Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Dissecting the complexities of mammalian heart development and regenerative capacity require thorough understanding of the underlying molecular mechanisms through the expression pattern of proteins and post-translational modifications. To obtain insights intoactivated signaling pathways that control the cellular phenotype during postnatal heart development, we generated a comprehensive map of phosphorylation sites. In total we identified 21,261 phosphorylation sites and 8985 proteins in developing mouse hearts by mass spectrometry. The in-vivo SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture) approach allowed robust quantification of phosphorylation sites and proteins, which are regulated during heart development. We found several activated pathways involved in cell cycle regulation and detected numerous kinases and transcription factors to be regulated on protein and phosphopeptide level. Most strikingly, we identified a novel mitochondrial protein, known previously as Perm1, as a highly phosphorylated factor regulated during heart development. We renamed Perm1 as MICOS complex subunit Mic85 since it shows robust physical interaction with MICOS complex subunits, including Mitofilin (Mic60), Chchd3 (Mic19), Chchd6 (Mic25) and the outer membrane protein Samm50. Moreover, Mic85 is localized to the mitochondrial inner membrane facing the intermembrane space and the dynamics of Mic85 protein expression is regulated by the ubiquitin-proteasomal system through phosphorylation of casein kinase 2 on its PEST motif. Silencing of Mic85 in cultured neonatal cardiomyocytes impairs mitochondrial morphology and compromises oxidative capacity. Our findings support a clear role for Mic85 in the maintenance of mitochondrial architecture and in its contribution to enhanced energetics during developing and adult mouse cardiomyocytes. The transgenic Mic85 knockout mouse generated with a GFP knock-in will support future in vivo investigations on the integrity of mitochondria and the function of Mic85 in cardiac development.
Ubiquitin and the ubiquitin-like protein ATG8 are covalently attached to their respective targets via a coordinated cascade involving E1 activating, E2 conjugating and E3 ligating enzymes. Whereas ubiquitin is conferred to proteins as mono- and/or polymer(s) to alter their stability, localization and/or activity, the ubiquitin-like modifier (UBL) ATG8 is conjugated to the phospholipid phosphatidylethanolamine (PE). The best understood function of ATG8 is during autophagy where ATG8-PE conjugates are incorporated into both layers of incipient autophagosomes and serve as multipurpose docking sites for autophagosomal cargo receptors as well as regulatory factors (termed adaptors) that drive formation and maturation of autophagosomes. Mammalian cells harbor six ATG8 family members that can be subclassified into the LC3- and GABARAP-family and that can all be lipidated. However, it is currently unclear to what extent these proteins are functionally redundant or fulfil unique roles.
Cullin-RING ligase complexes (CRLs) are modular E3 ubiquitin ligases that comprise a RING-finger protein that associates with the ubiquitin-charged E2 enzyme, a substrate recruiting module as well as a cullin scaffold as a linker between RING protein and substrate adaptor. Whereas SCF (SKP1-CUL1-F-box protein) complexes, the most studied CRLs, harbor cullin-1 (CUL1) as scaffold and F-box proteins as substrate binding modules, CUL3-containing CRL complexes employ cullin-3 (CUL3), RING-box protein 1 (RBX1) and BTB proteins as substrate adaptors. Here, the BTB domain serves as binding interface for CUL3 and is usually complemented by an additional protein-protein interaction domain such as MATH or Kelch that mediates binding to the substrate of the E3 ligase complex.
Besides ubiquitylation, guanine nucleotide binding is another common way to regulate protein activity and signaling in cells. Here, small Rho GTPases cycle between active and inactive states by binding of the guanine nucleotides GTP or GDP with the help of regulatory proteins. Whereas GTPase-activating proteins (GAP) render RAC1 inactive by facilitating GTP hydrolysis, guanine exchange factors (GEF) such as T-lymphoma invasion and metastasis-inducing protein 1 (TIAM1) activate RAC1 by stimulating the exchange of GDP to GTP. Local control of RAC1 activity is essential to allow a specific cellular response to stimuli such as growth factors or migratory impulses.
