with a rather homogeneous population structure in Central Europe due to its postglacial expansion out of a single eastern refugium. An already existing evolutionary scenario for the Woodland Ringlet in Central and Eastern Europe is based on nuclear data (allozymes). To know if this is corroborated by organelle evolutionary history, I sequenced two mitochondrial markers (part of the cytochrome oxydase subunit one and the control region) for populations sampled over the same area. Phylogeography largely relies on the construction of networks of uniparentally inherited haplotypes that are compared to geographic haplotype distribution thanks to recent developed methods such as nested clade phylogeographic analysis (NCPA). Several ring-shaped ambiguities (loops) emerged from both haplotype networks in E. medusa. They can be attributed to recombination and homoplasy. Such loops usually avert the straightforward extraction of the phylogeographic signal contained in a gene tree. I developed several new approaches to extract phylogeographic information in the presence of loops, considering either homoplasy or recombination. This allowed me to deduce a consistent evolutionary history for the species from the mitochondrial data and also adds plausibility for the occurrence of recombination in E. medusa mitochondria. Despite the fact that the control region is assumed to have a lack of resolving power in other species, I found a considerable genetic variation of this marker in E. medusa which makes it a useful tool for phylogeographic studies. In combination with the allozyme data, the mitochondrial genome supports the following phylogeographic scenario for E. medusa in Europe: (i) a first vicariance, due to the onset of the Würm glaciation, led to the formation of several major lineages, and is mirrored in the NCPA by restricted gene flow, (ii) later on further vicariances led to the formation of two sub-lineages in the Western lineage and two sub-lineages in the Eastern lineage during the Last Glacial Maximum or Older Dryas; additionally the NCPA supports a restriction of gene flow with isolation by distance, (iii) finally, vicariance resulted in two secondary sub-lineages in the area of Germany and, maybe, to two other secondary sub-lineages in the Czech Republic. The last postglacial warming was accompanied by strong range expansions in most of the genetic lineages. The scenario expected for a presumably Siberian faunal element such as E. medusa is a continuous loss of genetic diversity during postglacial westward expansion. Hence, the pattern found in this thesis contradicts a typical Siberian origin of E. medusa. In contrast, it corroboratess the importance of multiple extra-Mediterranean refugia for European fauna as it was recently assumed for other continental species.

