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Arabidopsis cell walls contain large amounts of pectins and hemicelluloses, which are predominantly synthesized via the common precursor UDP-glucuronic acid. The major enzyme for the formation of this nucleotide-sugar is UDP-glucose dehydrogenase, catalysing the irreversible oxidation of UDP-glucose into UDP-glucuronic acid. Four functional gene family members and one pseudogene are present in the Arabidopsis genome, and they show distinct tissue-specific expression patterns during plant development. The analyses of reporter gene lines indicate gene expression of UDP-glucose dehydrogenases in growing tissues. The biochemical characterization of the different isoforms shows equal affinities for the cofactor NAD+ (~40 µM) but variable affinities for the substrate UDP-glucose (120–335 µM) and different catalytic constants, suggesting a regulatory role for the different isoforms in carbon partitioning between cell wall formation and sucrose synthesis as the second major UDP-glucose-consuming pathway. UDP-glucose dehydrogenase is feedback inhibited by UDP-xylose. The relatively (compared with a soybean UDP-glucose dehydrogenase) low affinity of the enzymes for the substrate UDP-glucose is paralleled by the weak inhibition of the enzymes by UDP-xylose. The four Arabidopsis UDP-glucose dehydrogenase isoforms oxidize only UDP-glucose as a substrate. Nucleotide-sugars, which are converted by similar enzymes in bacteria, are not accepted as substrates for the Arabidopsis enzymes.
Stressorinduzierte ökotoxikologische Effekte und Genexpressionsveränderungen bei Chironomus riparius
(2008)
Die Effekte von Stressoren auf Chironomus riparius wurden im Lebenszyklustest und auf genomischer Ebene mit dem Ziel untersucht, ein auf einem DNA-Mikroarray („ChiroChip“) basierendes Screeningverfahren zu entwickeln. Die empfindlichsten Endpunkte der Lebenszyklustests waren die Mortalität, der Anteil fruchtbarer Eigelege, der mittlere Schlupfzeitpunkt der Weibchen sowie das Gewicht der Männchen. Temperaturveränderungen um ± 6°C gegenüber einer normalen Hälterungstemperatur von 20°C führten in allen Endpunkten zu hochsignifikanten Effekten. Eine LC10 konnte nur für die Salinität berechnet werden (0,66‰, KI: 0,26 − 1,68‰). Aufgrund der nicht-linearen Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen konnte nur für den mittleren Schlupfzeitpunkt der Weibchen nach einer Exposition gegenüber Cadmium eine EC50 (0,53 mg/kg, KI: 0,29 − 0,97 mg/kg) bestimmt werden. In den Versuchen mit Methyltestosteron, Ethinylöstradiol, Carbamazepin, Fluoxetin, Blei und Tributylzinn (mit denen auch molekularbiologische Untersuchungen durchgeführt wurden) waren die empfindlichsten Endpunkte die Mortalität, der Anteil fruchtbarer Eigelege, der mittlere Schlupfzeitpunkt der Weibchen sowie die Populationswachstumsrate. Carbamazepin (CBZ) wirkte schlupfverzögernd bei den Weibchen. 10 mg CBZ/kg führte zu einer höheren Mortalität, weniger Eigelegen, die vermehrt unfruchtbar waren, sowie zu einer geringeren Populationswachstumsrate. Fluoxetin (FX) wirkte bei beiden Geschlechtern schlupfverzögernd. 