This study reports an unexpected link between the GABARAP subfamily of mammalian ATG8 proteins, the ubiquitin proteasome system and RAC1 through the ubiquitylation of the RAC1 GEF TIAM1. The Kelch repeat and BTB domain-containing proteins 6 (KBTBD6) and 7 (KBTBD7) were established as heterodimeric substrate adaptors for CUL3. Interestingly, a thorough proteomic analysis revealed a number of putative substrates but, out of 11 substrate candidates tested, only the RAC1 GEF TIAM1 appeared to be influenced by depletion of CUL3KBTBD6/KBTBD7. Binding studies showed that KBTBD7 binds TIAM1 via the Kelch repeats and that this binding was markedly enhanced when CUL3 activation was abolished upon treatment with the neddylation inhibitor MLN4924. Also, total TIAM1 abundance was increased upon CUL3KBTBD6/KBTBD7 depletion and accumulation of TIAM1 upon proteasome inhibition suggested that TIAM1 is degraded via the proteasome. In vivo ubiquitylation assays and denaturing immunoprecipitations as well as mass spectrometrical analysis confirmed that CUL3KBTBD6/KBTBD7 ubiquitylates TIAM1 at two distinct lysines (K1404 and K1420) close to its C-terminus.
Previously, KBTBD6 and KBTBD7 were found as interactors of several members of the human ATG8 family of proteins in a proteomic study analyzing the human autophagy network. This association was confirmed in the present work. Furthermore, peptide array technology and mutational analysis revealed that KBTBD6 and KBTBD7 employ a classical ATG8-family interacting motif (AIM; also referred to as LC3-interacting region or LIR) as binding interface. The AIMs of KBTBD6 (W-V-R-V) and KBTBD7 (W-V-Q-V) fulfil the consensus AIM sequence motif (F/W/Y1-X2-X3-I/L/V4) and are preceded by several acidic residues and serines. A series of structural and cell biological experiments revealed a binding preference for the GABARAP subfamily of human ATG8 proteins and most importantly, a requirement of the GABARAP-KBTBD6 and -KBTBD7 interaction for TIAM1 ubiquitylation. The finding that TIAM1 binding to KBTBD6 and KBTBD7 AIM mutants was diminished raised the possibility that GABARAP binding mediates the recruitment of CUL3KBTBD6/KBTBD7 to membranes where TIAM1 is localized. Interestingly, colocalization of KBTBD6, GABARAPL1 and TIAM1 in punctuate structures could be observed. Since only a very small fraction of GABARAPL1 colocalized with LC3B, and colocalization between KBTBD6 and LC3B was not observed, these vesicular structures are most likely distinct from autophagosomes. Furthermore, TIAM1 ubiquitylation was reduced when GABARAP, but not LC3B, was depleted or when lipidation of GABARAP was prevented.
Stabilization of TIAM1 upon KBTBD6 and/or KBTBD7 depletion led to elevated TIAM1-dependent RAC1 activity, altered actin morphology with increased cortical actin and loss of vinculin foci. Re-introduction of wild-type KBTBD6 or KBTBD7 but not AIM mutants reverted all these phenotypes. Moreover, depletion of KBTBD6 or KBTBD7 in human breast cancer cells massively increased their invasiveness, whereas TIAM1 knockdown had the opposite outcome. All physiological effects of KBTBD6 and KBTBD7 depletion were inhibited by additional depletion of TIAM1 or RAC1 confirming that the phenotypes observed are indeed mediated by the CUL3KBTBD6/KBTBD7-TIAM1-RAC1 signaling pathway. Intriguingly, KBTBD6 and KBTBD7 were not subject to autophagosomal degradation, thereby establishing a new function for GABARAP proteins beyond autophagosomal degradation in providing a signaling platform for recruitment of the E3 ligase CUL3KBTBD6/KBTBD7 in close proximity to its substrate TIAM1, enabling localized ubiquitylation.