Modulation of apoptosis by endogenously produced nitric oxide

Untersuchungen zur Expression der induzierbaren NO-Synthetase (NOS2) belegen eine häufige Expression dieses Enzyms in Tumoren unterschiedlicher Gewebe. Bislang ist jedoch ungeklärt, ob die Expression der NOS2 in Tumorzellen die apoptotische Eliminierung durch zytotoxische T-Zellen beeinflussen kann. In der vorliegenden Arbeit wurden die Folgen einer endogenen NO-Synthese auf die Apoptosesensitivität von HEK293-Zellen untersucht. Um primäre NO-Wirkungen von NO-induzierten, sekundären (kompensatorischen) Veränderungen zu trennen, wurde mit einem induzierbaren Vektorsystem gearbeitet. Die NOS2 wurde zunächst unter der Kontrolle eines Ecdyson-sensitiven Promoters in HEK293-Zellen kloniert. Es konnten regulierbare NOS2-Klone selektiert werden, die nach Ponasteronbehandlung dosisabhängig die NOS2 exprimieren und NO synthetisieren. Die NOS2-Expression wurde durch Western Blot Analyse und Immunfluoreszenzfärbung dargestellt und die NO-Produktion mit Hilfe der Griess-Reaktion gemessen. An den NOS2-induzierten Zellen wurde dann der Einfluss von NO auf die CD95-vermittelte Apoptose analysiert. Es zeigte sich nach Stimulation des CD95-Rezeptors eine deutliche Korrelation der Apoptoserate mit der NOS2-Expression. In Kokulturexperimenten mit Peptid-spezifischen zytotoxischen T-Zellen zeigte sich, dass NO-produzierende Zielzellen effektiver eliminiert werden konnten. Auch nach Behandlung der Zellen mit TRAIL ergab sich eine höhere Apoptoserate in NO-produzierenden Zellen. Die weitere Analyse der durch NO beeinflussten Signalwege ergab eine Beteiligung von ER-Stress-vermittelten Apoptosewegen. Dies zeigte sich an der Hochregulation des ER-Stress-Proteins Grp78 (BiP) nach NOS2-Expression und der Spaltung der am ER-lokalisierten Caspase-4. Darüber hinaus konnte der schnellere Verlust des mitochondrialen Membranpotentials in Abhängigkeit von der NOS2-Expression nachgewiesen werden. Weiterhin wurde die Wirkung einer dauerhaften NO-Exposition auf die Apoptosesensitivität der Zellen untersucht. Auch ohne zusätzliche CD95-Stimulation induzierte eine kontinuierliche NOS2-Expression nach wenigen Tagen in den EcR293-NOS2-Zellen Apoptose. Diese Dauerbehandlung führte zum nahezu vollständigen Absterben der Kulturen. Einige Zellen überlebten jedoch diese Behandlung und wuchsen zu Zellklonen. Diese NO-resistenten Klone konnten isoliert werden. Sie zeigten eine zusätzliche Resistenz für CD95-vermittelte Apoptosesignale und waren besser vor dem Angriff Peptid-spezifischer CTLs geschützt. Die Apoptoseresistenz blieb auch nach längerer Kultur erhalten und scheint auf NO-induzierter Genotoxizität zu beruhen. Anhand dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass allein durch chronische NO-Behandlung eine Selektion apoptoseresistenter Zellen stattfinden kann.

Untersuchungen zur Interaktion von Cholesterin mit cholesterinbindenden Proteinen

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Biosynthese von Steroidhormonen ist der Transport von Cholesterin von der äußeren zur inneren Mitochondrienmembran, wo es zu dem Steroid Pregnenolon umgewandelt wird. Für diesen Transport ist das StAR-Protein (Steroidogenic Acute Regulatory Protein) notwendig. Ein weiteres an der Bildung von Steroidhormonen beteiligtes Protein ist das MLN64-Protein. Beide Proteine besitzen so genannte START-Domänen (StAR related Lipid Transfer-Domänen), die Cholesterin binden können. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die START-Domänen von StAR und MLN64 Cholesterin auf unterschiedliche Weise binden. Es ist noch nicht geklärt, auf welche Weise das StAR-Protein den Cholesterintransport in die Mitochondrien bewirkt. Das StAR-Protein könnte Cholesterin binden und als Cholesterintransporter zwischen äußerer und innerer Mitochondrienmembran fungieren. Nach einer anderen Hypothese wirkt das StAR-Protein ausschließlich an der äußeren Mitochondrienmembran. Es wird auch postuliert, dass das StAR-Protein in einem teilweise entfalteten Zustand vorliegen muss, um seine Funktion erfüllen zu können. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass StAR ein fotoreaktives Cholesterinderivat bindet. Die Cholesterinbindungsstelle des StAR-Proteins konnte eingegrenzt werden. Es wurden Experimente durchgeführt, um zu überprüfen, ob das Protein tatsächlich nur in teilweise entfaltetem Zustand aktiv ist. Die Cholesterinbindung des MLN64-Proteins wurde ebenfalls mit dem fotoreaktiven Cholesterinderivat untersucht. Dabei zeigte sich, dass MLN64 offenbar mehrere Bindungsstellen für Cholesterin besitzt. Weitere Experimente beschäftigten sich mit der Charakterisierung der Cholesterinbindungsstelle des humanen Oxytocinrezeptors, eines G-Protein gekoppelten Hormonrezeptors, der durch Cholesterin reguliert wird. Dabei kam auch wieder das fotoreaktive Cholesterinderivat zum Einsatz. Außerdem wurden in dieser Arbeit Experimente durchgeführt, die sich mit der Regulation der Cholesterinbiosynthese befassten. Die Biosynthese des Cholesterins wird reguliert, indem in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums verankerte Transkriptionsfaktoren proteolytisch freigesetzt werden. Das passiert nur dann, wenn der zelluläre Cholesterinspiegel niedrig ist. Bei diesem Regulationsmechanismus spielt das Protein SCAP eine zentrale Rolle (Sterol responsive element binding protein Cleavage Activating Protein). SCAP bindet Cholesterin spezifisch und wird dadurch reguliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Bereich von SCAP eingegrenzt werden, der Cholesterin bindet. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die Interaktion von SCAP mit einem anderen, als Insig bezeichneten Protein indirekt durch das Cholesterinderivat 25-Hydroxycholesterin reguliert wird.

