Characterization of the hemoglobins and globins of Synbranchus marmoratus Bloch, 1795 (Pisces, Synbranchidae)

1. 1. Total hemolysates of Synbranchus marmoratus Bloch, 1795, captured in Vitoriana, district of Botucatu, State of São Paulo, Brazil, were submitted to agar-starch gel electrophoresis on glass slides using 42 mM-Tris 1.7 mM EDTA-6.1 mM borate buffer, pH 8.8, for the gel and 10 mM borate-1.7 mM NaOH buffer, pH 8.6, for the cuvette. 2. 2. Three distinct hemoglobin bands were detected, with Hb I being of the cathodic type. 3. 3. Cellulose acetate electrophoresis in 800 mM Tris-2.1 mM EDTA buffer, pH 8.9, containing 6 M urea and 2.25 mM β-mercaptoethanol indicated the presence of four globin chains denoted α 1, α 2, β and γ. 4. 4. It is suggested that the probable tetrameric constitution of the hemoglobin of Synbranchus marmoratus Bloch, 1795 is Hb I (α 2 2γ 2), Hb II (α 2 1γ 2) and Hb III (α 2 1β 2). © 1986.

Adaptations to a subterranean environment and longevity revealed by the analysis of mole rat genomes

Subterranean mammals spend their lives in dark, unventilated environments that are rich in carbon dioxide and ammonia and low in oxygen. Many of these animals are also long-lived and exhibit reduced aging-associated diseases, such as neurodegenerative disorders and cancer. We sequenced the genome of the Damaraland mole rat (DMR, Fukomys damarensis) and improved the genome assembly of the naked mole rat (NMR, Heterocephalus glaber). Comparative genome analyses, along with the transcriptomes of related subterranean rodents, revealed candidate molecular adaptations for subterranean life and longevity, including a divergent insulin peptide, expression of oxygen-carrying globins in the brain, prevention of high CO2-induced pain perception, and enhanced ammonia detoxification. Juxtaposition of the genomes of DMR and other more conventional animals with the genome of NMR revealed several truly exceptional NMR features: unusual thermogenesis, an aberrant melatonin system, pain insensitivity, and unique processing of 28S rRNA. Together, these genomes and transcriptomes extend our understanding of subterranean adaptations, stress resistance, and longevity.

Hepcidin as a therapeutic tool to limit iron overload and improve anemia in β-thalassemic mice.

Excessive iron absorption is one of the main features of β-thalassemia and can lead to severe morbidity and mortality. Serial analyses of β-thalassemic mice indicate that while hemoglobin levels decrease over time, the concentration of iron in the liver, spleen, and kidneys markedly increases. Iron overload is associated with low levels of hepcidin, a peptide that regulates iron metabolism by triggering degradation of ferroportin, an iron-transport protein localized on absorptive enterocytes as well as hepatocytes and macrophages. Patients with β-thalassemia also have low hepcidin levels. These observations led us to hypothesize that more iron is absorbed in β-thalassemia than is required for erythropoiesis and that increasing the concentration of hepcidin in the body of such patients might be therapeutic, limiting iron overload. Here we demonstrate that a moderate increase in expression of hepcidin in β-thalassemic mice limits iron overload, decreases formation of insoluble membrane-bound globins and reactive oxygen species, and improves anemia. Mice with increased hepcidin expression also demonstrated an increase in the lifespan of their red cells, reversal of ineffective erythropoiesis and splenomegaly, and an increase in total hemoglobin levels. These data led us to suggest that therapeutics that could increase hepcidin levels or act as hepcidin agonists might help treat the abnormal iron absorption in individuals with β-thalassemia and related disorders.

An alteration in the levels of populations of CD4+ Treg is in part responsible for altered cytokine production by cells of aged mice which follows injection with a fetal liver extract.

We have shown previously that a fetal sheep liver extract (FSLE) containing significant quantities of fetal ovine gamma globin chain (Hbgamma) and LPS injected into aged (>20 months) mice could reverse the altered polarization (increased IL-4 and IL-10 with decreased IL-2 and IFNgamma) in cytokine production seen from ConA stimulated lymphoid cells of those mice. The mechanism(s) behind this change in cytokine production were not previously investigated. We report below that aged mice show a >60% decline in numbers and suppressive function of both CD4(+)CD25(+)Foxp3(+) Treg and so-called Tr3 (CD4(+)TGFbeta(+)), and that their number/function is restored to levels seen in control (8-week-old) mice by FSLE. In addition, on a per cell basis, CD4(+)CD25(-)Treg from aged mice were >4-fold more effective in suppression of proliferation and IL-2 production from ConA-activated lymphoid cells of a pool of CD4(+)CD25(-)T cells from 8-week-old mice than similar cells from young animals, and this suppression by CD25(-)T cells was also ameliorated following FSLE treatment. Infusion of anti-TGFbeta and anti-IL-10 antibodies in vivo altered Treg development following FSLE treatment, and attenuated FSLE-induced alterations in cytokine production profiles.

