570 Biowissenschaften; Biologie
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Breaking tolerance to the natural human liver autoantigen cytochrome P450 2D6 by virus infection
(2008)
Autoimmune liver diseases, such as autoimmune hepatitis (AIH) and primary biliary cirrhosis, often have severe consequences for the patient. Because of a lack of appropriate animal models, not much is known about their potential viral etiology. Infection by liver-tropic viruses is one possibility for the breakdown of self-tolerance. Therefore, we infected mice with adenovirus Ad5 expressing human cytochrome P450 2D6 (Ad-2D6). Ad-2D6–infected mice developed persistent autoimmune liver disease, apparent by cellular infiltration, hepatic fibrosis, “fused” liver lobules, and necrosis. Similar to type 2 AIH patients, Ad-2D6–infected mice generated type 1 liver kidney microsomal–like antibodies recognizing the immunodominant epitope WDPAQPPRD of cytochrome P450 2D6 (CYP2D6). Interestingly, Ad-2D6–infected wild-type FVB/N mice displayed exacerbated liver damage when compared with transgenic mice expressing the identical human CYP2D6 protein in the liver, indicating the presence of a stronger immunological tolerance in CYP2D6 mice. We demonstrate for the first time that infection with a virus expressing a natural human autoantigen breaks tolerance, resulting in a chronic form of severe, autoimmune liver damage. Our novel model system should be instrumental for studying mechanisms involved in the initiation, propagation, and precipitation of virus-induced autoimmune liver diseases.
Channelrhodopsine sind blaulichtsensitive, Retinal-bindende Proteine aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Channelrhodopsin 2 (ChR2) wurde als heptahelikaler, kationenselektiver Ionenkanal charakterisiert (Nagel et al., 2003). Wie die zur selben Proteinfamilie gehörende Protonenpumpe Bakteriorhodopsin (bR) wird ChR2 durch Licht aktiviert; allerdings wird hierbei ein passiver Strom ausgelöst, bei dem Kationen entsprechend ihres elektrochemischen Gradienten fließen. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich ChR2 zur lichtinduzierten Depolarisation von Zellen und zur Auslösung von Aktionspotentialen in Neuronen, über deren Membran ein Konzentrationsgradient von Kationen anliegt (Boyden et al., 2005). Die Stimulation elektrischer Aktivität von ChR2-exprimierenden Neuronen im Hirngewebe von Mäusen, die ChR2 transgen exprimieren, kann beispielsweise genutzt werden, um die Konnektivität von Neuronen und Hirnbereichen zu untersuchen (z.B. Wang et al., 2007). Für diese und weitere Anwendungen war es interessant, ChR2 zelltyp- oder regionenspezifisch in Mäusen zu exprimieren. Zu diesem Zweck sollte ChR2/eGFP bicistronisch oder ChR2-YFP als Fusionsprotein unter einem ubiquitären Promotor exprimiert werden; die Expression sollte aber durch ein Stop-Element unterbunden werden, das von loxP-sites flankiert ist (unaktiviertes Transgen). Das Enzym Cre- Rekombinase entfernt durch Rekombination das Stop-Element an diesen Erkennungssequenzen, wodurch die ChR2-Expression ermöglicht werden sollte (aktiviertes Transgen). Die Cre-Rekombinase kann dabei sowohl viral als auch transgen unter zelltyp- und regionenspezifischen Promotoren exprimiert werden und damit die regionale Spezifität und den Zeitpunkt der ChR2-Expression bestimmen. Es wurden drei Mauslinien über Pronukleus-Injektionen erhalten, die den Reporter β-Galactosidase des unaktivierten Transgens exprimierten. Die Verpaarung von Mäusen dieser Linien mit Cre-Rekombinase-exprimierenden Mauslinien führte aber nur zu einer ineffizienten Aktivierung des Transgens, so dass ChR2-Expression einzig mittels RT-PCR nachgewiesen werden konnte. Nach viraler Expression der Cre-Rekombinase im Hippokampus konnte eine Aktivierung des ChR2-Transgens auch mittels Immunfluoreszenz gezeigt werden. Mangels GFP-Fluoreszenz waren die transgenen Linien aber nicht für gezielte elektrophysiologische Ableitungen verwendbar. In einem zweiten Ansatz wurden transgene Mäuse über embryonale Stammzellen (ES-Zellen) generiert. Bei diesem Ansatz wird eine geringere Kopienzahl des Transgens ins Genom integriert. In den ES-Zellen konnte durch transiente Cre-Rekombinase-Expression