Eine neue Form der Pyruvatkinase in Säugerspermien

Nach Homogenisation ejakulierter Eberspermien und Zentrifugation des Homogenates blieben mehr als 60% der Aktivität des glykolytischen Enzyms Pyruvatkinase (PK) an Zellfragmenten im Sediment gebunden. Diese strukturgebundene PK wurde als PK-S bezeichnet. Das Detergenz Triton X-100 führte nicht zur Ablösung der PK-S; mit Trypsin konnten jedoch rund 80% der PK-S ohne Verlust an Aktivität von den Strukturen gelöst und durch kombinierte Kationenaustausch- und Hydrophobizitätschromatographie gereinigt werden (spezifische Aktivität: 116,7 U/mg Protein). Die lösliche PK aus Eberspermien konnte ebenfalls durch ein ähnliches Verfahren angereichert werden. Im Gel (SDS-PAGE) zeigten die Untereinheiten der PK-S mit 64.400 eine geringfügig größere relative Molekülmasse als die der PK-M1 aus Kaninchenmuskel (62.000). Die kinetischen Eigenschaften der abgelösten PK-S als auch der noch an Spermienstrukturen gebundenen PK-S und der löslichen PK aus Eberspermien waren sehr ähnlich und entsprachen der M1-Isoform der PK. Antikörper gegen Kaninchenmuskel-PK (Anti-PK-M1) reagierten auch mit der löslichen PK und der PK-S aus Eberspermien. Edman-Abbau der ersten 19 Aminosäuren zeigte, dass die tryptisch abgelöste PK-S am N-Terminus um 5 Aminosäuren gegenüber nativer PK-M1 verlängert ist, während der C-Terminus der erhaltenen PK-S-Sequenz mit einem meist nahe dem N-Terminus gelegenen Sequenzabschnitt der PK-M1 und -M2 übereinstimmt. Die N-terminale Verlängerung der nativen PK-S enthält sicherlich mehr als die nach tryptischer Lyse nachgewiesenen 5 Aminosäuren. Vergleiche der Aminosäure- und übersetzten Nukleotidsequenzen sowie die kinetischen Eigenschaften lassen vermuten, dass die PK-S, wie die PK-M1 und PK-M2, vom PKM-Gen codiert wird. Gegen die gereinigte PK-S wurden Antikörper in Kaninchen produziert. Da das Antiserum nicht ausreichend spezifisch für PK-S war, wurden aus ihm affinitätschromatographisch Antikörper (Anti-PK-S) isoliert, die hohe Affinität zu einem synthetisierten PK-S-Peptid (13 N-terminale Aminosäuren der tryptisch abgelösten PK-S) hatten. Dieses Anti-PK-S-Präparat war spezifisch für PK-S; es reagierte weder mit Kaninchenmuskel-PK noch mit löslicher PK oder anderen Proteinen aus Eberspermien. Anti-PK-S und Anti-PK-M1 wurden zur Lokalisierung von PK-S und löslicher PK in Spermien von Eber, Bulle und Mensch sowie in Schnitten von Eberhoden eingesetzt. Mit Anti-PK-S wurden der Bereich des Akrosoms und das lange flagellare Hauptstück sowie der Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück von Eberspermien fluoreszenzmarkiert, wogegen das kurze, die Mitochondrien enthaltende Mittelstück des Flagellums und der postakrosomale Kopfbereich nur mit Anti-PK-M1 markiert wurden. Immunogoldmarkierung in elektronenmikroskopischen Bildern bestätigte die Lokalisierung von PK-S im Akrosombereich. Im Hauptstück banden Anti-PK-M1 und Anti-PK-S an die fibröse Scheide. Glyzerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) konnte von mir ebenfalls im Akrosombereich, im Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück und an der fibrösen Scheide detektiert werden. Auch an Bullen- und Humanspermien konnte über Immunogoldmarkierung PK und vermutlich GAPDH an der fibrösen Scheide gezeigt werden. Im Akrosombereich dieser Spermien waren die Nachweise von PK und GAPDH jedoch nicht sicher. In Eberhodenschnitten war die PK-S erstmals, oder zumindest vermehrt, in den elongierenden Spermatiden über Fluoreszenzmarkierung nachweisbar, während andere, vermutlich somatische PK vermehrt in den früheren Stadien (Spermatogonien, aber auch in den Spermatozyten und runden Spermatiden) auftrat. Für die GAPDH zeigte sich ein ähnlicher Entwicklungsverlauf. Die Ergebnisse zeigen, dass in Eberspermien zwei Isoformen der PK auftreten: eine N-terminal verlängerte, strukturgebundene Form, die PK-S, und eine lösliche Form, die beide der PK-M1 ähneln. Der ungewöhnliche N-Terminus der PK-S dient vermutlich der spezifischen räumlichen Anordnung der PK-S im Akrosombereich und an der fibrösen Scheide, nicht aber der Modulation kinetischer Eigenschaften. Meine Untersuchungen stützen die Hypothese, dass in bestimmten Kompartimenten von Säugerspermien die Glykolyse durch Verankerung einiger ihrer Enzyme strukturell hochgeordnet ist. Dadurch wird vermutlich die Versorgung der Mitochondrien-freien Regionen mit ATP sichergestellt. Man kann diese Organisation als Anpassung des Stoffwechsels von Spermien deuten, bei denen die Mitochondrien in einem kleinen Bereich (Mittelstück) hinter dem Spermienkopf kompartimentiert sind. Im Hauptstück des Flagellums könnte die Glykolyse ATP für die Spermienmotilität liefern, im Akrosombereich für die Verhinderung einer vorzeitigen Akrosomreaktion. Somit käme der strukturierten Glykolyse eine essentielle Bedeutung für die Befruchtungsfähigkeit von Säugerspermien zu.

