New approaches to open problems in gene expression microarray data

In the past decade, the advent of efficient genome sequencing tools and high-throughput experimental biotechnology has lead to enormous progress in the life science. Among the most important innovations is the microarray tecnology. It allows to quantify the expression for thousands of genes simultaneously by measurin the hybridization from a tissue of interest to probes on a small glass or plastic slide. The characteristics of these data include a fair amount of random noise, a predictor dimension in the thousand, and a sample noise in the dozens. One of the most exciting areas to which microarray technology has been applied is the challenge of deciphering complex disease such as cancer. In these studies, samples are taken from two or more groups of individuals with heterogeneous phenotypes, pathologies, or clinical outcomes. these samples are hybridized to microarrays in an effort to find a small number of genes which are strongly correlated with the group of individuals. Eventhough today methods to analyse the data are welle developed and close to reach a standard organization (through the effort of preposed International project like Microarray Gene Expression Data -MGED- Society [1]) it is not unfrequant to stumble in a clinician's question that do not have a compelling statistical method that could permit to answer it.The contribution of this dissertation in deciphering disease regards the development of new approaches aiming at handle open problems posed by clinicians in handle specific experimental designs. In Chapter 1 starting from a biological necessary introduction, we revise the microarray tecnologies and all the important steps that involve an experiment from the production of the array, to the quality controls ending with preprocessing steps that will be used into the data analysis in the rest of the dissertation. While in Chapter 2 a critical review of standard analysis methods are provided stressing most of problems that In Chapter 3 is introduced a method to adress the issue of unbalanced design of miacroarray experiments. In microarray experiments, experimental design is a crucial starting-point for obtaining reasonable results. In a two-class problem, an equal or similar number of samples it should be collected between the two classes. However in some cases, e.g. rare pathologies, the approach to be taken is less evident. We propose to address this issue by applying a modified version of SAM [2]. MultiSAM consists in a reiterated application of a SAM analysis, comparing the less populated class (LPC) with 1,000 random samplings of the same size from the more populated class (MPC) A list of the differentially expressed genes is generated for each SAM application. After 1,000 reiterations, each single probe given a "score" ranging from 0 to 1,000 based on its recurrence in the 1,000 lists as differentially expressed. The performance of MultiSAM was compared to the performance of SAM and LIMMA [3] over two simulated data sets via beta and exponential distribution. The results of all three algorithms over low- noise data sets seems acceptable However, on a real unbalanced two-channel data set reagardin Chronic Lymphocitic Leukemia, LIMMA finds no significant probe, SAM finds 23 significantly changed probes but cannot separate the two classes, while MultiSAM finds 122 probes with score >300 and separates the data into two clusters by hierarchical clustering. We also report extra-assay validation in terms of differentially expressed genes Although standard algorithms perform well over low-noise simulated data sets, multi-SAM seems to be the only one able to reveal subtle differences in gene expression profiles on real unbalanced data. In Chapter 4 a method to adress similarities evaluation in a three-class prblem by means of Relevance Vector Machine [4] is described. In fact, looking at microarray data in a prognostic and diagnostic clinical framework, not only differences could have a crucial role. In some cases similarities can give useful and, sometimes even more, important information. The goal, given three classes, could be to establish, with a certain level of confidence, if the third one is similar to the first or the second one. In this work we show that Relevance Vector Machine (RVM) [2] could be a possible solutions to the limitation of standard supervised classification. In fact, RVM offers many advantages compared, for example, with his well-known precursor (Support Vector Machine - SVM [3]). Among these advantages, the estimate of posterior probability of class membership represents a key feature to address the similarity issue. This is a highly important, but often overlooked, option of any practical pattern recognition system. We focused on Tumor-Grade-three-class problem, so we have 67 samples of grade I (G1), 54 samples of grade 3 (G3) and 100 samples of grade 2 (G2). The goal is to find a model able to separate G1 from G3, then evaluate the third class G2 as test-set to obtain the probability for samples of G2 to be member of class G1 or class G3. The analysis showed that breast cancer samples of grade II have a molecular profile more similar to breast cancer samples of grade I. Looking at the literature this result have been guessed, but no measure of significance was gived before.

Differenzielle Expression von Tubulin-Genen bei der Entwicklung von Blattzellen der Gerste (Hordeum vulgare L.)