Local restricted control of RAC1 activity by ubiquitylation has been described for TIAM1-RAC1 signaling previously. Examples are HECT, UBA and WWE domain-containing protein 1 (HUWE1)-mediated TIAM1 ubiquitylation that occurs predominantly at cell-cell-junctions in response to hepatocyte growth factor stimulation in MDCKII cells or inhibition of RAC1 activity by the RAC1 GAP protein BCR (breakpoint cluster region) at the leading edge of astrocytes through binding to the TIAM1-Par (polarity) complex. SCFBTRC mediates ubiquitylation of TIAM1 in response to mitogens or DNA damage, though it has not been explored whether this regulation is spatially restricted. Thus, this study adds a novel layer of complexity to the spatial regulation of RAC1 signaling by implicating membrane-bound human ATG8 proteins in this process.
Also, this study is the first report specifically implicating the GABARAP proteins in cellular signaling events. It will be interesting to explore whether the concept of localized signaling mediated by GABARAPs applies to other substrates of CUL3KBTBD6/KBTBD7 and membranerelated signaling processes in which GABARAP proteins are involved. Controlling RAC1 activity at GABARAP-decorated membranes might also be important for trafficking events or autophagy since it was described that RAC1 has an inhibitory function on autophagy. Therefore, spatial restricted ubiquitylation of TIAM1 resulting in specific deactivation of RAC1 could promote the autophagic process when locally needed. Although the catalytic mTOR inhibitor Torin1 and the lysosomal H+ ATPase inhibitor BafilomycinA1 promoted TIAM1 ubiquitylation by increasing the pool of membrane-conjugated GABARAP, but other signals that stimulate GABARAP-KBTBD6/KBTBD7 association and subsequent TIAM1 ubiquitylation are to be identified. Besides, determining the KBTBD6/KBTBD7 binding site in TIAM1 or uncovering a deubiquitylating enzyme (DUB) that locally counteracts the ubiquitylation of TIAM1 will enable a better comprehension of the complete localized signaling cascade.
In der vorliegenden Doktorarbeit zur Untersuchung der Rolle der Superoxid-Dismutasen in P. anserina lieferten die durchgeführten Analysen folgende Ergebnisse:
1)Sowohl in P. anserina als auch in S. cerevisiae wurde eine gemeinsame Regulation von SODs nachgewiesen: Stämme, die die mitochondriale MnSod (PaSod3 bzw. ScSod2) überexprimieren zeigen eine erhöhte Cu/ZnSOD-Aktivität (PaSOD1 bzw. ScSOD1).
2)Es konnte keine SOD-Aktivität für die putativen SODs Pa_1_10620, Pa_1_10630 und Pa_1_6300 detektiert werden. Für Pa_1_10620, dessen Überexpression unter Standardbedingungen zu einer Lebensverlängerung führt, wird eine Funktion als mitochondriales ribosomales Protein angenommen.
3)Der ∆PaSod3-Stamm weist keinen Unterschied im Phänotyp, der Wuchsrate und der Lebensspanne unter Standardbedingungen zum Wildtyp auf. Paraquat-Stress führt allerdings zu einer Kurzlebigkeit des ∆PaSod3-Stammes, wohingegen diese Mutante eine höhere Resistenz gegenüber Wasserstoffperoxid aufweist als der Wildtyp.
4)Transkriptomanalysen des Wildtyps und der ∆PaSod3-Mutante lassen vermuten, dass eine Hochregulation von Detoxifizierungs- und Energie-abhängigen Prozessen die durch den Verlust der mitochondrialen PaSOD3 vermuteten negativen Auswirkungen kompensieren.