What influences Hb fetal production in adulthood?

Human hemoglobin genes are located in α and β globin gene clusters in chromosomes 16 and 11, respectively. Different types of hemoglobin are synthesized according to the stage of development with fetal hemoglobin (α2γ2) (Hb F) being the main hemoglobin in the fetal period. After birth, there is a reduction (to about 1%) in Hb F levels and adult hemoglobin, Hb A (2α2β2), increases to more than 96% of total hemoglobin. However, some genetic conditions whether linked to the β-globin gene cluster or not are associated with high Hb F levels in adults. Among those linked to β-globin are hereditary persistence of fetal hemoglobin, delta-beta thalassemia (δβ-Thalassemia) and the XmnI polymorphism (-158 C > T). Other polymorphisms not related to β-globin gene cluster are known to influence the γ-globin gene expression in adulthood. The most relevant polymorphisms that increase concentrations of Hb F are the HMIP locus on chromosome 6, the BCL11A locus on chromosome 2, the Xp22.2 region of the X chromosome and the 8q region on chromosome 8. Findings from our research group studying genetic factors involved in γ-globin gene regulation in adults without anemia in the northwestern region of São Paulo State showed that high Hb F levels are influenced by the presence of hereditary persistence of fetal hemoglobin mutations and the XmnI polymorphism, suggesting that both genetic alterations characterize the molecular basis of the evaluated population.

Neuroglobin and cytoglobin: two new members of globin family

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Molecular characterization of hemoglobin alpha-D chains from Geochelone carbonaria and Geochelone denticulata land turtles

In order to help elucidate the evolution of alpha-globins, the complete cDNA and amino acid sequences of Geochelone carbonaria and Geochelone denticulata land turtles alpha-D chains have been described. In G. carbonaria, the cDNA is 539 bp with ATG start codon located at position 46, TGA stop codon at position 469 and AATAAA polyadenylation signal at position 520. In G. denticulata, the cDNA is 536 bp with ATG start codon located at position 46, TGA stop codon at position 469 and AATAAA polyadenylation signal at position 517. Both cDNAs codify 141 amino acid residues, differing from each other in only four amino acid residues. When comparing with human Hb alpha-chain, alterations in important regions can be noted: alpha110 Ala-Gly, alpha114 Pro-Gly, alpha117 Phe-Tyr and alpha122 His-Gln. There is a high homology between the amino acids of these turtles when compared with chicken alpha-D chains, progressively decreasing when compared with human, crocodile, snake, frog and fish alpha-chains. Phylogenetic analysis of alpha-D chains shows that those of turtles are closer to those of birds than to snakes and lizards. (C) 2002 Elsevier B.V. All rights reserved.

Determination of neutral polymorphisms (frameworks) of the human beta globin gene in beta thalassaemias by PCR/DGGE

Purpose: Considering the importance of type beta thalassaemias as hereditary syndromes of high significance in different populations of Mediterranean origin and, by extension, in the Brazilian population, the objective of the present study was to determine by PCR/DGGE the gene structures responsible for neutral polymorphisms (frameworks) observed in the human beta globin gene associated with the mutations responsible for type beta thalassaemias in a sample of the Brazilian population and, more specifically, of the population of the State of São Paulo. Patients and methods: Thirty individuals with beta thalassaemic mutations were analyzed: 22 mutations were in codon 39 (C->T), 5 in IVS1-110 (G->A), 2 in IVS1-6 (T->C) and 1 in IVS1-1 (G->A). DNA was extracted and selective amplification was performed by PCR extending from position IVS1 nt 46 to IVS2 nt 126 (474 pb). The product was then analyzed by polyacrylamide gel electrophoresis on a denaturing 10-60% urea/formamide gradient. Results: The results demonstrated that, as expected, the mutations responsible for type beta thalassaemia observed in this population are of Mediterranean origin, with 73% distribution represented by codon 39,17% by IVS1-110, 7% by IVS1-6 and 3% by IVS1-1. In turn, framework distribution seems to indicate a higher frequency of Fr 1-1 in codon 39 and IVS1-110, of Fr 1-3 in IVS1-6 and of Fr 1-2 in IVS1-1. Conclusions: These results permit us to conclude that gene amplification by PCR followed by DGGE is an appropriate method for the separation of DNA molecules that differ even by a single base change and therefore can be utilized to detect the alterations observed in the human beta globin gene. This methodology shows that, using only a pair of primers, it is possible to define the frameworks that are observed in the beta globin gene.