Die Morphogenese einer Pflanzenzelle wird in großem Maße durch die Dynamik kortikaler Mikrotubuli (MT) bestimmt, die auf die Zellwandsynthese Einfluß nehmen. In dieser Arbeit wurden die Transkriptmengen der alpha-Tubulin-Isotypen und des gamma-Tubulin während der Entwicklung des Gerstenblattes analysiert, um Zusammenhänge zu bereits beschriebenen Umwandlungen im kortikalen MT-Cytoskelett der Mesophyllzellen aufzudecken. Erstmals konnte bei einer höheren Pflanze die Genexpression auf RNA-Ebene innerhalb einer Tubulin-Multigenfamilie im Verlauf der Blattentwicklung umfassend dargestellt werden.Es wurden blattspezifische cDNA-Bibliotheken erstellt und mittels RT-PCR homologe DNA-Gensonden für die Screeningprozesse der cDNA-Bibliotheken hergestellt. cDNA-Sequenzen von alpha-, beta-, und gamma-Tubulin konnten isoliert werden. Weitere, weniger abundante alpha-Tubulin-Sequenzen wurden während zusätzlicher Screeningrunden über PCR-Ausschluß häufig vertretener, bereits bekannter Isotypen isoliert.Die cDNA-Sequenzen von insgesamt fünf verschiedenen Isotypen des alpha-Tubulin konnten aufgeklärt werden, drei Isotypen wiesen bis zu fünf im nicht kodierenden 3´-Bereich verkürzte Varianten auf, die aber in ihrer Anzahl deutlich unterrepräsentiert waren. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen umfassten bei drei Isotypen 451 Aminosäuren (AS), zwei Isotypen waren im C-Terminus um eine bzw. um zwei AS kürzer. Die fünf alpha-Tubulin-Isotypen wiesen charakteristische Expressionsmuster auf, die in drei Klassen unterteilbar waren. Die Isotypen HVATUB1 und HVATUB5 (MT-Band-Isotypen) hatten den maximalen Gehalt in Blattbereichen, in denen auch hauptsächlich Mesophyllzellen mit kortikalen MT-Bänderungen vorkommen, wobei HVATUB5 den am schwächsten exprimierte Isotyp darstellte. HVATUB3 (Random-MT-Isotyp) zeigte die stärksten Expressionsraten. Die im Meristem und meristemnahen Bereichen bereits recht hohe Abundanz erreichte erst nach der Zellstreckungszone in einer Blattzone das Maximum, in dem hauptsächlich Mesophyllzellen mit zerstreut angeordneten MT anzutreffen sind. Die Isotypen HVATUB2 und HVATUB4 (MImax-Isotypen) waren in mitotisch aktiven, basalen Blattbereichen dominant.Die cDNA-Sequenz vom gamma-Tubulin der Gerste, HVGTUB, wurde ermittelt; die abgeleitete Aminosäuresequenz bestand aus 469 AS. Das Auftreten einer im nicht kodierenden 3´-Bereich kürzeren Variante konnte erstmals bei pflanzlichem gamma-Tubulin beschrieben werden. Southernblot-Analysen ließen darauf schließen, daß gamma-Tubulin nur als Einzelkopie im Genom der Gerste vorkommt. gamma-Tubulin wurde im mitosereichen Meristem der Blattbasis am stärksten exprimiert. Da die Abnahme der Transkriptmenge weitaus langsamer verlief als die Abnahme der Zellteilungsaktivität, ist anzunehmen, daß gamma-Tubulin neben der Erfüllung von mitose- und zellteilungsspezifischen Funktionen auch eine Rolle im Zusammenhang mit der Dynamik des kortikalen MT-Cytoskeletts spielt. Einen ersten Schritt zur Aufklärung der Genfamilie des beta-Tubulin bei Gerste stellt die Isolierung drei verschiedener cDNA-Sequenzen von beta-Tubulin dar.

Study on the regulation of mRNA expression of GABA transporters (GAT-1 and GAT-3) in rat brain

The submitted work concentrated on the study of mRNA expression of two distinct GABA transporters, GAT-1 and GAT-3, in the rat brain. For the detection and quantification of the chosen mRNAs, appropriate methods had to be established. Two methods, ribonuclease protection assay (RPA) and competitive RT-PCR were emloyed in the present study. Competitive RT-PCR worked out to be 20 times more sensitive as RPA. Unlike the sensitivity, the fidelity of both techniques was comparable with respect to their intra- and inter-assay variability.The basal mRNA levels of GAT-1 and GAT-3 were measured in various brain regions. Messenger RNAs for both transporters were detected in all tested brain regions. Depending on the region, the observed mRNA level for GAT-1 was 100-300 higher than for GAT-3. The GAT-1 mRNA levels were similar in all tested regions. The distribution of GAT-3 mRNA seemed to be more region specific. The strongest GAT-3 mRNA expression was detected in striatum, medulla oblongata and thalamus. The lowest levels of GAT-3 were in cortex frontalis and cerebellum.Furthermore, the mRNA expression for GAT-1 and GAT-3 was analysed under altered physiological conditions; in kindling model of epilepsy and also after long-term treatment drugs modulating GABAergic transmission. In kindling model of epilepsy, altered GABA transporter function was hypothesised by During and coworkers (During et al., 1995) after observed decrease in binding of nipecotic acid, a GAT ligand, in hippocampus of kindled animals. In the present work, the mRNA levels were measured in hippocampus and whole brain samples. Neither GAT-1 nor GAT-3 showed altered transcription in any tested region of kindled animals compared to controls. This leads to conclusion that an altered functionality of GABA transporters is involved in epilepsy rather than a change in their expression.The levels of GAT-1 and GAT-3 mRNAs were also measured in the brain of rats chronically treated with diazepam or zolpidem, GABAA receptor agonists. Prior to the molecular biology tests, behavioural analysis was carried out with chronically and acutely treated animals. In two tests, open field and elevated plus-maze, the basal activity exploration and anxiety-like behaviour were analysed. Zolpidem treatment increased exploratory activity. There were observed no differencies between chronically and acutely treated animals. Diazepam increased exploratory activity and decresed anxiety-like behaviour when applied acutely. This effect disappeard after chronic administration of diazepam. The loss of effect suggested a development of tolerance to effects of diazepam following long-term administration. Double treatment, acute injection of diazepam after chronic diazepam treatment, confirmed development of a tolerance to effects of diazepam. Also, the mRNAs for GAT-1 and GAT-3 were analysed in cortex frontalis, hippocampus, cerebellum and whole brain samples of chronically treated animals. The mRNA levels for any of tested GABA transporters did not show significant changes in any of tested region neither after diazepam nor zolpidem treatment. Therefore, changes in GAT-1 and GAT-3 transcription are probably not involved in adaptation of GABAergic system to long-term benzodiazepine administration and so in development of tolerance to benzodiazepines.

Ektopische Expression schwer exprimierbarer nikotinischer Acetylcholinrezeptoren in Zellinien