0,9 mg FX/kg führte zu einer erhöhten Mortalität, weniger und vermehrt unfruchtbaren Eigelegen und einer geringeren Populationswachstumsrate. In der höchsten Konzentration (5,9 mg/kg) waren die Weibchen leichter als die Kontrolltiere. Tributylzinn (in µg Sn/kg angegeben) bewirkte eine höhere Mortalität und geringere Populationswachstumsrate bei 100 µg Sn/kg und führte zu einer Verzögerung im Schlupfverlauf bei den Weibchen. Bei 160 µg Sn/kg gab es weniger Eigelege, die vermehrt unfruchtbar waren. Die Männchen, die gegenüber Konzentrationen von 120 und 160 µg Sn/kg exponiert wurden, waren leichter als die Kontrolle. Expositionen gegenüber Blei (Pb) in Konzentrationen von 0,65 − 65 mg/kg führten bei 6,5 mg Pb/kg zu einer erhöhten Mortalität und zu mehr unfruchtbaren Gelegen. Bei 0,65 mg Pb/kg waren die Männchen leichter und bei 6,5 mg Pb/kg schwerer. Die Anzahl der fruchtbaren Gelege pro Weibchen war bei 3,25 und 6,5 mg Pb/kg geringer als in der Kontrolle. Die gegenüber 17alpha-Methyltestosteron (MET) exponierten Mücken hatten geringere Mortalitäten als in der Kontrolle und zeigten einen verfrühten Schlupf beider Geschlechter. Ab 27 µg MET/kg gab es weniger unfruchtbare Gelege, leichtere Männchen sowie erhöhte Populationswachstumsraten. 17alpha-Ethinylöstradiol (EE2) führte zu einem verfrühten Schlupf bei beiden Geschlechtern sowie zu erhöhten Populationswachstumsraten. Bei 9 µg EE2/kg gab es weniger unfruchtbare Gelege. Die Exposition von Chironomus-Larven gegenüber Methyltestosteron, Ethinylöstradiol, Fluoxetin, Carbamazepin, Tributylzinn und Blei führte zur differenziellen Expression von neun (Methyltestosteron) bis 49 (Carbamazepin) Genen. Bei der Untersuchung der exprimierten Proteine fällt auf, dass kaum bekannte Stressproteine (z.B. Glutathion-S-Transferase oder Cytochrom P450) differentiell reguliert wurden. Bei der Exposition wurden verschiedene Prozesse durch eine veränderte Genexpression beeinflusst. Eine Exposition gegenüber Methyltestosteron führte zu einer Beeinträchtigung von drei identifizierten biologischen Prozessen, während bei den anderen Substanzen sieben bis acht Prozesse beeinflusst waren. Die am häufigsten beeinflussten Prozesse waren der Protein- und der Energiemetabolismus. Der Sauerstofftransport ist ein Prozess, der bei allen Substanzen beeinflusst wurde, jedoch mit unterschiedlichen Anteilen. Bei einer Exposition gegenüber Methyltestosteron war der Anteil des Sauerstofftransports an den beteiligten Prozessen mit 84,6% am größten und mit 10,5% bei Fluoxetin am geringsten. Die veränderte Genexpression der Globine kann möglicherweise aufgrund der schadstoffspezifischen Veränderungen als Biomarker für das Monitoring von Freilandgewässern angewendet werden. Da Tubulin und Aktin häufig nach einer Exposition gegenüber Stressoren differenziell exprimiert wird (bei Tributylzinn und CBZ in der vorliegenden Arbeit und bei Antidepressiva und Östrogenen in anderen Studien) wären die beiden Proteine möglicherweise ebenfalls als Biomarker für Chemikalienstress geeignet. Vor der Verwendung des ChiroChips als Screeninginstrument für die Chemikalienuntersuchung und das Biomonitoring müssen noch Untersuchungen zur konzentrationsabhängigen Genexpression und zur Expression in unbehandelten Larven und weiteren Lebensstadien erfolgen. Des Weiteren müssen die vorliegenden Daten verifiziert und die Funktion der differentiell regulierten Gene vertieft untersucht werden.