5)PaSod3_OEx-Stämme weisen unter Standardbedingungen aufgrund der erhöhten intrazellulären Wasserstoffperoxid-Menge, bedingt durch die vermehrte Umsetzung von Superoxid, diverse negative Auswirkungen auf: Eine reduzierte Wuchsrate, verkürzte Lebensspanne, geringere Fertilität, stärkere Pigmentierung, vermehrt fragmentierte Mitochondrien, mehr unprozessierte mitochondriale Proteine und weniger Komplex IV der Atmungskette als der Wildtyp. Zusätzlich wird vermehrt über die alternative Oxidase geatmet, um die ROS-Generierung zu reduzieren.
6)Oxidativer Stress in Form von Paraquat führt in PaSod3_OEx-Stämmen zu einer weiteren Verkürzung der medianen Lebensspanne, während die maximale Lebensspanne von PaSod3_OEx3-Stämmen im Vergleich zum Wildtyp sogar verlängert ist. Wasserstoff-peroxid resultiert in stark verringerten medianen und maximalen Lebensspannen beider PaSod3-überexprimierenden Stämme.
7)Die Anzucht auf Medium mit zusätzlichem Mangan (80 µM MnSO4) kann die beobachteten Defekte der PaSod3_OEx-Stämme fast vollständig auf Wildtyp-Niveau revertieren: Die Wuchsrate, die Lebensspanne, der Phänotyp, die Mitochondrien-morphologie, die Prozessierung mitochondrialer Proteine und die Atmung entsprechen dem Wildtyp. Lediglich die Fertilität erreicht nicht das Wildtyp-Niveau. Diese positiven Effekte von Mangan werden erzielt, da die erhöhte Wasserstoffperoxid-Menge in PaSod3_OEx-Stämmen entsprechend ihrer Entstehung detoxifiziert wird, denn Mangan führt zu einer gesteigerten Transkription bzw. Aktivität von Katalasen und Peroxidasen sowie zu einer erhöhten Peroxiredoxin-Menge.
8)Die Anzucht des Wildtyps unter Wasserstoffperoxid-Stress resultiert in einer Lebens-spannenverkürzung. Diese kann durch Supplementation mit Mangan revertiert werden. Unter diesen Bedingungen weisen u. a. Peroxidasen eine erhöhte Aktivität auf.
Insgesamt ließen die gewonnenen Daten den Schluss zu, dass das Genom von P. anserina für drei aktive SODs kodiert. Ein Verlust der einzigen mitochondrial lokalisierten SOD kann durch die Induktion von Energie-abhängigen Prozessen sowie von Detoxifizierungsprozessen kompensiert werden. Ferner weisen die durchgeführten Studien darauf hin, dass PaSod3_OEx-Stämme als Modell für erhöhte intrazelluläre Wasserstoffperoxid-Mengen in P. anserina verwendet werden können. Darüber hinaus wurde ein Zusammenhang zwischen Mangan und dem Detoxifizierungs-netzwerk in P. anserina nachgewiesen. Dabei können zwei Mechanismen zur Reduktion der Wasserstoffperoxid-Mengen unterschieden werden: Bei Vorhandensein ausreichender Mengen Mangan kommt es zu einer stärkeren Detoxifizierung von Wasserstoffperoxid. Ist Mangan allerdings limitiert und die Detoxifizierung kann nicht gesteigert werden, wird eine Umstellung der Atmung eingeleitet, um die neu entstehende ROS-Menge zu minimieren.
Die vorliegende Dissertation mit dem Titel: Ecophysiological monitoring of Oaks in Central Europe, introduced in the framework of proactive climate change mitigation beschäftigt sich mit der Anwendung zerstörungsfreier, radiometrischer Methoden zur Bestimmung von Pigment- und Stickstoffkonzentrationen und der photosynthetischen Funktionalität in Blättern von heimischen und gebietsfremden Eichen und ihre Beeinflussung durch Trocken-, Hitze- und Kältestress.
