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Rationale: The AMP-activated protein kinase (AMPK) is stimulated by hypoxia, and although the AMPKα1 catalytic subunit has been implicated in angiogenesis, little is known about the role played by the AMPKα2 subunit in vascular repair.
Objective: To determine the role of the AMPKα2 subunit in vascular repair.
Methods and Results: Recovery of blood flow after femoral artery ligation was impaired (>80%) in AMPKα2-/- versus wild-type mice, a phenotype reproduced in mice lacking AMPKα2 in myeloid cells (AMPKα2ΔMC). Three days after ligation, neutrophil infiltration into ischemic limbs of AMPKα2ΔMC mice was lower than that in wild-type mice despite being higher after 24 hours. Neutrophil survival in ischemic tissue is required to attract monocytes that contribute to the angiogenic response. Indeed, apoptosis was increased in hypoxic neutrophils from AMPKα2ΔMC mice, fewer monocytes were recruited, and gene array analysis revealed attenuated expression of proangiogenic proteins in ischemic AMPKα2ΔMC hindlimbs. Many angiogenic growth factors are regulated by hypoxia-inducible factor, and hypoxia-inducible factor-1α induction was attenuated in AMPKα2-deficient cells and accompanied by its enhanced hydroxylation. Also, fewer proteins were regulated by hypoxia in neutrophils from AMPKα2ΔMC mice. Mechanistically, isocitrate dehydrogenase expression and the production of α-ketoglutarate, which negatively regulate hypoxia-inducible factor-1α stability, were attenuated in neutrophils from wild-type mice but remained elevated in cells from AMPKα2ΔMC mice.
Conclusions: AMPKα2 regulates α-ketoglutarate generation, hypoxia-inducible factor-1α stability, and neutrophil survival, which in turn determine further myeloid cell recruitment and repair potential. The activation of AMPKα2 in neutrophils is a decisive event in the initiation of vascular repair after ischemia.
Die Psoriasis vulgaris (PsV) ist eine immunvermittelte entzündliche Erkrankung der Haut mit einer Prävalenzrate von 2-3 %, sodass etwa zwei Millionen Menschen in Deutschland an dieser erkrankt sind. Charakteristisch für die PsV sind veränderte Hautareale (Plaques), die im Rahmen der der entzündungsbedingten Durchblutungssteigerung gerötet erscheinen und eine silbrig-weiße Schuppung als Resultat einer vermehrten Abschilferung abgestorbener Keratinozyten aus der hyperproliferativen Epidermis aufweisen.
In dieser Arbeit wurde die Bedeutung des proinflammatorischen Zytokins granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) in der Pathogenese einer modellhaften Experimentalerkrankung der PsV untersucht. GM-CSF wird unter anderem von Interleukin (IL-) 17 produzierenden T-Helferzellen (Th17-Zellen) sezerniert, deren pathogenetische Bedeutung für die PsV gut etabliert ist. Die pathogene Wirkung von GM-CSF als Effektorzytokin konnte bereits in Tiermodellen anderer Th17-vermittelter Autoimmunerkrankungen wie der multiplen Sklerose und der rheumatoiden Arthritis (RA) gezeigt und die therapeutische Wirkung von GM-CSF-neutralisierenden Antikörpern in klinischen Studien an RA-Patienten demonstriert werden.