gezeigt werden, dass das Transgen effizient aktiviert werden konnte. Aus mehreren ES-Zell-Klonen wurden chimäre Mäuse erhalten, die zum jetzigen Zeitpunkt auf Keimbahntransmission getestet werden. Wie ChR2 einen Kationenkanal bildet und welche Transmembrandomänen und Aminosäuren daran beteiligt sind, ist unbekannt. Daher wurde im zweiten Teil dieser Arbeit untersucht, ob die Positionen E90, E97 und E101, welche in der zweiten Transmembranhelix untereinander zu liegen scheinen, Teil einer Ionenpore sein könnten. Um den Einfluss dieser Aminosäuren auf die Kationenleitung und/ oder – selektivität zu untersuchen, wurden diese Positionen substituiert und die resultierenden ChR2-Mutantenproteine in Xenopus laevis Oozyten exprimiert und elektrophysiologisch analysiert. Um Na+- bzw. Protonen-mediierte Ströme unterscheiden zu können, wurden Na+-haltige und Na+-freie Puffer verschiedener pH-Werte verwendet. Lichtinduzierte Ströme von ChR2E97A, ChR2E97Q, ChR2E97K und ChR2E101K waren im Vergleich zum Wildtyp stark reduziert, ausschließlich bei pH 4 zu detektieren und wohl hauptsächlich durch Protonen getragen. Die isofunktionale, aber ladungsneutrale Mutation ChR2E90Q zeigte nur geringe Unterschiede zum Wildtyp. Alaninsubstitution (E90A) als auch Ladungsinversion (E90K) führte zu starken Veränderungen des ChR2-Stroms im Vergleich zum Wildtyp. ChR2E90A zeigte im Vergleich zum Wildtyp reduzierte Protonenströme sowie einen erhöhten Natriumstrom, der durch Protonen inhibierbar war. Die Ladungsinversion ChR2E90K führte zu allgemein stark verminderten Leitfähigkeiten, lediglich bei pH 4 konnten noch Ströme gemessen werden. Die Ergebnisse sind der erste Hinweis auf eine Beteiligung von Glutamatresten an der Ionenleitfähigkeit in der Transmembranhelix 2 von ChR2.
Innerhalb des adaptiven Immunsystems spielt der Major Histocompatibility Complex (MHC)-Klasse I-Weg der Antigenpräsentation eine essenzielle Rolle bei der Erkennung und Zerstörung Virus-infizierter Zellen. Ein grundlegender Schritt innerhalb dieses Prozesses ist die Translokation endogener Peptide durch den transporter associated with antigen processing (TAP) in das ER-Lumen. Der TAP-Transporter ist zusammen mit verschiedenen Chaperonen und weiteren Faktoren in einem Peptidbeladungskomplex (PLC) assoziiert. Insbesondere Herpesviren, die durch eine lebenslange Persistenz im Wirt und wiederkehrende Reaktivierung unter Stresssituationen gekennzeichnet sind, interferieren direkt mit dem PLC und dem TAP-Transporter. Das varicellovirale Typ-I-Membranprotein UL49.5 inhibiert den TAP-Komplex, wobei das Protein des Rinderherpesvirus (Bovines Herpesvirus 1, BHV-1) zusätzlich die proteasomale Degradation verschiedener Komponenten des PLCs einleitet. Dieser Mechanismus wird durch die C-terminale Domäne des UL49.5-Proteins vermittelt und ist von keinem anderen Virusprotein bekannt. Welche Aminosäuren des Virusproteins jedoch für diese Inhibition und Degradation essenziell sind, wurde bisher nicht aufgeklärt. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Funktionsweise des BHV-1 UL49.5-Proteins zu verstehen und insbesondere zu analysieren, welche Bereiche des Proteins für die proteasomale Degradation des TAP-Komplexes verantwortlich sind. Das UL49.5-Protein wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgreich in Insektenzellen und in HeLa-Zellen exprimiert. Mittels Coimmunpräzipitation (Co-IP) wurde daraufhin die Bindung verschiedener UL49.5-Varianten an den TAP-Komplex analysiert. Unterstützt wurden diese Daten durch einen in vivo Interaktionsscreen (BiFC) und in vitro translatiertes UL49.5. Hierbei stellte sich heraus, dass das UL49.5-Protein in Abwesenheit sämtlicher Komponenten des Immunsystems an beide Untereinheiten des TAP-Transporters bindet. Die Bindung erfolgt sowohl an vollständige TAP-Untereinheiten als auch an den sogenannten coreTAP-Komplex, der nur die inneren sechs Transmembranhelices besitzt. Weiterhin wurden systematisch verkürzte UL49.5-Varianten generiert, um wichtige Reste für TAP-Inhibition und proteasomale Degradation zu identifizieren. Interessanterweise sind weder die N-terminale noch die C-terminale Domäne von UL49.5 für die Bindung an den TAP-Komplex zwingend notwendig. Die Bindung an den