Evaluation of HPFH and δβ-thalassemia mutations in a Brazilian group with high Hb F levels.

Fetal hemoglobin (Hb F) is characteristic of the fetal development period. However, in some genetic conditions, such as hereditary persistence of fetal hemoglobin (HPFH) and delta-beta thalassemia (δβ-thalassemia), Hb F continues to be produced in adulthood. We evaluated the frequency of two mutations of HPFH, HPFH-1 and HPFH-2 African, and two mutations in δβ-thalassemia, Sicilian and Spanish, in a Brazilian population. Peripheral blood samples were collected from adults from hospitals and blood centers in southeast and northeast Brazil. These individuals were healthy and without complaints of anemia, but had increased Hb F. Samples were submitted to electrophoretic and chromatographic analyses to quantify Hb F values and, subsequently, to molecular analyses to verify the mutations. In the molecular analysis, 16 of the 60 samples showed a heterozygous profile for the HPFH mutations, two for HPFH-1 and 14 for HPFH-2. In the same sample set, three were heterozygous for Spanish δβ-thalassemia and none were heterozygous for Sicilian δβ- thalassemia. The Hb F values in the HPFH-2 heterozygotes differed from those previously reported for this mutation. In this group, the HPFH mutations were more frequent than the δβ-thalassemia mutations. The finding of these mutations in this Brazilian population reflects the mixing process that occurred during its formation.

Oxidative stress and antioxidant status in beta-thalassemia heterozygotes

Background:Several studies have evaluated the oxidant and antioxidant status of thalassemia patients but most focused mainly on the severe and intermediate states of the disease. Moreover, the oxidative status has not been evaluated for the different beta-thalassemia mutations.Objective:To evaluate lipid peroxidation and Trolox equivalent antioxidant capacity in relation to serum iron and ferritin in beta thalassemia resulting from two different mutations (CD39 and IVS-I-110) compared to individuals without beta-thalassemia.Methods:One hundred and thirty subjects were studied, including 49 who were heterozygous for beta-thalassemia and 81 controls. Blood samples were subjected to screening tests for hemoglobin. Allele-specific polymerase chain reaction was used to confirm mutations for beta-thalassemia, an analysis of thiobarbituric acid reactive species was used to determine lipid peroxidation, and Trolox equivalent antioxidant capacity evaluations were performed. The heterozygous beta-thalassemia group was also evaluated for serum iron and ferritin status.Results:Thiobarbituric acid reactive species (486.24 ± 119.64 ng/mL) and Trolox equivalent antioxidant capacity values (2.23 ± 0.11 mM/L) were higher in beta-thalassemia heterozygotes compared to controls (260.86 ± 92.40 ng/mL and 2.12 ± 0.10 mM/L, respectively; p-value < 0.01). Increased thiobarbituric acid reactive species values were observed in subjects with the CD39 mutation compared with those with the IVS-I-110 mutation (529.94 ± 115.60 ng/mL and 453.39 ± 121.10 ng/mL, respectively; p-value = 0.04). However, average Trolox equivalent antioxidant capacity values were similar for both mutations (2.20 ± 0.08 mM/L and 2.23 ± 0.12 mM/L, respectively; p-value = 0.39). There was no influence of serum iron and ferritin levels on thiobarbituric acid reactive species and Trolox equivalent antioxidant capacity values.Conclusion:This study shows an increase of oxidative stress and antioxidant capacity in beta-thalassemia heterozygotes, mainly in carriers of the CD39 mutation.