Das in dieser Arbeit angewendete murine Krankheitsmodell der Imiquimod (IMQ-) induzierten psoriasiformen Dermatitis wird durch die topische Anwendung des Medikaments Aldara®, dessen Wirkstoff IMQ ist, ausgelöst und führt zu einer Entzündung der Haut, die in vielen Aspekten dem humanen Krankheitsbild einer PsV ähnelt. Die pathogenetische Bedeutung von GM-CSF für die IMQ-induzierte psoriasiforme Dermatitis wurde über zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze untersucht. So wurde GM-CSF in C57Bl/6J Mäusen mittels eines spezifischen, rekombinanten murinen Antikörpers in der Induktionsphase des Krankheitsmodells neutralisiert und zeitgleich der modifizierte Psoriasis Area Severity Index (PASI-)Score als Parameter des Schweregrades der klinischen Manifestationen ermittelt. Des Weiteren wurde am Versuchsende die Infiltration von Immunzellen in das entzündete Gewebeareal untersucht. Diese Ergebnisse wurden mit den Daten einer Behandlungsgruppe, nach Applikation eines IgG-Isotyp identischen Kontrollantikörpers verglichen. Dabei zeigte die Neutralisierung des Zytokins einen therapeutischen Effekt, der in einem signifikant niedrigeren PASI-Score, einer verringerten Tnfa mRNA Expression und einer reduzierten Infiltration mit neutrophilen Granulozyten resultierte.
Parallel zu diesen Versuchen wurde die Modellerkrankung auch in einer GM-CSF-defizienten C57Bl/6J Mauslinien (GM-CSF-/-) studiert. Die funktionelle Inaktivität des GM-CSF-kodierenden Csf2 Gens wurde 1994 durch gezielte genetische Manipulation etabliert. Unter den experimentellen Bedingungen war der Schweregrad der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis in GM-CSF-/- Mäusen nicht signifikant different von dem der wildtypischen (Wt) Mäuse und zeigte somit im Gegensatz zu den Ergebnissen aus den Versuchsreihen der Antikörper vermittelten Zytokinneutralisierung keinen offensichtlichen Hinweis auf eine GM-CSF-Abhängigkeit. In den GM-CSF-defizienten Tieren war jedoch nach IMQ-Induktion eine signifikant höhere Il6 und Il22 mRNA Expression am Entzündungsort im Vergleich zu den Wt Mäusen auffällig. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde der Phänotyp der GM-CSF-defizienten Mäuse genauer untersucht und eine vermehrte Anzahl plasmazytoider dendritischen Zellen (pDCs) in Milz und Lymphknoten nachgewiesen. Diese Zellen werden im Rahmen ihrer Differenzierung aus Vorläuferzellen durch GM-CSF suppressiv reguliert und sind sowohl in die Entwicklung der PsV im Menschen als auch die Pathogenese der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis involviert. Aufgrund des in den sekundären lymphatischen Organen GM-CSF-defizienter Mäuse expandierten pDC-Kompartiments wurde die Beteiligung dieser Zellen in der Initiationsphase des Modells analysiert. Im Vergleich mit GM-CSF-suffizienten C57Bl/6J Mäusen weisen die Tiere der GM-CSF-defizienten Mauslinie zu diesen Zeitpunkten eine verstärkte Infiltration von pDCs in die Haut auf. Für pDCs ist bekannt, dass sie über die Produktion von IL-6 und TNF die Effektorzelldifferenzierung aktivierter, naiver T-Lymphozyten in Richtung Th22-Zellen polarisieren können. Dieser Mechanismus liefert ein hypothetisches Konzept, das die Ergebnisse zur gesteigerten IL-6-Produktion und Differenzierung IL-22-produzierender T-Zellen in IMQ-behandelten GM-CSF-/- Mäusen im Kontext der nachweisbaren Expansion von pDCs, erklären könnte. Dieser in den GM-CSF-/- Mäusen nachweisbare alternative Pathogenesemechanismus, ist offenbar geeignet die proinflammatorische Wirkung des genetisch fehlenden Zytokins zu kompensieren, aber hinsichtlich seiner Etablierung über ein verändertes pDC-Kompartiment von Dauer und Ausmaß der GM-CSF-Defizienz abhängig. So erklärt sich, warum die zeitlich limitierte Antikörper vermittelte GM-CSF-Neutralisierung in GM-CSF-suffizienten-Mäusen zu keiner pDC-Expansion und Steigerung von IL-6 und IL-22 Expression nach IMQ-Induktion führt.