Die Eichenarten Quercus robur L. (Stieleiche), Q. pubescens Willd. (Flaumeiche), Q. frainetto Ten. (Ungarische Eiche), Q. ilex L. (immergrüne Steineiche) und Q. rubra L. (amerikanische Roteiche) wurden im Frühjahr 2011 auf einer Versuchsfläche im Frankfurter Stadtwald gepflanzt, um ihre Nutzung als potentielle Waldbäume in einem sich ändernden Klima zu untersuchen. Über eine Dauer von zwei Jahren wurden diese Arten mit einem hohen Maß an blattspezifischer Merkmalsvariabilität beobachtet und beprobt. Ziel war es, die interspezifischen Unterschiede und die jahreszeitliche Dynamik von morphologischen und chemischen Blattmerkmalen sowie die Beeinflussung der radiometrischen Bestimmung des Chlorophyllgehaltes (und damit assoziierten Komponenten wie z.B. Blattstickstoffgehalt und Karotinoiden) und der photosynthetischen Funktionalität durch klimatische Umweltbelastungen in Eichen zu untersuchen. Die Analyse der Blattproben zielte neben der Bestimmung der Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Pigmentgehalten auf die Ermittlung des Einflusses der Blattstruktur auf die Lichttransmission im roten und infrarotem Bereich des Elektromagnetischen Spektrums ab, sowie auf die artspezifische Korrelation von Blattstickstoff zu Blattchlorophyll zu dessen indirekte Quantifizierung. Des Weiteren wurden Versuche zur Trocken- und Hitzestressanpassung durchgeführt, um eine potentiell artspezifische Stressantwort, sowie eine mögliche Beeinflussung der aufgenommenen radiometrischen Messwerte zu ermitteln. Ein zusätzliches Monitoringprogramm im Winter 2012/2013 mit einer Dauer von sechs Monaten ermöglichte die Überprüfung der Anpassungsfähigkeit der immergrünen Steineiche (Q. ilex) an mitteleuropäische Winterbedingungen und die Veränderung der photosynthetischen Funktionalität unter Kältestress. Messungen im Zusammenhang mit der praktischen Anwendbarkeit der zerstörungsfreien, optischen Methode und zur Bereitstellung von Referenzdaten für zukünftige Evaluierungen komplementieren die Untersuchungen.
Signifikante, artspezifische Unterschiede wurden in den blattmorphologischen Schlüsselmerkmalen in den Quercus-Arten ermittelt. Die artspezifischen Unterschiede in den morphologischen Blattmerkmalen beeinflussten auf signifikante Weise die Beziehung zwischen absoluten, massebasierten Pigment- und Stickstoffgehalten und deren radiometrischen Bestimmung. Wurden die Pigmentgehalte hingegen auf die Blattfläche bezogen und die Stickstoffgehalte mittels des Verhältnisses von Blattfläche zu Trockenmasse korrigiert, zeichnete sich eine Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Werten ab, der jegliche jahreszeitliche oder artspezifisch morphologische Variabilität fehlte und die somit für alle Quercus-taxa anwendbar ist. Koeffizienten für die Berechnung von flächenbezogenen Gehalten von Gesamtchlorophyll, Chl a, Chl b und Carotinoiden für die jeweiligen Quercus-taxa, wie auch für ein artübergreifendes Modell wurden ermittelt, um die Bestimmung dieser Gehalte während aller Entwicklungsstufen zu ermöglich. Aus der jahreszeitlichen Entwicklung der Pigmentgehalte konnten drei deutliche Phasen abgeleitet werden: Die Phase der Blattentwicklung im Frühling, einer Plateauphase mit geringen Veränderungen (“core vegetation time”) und die Phase des Pigmentabbaus während der Herbstlaubfärbung. Die Übergänge zwischen diesen Phasen variierten zum Teil erheblich zwischen einzelnen Individuen einer Art sowie zwischen den Arten, was Unterschiede in der potentiellen, jährlichen Kohlenstoffaufnahme nach sich zieht. Stressbedingungen, wie Hitze- Kälte- oder Trockenstress, können zu Veränderung von Fluoreszenzparametern ohne gleichzeitige Änderung des Pigmentgehaltes führen, wie auch die indirekte Bestimmung von mit Chl assoziierten Komponenten (Carotinoide, Chl a, Chl b) mittels optischer Bestimmung (durch die Veränderungen von Pigmentverhältnissen) beeinflussen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten, Modelle zur Berechnung von Blattpigmenten und Blattstickstoff aus optischem Messdaten, Veränderungen der photosynthetischen Funktionalität, sowie Referenzdaten für die zukünftig nutzbaren Eichenarten hinsichtlich artspezifischer und jahreszeitlicher Variabilität unter mitteleuropäischen Umweltbedingungen ermittelt werden, die eine Nutzung und Einordnung von zerstörungsfreien, optischen Messwerten zur Ermittlung von Vitalitätsunterschieden in Eichen ermöglichen.