Down Syndrome: Neuropsychological phenotype and mitochondrial DNA

Introduction. Down Syndrome (DS) is the most known autosomal trisomy, due to the presence in three copies of chromosome 21. Many studies were designed to identify phenotypic and clinical consequences related to the triple gene dosage. However, the general conclusion is a senescent phenotype; in particular, the most features of physiological aging, such as skin and hair changes, vision and hearing impairments, thyroid dysfunction, Alzheimer-like dementia, congenital heart defects, gastrointestinal malformations, immune system changes, appear in DS earlier than in normal age-matched subjects. The only established risk factor for the DS is advanced maternal age, responsible for changes in the meiosis of oocytes, in particular the meiotic nondisjunction of chromosome 21. In this process mitochondria play an important role since mitochondrial dysfunction, due to a variety of extrinsic and intrinsic influences, can profoundly influence the level of ATP generation in oocytes, required for a correct chromosomal segregation. Aim. The aim of this study is to investigate an integrated set of molecular genetic parameters (sequencing of complete mtDNA, heteroplasmy of the mtDNA control region, genotypes of APOE gene) in order to identify a possible association with the early neurocognitive decline observed in DS. Results. MtDNA point mutations do not accumulate with age in our study sample and do not correlate with early neurocognitive decline of DS subjects. It seems that D-loop heteroplasmy is largely not inherited and tends to accumulate somatically. Furthermore, in our study sample no association of cognitive impairment and ApoE genotype is found. Conclusions. Overall, our data cast some doubts on the involvement of these mutations in the decline of cognitive functions observed in DS.