Die GM-CSF-Neutralisierung durch einen rekombinanten murinen Antikörper reduziert deutlich die Krankheitsschwere der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis und belegt damit das therapeutische Potenzial dieses Therapieansatzes für die Humanerkrankung der PsV. Die unter angeborener GM-CSF-Defizienz in den Studien darüber hinaus aufgedeckten Veränderungen des pDC-Kompartiments sind von potenzieller Relevanz für zukünftige therapeutische Anwendungen dieses Prinzips, da unter einer dauerhaften GM-CSF-Neutralisierung mit therapeutischen Antikörpern ein Monitoring dieser Zellpopulation empfehlenswert erscheint z.B. über veränderte Interferonsignaturen durch pDCs, um mögliche Wirkverluste, aber auch unerwünschte Effekte zu erkennen.
Parkinson's disease (PD) is a frequent neurodegenerative process in old age. Accumulation and aggregation of the lipid-binding SNARE complex component α-synuclein (SNCA) underlies this vulnerability and defines stages of disease progression. Determinants of SNCA levels and mechanisms of SNCA neurotoxicity have been intensely investigated. In view of the physiological roles of SNCA in blood to modulate vesicle release, we studied blood samples from a new large pedigree with SNCA gene duplication (PARK4 mutation) to identify effects of SNCA gain of function as potential disease biomarkers. Downregulation of complexin 1 (CPLX1) mRNA was correlated with genotype, but the expression of other Parkinson's disease genes was not. In global RNA-seq profiling of blood from presymptomatic PARK4 indviduals, bioinformatics detected significant upregulations for platelet activation, hemostasis, lipoproteins, endocytosis, lysosome, cytokine, Toll-like receptor signaling and extracellular pathways. In PARK4 platelets, stimulus-triggered degranulation was impaired. Strong SPP1, GZMH and PLTP mRNA upregulations were validated in PARK4. When analysing individuals with rapid eye movement sleep behavior disorder, the most specific known prodromal stage of general PD, only blood CPLX1 levels were altered. Validation experiments confirmed an inverse mutual regulation of SNCA and CPLX1 mRNA levels. In the 3′-UTR of the CPLX1 gene we identified a single nucleotide polymorphism that is significantly associated with PD risk. In summary, our data define CPLX1 as a PD risk factor and provide functional insights into the role and regulation of blood SNCA levels. The new blood biomarkers of PARK4 in this Turkish family might become useful for PD prediction.
Protein disulfide isomerases (PDIs) support endoplasmic reticulum redox protein folding and cell-surface thiol-redox control of thrombosis and vascular remodeling. The family prototype PDIA1 regulates NADPH oxidase signaling and cytoskeleton organization, however the related underlying mechanisms are unclear. Here we show that genes encoding human PDIA1 and its two paralogs PDIA8 and PDIA2 are each flanked by genes encoding Rho guanine-dissociation inhibitors (GDI), known regulators of RhoGTPases/cytoskeleton. Evolutionary histories of these three microsyntenic regions reveal their emergence by two successive duplication events of a primordial gene pair in the last common vertebrate ancestor. The arrangement, however, is substantially older, detectable in echinoderms, nematodes, and cnidarians. Thus, PDI/RhoGDI pairing in the same transcription orientation emerged early in animal evolution and has been largely maintained. PDI/RhoGDI pairs are embedded into conserved genomic regions displaying common cis-regulatory elements. Analysis of gene expression datasets supports evidence for PDI/RhoGDI coexpression in developmental/inflammatory contexts. PDIA1/RhoGDIα were co-induced in endothelial cells upon CRISP-R-promoted transcription activation of each pair component, and also in mouse arterial intima during flow-induced remodeling. We provide evidence for physical interaction between both proteins. These data support strong functional links between PDI and RhoGDI families, which likely maintained PDI/RhoGDI microsynteny along > 800-million years of evolution.