TAP-Transporter wird demnach über die Transmembrandomäne von UL49.5 vermittelt. Mit Hilfe von Peptidtransport-Analysen wurde die inhibitorische Aktivität verschiedener UL49.5-Mutanten eingehend untersucht. Zusätzlich wurde eine Untersuchung der MHC I-Oberflächenexpression in transient transfizierten HeLa-Zellen etabliert. In diesen Zellen wurde nach Sortierung eine drastisch reduzierte TAP-Konzentration nachgewiesen, die auf proteasomale Degradation des TAP-Komplexes zurückzuführen war. Die Untersuchung von C-terminal verkürzten UL49.5-Mutanten zeigte, dass die letzten zwei C-terminalen Aminosäuren essenziell für die Induktion der TAP-Degradation sind. Die C-terminale Domäne von UL49.5 konnte jedoch, nach Übertragung auf andere Proteine, keine proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einleiten. Demnach ist ein weiterer Bereich des Proteins für diesen Prozess zwingend notwendig. Erstaunlicherweise waren auch N-terminal verkürzte UL49.5-Proteine deutlich in ihrer inhibitorischen Funktion beeinträchtigt. Bereits nach der Deletion von 10 N-terminalen Aminosäuren war das Protein nicht mehr in der Lage, eine proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einzuleiten. Demnach spielt auch die ER-luminale Domäne von UL49.5 eine wichtige Rolle bei der UL49.5-induzierten TAP-Degradation. Somit wurde ein bisher noch nicht beschriebener neuartiger Inhibitionsmechanismus für das BHV-1 UL49.5-Protein entdeckt. Nach Bindung von UL49.5 über die Transmembrandomäne an beide Untereinheiten des TAP-Transporters scheint die ER-luminale Domäne von UL49.5 ein Signal über die ER-Membran an die zytoplasmatische Domäne zu übertragen, die dann die proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einleitet. Es konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit erstmals gezeigt werden, dass additive Effekte eines sehr kleinen Virusproteins auf zwei unterschiedlichen Seiten der ER-Membran zu einer proteasomalen Degradation eines sehr großen Membran-Komplexes führen.
Breaking tolerance to the natural human liver autoantigen cytochrome P450 2D6 by virus infection
(2009)
Autoimmune hepatitis (AIH) is a chronic liver disease of unknown etiology, characterized by a loss of tolerance against hepatocytes leading to the progressive destruction of hepatic parenchyma and cirrhosis. Clinical signs for AIH are interface hepatitis and portal plasma cell infiltration, hypergammaglobulinemia, and autoantibodies. Based on serological markers AIH is defined in subtypes. The hallmark of AIH type 2 are type 1 liver/kidney microsomal autoantibodies (LKM-1), whereas AIH type 1 is characterized by the presence of anti-nuclear (ANA) and/or anti-smooth muscular (SMA) autoantibodies. The major autoantigen recognized specifically by LKM-1 autoantibodies was identified as the 2D6 isoform of the cytochrome P450 enzyme family (CYP2D6). Not much is known about the etiology and pathogenic mechanisms of AIH so far and most animal models available result in only transient hepatic liver damage after a rather complex initiation method. It was the aim of my project to generate a novel animal model for AIH that reflects the chronic and progressive destruction of the liver characteristic for the human disease while using a defined and feasible initiating event to further analyze the pathogenic mechanisms leading to the autoimmune-mediated destruction of the liver. Therefore, mice transgenically expressing the human CYP2D6 in the liver and wild-type mice were infected with a liver-tropic adenovirus expressing the human CYP2D6 (Ad-2D6). Selftolerance to CYP2D6 was broken in Ad-2D6-infected mice, resulting in persistent autoimmune liver damage, apparent by cellular infiltration, hepatic fibrosis and necrosis. Similar to type 2 AIH patients, Ad-2D6-infected mice generated LKM-1-like antibodies recognizing the same immunodominant epitope of CYP2D6. Taken together, we could introduce a new animal model that reflects the persistent autoimmune-mediated liver damage as well as the serological marker characteristic for AIH type 2 and we could demonstrate that chronic autoimmune diseases targeting the liver can be triggered by molecular mimicry occurring in the context of a hepatotropic viral infection.
