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Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. Eindimensionale Gelelektrophoresen Die Analyse mitochondrialer Proteine aus juvenilen und seneszenten P. anserina-Wildstämmen mit Hilfe von eindimensionalen SDS- und eindimensionalen Blau-Nativen-Gelelektrophoresen zeigt keine deutlichen, seneszenzspezifischen Unterschiede. Im Gegensatz dazu werden in initialen Versuchen der nicht-radioaktiven 2D-PAGE differentiell gebildete Proteine visualisiert. 2. 2D-PAGE mit radioaktiv-markierten, mitochondrialen Proteinen aus jungen und alten P. anserina-Wildstämmen In der ungerichteten Proteomanalyse wurden 29 differentiell-gebildete Proteine identifiziert und zusätzlich zahlreiche Isoformen einiger Proteine gezeigt. Von der ß-ATPase wurden modifizierte Isoformen gefunden. Außerdem wurde eine seneszenspezifisch verringerte Bildung von ROS-Abwehr-Proteinen in den Mitochondrien detektiert. Im Gegensatz dazu wurde eine größere Menge eines Chaperons gefunden, das bei der Proteinsynthese eine Rolle spielt: eine Protein-Disulfid-Isomerase, die die Umlagerung und Neubildung von Di-Sulfid-Brücken bei der Faltung von Proteinen katalysiert. Zusätzlich wurde eine erhöhte Menge des Proteins SSC1 identifiziert. Dieses gehört zur Hsp70-Hitzeschock-Proteinfamilie. Es wurde ebenfalls eine erhöhte Menge des Apoptosefaktors Cyclophilin D in den mitochondrialen Proben aus den seneszenten Wildstämmen identifiziert. Die Identifizierung dieses Proteins in Mitochondrien von P. anserina stellt neben der Charakterisierung der Metacaspasen (Hamann et al., 2007) einen weiteren Ansatzpunkt für die Apoptoseforschung in P. anserina dar. Die molekularbiologische Analyse dieses Proteins wurde aufgrund dieser Proteomanalyse im Arbeitskreis aufgenommen (Dissertation D. Brust). Ein weiteres Protein, das in stark erhöhter Menge in den Proteinisolaten identifiziert wurde, ist PaMTH1. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Struktur und die Funktion dieser neu identifizierten differentiell-gebildeten Methyltransferase während der Alterung in P. anserina mit Hilfe molekularbiologischer, biochemischer und physiologischen Analysen untersucht. 3. Charakterisierung von PaMTH1 Im Rahmen von Northernblot-Analysen wurde gezeigt, dass die PaMth1-Transkriptmenge in drei unabhängigen alten Wildstämmen im Vergleich zu den entsprechenden jungen Wildtsämmen deutlich erhöht ist. In einer Westernblot-Analyse von Gesamtproteinen und Mitochondrien aus jungen und seneszenten Wildstämmen wird der seneszenzspezifische Anstieg der Proteinmenge verifiziert. Die genauere Einordnung von PaMTH1 in die Klasse I der Methyltransferasen und die Ergebnisse der Analyse der Substratspezifizität geben einen Hinweis auf eine Schutzfunktion durch die Verhinderung einer ROS-Entstehung unter der Beteiligung von Substanzen mit einer Catecholgruppe. Die Ergebnisse der Analyse der Modulation der PaMth1-Expression in P. anserina deuten ebenfalls auf eine Schutzwirkung von PaMTH1 hin: PaMth1-Überexpressionsstämme zeigen eine verbesserte Wuchsrate auf stress-induzierenden Medien, weniger carbonylierte Proteine und vor allem eine verlängerte Lebensspanne ohne physiologische Nachteile im Vergleich zum Wildstamm. Dagegen lebt die PaMth1-Deletionsmutante kürzer und wächst schlechter auf ROS-induzierenden Medien, sie zeigt allerdings keine erhöhte Menge von carbonylierten Proteinen im eindimensionalen „Oxyblot“. Die beobachtete Lebensspannenverkürzung der PaMth1-Deletionsmutante wird jedoch durch die Reversion dieser Stämme wieder aufgehoben, sodass die Hypothese des Schutzes vor der ROS-Generierung durch die Methylierung von Dihydroxylgruppen anhand der erhaltenen Daten unterstützt wird.