Deutsch:In dieser Arbeit wurden Versuche zur funktionellen Expression von schwer ektopisch exprimierbaren nAChR in HEK-293/a1-Zellen durchgeführt: a7 nAChR und a6-enthaltenden nAChR. Die Probleme lagen dabei nicht auf dem Niveau der Transfektion, Transkription, Translation oder der Assemblierung, sondern beim Transport der Rezeptoren zur Zellmembran.Die Expression von a7 nAChR in der Plasmamembran von HEK-293/a1-Zellen konnte durch verbesserte Expressionsbedingungen (Koexpression des Faltungshelfers Calnexin oder weiterer nAChR-Untereinheiten, Erniedrigung der Expressionstemperatur, Expression in Gegenwart nikotinischer Antagonisten) nicht erreicht werden. Auch in anderen Zellinien mit neuronalem oder nicht-neuronalem Ursprung (QT6, GH4C1, S2 und PCC7-Mz1) war die EGFP-gekoppelte a7 nAChR-Untereinheit nur im Zellinneren lokalisiert.Eine intrazelluläre Lokalisation verhinderte auch eine funktionelle Expression homomerer a6 sowie heteromerer a6b2 und a6b3 nAChR in HEK-293/a1-Zellen. Im Gegensatz dazu führte eine Expression von stabil mit den nAChR-Untereinheiten a6 und b4 transfizierten HEK-293/a1-Zellen in Gegenwart von Calciumphosphat-Transfektionslösung und anschließend bei 30°C zu einem verbesserten Transport der Rezeptoren zur Zellmembran und damit zum erfolgreichen Expression funktioneller a6b4 nAChR. Die Wirkung der Transfektionslösung kann durch die erhöhte Calciumkonzentration erklärt werden, da in Ganzzellableitungen eine potenzierende Wirkung von Calciumionen auf den a6b4 nAChR bewiesen wurde. Somit konnte erstmalig der humane a6b4 nAChR in einer Säugerzellinie stabil und funktionell exprimiert werden.

Transgene Mausmodelle zur Untersuchung von Nervenzellwanderungen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden transgene Mausmodelle hergestellt, die eine weitere Aufklärung der Rolle des Transkriptionsfaktors Pax6 bei der Wanderung von Nervenzellen ermöglichen, sowie ein Kultursystem zur Darstellung embryonaler Wanderungen außerhalb des Mutterleibs entwickelt.Bei der YAC-transgenen Mäuselinie PhPax6-taulacZ wird das Reportergen taulacZ unter der Kontrolle des Pax6-Promotors exprimiert. Dadurch ist dort, wo Pax6 im Zellkern vorliegt, der Rest der Zelle über seine gesamte Ausdehnung mit der vom taulacZ-Transgen kodierten tau-b-Galactosidase markiert. Das räumlich-zeitliche Expressionsmuster von Pax6 und dem Transgen taulacZ wurde detailliert untersucht. Dabei wurde eine hohe Übereinstimmung festgestellt. Basierend auf der Darstellung der Zellen in ihrer gesamten Ausdehnung, die durch das taulacZ-Transgen erstmals möglich ist, wurde eine Klassifizierung Pax6-positiver Zelltypen vorgenommen. Zunächst wird Pax6 in Neuroepithelzellen, später in radialen Gliazellen exprimiert.Mit der zweiten transgenen Mäuselinie, PhPax6-tTA, wurde ein Werkzeug hergestellt, das die gezielte und hoch spezifische Expression von beliebigen Transgenen in Pax6-exprimierenden Zellen ermöglicht. In Pax6-positive Zellen der Medulla wurde das Grün Fluoreszierende Protein (GFP) eingeführt und das Wanderungsverhalten in vitro über mehrere Tage dargestellt. Erstmals können mit dieser Linie beliebige Expressionskonstrukte gezielt, hocheffizient und schnell in wandernde Neurone eingebracht werden, ohne störende Hinter-grundexpression in anderen Zellen.

Charakterisierung der Vinorin-Synthase aus Rauvolfia serpentina durch Reinigung, Expression, Mutation und Kristallisation

ABSTRACTDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Reinigung,heterologen Expression, Charakterisierung, molekularenAnalyse, Mutation und Kristallisation des EnzymsVinorin-Synthase. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle inder Ajmalin-Biosynthese, da es in einerAcetyl-CoA-abhängigen Reaktion die Umwandlung desSarpagan-Alkaloids 16-epi-Vellosimin zu Vinorin unterBildung des Ajmalan-Grundgerüstes katalysiert. Nach der Reinigung der Vinorin-Synthase ausHybrid-Zellkulturen von Rauvolfia serpentina/Rhazya strictamit den fünf chromatographischen TrennmethodenAnionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, HydrophobeInteraktionen Chromatographie an SOURCE 15PHE,Chromatographie an MacroPrep Ceramic Hydroxyapatit,Anionenaustauschchromatographie an Mono Q undGrößenausschlußchromatographie an Superdex 75 konnte dieVinorin-Synthase aus 2 kg Zellkulturgewebe 991fachangereichert werden.Das nach der Reinigung angefertigte SDS-Gel ermöglichte eineklare Zuordnung der Protein-Bande als Vinorin-Synthase.Der Verdau der Enzymbande mit der Endoproteinase LysC unddie darauffolgende Sequenzierung der Spaltpeptide führte zuvier Peptidsequenzen. Der Datenbankvergleich (SwissProt)zeigte keinerlei Homologien zu Sequenzen bekannterPflanzenenzyme. Mit degenerierten Primern, abgeleitet voneinem der erhaltenen Peptidfragmente und einer konserviertenRegion bekannter Acetyltransferasen gelang es, ein erstescDNA-Fragment der Vinorin-Synthase zu amplifizieren. Mit derMethode der RACE-PCR wurde die Nukleoidsequenzvervollständigt, was zu einem cDNA-Vollängenklon mit einerGröße von 1263 bp führte, der für ein Protein mit 421Aminosäuren (46 kDa) codiert.Das Vinorin-Synthase-Gen wurde in den pQE2-Expressionsvektorligiert, der für einen N-terminalen 6-fachen His-tagcodiert. Anschließend wurde sie erstmals erfolgreich in E.coli im mg-Maßstab exprimiert und bis zur Homogenitätgereinigt. Durch die erfolgreiche Überexpression konnte dieVinorin-Synthase eingehend charakterisiert werden. DerKM-Wert für das Substrat Gardneral wurde mit 20 µM, bzw.41.2 µM bestimmt und Vmax betrug 1 pkat, bzw. 1.71 pkat.Nach erfolgreicher Abspaltung des His-tags wurden diekinetischen Parameter erneut bestimmt (KM- Wert 7.5 µM, bzw.27.52 µM, Vmax 0.7 pkat, bzw. 1.21 pkat). Das Co-Substratzeigt einen KM- Wert von 60.5 µM (Vmax 0.6 pkat). DieVinorin-Synthase besitzt ein Temperatur-Optimum von 35 °Cund ein pH-Optimum bei 7.8.Homologievergleiche mit anderen Enzymen zeigten, dass dieVinorin-Synthase zu einer noch kleinen Familie von bisher 10Acetyltransferasen gehört. Alle Enzyme der Familie haben einHxxxD und ein DFGWG-Motiv zu 100 % konserviert. Basierendauf diesen Homologievergleichen und Inhibitorstudien wurden11 in dieser Proteinfamilie konservierte Aminosäuren gegenAlanin ausgetauscht, um so die Aminosäuren einer in derLiteratur postulierten katalytischen Triade(Ser/Cys-His-Asp) zu identifizieren.Die Mutation aller vorhandenen konservierten Serine undCysteine resultierte in keiner Mutante, die zumvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms führte. Nur dieMutationen H160A und D164A resultierten in einemvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms. Dieses Ergebniswiderlegt die Theorie einer katalytischen Triade und zeigte,dass die Aminosäuren H160A und D164A exklusiv an derkatalytischen Reaktion beteiligt sind.Zur Überprüfung dieser Ergebnisse und zur vollständigenAufklärung des Reaktionsmechanismus wurde dieVinorin-Synthase kristallisiert. Die bis jetzt erhaltenenKristalle (Kristallgröße in µm x: 150, y: 200, z: 200)gehören der Raumgruppe P212121 (orthorhombisch primitiv) anund beugen bis 3.3 Å. Da es bis jetzt keine Kristallstruktureines zur Vinorin-Synthase homologen Proteins gibt, konntedie Struktur noch nicht vollständig aufgeklärt werden. ZurLösung des Phasenproblems wird mit der Methode der multiplenanomalen Dispersion (MAD) jetzt versucht, die ersteKristallstruktur in dieser Enzymfamilie aufzuklären.