Hemoglobin patterns in different populations of Synbranchus marmoratus Bloch, 1795 (Pisces, Synbranchidae)

1. 1. Total hemolysates of Synbranchus marmoratus Bloch, 1795 captured at four different sites in the State of São Paulo, Brazil, showed two different hemoglobin phenotypes when submitted to agar-starch gel electrophoresis on glass slides in basic buffer. 2. 2. Phenotype I was characterized by 3 hemoglobin bands. When the total hemolysate was submitted to cellulose acetate electrophoresis in basic buffer containing 6 M urea and β-mercaptoethanol, Phenotype I showed four globins of the α 1, α 2, β and γ types, with 11.9 ± 1.9 g% total hemoglobin, 45.3 ± 3.6% globular volume, and 26.8 ± 4.4% mean corpuscular hemoglobin concentration (MCHC). 3. 3. Phenotype II showed three groups of hemoglobins, with a total of up to 12 hemoglobin bands. When the total hemolysate was submitted to cellulose acetate electrophoresis in basic buffer containing 6 M urea and β-mercaptoethanol, phenotype II showed five types of globins, denoted types α 1, α 2, γ 1, γ 2 and β, having electrophoretic positions different from those of Phenotype I globins, with 18.1 ± 3.3% total hemoglobin, 47.9 ± 6.4% globular volume, and 37.8 ± 4.4% MCHC. 4. 4. The distribution of the specimens having the two hemoglobin phenotypes is associated with the different geomorphological provinces of the State of São Paulo, suggesting the existence of at least two populational groups of Synbranchus marmoratus. © 1986.

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.

Untersuchungen zur Globinexpression in Karpfenfischen

In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Diversität und die sauerstoffabhängige Expression der Globine von Karpfenfischen. Mit Globin X konnte ein fünfter Globintyp identifiziert werden, dessen Vorkommen auf Fische und Amphibien beschränkt ist. Globin X wird sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene in zahlreichen Geweben exprimiert. Zur Aufklärung der genauen Funktion müssen noch weitere Analysen durchgeführt werden. Phylogenetische Untersuchungen ergaben eine ursprüngliche Verwandtschaft zwischen Neuroglobin und Globin X und deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Protostomia und Deuterostomia bereits zwei verschiedene Globintypen besessen hat. Im Zebrabärbling und im Goldfisch konnte ich eine Myoglobin-Expression neben dem Herzen auch in Hirn, Kieme, Leber und Niere nachweisen und somit zeigen, dass Myoglobin nicht nur im Muskelgewebe lokalisiert ist. Des Weiteren konnte eine hirnspezifische Myoglobin-Isoform im Goldfisch identifiziert werden, deren Funktion noch unklar ist und weiterer Untersuchungen bedarf. Das Vorhandensein der zweiten Isoform ist innerhalb der Cyprinidae (Karpfenfische) aufgrund einer Genomduplikation bei den Cyprininae (Kärpflinge) auf diese Unterfamilie beschränkt. Durch Hypoxieexperimente konnte gezeigt werden, dass die Expression der Globine von der Intensität des Sauerstoffmangels abhängig ist und gewebe- und artspezifisch erfolgt. Im Zebrabärbling wurde eine Abnahme der Hämoglobin- und Globin X-Konzentration beobachtet, während das Cytoglobin-Expressionsniveau nahezu unverändert blieb. Im Fall von Myoglobin und Neuroglobin konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die hypoxieinduzierte Zunahme der mRNA-Menge auch mit einer verstärkten Expression des jeweiligen Proteins korreliert ist. Im Vergleich dazu war die Veränderung der Expression der meisten Globine im Goldfisch gering, lediglich Myoglobin wurde im Fischkörper auf mRNA-Ebene nach Hypoxie deutlich verstärkt exprimiert. Durch einen Vergleich der konstitutiven Neuroglobin-Expression beider Karpfenfische konnte in Auge und Hirn des hypoxietoleranten Goldfisches eine 3- bzw. 5-fach höhere Neuroglobin-Konzentration als im hypoxiesensitiven Zebrabärbling nachgewiesen werden. Meine Ergebnisse stützen somit die Hypothese, dass Neuroglobin eine myoglobinähnliche Funktion einnimmt und den aeroben Stoffwechsel im neuronalen Gewebe auch unter Sauerstoffmangel aufrechterhält.

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.