Untersuchungen zur molekularen Kontrolle der Kupferhomöostase in dem Ascomyceten Podospora anserina
(2007)
Das essentielle Spurenelement Kupfer ist Co-Faktor mehrerer Schlüsselenzyme (z B. Cu/Zn-SOD, Cytochrom c Oxidase). Da Kupfer leicht Elektronen aufnehmen und abgeben kann, eignet es sich besonders gut für Redox-Reaktionen. Wenn Kupfer jedoch mit Sauerstoff reagiert, entstehen hoch cytotoxische reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die nach der „freien Radikaltheorie des Alterns“ (nach D. Harman 1956) ursächlich für Alterung und Zelltod sind. Um deren Bildung zu vermeiden, erfolgen alle Aspekte des Kupferstoffwechsels – Aufnahme, Transport und Speicherung - stets proteingebunden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich bis auf drei Ausnahmen die gesamte bislang bekannte Maschinerie der molekularen Kupferhomöostase aus anderen Modellorganismen (z.B. S. cerevisiae oder H. sapiens) auch im Genom des Ascomyceten Podospora anserina mit Homologen bzw. Orthologen wiederfindet. Die drei Ausnahmen betreffen jeweils Proteine, für die in anderen Organismen mehrere Isoformen existieren und P. anserina nur jeweils ein Homolog/Ortholog besitzt. Für mehrere der neu vorhergesagten Gene (PaAtx1, PaCcc2, PaCcs1, PaCox11, PaCox19, PaCox23, PaSco1) konnte eine Expression im Wildstamm nachgewiesen werden. Dazu wurden Standardtechniken (Northern Blot Analyse, RT-PCR) und auch neu etablierte eGFP-Reporterkonstrukte verwendet. In Podospora anserina scheint Kupfer auf zwei verschiedene Arten Einfluss auf die Lebensspanne zu nehmen: Zum einen mittelbar darüber, dass die Verfügbarkeit von Kupfer über die in der mitochondrialen Atmung verwendete Endoxidase entscheidet. Bei Kupfermangel wird eine Eisen-abhängige alternative Oxidase (AOX) induziert. Durch Atmung über die AOX entstehen weniger ROS, was die Lebensspanne verlängert. Anhand einer Vielzahl langlebiger Mutanten konnte dieser Zusammenhang bereits mehrfach demonstriert werden. Zum anderen scheint Kupfer auch eine unmittelbare Rolle in der Seneszenz von P. anserina zu spielen. In früheren Arbeiten konnten mehrere indirekte Hinweise (Transkript- und Aktivitätsanalysen) gesammelt werden, dass im Alter die cytoplasmatische Kupferkonzentration drastisch ansteigt. Durch Messung der Kupferkonzentration mittels einer direkten chemisch-analytische Methode (TXRF) in fraktionierten Zellbestandteilen (Cytoplasma und Mitchondrien) konnten in dieser Arbeit diese Hinweise weiter untermauert werden. Experimente mit in die mitochondriale Matrix geleitetem eGFP brachten zusätzliche Indizien dafür, dass das mitochondriale Kupfer-Reservoir die Quelle des sich in seneszenten Pilzstämmen im Cytoplasma wiederfindenden Kupfers ist. Durch einen Prozess, der größenabhängig reguliert und in anderen Organismen als „Mitochondrial Permeability Transition – MPT“ zu Beginn der Apoptose bekannt ist, ergiesst sich beim Eintritt in die Seneszenz der Inhalt der mitochondrialen Matrix in das Cytosol. Die Bedeutung dieses Vorgangs und v.a. die Folgen der Umverteilung von Kupfer innerhalb der Zelle bleiben im Detail weiter zu klären. Durch die durchgeführten Arbeiten konnte ein weiterer deutlicher Beweis für das Ablaufen apoptotischer Mechansimen im Alterungsprozeß des Ascomyceten P. anserina erbracht werden.