Classical mutagenesis
(1992)
Classical genetic analyses require the presence of at least two different alleles per locus. Until the mid 1920's for the different alleles the investigators had to rely on spontaneous mutations. Since then mutagenic agents (mutagens) became available and these discoveries greatly enhanced the power of genetic analyses. Mutation is defined here as a heritable chemical alteration within the gene or the mutation process bringing about the change. Mutant is the individual (cell) containing the mutation. Point mutations are assumed to be free of loss, gain or rearrangement within the nucleotide sequence. Fonvard mutations are changes from the wild type allele (the allele predominant in wild populations) to a new allele, and the reverse process is backmutation. The frequency o/mutation per locus per generation (mutation rate) must be distinguished from mutant frequency, indicating simply the number of mutants in a population. Mutation in the broad sense involves also hereditary changes in chromosome number (polyploidy and aneuploidy) and chromosome structure, visible through the light microscope. The latter types are frequently called chromosomal aberrations. Arabidopsis, without further qualifications, in this context, will refer to Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. in its diploid form (2n = 10). This species has three genomes, the nuclear, plastidic and the mitochondrial. Its nuclear genome (n = 5) is the smallest among higher plants (Leutweiler et al., 1984), containing about 0.7 - 1 x 108 bp, and redundancy is very low (Meyerowitz and Pruitt, 1985). The plastid genome is about the same size as that of the mcYority of higher plants, ca. 150 kb. The size of the mitochondrial genome is ca. 400 kb. Arabidopsis is an excellent tool for genetics and its critical features and known mutants have been reviewed (R&Iei , 1970, 1975a,b; Kranz, 1978; Meyerowitz and Pruitt, 1984; Meyerowitz, 1987, 1989; Estelle and Somerville, 1986; Bowman et al., 1988).
In vorliegender Veröffentlichung wird auf der Grundlage der bisherigen Erfahrungen beim Einsatz von Pferden im Naturschutz und in der Landschaftspflege die Eignung von Pferden in der Biotoppflege beschrieben. Nach einer kurzen Beschreibung der Einsatzbereiche von Pferden im Natur- und Landschaftsschutz (Verwertung von Extensivheu, Offenhaltung der traditionellen Kulturlandschaft, Einsatz in großflächigen Beweidungsprojekten, Biotoppflege mit dem Ziel des Arten- und Biotopschutzes) werden verschiedene Aspekte der Weidehaltung vorgestellt, die für den Einsatz von Pferden in der Biotoppflege wichtig sind. Dabei wird das arteigene Weideverhalten der Pferde (Selektivität, Geilstellen, Verbiss, Trittwirkung) beschrieben, auf Aspekte der Tierhaltung und Tiergesundheit eingegangen sowie die unterschiedliche Eignung der verschiedenen Pferderassen zur Biotoppflege dargestellt. Ausführlich werden spezielle Formen des Weidemanagements vorgestellt, bei denen eine kurzzeitige Umtriebsweide mit ein bis zwei Wochen Weidegang im Vordergrund steht. Daneben wird eine modifizierte Form der Portionsweide sowie eine ebenfalls zur Biotoppflege geeignete Form der Langzeitweide beschrieben. Auf die Bedeutung einer regelmäßigen Weidepflege in Form von Nachmahd, Mulchen und Entbuschung wird bei den aufgeführten Weideformen hingewiesen. Die Ergebnisse einer landesweiten Umfrage beim behördlichen Naturschutz Kreisbehörden, Regierungspräsidien), den Landwirtschaftsämtern und den Naturschutzverbänden werden kurz vorgestellt. Es zeigt sich, dass bisher nur sehr wenige konkrete Pflegeprojekte mit Pferden durchgeführt werden und trotz einiger Vorbehalte gegenüber Pferdebeweidung bei diesen Institutionen ein Interesse an ausführlicher Information besteht. Parallel zur Umfrage bei den Behörden wurde eine Umfrage bei einer Auswahl von Pferdehaltern durchgeführt, aus der abzuleiten ist, dass das Interesse dieser Gruppe an einer Teilnahme an Biotoppflege-Projekten in Baden-Württemberg groß ist. Auf der Grundlage der allgemein gültigen Richtlinien zum Weidemanagement sowie einer umfassenden Literatur- und Projekt-Recherche werden im zweiten Teil des Leitfadens für alle landwirtschaftlich nutzbaren Offenland-Grünland-Biotoptypen im Einzelnen Empfehlungen gegeben, ob und wie sich diese Biotope mit einer Pferdebeweidung erhalten und gegebenenfalls entwickeln lassen. Es wird auf die erforderlichen Besatzdichten, Weidezeiten und Maßnahmen der Weidepflege ebenso eingegangen wie auf Aspekte des speziellen Artenschutzes. Besonders berücksichtigt werden dabei die im Anhang I der Flora-Fauna-Habitat(FFH)-Richtlinie aufgeführten Lebensräume und die nach § 32 (bisher § 24a) Naturschutzgesetz Baden-Württemberg (NatSchG) besonders geschützten Biotope.