Il coniglio come modello sperimentale per lo studio degli effetti neurologici indotti da Cobalto

Sono stati studiati gli effetti tossici dell’esposizione cronica a cobalto e cromo. In passato, questa tossicità, che colpiva lavoratori esposti per ragioni occupazionali, è stata un problema molto sentito. Tuttavia, recenti pubblicazioni hanno descritto una specifica tossicità mediata da elevati livelli di cobalto e cromo, anche in pazienti portatori di protesi metalliche, quali gli impianti d’anca. Anche se sintomi clinici tra cui, cecità, sordità e neuropatia periferica, suggeriscono uno specifico neurotropismo, ancora poco è conosciuto delle basi neuropatologiche di questo processo ed oltretutto non ne è ancora stata apportata un’evidenza sperimentale. In questo progetto di ricerca, quindi, si è voluto approfondire il meccanismo patogenetico da cui scaturiscono tali sintomi neurologici, utilizzando come modello sperimentale il coniglio. Conigli New Zealand White sono stati trattati con dosi endovenose ripetute di cobalto e cromo, inoculati singolarmente od in associazione tra loro. Nessuna evidente alterazione clinica o patologica è stata associata alla somministrazione di solo cromo, nonostante gli elevati livelli in sangue e tessuti, mentre i trattati con cobalto-cromo o solo cobalto hanno mostrato segni clinici gravanti sul sistema vestibolo-cocleare; il cobalto, quindi, è stato identificato come il maggiore elemento scatenante neurotossicità. Inoltre all’esame istopatologico gli animali hanno mostrato severa deplezione delle cellule gangliari retiniche e cocleari, assieme a danno al nervo ottico e perdita di cellule sensitive capellute dell’orecchio. È risultato infine evidente che la gravità delle alterazioni è stata correlata al dosaggio ed al tempo di esposizione; dati questi che confermano, quindi, le precedenti osservazioni fatte su pazienti umani esposti a rilascio abnorme di cobalto e cromo da usura di protesi d’anca. È stato ipotizzato che il cobalto agisca sui mitocondri provocando l’incremento di produzione di specie reattive dell’ossigeno e il rilascio di fattori proapoptotici, causando sulle cellule neuronali un danno proporzionale al loro fabbisogno energetico e grado di mielinizzazione.

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.

Effect of hypoxia and hyperglycemia on cell bioenergetics

Mitochondria have a central role in energy supply in cells, ROS production and apoptosis and have been implicated in several human disease and mitochondrial dysfunctions in hypoxia have been related with disorders like Type II Diabetes, Alzheimer Disease, inflammation, cancer and ischemia/reperfusion in heart. When oxygen availability becomes limiting in cells, mitochondrial functions are modulated to allow biologic adaptation. Cells exposed to a reduced oxygen concentration readily respond by adaptive mechanisms to maintain the physiological ATP/ADP ratio, essential for their functions and survival. In the beginning, the AMP-activated protein kinase (AMPK) pathway is activated, but the responsiveness to prolonged hypoxia requires the stimulation of hypoxia-inducible factors (HIFs). In this work we report a study of the mitochondrial bioenergetics of primary cells exposed to a prolonged hypoxic period . To shine light on this issue we examined the bioenergetics of fibroblast mitochondria cultured in hypoxic atmospheres (1% O2) for 72 hours. Here we report on the mitochondrial organization in cells and on their contribution to the cellular energy state. Our results indicate that prolonged hypoxia cause a significant reduction of mitochondrial mass and of the quantity of the oxidative phosphorylation complexes. Hypoxia is also responsible to damage mitochondrial complexes as shown after normalization versus citrate synthase activity. HIF-1α plays a pivotal role in wound healing, and its expression in the multistage process of normal wound healing has been well characterized, it is necessary for cell motility, expression of angiogenic growth factor and recruitment of endothelial progenitor cells. We studied hypoxia in the pathological status of diabetes and complications of diabetes and we evaluated the combined effect of hyperglycemia and hypoxia on human dermal fibroblasts (HDFs) and human dermal micro-vascular endothelial cells (HDMECs) that were grown in high glucose, low glucose concentrations and mannitol as control for the osmotic challenge.