Multi-level models and infrastructures for simulating biological system development

The hierarchical organisation of biological systems plays a crucial role in the pattern formation of gene expression resulting from the morphogenetic processes, where autonomous internal dynamics of cells, as well as cell-to-cell interactions through membranes, are responsible for the emergent peculiar structures of the individual phenotype. Being able to reproduce the systems dynamics at different levels of such a hierarchy might be very useful for studying such a complex phenomenon of self-organisation. The idea is to model the phenomenon in terms of a large and dynamic network of compartments, where the interplay between inter-compartment and intra-compartment events determines the emergent behaviour resulting in the formation of spatial patterns. According to these premises the thesis proposes a review of the different approaches already developed in modelling developmental biology problems, as well as the main models and infrastructures available in literature for modelling biological systems, analysing their capabilities in tackling multi-compartment / multi-level models. The thesis then introduces a practical framework, MS-BioNET, for modelling and simulating these scenarios exploiting the potential of multi-level dynamics. This is based on (i) a computational model featuring networks of compartments and an enhanced model of chemical reaction addressing molecule transfer, (ii) a logic-oriented language to flexibly specify complex simulation scenarios, and (iii) a simulation engine based on the many-species/many-channels optimised version of Gillespie’s direct method. The thesis finally proposes the adoption of the agent-based model as an approach capable of capture multi-level dynamics. To overcome the problem of parameter tuning in the model, the simulators are supplied with a module for parameter optimisation. The task is defined as an optimisation problem over the parameter space in which the objective function to be minimised is the distance between the output of the simulator and a target one. The problem is tackled with a metaheuristic algorithm. As an example of application of the MS-BioNET framework and of the agent-based model, a model of the first stages of Drosophila Melanogaster development is realised. The model goal is to generate the early spatial pattern of gap gene expression. The correctness of the models is shown comparing the simulation results with real data of gene expression with spatial and temporal resolution, acquired in free on-line sources.

Knock down von Desmoglein 2 durch induzierbare Cre-spezifische Rekombination in der Maus