Municipal wastewater contains nutrients valuable for a reuse in agriculture and can be the source of a multitude of chemicals used in private households and industry, too. As many of these chemicals are incompletely degraded during wastewater treatment, their residues remain partly in sewage sludge and partly in treated wastewater. Concerns are linked particularly to the so called micropollutants, i.e. anthropogenic organic substances such as personal care products, pharmaceuticals and biocides, for which scarce data on their degradability and environmental fate and particularly on their ecotoxicity are available. Thus, when reusing treated wastewater and sewage sludge for irrigation or as soil amendment for a sustainable land and water management, these wastewater-borne pollutants may enter soil, groundwater and surface water. The present work therefore aimed at assessing potential ecotoxic effects on aquatic and terrestrial organisms of reusing treated wastewater and sewage sludge. To this end, established as well as newly developed experimental approaches were used to investigate the problem on several levels. Individual wastewater-borne substances, samples from field study sites and samples from a soil column experiment simulating prolonged wastewater irrigation were examined.
At the start of the experimental work, the ecotoxicity of climbazole was characterised towards five aquatic and five terrestrial test organisms. Climbazole is an azole antimycotic agent applied in cosmetics and anti-dandruff shampoos and was recently detected in relatively high concentrations in treated wastewater and sewage sludge. In the present work climbazole was found to be particularly toxic towards plants such as water lentils with effective concentrations comparable to those of agricultural azole fungicides. Dwarfism, that is reduced shoot elongation observed in plants, pointed at a specific, phytohormone inhibiting mode of action of climbazole. Furthermore, the expected influence of the soil pH on the phytotoxicity of climbazole was experimentally confirmed.
Based on the findings for climbazole, two additional azole antimycotics, ketoconazole and fluconazole, and the regularly in sewage sludge detected biocide benzyldimethyldodecyl-ammonium chloride (BDDA) were investigated for their toxicity towards plants.
In aqueous medium, an increasing phytotoxicity from fluconazole to BDDA, ketoconazole and climbazole was observed, while in soil, phytotoxicity increased from BDDA to ketoconazole, climbazole and fluconazole. The relatively low terrestrial toxicity of BDDA and ketoconazole probably resulted from their strong binding to soil as well as their good biodegradability. To render the exposure scenario more realistic, sewage sludge was co-applied with the four test substances in a parallel test run. However, as no detectable influence on their effective concentrations was found, it can be assumed that the current practice of assessing sewage sludge borne substances with biotests in standard soil is sufficiently realistic. In a further study, different advanced sludge-treatment technologies were assessed for their efficacy in reducing pollutants. Results from the present work indicated that effects assessed in terrestrial short term biotests only seldom correlated with the concentrations of certain pollutants. Rather, a negative correlation of the stability of the sludges, determined by the ratio of volatile to total solids, to their ecotoxicity was seen.