Mitochondrial inheritance and germ line determination in a bivalve species with Doubly Uniparental Inheritance (DUI)

Mitochondria are inherited maternally in most metazoans. However, in some bivalves, two mitochondrial lineages are present: one transmitted through eggs (F), the other through sperm (M). This is called Doubly Uniparental Inheritance (DUI). During male embryo development, spermatozoon mitochondria aggregate and end up in the primordial germ cells, while they are dispersed in female embryos. The molecular mechanisms of segregation patterns are still unknown. In the DUI species Ruditapes philippinarum, I examined sperm mitochondria distribution by MitoTracker, microtubule staining and TEM, and I localized germ line determinants with immunocytochemical analysis. I also analyzed the gonad transcriptome, searching for genes involved in reproduction and sex determination. Moreover, I analyzed an M-type specific open reading frame that could be responsible for maintenance/degradation of M mitochondria during embryo development. These transcripts were also localized in tissues using in situ hybridization. As in Mytilus, two distribution patterns of M mitochondria were detected in R. philippinarum, supporting that they are related to DUI. Moreover, the first division midbody concurs in positioning aggregated M mitochondria on the animal-vegetal axis of the male embryo: in organisms with spiral segmentation this zone is not involved in further cleavages, so aggregation is maintained. Moreover, sperm mitochondria reach the same embryonic area where germ plasm is transferred, suggesting their contribution in male germ line formation. The finding of reproduction and ubiquitination transcripts led to formulate a model in which ubiquitination genes stored in female oocytes during gametogenesis would activate sex-gene expression in the early embryonic developmental stages (preformation). Only gametogenetic cells were labeled by in situ hybridization, proving their specific transcription in developing gametes. Other than having a role in sex determination, some ubiquination factors could also be involved in mitochondrial inheritance, and their differential expression could be responsible for the different fate of sperm mitochondria in the two sexes.

Neuroinflammation and the role of glia: relevance for neurodegenerative and neurosupportive roles

Inflammation is thought to contribute to the pathogenesis of neurodegenerative diseases. Among the resident population of cells in the brain, astroglia have been suggested to actively participate in the induction and regulation of neuroinflammation by controlling the secretion of local mediators. However, the initial cellular mechanisms by which astrocytes react to pro-inflammatory molecules are still unclear. Our study identified mitochondria as highly sensitive organelles that rapidly respond to inflammatory stimuli. Time-lapse video microscopy revealed that mitochondrial morphology, dynamics and motility are drastically altered upon inflammation, resulting in perinuclear clustering of mitochondria. These mitochondrial rearrangements are accompanied by an increased formation of reactive oxygen species and a recruitment of autophagic vacuoles. 24 to 48 hours after the acute inflammatory stimulus, however, the mitochondrial network is re-established. Strikingly, the recovery of a tubular mitochondrial network is abolished in astrocytes with a defective autophagic response, indicating that activation of autophagy is required to restore mitochondrial dynamics. By employing co-cultivation assays we observed that primary cortical neurons undergo degeneration in the presence of inflamed astrocytes. However, this effect was not observed when the primary neurons were grown in conditioned medium derived from inflamed astrocytes, suggesting that a direct contact between astrocytes and neurons mediates neuronal dysfunction upon inflammation. Our results suggest that astrocytes react to inflammatory stimuli by transiently rearranging their mitochondria, a process that involves the autophagic machinery.