Desmosomen sind hoch organisierte adhäsive interzelluläre Verbindungen, die benachbarte Zellen durch Verankerung mit den Intermediärfilamenten des Zytoskeletts miteinander verknüpfen und so Zellen und Geweben Stabilität verleihen. Die Adhäsionsmoleküle der Desmosomen sind die desmosomalen Cadherine. Diese transmembranen Glykoproteine gehen im Interzellulärraum Verbindungen mit den desmosomalen Cadherinen der Nachbarzelle ein und sind im zytoplasmatischen Bereich Anheftungspunkte für weitere an der Desmosomenbildung beteiligte Proteine. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Rolle von Desmoglein 2 (Dsg 2), einem in allen Epithelien exprimierten desmosomalen Cadherin. Da der konstitutive knock out von Dsg 2 embryonal letal ist, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine transgene Maus generiert, in der die Reduktion von Dsg 2 temporär regulierbar war (konditionaler knock down). Dazu wurde der Mechanismus der RNA Interferenz genutzt, wodurch Sequenz-spezifische, post-transkriptionelle Regulation von Genen möglich ist. Unter Verwendung eines über Cre/lox-induzierbaren Vektors wurden transgene Mäuse generiert, welche nach Induktion Dsg 2 shRNA exprimieren, die in der Zelle in siRNA umgewandelt wird und zum Abbau der Dsg 2 mRNA führt. Durch Verpaarung der generierten Dsg 2 knock down Maus mit der über Tamoxifen induzierbaren Cre Deleter knock in Mauslinie Rosa26CreERT2 konnte deutliche Reduktion der Dsg 2 Proteinmenge in Leber, Darm und Herz erreicht werden. In Immunfärbungen der Leber wurde zudem eine reduzierte Desmosomenbildung durch Expression der Dsg 2 shRNA detektiert. Die für diese Versuche generierte und getestete Rosa26CreERT2 Mauslinie ermöglichte jedoch nicht in allen Zellen eines Gewebes die komplette Aktivierung der Cre Rekombinase und damit die Expression der shRNA. Dadurch entstanden mosaikartige Wildtyp/knock down-Gewebe, in denen noch ausreichend Desmosomen gebildet wurden, um die Gewebestabilität und -struktur zu erhalten. Für eine funktionale Untersuchung von Dsg 2 in Zusammenhang mit der chronisch entzündlichen Darmerkrankung Colitis ulcerosa wurden die Dsg 2 knock down Mäuse mit Darm-spezifischen, induzierbaren Cre Deleter Mäusen (VillinCreERT2) verpaart. Nach Aktivierung der Cre Rekombinase mittels Tamoxifen wurde in bitransgenen Tieren über Gabe von Azoxymethan (AOM) und Dextransodiumsulfat (DSS) Colitis ulcerosa induziert. Diese entzündliche Erkrankung des Darms ist mit der Induktion von Darmtumoren assoziiert. Bereits nach einmaliger Induktion mit AOM/DSS wurde in der ersten endoskopischen Untersuchung eine starke Entzündung des Darmgewebes und die Ausbildung von flächig wachsenden Tumoren in den Dsg 2 knock down Tieren hervorgerufen. Es ist anzunehmen, dass durch knock down von Dsg 2, und die damit verbundene verminderte Desmosomenbildung und Zelladhäsion, Infiltration von Bakterien durch die epitheliale Barriere des Darms möglich war, und so die Entzündungsreaktion in der Darmmukosa verstärkte. In Zusammenhang mit Verlust der epithelialen Festigkeit durch verringerte Zellkontakte kam es zur Hyperproliferation der Darmmukosa, die sich in Ausbildung von flächigen Tumoren äußerte. In weiteren Experimenten müssen nun die Tumore und das entzündete Gewebe der Colitis-induzierten Mäuse mittels Immunfluoreszenz untersucht werden, um Veränderungen in der Desmosomenformation in situ detektieren zu können. Des Weiteren sind Verpaarungen der Dsg 2 knock down Maus mit anderen Cre Rekombinase exprimierenden Mauslinien möglich, um den Einfluss von Dsg 2 auch in anderen Geweben, beispielsweise im Herzen, zu untersuchen. Die hier vorgelegte Arbeit zeigt also erstmalig den ursächlichen Zusammenhang zwischen Dsg 2 und dem Auftreten von Colitis-assoziierten Tumoren in einem konditionalen RNAi-vermittelten knock down Tiermodell. Die Etablierung dieser Maus ist somit das erste konditionale Mausmodell, welches die bei vielen Krebspatienten gefundenen flachzellig wachsenden Tumore in vivo rekapituliert. Vorausschauend kann man sagen, dass mit Hilfe des im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelten Tiermodells wichtige Erkenntnisses über die Pathologie von Darmtumoren erbracht werden können, die unser Verständnis der Colitis-induzierten Tumorentstehung verbessern.

Expression profiling in developing peach seed and mesocarp as affected by growth regulators

Jasmonates (JAs) and spermidine (Sd) influence fruit (and seed) development and ripening. In order to unravel their effects in peach fruit, at molecular level, field applications of methyl jasmonate (MJ) and propyl dihydrojasmonate (PDJ), and Sd were performed at an early developmental stage (late S1). At commercial harvest, JA-treated fruit were less ripe than controls. Realtime RT-PCR analyses confirmed a down-regulation of ethylene biosynthetic, perception and signaling genes, and flesh softening-related genes. The expression of cell wall-related genes, of a sugar-transporter and hormone-related transcript levels was also affected by JAs. Seeds from JA-treated fruit showed a shift in the expression of developmental marker genes suggesting that the developmental program was probably slowed down, in agreement with the contention that JAs divert resources from growth to defense. JAs also affected phenolic content and biosynthetic gene expression in the mesocarp. Levels of hydroxycinnamic acids, as well as those of flavan-3-ols, were enhanced, mainly by MJ, in S2. Transcript levels of phenylpropanoid pathway genes were up-regulated by MJ, in agreement with phenolic content. Sd-treated fruits at harvest showed reduced ethylene production and flesh softening. Sd induced a short-term and long-term response patterns in endogenous polyamines. At ripening the up-regulation of the ethylene biosynthetic genes was dramatically counteracted by Sd, leading to a down-regulation of softening-related genes. Hormone-related gene expression was also altered both in the short- and long-term. Gene expression analyses suggest that Sd interfered with fruit development/ripening by interacting with multiple hormonal pathways and that fruit developmental marker gene expression was shifted ahead in accord with a developmental slowing down. 24-Epibrassinolide was applied to Flaminia peaches under field conditions early (S1) or later (S3) during development. Preliminary results showed that, at harvest, treated fruit tended to be larger and less mature though quality parameters did not change relative to controls.

Der Einfluss von Apolipoprotein E auf die zellulären Mechanismen der Alzheimer Erkrankung