Mitochondrien, Organellen der oxidativen Phosphorylierung, sind in vielfältiger Weise an Alterungsprozessen in unterschiedlichen Modellorganismen beteiligt. Viele Mechanismen und Faktoren, die das Altern beeinflussen, scheinen konserviert zu sein. In dem in dieser Arbeit untersuchten Ascomyzeten Podospora anserina treten z. B. altersabhängige Reorganisationen der mtDNA auf, die zu einem Verlust lebensnotwendiger Gene führen können. In Menschen wurden ebenfalls Umstrukturierungen des mitochondrialen Genoms in unterschiedlichen Geweben mit fortschreitendem Alter beschrieben. Umgekehrt treten manche Faktoren, die die Lebensspanne beeinflussen, nur in einigen Modellsystemen auf. Hierzu gehört z. B. die Induktion der alternativen Oxidase in vielen langlebigen P. anserina-Mutanten. Diese Modifikation in der Atmungskette kann in S. cerevisiae und Säugern nicht beobachtet werden, da diesen Organismen eine alternative terminale Oxidase der oxidativen Phosphorylierung fehlt. Der Fragestellung, wie die Atmungskette im Falle der exklusiven PaAOX-abhängigen Respiration in der unsterblichen Mutante ex1 hinsichtlich der Zusammensetzung und kinetischer Eigenschaften des Elektronentransports charakterisiert ist, wurde in der vorliegenden Arbeit nachgegangen. Über die funktionalen Eigenschaften der Mitochondrien hinaus ist auch die Morphologie dieser Organellen altersabhängiger Änderungen unterworfen. Hinsichtlich der Gestalt der Mitochondrien in verschiedenen Altersstadien ist nur sehr wenig bekannt. Bisher steht nur fest, dass der P. anserina-Wildstamm „S“ im mittelalten Stadium filamentöse Mitochondrien aufweist. Ob und in welchem Ausmaß es zu Veränderungen der mitochondrialen Morphologie während des Alterns im Wildstamm „s“ und der Mutante grisea kommt, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert. In der vorliegenden Arbeit wurde darüber hinaus PaDnm1 als putativer mitochondrialer Teilungsfaktor charakterisiert. Insbesondere die Modulation der PaDnm1-Expression durch Überexpression bzw. Deletion soll zeigen, welchen Einfluss PaDnm1 auf die mitochondriale Morphologie und andere phänotypische Parameter wie z. B. die Lebensspanne hat. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. Im Wildstamm „s“ wurde im Gegensatz zu ex1 durch enzymkinetische Analysen eine starke Interaktion der Komplexe I und III nachgewiesen. Ein Großteil der Komplexe I und III ist im Wildstamm „s“ in Form von Superkomplexen organisiert. In der Mutante ex1 liegen die Komplexe I und III dagegen hauptsächlich frei vor. Die spezifische Aktivität der Cytochrom-c-Reduktase ist in ex1 niedriger als im Wildstamm „s“. 2. Seneszente Isolate des Wildstammes „s“ und der PaDnm1::ble-Mutante weisen im Gegensatz zur Mutante grisea eine starke Freisetzung von Wasserstoffperoxid auf. 3. Juvenile und mittelalte Wildstamm „s“-Isolate enthalten überwiegend kurze, filamentöse Mitochondrien, die entlang der Hyphenachse im Cytoplasma orientiert sind. Im seneszenten Stadium kommt es zu einer starken mitochondrialen Fragmentierung. Der Übergang von einer filamentösen zu einer sphärischen Morphologie dieser Organellen tritt auch in Mutante grisea auf. In ex1-Hyphen sind hauptsächlich filamentöse Mitochondrien enthalten. Initiale Analysen zur mitochondrialen Feinstruktur zeigen, dass in Wildstamm „s“ und Mutante grisea eine lamellenartige Cristaestruktur erkennbar ist. In der Mutante ex1 hingegen erscheinen die Cristae ungeordneter und weniger zahlreich. 4. Die Mitochondrienfragmentierung im seneszenten Wildstamm „s“ korreliert mit einer Induktion der Transkription von PaDnm1. In Mutante grisea ist die PaDnm1-Transkriptmenge während des Alterns konstant, obwohl sich die mitochondriale Morphologie wie im Wildstamm „s“ verändert. Überexpression von PaDnm1 führt zur Mitochondrienfragmentierung während die gezielte Deletion dieses Gens eine starke Elongation der Mitochondrien zur Folge hat. PaDnm1 ist somit das erste in einem filamentösen Pilz charakterisierte Gen der mitochondrialen Teilungsmaschinerie. 5. PaDnm1::ble-Isolate zeigen im seneszenten Stadium mitochondriale Fragmentierung wie Wildstamm „s“ und Mutante grisea. Das mitochondriale Genom von PaDnm1::ble ist stabilisiert, d. h. die Bildung der seneszenzfördernden plDNA wird unterdrückt. Die mittlere Lebensspanne der PaDnm1::ble-Mutante ist deutlich (> Faktor 10) gegenüber der des Wild-stammes „s“ erhöht. Bemerkenswerterweise zeigt PaDnm1::ble im Gegensatz zu anderen langlebigen P. anserina-Mutanten nach der Sporenkeimung keine physiologischen Defekte: Wuchsrate, männliche und weibliche Fertilität, Myzelmorphologie und Mitochondrien-segregation während der Ascosporengenese sind nicht eingeschränkt. Allerdings weist PaDnm1::ble eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Ammoniumazetat auf. Dies äußert sich in einer Inhibierung der Sporenkeimung und einer Verringerung der Wuchsrate bei Anzucht der Mutante auf AmAc-haltigem Medium.