Die Zellwand von Arabidopsis thaliana enthält große Menge an Hemicellulosen und Pektinen, deren Bestandteile sich hauptsächlich von UDP-Glucuronsäure ableiten. Die Bildung von UDP-Glucuronsäure wird in Pflanzen überwiegend durch die UDP-Glucose Dehydrogenase (UGD) katalysiert, die UDP-Glucose unter der Bildung von NADH in UDP-Glucuronsäure umwandelt. Arabidopsis thaliana besitzt vier UGD-Gene und ein Pseudogen, welche starke Homologien zu Genen anderer bekannter pflanzlicher UDP-Glucose Dehydrogenasen zeigen. Mit Hilfe von Promotor::GUS-Reportergenpflanzen und real time-PCR-Analysen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die vier UGD-Gene nicht nur in verschiedenen Geweben und zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Morphogenese exprimiert werden, sondern auch in unterschiedlicher Stärke. Dabei scheint jedoch zu jedem Zeitpunkt der Morphogenese, bis auf die Samenentwicklung, eine der vier UGD-Isoformen in Arabidopsis thaliana exprimiert zu werden. Eine biochemische Charakterisierung der verschiedenen Isoformen zeigte einen sehr ähnlichen Km-Wert von ca. 43 µM für NAD+, während sich die Km-Werte für UDP-Glucose deutlich voneinander unterschieden (123 - 335µM). Alle Isoformen unterlagen einer feedback-Hemmung durch UDP-Xylose. Dabei war eine starke Hemmung durch UDP-Xylose korreliert mit einer hohen Affinität zu UDP-Glucose. Neben NAD+ konnten alle untersuchten Isoformen in geringem Maße auch NADP+ als Cofaktor verwenden. Allerdings verringerte sich die Enzymaktivität dadurch um etwa 80%. Alternative Zuckersubstrate konnten dagegen nicht umgesetzt werden. Die biochemischen Unterschiede zwischen den UGD-Isoformen und die differentielle Expression ihrer entsprechenden Genekönnten eine wichtige Rolle bei der Regulation der Zellwandbiosynthese spielen. Denn die irreversible Oxidation von UDP-Glucose zu UDP-Glucuronsäure durch UGD fungiert als eine der Schaltstellen, an welcher der Kohlenstofffluss derpflanzlichen Zelle in Richtung Zellwandbiosynthese gesteuert werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Analysen von Einfach-oder Doppel-knock out-Mutanten, bei denen durch eine T-DNA-Insertion ein oder zwei UGD-Gene ausgeschaltet waren, zeigte dementsprechend auch eine veränderte Zellwandzusammensetzung bei den Mutanten deltaUGD2, deltaUGD3 und deltaUGD1x deltaUGD4 und eine veränderte Funktion der Stomata bei deltaUGD1x deltaUGD4. Insgesamt waren die Phänotypänderungen gegenüber dem Wildtyp bei der Doppelmutante deltaUGD1x deltaUGD4 wesentlich ausgeprägter als bei den Einfachmutanten, was daran liegen könnte, dass der Ausfall eines UGD-Gens durch ein anderes kompensiert wird. Dafür sprechen auch die Ergebnisse der real time-PCR-Analyse, in der die Expression von UGD1, 2, 3 und 4 in sechs Tage alten Keimlingen des Wildtyps und der knock out-Mutanten untersucht wurde. Dort konnte nachgewiesen werden, dass sich das Ausschalten eines oder mehrerer UGD-Gene auf die Expression der übrigen UGD-Gene auswirkt.