Die massive Bildung und Ablagerung von aggregiertem Amyloid Beta-Peptid im Gehirn wird allgemein als zentrales Ereignis im Rahmen des Neurodegenerationsprozesses der Alzheimer Demenz betrachtet. Als einer der ursächlichen Risikofaktoren gilt das Vorliegen des ε4-Allels des Apolipoprotein E. Die Alzheimer´sche Krankheit ist dabei in sehr vielfältige Weise mit Apolipoprotein E verknüpft. ApoE begünstigt isoformenabhängig Aβ-Ablagerungen, ApoE-Fragmente kommen im Gehirn und der Cerebrospinalflüssigkeit von Alzheimer Patienten vor und ApoE ist darüber hinaus als Cholesterintransportprotein über den zellulären Cholesterinstoffwechsel mit der Amyloidbildung verknüpft. Mit Hilfe einer Doppeltransfektion von ApoE und ADAM10 in HEK-Zellen und durch Studien mit Inhibitoren der ADAM-Familie an HepG-2-Zellen wurde in vitro gezeigt, dass ApoE nicht durch α-Sekretasen der ADAM-Familie gespalten wird. Weiterhin konnte bewiesen werden, dass ApoE in Astrogliomazellen keinen Einfluss auf die APP-Prozessierung ausübt. Durch in vitro Modulation des Cholesteringehaltes an Astrogliomazellen mit MβCD und seine Cholesterin-Komplexverbindungen ist gezeigt worden, dass die ApoE-Sekretion durch abnehmenden Cholesteringehalt gesenkt wird. Indem Statine alleine oder in Kombination mit Isoprenylierungssubstraten eingesetzt wurden ist der Beweis erbracht worden, dass Statine in vitro die ApoE-Sekretionsinhibition alleine durch Hemmung der Cholesterinbiosynthese bewirken. Bestätigt wurde dies weiterhin durch Experimente mit Isoprenylierungsinhibitoren. Aus dem Wirkmechanismus von Statinen auf die ApoE-Sekretionssenkung leitet sich womöglich der für bestimmte Statine berichtete neuroprotektive Effekt bei Morbus Alzheimer in retrospektiven Humanstudien ab, der sich durch reine Cholesterinsenkung nicht erklären lässt. Im Zusammenhang mit der Cholesterinhomöostase und dem gesteigerten 24(S)-Hydroxycholesterinspiegel bei Morbus Alzheimer, haben die Ergebnisse gezeigt, dass 24(S)-Hydroxycholesterin [24(S)-OH-chol] zur ApoE-Sekretions- und Expressionssteigerung führt. In dieser Arbeit konnte erstmals der Nachweis erbracht werden, dass der stimulatorische Effekt von 24(S)-OH-Chol durch gleichzeitige Lovastatingabe reduziert werden kann. Dies stellt einen möglichen Ansatz im Kampf gegen die Alzheimer Demenz dar. Weiterführend müssen diese Ergebnisse noch in vivo beispielsweise durch Versuche an ApoE-transgenen Mäusen bestätigt werden. Darüber hinaus könnte nach einer Statintherapie der ApoE-Gehalt in humaner, cerebrospinaler Flüssigkeit ermittelt werden.

Regulation der BDNF-Expression in Endothelzellen

Das Neurotrophin BDNF ist ein protektiver Faktor, der das Wachstum, die Differenzierung und das Überleben neuronaler Zellen fördert. Neben der neuronalen Expression wird BDNF auch peripher exprimiert, so auch in Endothelzellen. Dort stimuliert BDNF die Angiogenese und fördert das Endothelzellüberleben. Eine Regulation der BDNF-Expression unter pathologischen Bedingungen wie Epilepsie, M. Alzheimer, M. Parkinson, Depression und Ischämie ist bereits mehrfach beschrieben worden. Literaturdaten zeigen veränderte BDNF-Expressionen unter pathologischen Bedingungen zeitgleich mit einem erhöhten Spiegel des Tumornekrosefaktors (TNF-a) bzw. einer Aktivierung der Proteinkinase C (PKC). Ob ein erhöhter TNF-a-Spiegel bzw. die Aktivierung der PKC Ursache der veränderten BDNF-Expression ist, ist bisher noch nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl TNF-a als auch eine Aktivierung der PKC in peripheren Endothelzellen die BDNF-Expression konzentrations- und zeitabhängig reduziert. Im Fall von TNF-a wird diese Reduktion über den TNF-a-Rezeptor 1 (TNFR1) vermittelt und auf dem Niveau der Transkription reguliert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass BDNF die Angiogenese-Aktivität von humanen Umbilikalvenen-Endothelzellen (HUVEC) in Abhängigkeit der BDNF-Rezeptoren TrkB und p75NTR stimuliert. TNF-a hingegen reduziert die Angiogenese in HUVEC. Bei der Regulation der BDNF-Expression durch den PKC-aktivierenden Phorbolester Phorbol-12-Myristat-13-Acetat (PMA) konnte eine Beteiligung der PKC-Isoformen d gezeigt werden. Die Verminderung der BDNF-Expression durch PKC-Aktivierung konnte durch Inhibitoren der PKC d aufgehoben werden. PMA hatte keine destabilisierende Wirkung auf die BDNF-mRNA. Auch hier wird BDNF durch PMA auf dem Niveau der Transkription reguliert. Weiterhin ist bisher eine pharmakologische Regulation der BDNF-Expression noch nicht näher untersucht worden. Erstmalig konnte eine Wirkung des b1-Adrenorezeptorblockers Nebivolol auf die BDNF-mRNA-Expression beobachtet werden. Nebivolol erhöht die BDNF-Expression in zerebralen Endothelzellen in vitro und im Mäuseherzen in vivo. Hierbei handelt es sich um eine substanzspezifische Wirkung von Nebivolol, die NO-unabhängig verläuft und nicht über den b3-Adrenozeptor vermittelt wird. Teile der klinisch beobachteten protektiven Wirkungen von Nebivolol könnten auf eine erhöhte BDNF-Expression zurückgeführt werden.

Der Einfluss der regulierten Expression der onkogenen Kinase PKB,Akt auf die T-Zell-vermittelte Tumorabstoßung