The hypothesis that oxidative stress plays a role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) was tested by studying oxidative damage, acitvities of antioxidant enzymes and levels of reactive oxygen species (ROS) in several models. To this end, mouse models transgenic for mutant presenilin (PS1M146L) as well as mutant amyloid precursor protein (APP) and human post mortem brain tissue from sporadic AD patients and age-matched controls were studied. Aging leads to an upregulation of antioxidant enzyme activities of Cu/Zn-superoxide dismutase (Cu/Zn-SOD), glutathione peroxidase (GPx) and glutathione reductase (GR) in brains from C57BL/6J mice. Simultaneously, levels of lipid peroxidation products malondialdehyde MDA and 4-hydroxynonenal HNE were reduced. Additionally, pronounced gender effects were observed, as female mice display better protection against oxidative damage due to higher activity of GPx. Hence, antioxidant enzymes provide an important contribution to the protection against oxidative damage. In PS1M146L transgenic mice oxidative damage was only detectable in 19-22 months old mice, arguing for an additive effect of aging and the PS1 mutation. Both HNE levels in brain tissue as well as mitochondrial and cytosolic levels of ROS in splenic lymphocytes were increased in PS1M146L mice. Antioxidant defences were unaltered. In PDGF-APP and PDGF-APP/PS1 trangenic mice no changes in any of the parameters studied were observed in any age group. In contrast, Thy1-APP transgenic mice display oxidative damage as assessed by increased HNE levels. Reduced activity of Cu/Zn-SOD may explain this observation. Additionally, gender modified this effect, as female APP transgenic mice display higher b-secretase cleavage of APP and simultaneously increased HNE levels and reduced Cu/Zn-SOD activity earlier than male mice, i.e. from an age of 3 months and before the formation of Ab plaques. Reduced Cu/Zn-SOD activity was also found in another APP transgenic mouse model, in APP23 mice. In post mortem brain tissue from sporadic AD patients activities of Cu/Zn-SOD and GPx were however increased, and changes were most pronounced in temporal cortex. Simultaneously, levels of HNE but not MDA were elevated. Additionally, in vitro stimulation of lipid peroxidation led to increased MDA formation in samples from AD patients, indicating that increased activity of Cu/Zn-SOD and GPx are insufficient to protect against oxidative damage. Furthermore, the observed changes were subject to a gender effect, as samples from female AD patients showed increased activities of Cu/Zn-SOD and GPx as well as increased HNE levels, indicating that brain tissue from females is more sensitive towards oxidative damage. Levels of soluble Ab1-40 were positively correlated with with MDA levels and activities of Cu/Zn-SOD and GPx. Additionally, levels of lipid peroxidation products MDA and HNE are gene-dose-dependently modulated by the Apolipoprotein E4 allele, the most important genetic risk factor for AD known so far. While MDA levels were negatively correlated with MMSE scores, a measure for cognitive function, HNE levels were highest in AD patients with moderate cognitive impairment. Hence, increased HNE levels may play an important role in neurodegenerative events at an early disease stage. In summary, oxidative damage, as assessed by increased HNE levels, could be detected in sporadic AD patients and in different transgenic mouse models. The results of this thesis therefore support the further research of pharmacological targets aiming at augmentation of antioxidant defences for therapy or prophylaxis of Alzheimer’s disease.