Zur genomweiten Genexpressionsanalyse werden Microarray-Experimente verwendet. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zur Präprozessierung von Microarrays der Firma Affymetrix zu evaluieren und die VSN-Methode für Experimente mit weniger als 1000 Zellen zu verbessern. Bei dieser Technologie wird die Expression jedes Gens durch mehrere Probessets gemessen. Jedes Probeset besteht aus einem Perfect-Match (PM) und einem dazugehörigen Mismatch (MM). Der Expressionswert pro Gen wird durch ein vierstufiges Verfahren aus den einzelnen Probe-Werten berechnet: Hintergrundkorrektur, Normalisierung, PM-Adjustierung und Aggregation. Für jeden dieser Schritte existieren mehrere Algorithmen. Dazu dienten die im affy-Paket des Bioconductor implementierten Methoden MAS5, RMA, VSN und die Methode sRMA von Cope et al. [Cope et al., 2006] in Kombination mit der Methode VSN von Huber et al. [Huber et al., 2002]. Den ersten Teil dieser Arbeit bildet die Reanalyse der Datensätze von Küppers et al. [Küppers et al., 2003] und Piccaluga et al. [Piccaluga et al., 2007] mit der VSN-Methode. Dabei konnte gezeigt werden, dass die VSN-Methode gegenüber Klein et al. [Klein et al., 2001] Vorteile zeigt. Bei beiden Datensätzen wurden zusätzliche Gene gefunden, die für die Pathogenese der jeweiligen Tumorarten wichtig sein können. Einige der zusätzlich gefunden Gene wurden durch andere wissenschaftliche Arbeiten bestätigt. Die Gene, die bisher in keinem Zusammenhang mit der untersuchten Tumorart stehen, sind eine Möglichkeit für die weitere Forschung. Vor allem der Zytokine/Zytokine Signalweg wurde bei beiden Reanalysen als überrepräsentiert erkannt. Da für einige Microarray-Experimente die Anzahl der Zellen und damit die Menge an mRNA nur begrenzt zur Verfügung stehen, müssen die Laborarbeit und die statistischen Analysen angepasst werden. Hierzu werden fünf Methoden für die Präprozessierung untersucht, um zu evaluieren, welche Methode geeignet ist, derartige Expressionsdaten zu verrechnen. Auf Basis eines Testdatensatzes der bereits zur Etablierung des Laborprozesses diente werden Expressionswerte durch empirische Verteilung, Gammaverteilung und ein linear gemischtes Modell simuliert. Die Simulation lässt sich in vier Schritte einteilen: Wahl der Verteilung, Simulation der Expressionsmatrix, Simulation der differentiellen Expression, Sortierung der Probes innerhalb des Probesets. Anschließend werden die fünf Präprozessierungsmethoden mit diesen simulierten Expressionsdaten auf ihre Sensitivität und Spezifität untersucht. Während sich bei den empirisch und gammaverteilt simulierten Expressionsdaten kein eindeutiges Ergebnis abzeichnet, hat sVSN bei den Daten aus dem linear gemischten Modell die größte Sensitivität und die größte Spezifität. Der in dieser Arbeit entwickelte sVSN-Algorithmus wurde zum ersten Mal angewendet und bewertet. Abschließend wird ein Teildatensatz von Brune et al. verwendet und hinsichtlich der fünf Präprozessierungsmethoden untersucht. Die Ergebnisse der sVSN-Methode wird im Detail weiter verfolgt. Die zusätzlich gefunden Gene können durch bereits veröffentlichte Arbeiten bestätigt werden. Letztendlich zeigt sich, dass neuere statistische Methoden (wie das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte sVSN) bei der Analyse von Affymetrix Microarrays einen Vorteil bringen. Die sVSN und sRMA Methoden zeigen Vorteile, da die Probes nach der Normalisierung gewichtet werden, bevor diese aggregiert werden. Die MAS5-Methode schneidet am schlechtesten ab und sollte bei geringen Zellmengen nicht eingesetzt werden. Für die Analyse mit geringer Menge an mRNA müssen weitere Untersuchungen vorgenommen werden, um eine geeignete statistische Methode für die Analyse der Expressionsdaten zu finden.