Eine wesentliche Voraussetzung für die maligne Transformation von Zellen ist die Inaktivierung des programmierten Zelltodes (Apoptose). Die dabei erworbenen Defekte der Apoptose-Signalwege führen häufig zu Resistenzen gegenüber Radio- und Chemotherapien. Immuntherapeutische Ansätze haben zum Ziel, solche resistenten Tumorzellen spezifisch zu entfernen. Resistenzen gegenüber Immuntherapien können wiederum in einer gestörten Immunerkennung der Tumorzellen oder deren Resistenz gegenüber Immuneffektormechanismen begründet sein. Ziel der vorliegenden Arbeit war, zu überprüfen, ob durch Proteinkinase B (PKB)/Akt Immunresistenz vermittelt werden kann. Hierbei zeigte sich, dass die Aktivierung des PKB/Akt-Signalweges in Tumorzellen einen deutlichen Schutz gegenüber verschiedenen Apoptosestimuli in vitro vermittelt. Die konditionale Aktivierung von PKB/Akt hemmte sowohl die pharmakologisch, als auch die durch ZTL induzierte Apoptose-Signalkaskade über eine posttranskriptionelle Stabilisierung des anti-apoptotischen Proteins MCL-1. Diese Beobachtung konnte auch in einem murinen Tumorimmuntherapiemodell in vivo bestätigt werden. Unstimulierte Splenozyten von C57Bl/6-Mäusen wurden adoptiv in NOD/SCID-Mäuse mit etablierten, PKB/Akt-exprimierenden, murinen Fibrosarkomen transferiert. Die konditionale Aktivierung von PKB/Akt inhibierte den tumorsuppressiven Effekt dieser transplantierten Splenozyten signifikant. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die PKB/Akt-abhängige Immunresistenz auch in vivo durch anti-apoptotisches MCL-1 vermittelt wird. PKB/Akt-exprimierende Fibrosarkome mit supprimierter endogener MCL-1-Expression verloren ihre Resistenz gegenüber der durch adoptiven Splenozytentransfer vermittelten Tumorsuppression. Dies bestätigte endogenes MCL-1 als entscheidenden Faktor der PKB/Akt-vermittelten Immunresistenz. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine Hemmung der PKB/Akt-induzierten Signaltransduktion auf der Ebene der nachgeschalteten Kinase mTOR etablierte Fibrosarkome gegenüber adoptiver Lymphozytentherapie sensitiviert. Der mTOR-Inhibitor Rapamycin verhinderte die PKB/Akt-induzierte Aufregulation von MCL-1 und die damit einhergehende Resistenzentwicklung in vivo. Zusammengefasst wurde erstmalig gezeigt, dass eine Deregulation des PKB/Akt-Signalweges Resistenz gegenüber immunologischer Tumorsuppression vermitteln kann. PKB/Akt stellt somit ein entscheidendes Zielmolekül für die Verbesserung von Krebsimmuntherapien dar.

Zelluläre Kontrolle adulter Neurogenese - Expression und Funktion des VEGF-Rezeptor-1 (Flt-1) im adulten Säugerhirn

Neurale Stammzellen sind im adulten Säugerhirn in der Subventrikulären Zone (SVZ) der Lateralventrikel und dem Hippokampus lokalisiert. In der SVZ entstandene neurale Zellen migrieren entlang eines von Astrozyten umgebenen Pfades, dem Rostralmigratorischen Strom (RMS), zum Olfaktorischen Bulbus (OB), wo sie zu olfaktorischen Interneuronen differenzieren. Vaskuläre Wachstumsfaktoren, wie VEGF-A beeinflussen die adulte Neurogenese. Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmalig detailliert die spezifische Expression des VEGF-Rezeptor-1 (VEGFR-1) in den Regionen olfaktorischer und hippokampaler Neurogenese des adulten ZNS. Die Ergebnisse zeigen, dass VEGFR-1 im adulten Hirn hauptsächlich in GFAP-positiven Zellen in der SVZ, dem RMS, dem OB, dem Corpus callosum und dem Hippokampus exprimiert ist. In vivo-Analysen transgener Mäuse (Flt-1TK-/-), denen die Signaltransduktionsdomäne des VEGFR-1 fehlt, demonstrieren hier erstmals eine Rolle des VEGFR-1 in adulter Neurogenese. Flt-1TK-/- weisen eine erhöhte Proliferation neuronaler Vorläuferzellen der SVZ auf. Im RMS ist jedoch 6 Tage nach BrdU-Administration die Anzahl markierter Zellen im Vergleich zum Wildtyp (wt) um 47,97% reduziert, ohne dass es zu einer Akkumulation in der SVZ kommt. Zusammen mit der in Kulturversuchen stark erhöhten Migrationsgeschwindigkeit von Neuroblasten der Flt-1TK-/- und einer verminderten Abwanderung von Zellen aus dem RMS ins Corpus callosum der Flt-1Tk-/-, weist dies auf eine gesteigerte Migration zum OB hin. Tatsächlich war der OB der Flt-1TK-/-, vor allem die Plexiform- und Periglomerulärzellschicht (PGL), signifikant vergrößert. Im OB der transgenen Tiere migrieren zudem signifikant mehr BrdU-markierte Zellen in die PGL. Dort differenzieren signifikant mehr Neurone als im wt. Subtypisierungen zeigen, zudem eine erhöhte Differenzierung in dopaminerge Interneurone in der PGL der Flt-1TK-/-. Im Gehirn Flt-1TK-/- war die Konzentration von VEGF-A erhöht. Intrazerebroventrikuläre Infusion von VEGF-A in wt-Tiere erbrachte den eindeutigen Nachweis, dass die Erhöhung der VEGF-A-Konzentration im Gehirn der Flt-1TK-/- ursächlich für die in diesen Tieren beobachtete Reduktion der BrdU-positiven Zellen im RMS ist. Dies ist gleichzeitig der erste Nachweis einer Wirkung von VEGF-A auf Neuroblasten im RMS in vivo unter physiologischen Bedingungen. Die erhöhte VEGF-A-Konzentration könnte auch den anderen hier dargelegten Effekten zugrunde liegen. VEGFR-1 ist somit ein regulatorischer Faktor für die adulte olfaktorische Neurogenese und spielt eine potentielle Rolle in der Differenzierung dopaminerger Interneurone.

Regulation der Phorbolester-induzierten Matrix-Metalloproteinase-9-Expression in humanen Brustkrebszelllinien durch Stickstoffmonoxid