Neuroglobin, Cytoglobin und Myoglobin in der Blindmaus Spalax ehrenbergi: Adaptation an „unterirdische Verhältnisse“

Hypoxie ist ein Zustand des Sauerstoffmangels, hervorgerufen durch fehlende Verfügbarkeit von Sauerstoff in der Umgebung eines Organismus oder durch pathologisch bedingte unzureichende Nutzbarkeit des Sauerstoffs von Geweben. Die Sensitivität gegenüber Hypoxie variiert enorm im Tierreich zwischen verschiedenen Phyla und Spezies. Die meisten Säugetiere sind nur unzureichend an niedrige Sauerstoffkonzentrationen angepasst, wohingegen einige unterirdisch lebende Säuger sehr resistent gegen Hypoxiestress sind. Um die molekulare Basis der Hypoxietoleranz zu bestimmen, wurden in der vorliegenden Arbeit Globine untersucht, die potenziell in der Lage sind, als respiratorische Proteine zur Hypoxietoleranz von Tieren beizutragen. Dazu wurde die Expression der Globine in der hypoxieresistenten, in Israel lebenden Blindmaus Spalax ehrenbergi mit der Genexpression in der hypoxiesensitiven Ratte (Rattus norvegicus) verglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden die erst vor wenigen Jahren entdeckten Globine Neuroglobin und Cytoglobin untersucht, deren exakte physiologische Rolle noch unklar ist, und mit Daten des viel detaillierter untersuchten Myoglobins verglichen. Beim Vergleich der Expression von Cytoglobin und Neuroglobin in Spalax versus Ratte fällt auf, dass Neuroglobin und Cytoglobin bereits unter normoxischen Bedingungen auf mRNA- und Proteinebene in der Blindmaus um einen Faktor von mindesten 2 bis 3 verstärkt exprimiert werden. Bei Myoglobin (als dem Kontrollgen mit bekannter Funktion) konnte auf mRNA-Ebene eine noch weitaus stärkere Expression in Spalax vs. Ratte gefunden werden. Das übergreifende Phänomen der verstärkten Genexpression von Globinen in Spalax kann im Sinne einer Präadaptation an das unterirdische, häufig hypoxische Leben der Blindmaus interpretiert werden. Einen weiteren Hinweis auf eine besondere, spezialisierte Funktion von Neuroglobin in Spalax geben immunhistochemische Daten, die zeigen, dass Neuroglobin im Gehirn von Spalax im Gegensatz zur Ratte nicht nur in Neuronen, sondern auch in Gliazellen exprimiert wird. Dies impliziert Änderungen des oxidativen Stoffwechsels im Nervensystem der hypoxietoleranten Spezies. Die zellulären Expressionsmuster von Cytoglobin erscheinen hingegen in beiden Säugerspezies weitgehend identisch. Es wurde der Frage nachgegangen, ob und wie experimentell induzierte Hypoxie die Genexpression der Globine verändert. Dabei zeigten sich für Neuroglobin und Cytoglobin unterschiedliche Expressionsmuster. Neuroglobin wird unter diversen Sauerstoffmangelbedingungen sowohl in der Ratte als auch in Spalax auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert. Ein ähnliches Regulationsverhalten wurde auch für Myoglobin beobachtet. Die verminderte Expression von Neuroglobin (und evtl. auch Myoglobin) unter Hypoxie ist mit einer gezielten Verringerung der Sauerstoff-Speicherkapazität in Abwesenheit von O2 zu erklären. Ein weiterer denkbarer Grund könnte auch die allgemeine Tendenz sein, unter Hypoxie aus Energiespargründen den Metabolismus herunter zu regulieren. Cytoglobin, das bei normalen Sauerstoffbedingungen nur im Gehirn von Spalax (nicht jedoch in Herz und Leber) ebenfalls um Faktor 2 bis 3 stärker exprimiert wird als in der Ratte, ist mit einiger Sicherheit ebenfalls von adaptivem Nutzen für die Anpassung von Spalax an niedrige Sauerstoffbedingungen, wenngleich seine Funktion unklar bleibt. Unter Hypoxie wird die Cytoglobin-mRNA sowohl in Spalax als auch in der Ratte hochreguliert. Es konnte in der vorliegenden Arbeit dargelegt werden, dass die Expression von Cygb höchstwahrscheinlich durch den Transkriptionsfaktor Hif-1 gesteuert wird, der die molekulare Hypoxieantwort vieler Tierarten zentral steuert. In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls die Expression von Ngb und Cygb im Gehirn des Hausschweins (Sus scrofa) untersucht. Diese Spezies diente in der Arbeit als weiterer hypoxiesensitiver Organismus sowie als biomedizinisch relevantes Modell für eine Operation an Säuglingen mit angeborenen Herzkrankheiten. Die Versuche haben gezeigt, dass die Gabe bestimmter Medikamente wie dem Immunsuppressivum FK506 zu einer erhöhten Ngb-Konzentration auf mRNA-Ebene führen kann, was potenziell im Zusammenhang mit beobachteten protektiven Effekten der Medikamentengabe während und nach der Herzoperation steht.