Another aspect of the present work was the design and performance of an experimental approach to assess the environmental risk of a long-term irrigation with treated wastewater concerning the quality of soil and water in a prospective way, i.e. before the installation at field scale. For the simulation of a continuous irrigation corresponding to approximately 30 years, a percolation apparatus was developed and four different soils were percolated with treated wastewater for three months. Acute and chronic biotests with nine test organisms from different trophic levels (green algae, water lentils and water fleas as well as oilseed rape, oats, bacteria, spring tails, enchytraeids and earthworms) were used to assess the soil percolates as well as the soils with and without percolation. These investigations were accompanied by a comprehensive chemical monitoring conducted by project partners. Results indicated that the soil passage, that is the percolation through the soil, generally improved the quality of the treated wastewater as habitat for aquatic organisms which was visible by a reduction of its phytotoxicity. However, in some cases it deteriorated the water quality, probably resulting from the leaching of metals from pre-contaminated soil. A deteriorated habitat quality of the soil after the percolation with treated wastewater was observed for several test organisms and soils. In the same, mainly peaty soils, the highest accumulation of wastewater-borne micropollutants and of zinc was measured. Yet, their concentrations did not correlate to the observed biological effects. Moreover, data on ecotoxicity were only available for a small fraction of the detected substances so that their concentrations could not successfully be used to predict expected biological effects.
The experimental approach used in the present work demonstrated to be an adequate tool to support the prospective evaluation of environmental risks of treated wastewater irrigation. Overall, it can be concluded that the reuse of treated wastewater on soil can improve the quality of treated wastewater but that this can come at the cost of deteriorating the quality of the soil. As these risks cannot be generalised, a comprehensive biotest battery as well as chemical analysis should be used to assess them on a case-specific basis for each respective wastewater and the respective soil.
Seit mehr als 200 Jahren gibt es durch die Wissenschaftler der Wetterstation auf dem Hohenpeißenberg systematische Wetterbeobachtungen, doch erst seit wenigen Jahren gibt es unter den Klimaforschern einen Konsens, dass sich das Klima durch anthropogene Einflüsse schon verändert hat – und weiter verändern wird. Die bisherigen Auswirkungen, wie zum Beispiel ein globaler Temperaturanstieg von 0,85°C seit Beginn der Industrialisierung, sind heute gut belegbar. Mögliche zukünftige Entwicklungen des Klimas werden heute ebenso erforscht wie die Auswirkungen des Klimawandels auf Mensch und Umwelt. Zu diesen Auswirkungen gehören unter anderem Folgen für die Landwirtschaft. Durch veränderte Niederschläge und den Temperaturanstieg werden sich die Lebensbedingungen von Bodenorganismen und Anbaubedingungen für Pflanzen ändern. Letztendlich ist aufgrund dieser Veränderungen auch ein verstärkter Einsatz von Pestiziden zu erwarten. Allerdings wurde bisher kaum untersucht, ob der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft unter den Bedingungen des Klimawandels (konkret durch die Interaktion von klimatischen und chemischen Faktoren) ein erhöhtes Umweltrisiko für Bodenorganismen darstellt. Bisher werden klimatische Faktoren bei den Tests für die Zulassung von Pestiziden nicht berücksichtigt.
Daher wurde diese Fragestellung in der hier vorliegenden Dissertation am Beispiel der Effekte von zwei zugelassenen Pestiziden auf Bodenorganismen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen untersucht. Konkret wurden dazu mit Labor- und Halbfreilandversuchen die Wirkung eines Insektizids und eines Fungizids in Interaktion von Temperatur und Bodenfeuchte auf Vertreter zweier Invertebratengruppen (Collembola: zwei Arten; Enchytraeidae: eine Art) untersucht.