Neurons of the mammalian neocortex are produced by proliferating cells located in the ventricular zone (VZ) lining the lateral ventricles. This is a complex and sequential process, requiring precise control of cell cycle progression, fate commitment and differentiation. We have analyzed publicly available databases from mouse and human to identify candidate genes that are potentially involved in regulating early neocortical development and neurogenesis. We used a mouse in situ hybridization dataset (The Allen Institute for Brain Science) to identify 13 genes (Cdon, Celsr1, Dbi, E2f5, Eomes, Hmgn2, Neurog2, Notch1, Pcnt, Sox3, Ssrp1, Tead2, Tgif2) with high correlation of expression in the proliferating cells of the VZ of the neocortex at early stages of development (E15.5). We generated a similar human brain network using microarray and RNA-seq data (BrainSpan Atlas) and identified 407 genes with high expression in the developing human VZ and subventricular zone (SVZ) at 8–9 post-conception weeks. Seven of the human genes were also present in the mouse VZ network. The human and mouse networks were extended using available genetic and proteomic datasets through GeneMANIA. A gene ontology search of the mouse and human networks indicated that many of the genes are involved in the cell cycle, DNA replication, mitosis and transcriptional regulation. The reported involvement of Cdon, Celsr1, Dbi, Eomes, Neurog2, Notch1, Pcnt, Sox3, Tead2, and Tgif2 in neural development or diseases resulting from the disruption of neurogenesis validates these candidate genes. Taken together, our knowledge-based discovery method has validated the involvement of many genes already known to be involved in neocortical development and extended the potential number of genes by 100's, many of which are involved in functions related to cell proliferation but others of which are potential candidates for involvement in the regulation of neocortical development.
The activation of the transcription factor NF-E2-related factor 2 (Nrf2) maintains cellular homeostasis in response to oxidative stress by the regulation of multiple cytoprotective genes. Without stressors, the activity of Nrf2 is inhibited by its interaction with the Keap1 (kelch-like ECH-associated protein 1). Here, we describe (3S)-1-[4-[(2,3,5,6-tetramethylphenyl) sulfonylamino]-1-naphthyl]pyrrolidine-3-carboxylic acid (RA839), a small molecule that binds noncovalently to the Nrf2-interacting kelch domain of Keap1 with a Kd of ∼6 μm, as demonstrated by x-ray co-crystallization and isothermal titration calorimetry. Whole genome DNA arrays showed that at 10 μm RA839 significantly regulated 105 probe sets in bone marrow-derived macrophages. Canonical pathway mapping of these probe sets revealed an activation of pathways linked with Nrf2 signaling. These pathways were also activated after the activation of Nrf2 by the silencing of Keap1 expression. RA839 regulated only two genes in Nrf2 knock-out macrophages. Similar to the activation of Nrf2 by either silencing of Keap1 expression or by the reactive compound 2-cyano-3,12-dioxooleana-1,9-dien-28-oic acid methyl ester (CDDO-Me), RA839 prevented the induction of both inducible nitric-oxide synthase expression and nitric oxide release in response to lipopolysaccharides in macrophages. In mice, RA839 acutely induced Nrf2 target gene expression in liver. RA839 is a selective inhibitor of the Keap1/Nrf2 interaction and a useful tool compound to study the biology of Nrf2.
Macrophages respond to the Th2 cytokine IL-4 with elevated expression of arachidonate 15-lipoxygenase (ALOX15). Although IL-4 signaling elicits anti-inflammatory responses, 15-lipoxygenase may either support or inhibit inflammatory processes in a context-dependent manner. AMP-activated protein kinase (AMPK) is a metabolic sensor/regulator that supports an anti-inflammatory macrophage phenotype. How AMPK activation is linked to IL-4-elicited gene signatures remains unexplored. Using primary human macrophages stimulated with IL-4, we observed elevated ALOX15 mRNA and protein expression, which was attenuated by AMPK activation. AMPK activators, e.g. phenformin and aminoimidazole-4-carboxamide 1-β-d-ribofuranoside inhibited IL-4-evoked activation of STAT3 while leaving activation of STAT6 and induction of typical IL-4-responsive genes intact. In addition, phenformin prevented IL-4-induced association of STAT6 and Lys-9 acetylation of histone H3 at the ALOX15 promoter. Activating AMPK abolished cellular production of 15-lipoxygenase arachidonic acid metabolites in IL-4-stimulated macrophages, which was mimicked by ALOX15 knockdown. Finally, pretreatment of macrophages with IL-4 for 48 h increased the mRNA expression of the proinflammatory cytokines IL-6, IL-12, CXCL9, and CXCL10 induced by subsequent stimulation with lipopolysaccharide. This response was attenuated by inhibition of ALOX15 or activation of AMPK during incubation with IL-4. In conclusion, limiting ALOX15 expression by AMPK may promote an anti-inflammatory phenotype of IL-4-stimulated human macrophages.