Aging and age-related diseases are becoming more and more important for our society and our health care system. Alzheimer's disease (AD) is a disorder that destroys some parts of the brain and is characterized by global cognitive decline including a progressive irreversible loss of memory, orientation, and reasoning. “Healthy aging”, therefore, is one of the major aims for modern medicine. Apoptosis, or programmed cell death, plays an important role for example in fetal development, as well as for learning processes. T-lymphocytes usually undergo apoptosis in order to terminate an acute inflammation. The aim of this thesis was to explore the changes in the apoptotic mechanism of peripheral lymphocytes from Alzheimer’s disease (AD) patients in contrast to physiological aging. The experiments were conducted with lymphocytes of healthy volunteers of different ages, AD patients and young and aged mice. Moreover, transgenic mice carrying familiar AD-related mutations were examined. The aging study of peripheral cells of ‘healthy’-aged volunteers revealed an age-related increase of basal apoptosis. In addition, spontaneous apoptosis as well as apoptosis induced by oxidative stress (ROS) or by Fas engagement were enhanced in aging. A closer look at the subcellular basis of the lymphocytes (e.g. B-, NK-, CD4+-, and CD8+-T cells) determined that all lymphocyte subsets were affected by aging. Therefore, it could be concluded that the regulation of apoptosis is generally impaired in lymphocytes of aged persons. The increased susceptibility to oxidative stress supports the ‘Free radical theory of aging’ that claims the radicals to be the cause for the aging-process. In mice an increase of basal, spontaneous and ROS-induced apoptosis was detected in T cells from the spleen, as well. An oral treatment over two weeks with the Ginkgo biloba extract EGb761 showed a clear reduction of ROS-induced apoptosis in the treated group. Interestingly, basal and spontaneous apoptosis, e.g. physiological apoptosis, were not effected by the plant extract. This is an important benefit for therapy since physiological apoptosis has a great relevance in the elimination of cancer-cells for example. In conclusion, the antidementive drug EGb761 reduces specifically ROS-induced apoptosis that a plays an important role in aging as shown in this thesis. Based on the data found in healthy aging, lymphocytes from AD patients were assessed for apoptosis. The cells show enhanced levels of basal, spontaneous, and Fas-induced apoptosis. In subsequent experiments it was demonstrated that mainly the T cells were responsible for the findings. However, the NK-cells provided an important impact as well. In concordance with AD-affected neurons, peripheral lymphocytes of AD patients show clear signs of apoptotic cell death. In addition, basal apoptosis of T cells and the CD4/CD8-ratio showed a correlation with the severity of the dementia. Therefore, it could be speculated that apoptosis is due to activation-induced cell death (AICD) that occurs in acute and chronic activation of adaptive immunity. In AD there is a chronic neuroinflammation in the CNS triggering degeneration of neural tissue. In order to explore this, the experimental model of lymphocyte’s activation was established in healthy aging first. The study included the detection of various events of lymphocyte’s activation on the basis of the T cell subsets (CD4+ and CD8+). The inducibility to mitogenic stimulation clearly decreased in both subsets in aging. In contrast, T lymphocytes from AD patients showed an enhanced activation subsequent to mitogenic stimulation compared with age-matched nondemented persons. Only proliferation of CD8+ T cells was clearly reduced in AD. This data could be clues that an increased generation of memory T cells due to chronic neuroinflammation might be evident in AD. Memory T lymphocytes show increased inducibility upon mitogenic activation. Interestingly, CD8+ memory T cells display decreased prolifertive capacity. Due to activation, cells die by apoptosis later on. It could be concluded that AD patients display an increased amount of memory T cells compared to controls. The data implicate that there could be a cross talk between inflammatory within the brain and inflammatory cells of the periphery. This is an interesting point since the brain used to be assumed as immune-privileged zone. According to the experiment, the information of the diseased brain is transferred to white blood cells. The connection of those two compartments might raise the opportunity to observe and probably to influence easily not-accessible regions like the brain. Transgenic mice carrying mutations in familiar AD-relevant genes (Amyloid-Precursor-Protein, Presenilin-1, respectively) displayed enhanced levels of apoptotic T cells from the spleen, as well. It seems that those mutated proteins influence the regulation of apoptosis. Probably, they are involved in the increased cell death of T- and NK-cells, as well. Animals overexpressing Presenilin-1 showed reduced levels of apoptotic cell death. It was demonstrated with molecuar biology tools that Presenilin-1, processed during apoptosis, has an anti-apoptotic effect.