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Identifizierung der Regulationsebenen auf denen die TPA-induzierte Matrix-Metalloproteinase-9 (MMP-9) durch das nitrose Gas Stickstoffmonoxid (NO) in MCF-7-Zellen verändert wird. Dabei konnte sowohl mit Hilfe der Zymographie als auch mit einem MMP-9-Aktivitäts-ELISA gezeigt werden, dass die extrazellulären MMP-9-Spiegel durch die Behandlung der Zellen mit NO reduziert werden. Gleichzeitig zeigte sich auch eine durch NO bedingte Abnahme der intrazellulären MMP-9-Spiegel, wie mit Hilfe von Western-Blot-Analyse nachgewiesen werden konnte. Experimente mit dem Proteasominhibitor Lactacystin und dem Proteinsynthesehemmstoff Cycloheximid ließen darüber hinaus eine NO-bedingte Veränderung der MMP-9-Proteinstabilität ausschließen. Im Gegensatz dazu konnte mittels der metabolischen Markierung mit radioaktiv markiertem Methionin und Cystein gezeigt werden, dass die Proteinneusynthese der MMP-9 durch eine Behandlung der Zellen mit NO stark beeinträchtigt wird. In Übereinstimmung mit diesen Daten finden sich reduzierte MMP-9-mRNA-Spiegel auch in der polysomalen Zellfraktion von MCF-7-Zellen. Wie mit Hilfe des Transkriptionshemmstoffes Actinomycin D und durch Reportergenstudien mit hybriden MMP-9-Promotorkonstrukten gezeigt werden konnte, ist die NO-induzierte Reduktion der MMP-9-mRNA-Spiegel nicht auf eine Verringerung der MMP-9-mRNA-Stabilität zurückzuführen. Reportergenstudien mit einem 670bp langen Promotorfragment des 5’flankierenden Bereichs des humanen MMP-9-Gens zeigten jedoch auf, dass der hemmende Effekt des NOs zum Teil auf eine NO-vermittelte Abnahme der TPA-induzierten MMP-9-Promotoraktivität zurückgeführt werden kann. Demzufolge wurde in den nachfolgenden Experimenten nach den für die MMP-9-Expression notwendigen und von NO modulierten Transkriptionsfaktoren in MCF-7-Zellen gesucht. Anhand von Western-Blot-Analysen und Gelshiftanalysen konnte gezeigt werden, dass die Aktivität des Transkriptionsfaktors AP-1 in MCF-7-Zellen durch NO gehemmt wird, während weder die Expressionspiegel noch die Bindungsaffinität der Transkriptionsfaktoren NFκB und Sp1 durch die NO-Behandlung verändert sind. Weiterhin konnte unter Verwendung von pharmakologischen Inhibitoren der MAPK-Signalwege mit Hilfe der Western-Blot-Analyse nachgewiesen werden, dass MAPK-vermittelte Signalwege zwar für die Induktion der MMP-9-Expression essenziell sind, diese jedoch nicht von NO beeinflusst sind. Im Unterschied hierzu konnte mit Hilfe eines PKC-Aktivitätsassays gezeigt werden, dass die Gesamtaktivität von PKCs nach Behandlung von MCF-7-Zellen mit NO signifikant gehemmt ist. Zusammenfassend zeigen diese Untersuchungen, dass die NO-vermittelte Hemmung der TPA-induzierten MMP-9-Expression in MCF-7-Zellen im Wesentlichen auf eine NO-abhängige Reduktion der Protein-Kinase-C-Aktivität und einer daraus resultierenden Aktivitätshemmung des Transkriptionsfaktors AP-1 zurückgeführt werden kann.

Expression profiling und rationale Expressionsoptimierung am Beispiel eines prokaryontischen Wirt-,Vektor-Systems

Durch globale Expressionsprofil-Analysen auf Transkriptom-, Proteom- oder Metabolom-Ebene können biotechnologische Produktionsprozesse besser verstanden und die Erkenntnisse für die zielgerichtete, rationale Optimierung von Expressionssystemen genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überexpression einer Glukose-Dehydrogenase (EC 1.1.5.2), die von der Roche Diagnostics GmbH für die diagnostische Anwendung optimiert worden war, in Escherichia coli untersucht. Die Enzymvariante unterscheidet sich in sieben ihrer 455 Aminosäuren vom Wildtyp-Enzym und wird im sonst isogenen Wirt-/Vektor-System in signifikant geringeren Mengen (Faktor 5) gebildet. Das prokaryontische Expressionssystem wurde auf Proteom-Ebene charakterisiert. Die 2-dimensionale differenzielle Gelelektrophorese (DIGE) wurde zuvor unter statistischen Aspekten untersucht. Unter Berücksichtigung von technischen und biologischen Variationen, falsch-positiven (α-) und falsch-negativen (β-) Fehlern sowie einem daraus abgeleiteten Versuchsdesign konnten Expressionsunterschiede als signifikant quantifiziert werden, wenn sie um den Faktor ≥ 1,4 differierten. Durch eine Hauptkomponenten-Analyse wurde gezeigt, dass die DIGE-Technologie für die Expressionsprofil-Analyse des Modellsystems geeignet ist. Der Expressionsstamm für die Enzymvariante zeichnete sich durch eine höhere Variabilität an Enzymen für den Zuckerabbau und die Nukleinsäure-Synthese aus. Im Expressionssystem für das Wildtyp-Enzym wurde eine unerwartet erhöhte Plasmidkopienzahl nachgewiesen. Als potenzieller Engpass in der Expression der rekombinanten Glukose-Dehydrogenase wurde die Löslichkeitsvermittlung identifiziert. Im Expressionsstamm für das Wildtyp-Enzym wurden viele Proteine für die Biogenese der äußeren Membran verstärkt exprimiert. Als Folge dessen wurde ein sog. envelope stress ausgelöst und die Zellen gingen in die stationäre Wuchsphase über. Die Ergebnisse der Proteomanalyse wurden weiterführend dazu genutzt, die Produktionsleistung für die Enzymvariante zu verbessern. Durch den Austausch des Replikationsursprungs im Expressionsvektor wurde die Plasmidkopienzahl erhöht und die zelluläre Expressionsleistung für die diagnostisch interessantere Enzymvariante um Faktor 7 - 9 gesteigert. Um die Löslichkeitsvermittlung während der Expression zu verbessern, wurde die Plasmidkopienzahl gesenkt und die Coexpression von Chaperonen initiiert. Die Ausbeuten aktiver Glukose-Dehydrogenase wurden durch die Renaturierung inaktiven Produkts aus dem optimierten Expressionssystem insgesamt um einen Faktor von 4,5 erhöht. Somit führte im Rahmen dieser Arbeit eine proteombasierte Expressionsprofil-Analyse zur zielgerichteten, rationalen Expressionsoptimierung eines prokaryontischen Modellsystems.