Respiratory chain complex I dysfunction in tumorigenesis

Diseases due to mutations in mitochondrial DNA probably represent the most common form of metabolic disorders, including cancer, as highlighted in the last years. Approximately 300 mtDNA alterations have been identified as the genetic cause of mitochondrial diseases and one-third of these alterations are located in the coding genes for OXPHOS proteins. Despite progress in identification of their molecular mechanisms, little has been done with regard to the therapy. Recently, a particular gene therapy approach, namely allotopic expression, has been proposed and optimized, although the results obtained are rather controversial. In fact, this approach consists in synthesis of a wild-type version of mutated OXPHOS protein in the cytosolic compartment and in its import into mitochondria, but the available evidence is based only on the partial phenotype rescue and not on the demonstration of effective incorporation of the functional protein into respiratory complexes. In the present study, we took advantage of a previously analyzed cell model bearing the m.3571insC mutation in MTND1 gene for the ND1 subunit of respiratory chain complex I. This frame-shift mutation induces in fact translation of a truncated ND1 protein then degraded, causing complex I disassembly, and for this reason not in competition with that allotopically expressed. We show here that allotopic ND1 protein is correctly imported into mitochondria and incorporated in complex I, promoting its proper assembly and rescue of its function. This result allowed us to further confirm what we have previously demonstrated about the role of complex I in tumorigenesis process. Injection of the allotopic clone in nude mice showed indeed that the rescue of complex I assembly and function increases tumor growth, inducing stabilization of HIF1α, the master regulator of tumoral progression, and consequently its downstream gene expression activation.

Melanocytes: a new potential tool to study and monitoring Duchenne muscular dystrophy

Dystrophin is a subsarcolemmal protein critical for the integrity of muscle fibers by linking the actin cytoskeleton to the extracellular matrix via the dystroglycan complex. It is reported that dystroglycans are also localized in the skin, at dermal-epidermal junction. Here we show that epidermal melanocytes express dystrophin at the interface with the basement membrane. The full-length muscle isoform mDp427 was clearly detectable in epidermis and in melanocyte cultures as assessed by RNA and western blot analysis. Dystrophin was absent in Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) patients melanocytes, and the ultrastructural analysis revealed mitochondrial alterations, similar to those occurring in myoblasts from the same patients. Interestingly, mitochondrial dysfunction of DMD melanocytes reflected the alterations identified in dystrophin-deficient muscle cells. In fact, mitochondria of melanocytes from DMD patients accumulated tetramethylrhodamine methyl ester but, on the contrary of control donor, mitochondria of DMD patients readily depolarized upon the addition of oligomycin, suggesting either that they are maintaining the membrane potential at the expense of glycolytic ATP, or that they are affected by a latent dysfunction unmasked by inhibition of the ATP synthase. Melanocyte cultures can be easily obtained by conventional skin biopsies, less invasive procedure than muscular biopsy, so that they may represent an alternative cellular model to myoblast for studying and monitoring dystrophinopathies also in response to pharmacological treatments.