Im Zusammenhang mit dem agrarstrukturellen Wandel der letzten Jahrzehnte stellt sich aus Sicht des Naturschutzes immer wieder die Frage, wie dem Rückgang traditioneller Landnutzung an Grenzstandorten und in benachteiligten Gebieten begegnet werden kann. Um eine Offenhaltung der Landschaft und Pflege schutzwürdiger Biotope zu gewährleisten, ist die Beweidung mit Rindern oder Schafen eine vielfach eingesetzte Methode. Pferde wurden hingegen unter dem Aspekt von Naturschutz und Landschaftspflege kaum berücksichtigt, obwohl ihre Zahl in den letzten Jahrzehnten aufgrund steigender Freizeitnutzung in Deutschland erheblich zugenommen hat. Das vorliegende Merkblatt richtet sich vor allem an Landwirte und Pferdehalter, soll aber auch den unteren Naturschutzbehörden sowie Gemeindeverwaltungen, Planungsbüros und Verbänden als Arbeitshilfe dienen. Pferdehaltung lässt sich auf verschiedene Weise mit den Zielen von Naturschutz und Landschaftspflege vereinbaren. So wird spät geworbenes Heu extensiv genutzter Wiesen in der Pferdehaltung bereits vielfach und bevorzugt eingesetzt. Naturgemäße Pferdebeweidung trägt ebenso wie die Beweidung mit anderen Tierarten zur Offenhaltung der traditionellen Kulturlandschaft bei. Auch in den in jüngerer Zeit zunehmenden großflächigen Beweidungsprojekten vieler Bundesländer werden neben Rindern gerne ursprüngliche Pferderassen eingesetzt. Um den speziellen Anforderungen des Arten- und Biotopschutzes gerecht zu werden, genügt es jedoch nicht, eine naturverträgliche extensive Landnutzung und eine unter tierhalterischen Aspekten sachgemäße Beweidung durchzuführen. Es ist ein gezieltes Weidemanagement notwendig. Aus diesem Anlass wurde im Auftrag der Landesanstalt für Umweltschutz (heute LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg) eine Studie erstellt. Die Ergebnisse wurden in einer umfangreichen Dokumentation im Internet veröffentlicht und bilden die Grundlage dieses Merkblattes.
The C-module-binding factor (CbfA) is a multidomain protein that belongs to the family of jumonji-type (JmjC) transcription regulators. In the social amoeba Dictyostelium discoideum, CbfA regulates gene expression during the unicellular growth phase and multicellular development. CbfA and a related D. discoideum CbfA-like protein, CbfB, share a paralogous domain arrangement that includes the JmjC domain, presumably a chromatin-remodeling activity, and two zinc finger-like (ZF) motifs. On the other hand, the CbfA and CbfB proteins have completely different carboxy-terminal domains, suggesting that the plasticity of such domains may have contributed to the adaptation of the CbfA-like transcription factors to the rapid genome evolution in the dictyostelid clade. To support this hypothesis we performed DNA microarray and real-time RT-PCR measurements and found that CbfA regulates at least 160 genes during the vegetative growth of D. discoideum cells. Functional annotation of these genes revealed that CbfA predominantly controls the expression of gene products involved in housekeeping functions, such as carbohydrate, purine nucleoside/nucleotide, and amino acid metabolism. The CbfA protein displays two different mechanisms of gene regulation. The expression of one set of CbfA-dependent genes requires at least the JmjC/ZF domain of the CbfA protein and thus may depend on chromatin modulation. Regulation of the larger group of genes, however, does not depend on the entire CbfA protein and requires only the carboxy-terminal domain of CbfA (CbfA-CTD). An AT-hook motif located in CbfA-CTD, which is known to mediate DNA binding to A+T-rich sequences in vitro, contributed to CbfA-CTD-dependent gene regulatory functions in vivo.