Natural Killer (NK) cells are active against Aspergillus fumigatus, which in turn is able to impair the host defense. Unfortunately, little is known on the mutual interaction of NK cells and A. fumigatus. We coincubated human NK cells with A. fumigatus hyphae and assessed the gene expression and protein concentration of selected molecules. We found that A. fumigatus up-regulates the gene expression of pro-inflammatory molecules in NK cells, but inhibited the release of these molecules resulting in intracellular accumulation and limited extracellular availability. A. fumigatus down-regulatedmRNA levels of perforin in NK cells, but increased its intra- and extracellular protein concentration. The gene expression of stress related molecules of A. fumigatus such as heat shock protein hsp90 was up-regulated by human NK cells. Our data characterize for the first time the immunosuppressive effect of A. fumigatus on NK cells and may help to develop new therapeutic antifungal strategies.
Mannitol is the major compatible solute, next to glutamate, synthesized by the opportunistic human pathogen Acinetobacter baumannii under low water activities. The key enzyme for mannitol biosynthesis, MtlD, was identified. MtlD is highly similar to the bifunctional mannitol‐1‐phosphate dehydrogenase/phosphatase from Acinetobacter baylyi. After deletion of the mtlD gene from A. baumannii ATCC 19606T cells no longer accumulated mannitol and growth was completely impaired at high salt. Addition of glycine betaine restored growth, demonstrating that mannitol is an important compatible solute in the human pathogen. MtlD was heterologously produced and purified. Enzyme activity was strictly salt dependent. Highest stimulation was reached at 600 mmol/L NaCl. Addition of different sodium as well as potassium salts restored activity, with highest stimulations up to 41 U/mg protein by sodium glutamate. In contrast, an increase in osmolarity by addition of sugars did not restore activity. Regulation of mannitol synthesis was also assayed at the transcriptional level. Reporter gene assays revealed that expression of mtlD is strongly dependent on high osmolarity, not discriminating between different salts or sugars. The presence of glycine betaine or its precursor choline repressed promoter activation. These data indicate a dual regulation of mannitol production in A. baumannii, at the transcriptional and the enzymatic level, depending on high osmolarity.
Anaplastic large cell lymphoma (ALCL) and classical Hodgkin lymphoma (cHL) are lymphomas that contain CD30-expressing tumor cells and have numerous pathological similarities. Whereas ALCL is usually diagnosed at an advanced stage, cHL more frequently presents with localized disease. The aim of the present study was to elucidate the mechanisms underlying the different clinical presentation of ALCL and cHL. Chemokine and chemokine receptor expression were similar in primary ALCL and cHL cases apart from the known overexpression of the chemokines CCL17 and CCL22 in the Hodgkin and Reed-Sternberg (HRS) cells of cHL. Consistent with the overexpression of these chemokines, primary cHL cases encountered a significantly denser T cell microenvironment than ALCL. Additionally to differences in the interaction with their microenvironment, cHL cell lines presented a lower and less efficient intrinsic cell motility than ALCL cell lines, as assessed by time-lapse microscopy in a collagen gel and transwell migration assays. We thus propose that the combination of impaired basal cell motility and differences in the interaction with the microenvironment hamper the dissemination of HRS cells in cHL when compared with the tumor cells of ALCL.