Untersuchungen zur Rolle des BH3-only-Proteins Bid bei der Stress-induzierten Apoptose in Karzinomzelllinien

Als BH3-only Protein gehört Bid zu den proapoptotischen Mitgliedern der Bcl-2 Familie, die während der Apoptose die Freisetzung Caspase-aktivierender Proteine aus den Mitochondrien kontrollieren. Bid zählt zu den potentesten BH3-only Proteinen und wird von vielen transformierten und nichttransformierten Zellen konstitutiv exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, Bid durch RNA-Interferenz stabil zu depletieren, um Bid-abhängige Apoptosewege in HeLa Zervixkarzinomzellen zu identifizieren, die von intrinsischen Stressstimuli sowie von konventionellen und neuartigen Chemotherapeutika induziert werden. Da Bid im Todesrezeptor-vermittelten Signalweg der Apoptose durch Caspase-8 gespalten und aktiviert wird, waren die Bid-depletierten Zellen signifikant vor der Fas/CD95-, TRAIL- oder TNF-α-induzierten Apoptose geschützt und zeigten nach Exposition mit allen drei Todesrezeptorliganden eine drastisch reduzierte Effektorcaspase-Aktivität und eine höhere Proliferationsrate als die Kontrollzellen. Eine ektopische Bidexpression in Bid knock down (kd) Zellen hob die Protektion vor der Fas- und TRAIL-induzierten Apoptose auf. Der Proteasominhibitor Epoxomicin, der Proteinkinase-Inhibitor Staurosporin oder die ER Stress-induzierenden Agenzien Tunicamycin, Thapsigargin und Brefeldin A lösten hingegen einen Bid-unabhängigen Zelltod aus. Allerdings konnten subletale Tunicamycin- oder Thapsigarginkonzentrationen HeLa Zellen für die TRAIL-induzierte Apoptose sensitivieren. Da der Synergieeffekt auf einer ER Stress-vermittelten Amplifizierung des Todesrezeptorwegs beruhte, zu der eine Tunicamycin-induzierte Steigerung der Expression des Todesrezeptors DR5 signifikant beitrug, erfolgte diese Sensitivierung nur in Bid-profizienten Zellen. Bid war in HeLa Zellen außerdem an der apoptotischen Signalkaskade beteiligt, die von den DNA-schädigenden Agenzien Etoposid, Doxorubicin und Oxaliplatin (Oxa) ausgelöst wird. Nach Behandlung mit Oxa zeigten die Bid kd Zellen eine verzögerte Caspase-2, -3, -8 und -9 Aktivierung, einen geringeren Verlust des mitochondrialen Membranpotentials sowie eine reduzierte Apoptose- und eine höhere Proliferationsrate als Bid-profiziente Zellen. Neben Bid war ein weiteres BH3-only Protein, Puma, an der Oxa-induzierten Effektorcaspase-Aktivierung beteiligt, da eine Puma-spezifische siRNA unabhängig vom Bidstatus der Zellen antiapoptotisch wirkte. Im letzten Teil der Arbeit wurde untersucht, welche Proteasen für die durch gentoxische Agenzien induzierte Spaltung und Aktivierung von Bid verantwortlich sind. Obwohl Caspasen für die Exekutionphase der Oxa-induzierten Apoptose notwendig waren, trugen sie weder zur initialen Bidaktivierung noch zur mitochondrialen Depolarisierung bei, da sie erst postmitochondrial aktiviert wurden. Konventionelle Calpaine hingegen wurden nach DNA-Schädigung bereits stromaufwärts der Mitochondrien aktiviert und der Calpaininhibitor Calpeptin reduzierte nicht nur die Bid- und Caspasespaltung, sondern auch die mitochondriale Depolarisierung signifikant. Diese Protektion durch Calpeptin fiel in Bid-depletierten Zellen signifikant geringer als in Bid-profizienten Kontrollzellen aus. Auch war in Oxa-behandelten Bid kd Zellen, die eine durch Caspase-2, -3 und -8 nicht spaltbare Bidmutante exprimierten, trunkiertes Bid nachweisbar, dessen Generierung durch Calpain-, aber nicht durch Caspaseinhibierung verhindert werden konnte. Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse auf eine Calpain-abhängige Bidaktivierung stromaufwärts der Mitochondrien hin und zeigen, dass die BH3-only Proteine Bid und Puma wichtige Vermittler der Oxa-induzierten Apoptose in HeLa Zellen darstellen.