In einem modifizierten Standardtest mit Collembolen erhöhte sich die Toxizität des Insektizids Lambda-Cyhalothrin, wenn die Exposition der beiden Arten bei einer erhöhten Bodenfeuchte stattfindet. Die kühl adaptierte Art Folsomia candida reagierte bei erhöhter Testtemperatur am empfindlichsten auf diese Testsubstanz: Die EC50 aus diesem Experiment lag bei 2,84 mg (a.s.)/kg Boden Trockengewicht (dw). Unter Standardbedingungen, wie sie in Tests für die Zulassung von Pestiziden angewandt werden, lag die EC50 von F. candida dagegen bei 8,65 mg a.s./kg dw.
Unter den gleichen Versuchsbedingungen wurde auch das Fungizid Pyrimethanil an Collembolen getestet. Hier erwies sich die Testsubstanz für beide Arten bei
gleichzeitigem Trockenstress und / oder erhöhter Temperatur als toxischer im Vergleich zu den Standard-Testbedingungen. Dabei zeigte F. candida mit einer EC50 von 28,3 mg a.s./kg dw die höchste Empfindlichkeit. Ohne die veränderten klimatischen Faktoren, betrug die EC50 von F. candida 52,3 mg a.s./kg dw.
In Reproduktionstests mit der Enchytraeen-Art Enchytraeus bigeminus wurde die Bodenfeuchte als klimatischer Faktor in Kombination mit jeweils einer Testsubstanz untersucht. Bei beiden Chemikalien reagierte E. bigeminus in trockenem Boden empfindlicher. Die ermittelten EC50 betrugen 1,34 mg a.s./kg dw für Lambda-Cyhalothrin und 437 mg a.s./kg dw für Pyrimethanil. Getestet unter Standardbedingungen lagen die EC50-Werte bei 3,79 bzw. 499 mg a.s./kg dw.
Neben den Laborexperimenten wurden Tests in „Terrestrischen Modellökosystemen“ (TME) mit den gleichen Chemikalien in Kombination mit variierender Bodenfeuchte als klimatischer Faktor vorgenommen. Diese Experimente wurden in Deutschland und in Portugal durchgeführt, um die Reaktion einer zentraleuropäischen und einer mediterranen Artengemeinschaft zu untersuchen. Aus der terrestrischen Lebensgemeinschaft wurden verschiedene Organismengruppen untersucht. Die Effekte auf Enchytraeen aus dem Experiment mit Pyrimethanil waren als Veröffentlichung Teil dieser Dissertation. In der portugiesischen Halbfreilandstudie wurden keine Effekte auf die Enchytraeen durch Pyrimethanil bei umweltrelevanten Konzentrationen festgestellt, jedoch beeinflusste die Bodenfeuchte die Zusammensetzung der Artengemeinschaft. Im deutschen TME-Experiment wurde eine verstärkte Wirkung des Fungizids in trockenem Boden festgestellt, d.h. die jeweiligen Effektkonzentrationen (niedrigste EC50 3,48 mg a.s./kg dw für Fridericia connata in trockenem Boden) lagen deutlich unterhalb der aus den Labortests mit Enchytraeus bigeminus bekannten Werten (499 mg a.s./kg dw).
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass klimatische Faktoren die Effekte von Pflanzenschutzmittel auf Bodenorganismen beeinflussen können. Für Laborversuche ist eine generelle Berücksichtigung von klimatischen Faktoren im Zulassungsverfahren aus heutiger Sicht zu weit gegriffen. Die TME-Versuche zeigten sich als geeignetes Testverfahren, interaktive Effekte von Pestiziden und Klima bzw. multiplen Stressoren generell auf Artengemeinschaften zu untersuchen. Für TME-Experimente wäre unter Beachtung der Vielzahl möglicher Fragestellungen, Endpunkte und moderner statistischer Auswerteverfahren eine internationale Richtlinie wünschenswert.
Effekte von Neonikotinoiden auf die Aktivität des Muskels M17 und das Lernverhalten der Honigbiene
(2015)
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Auswirkung von Neonikotinoiden auf die Muskelspikeaktivität des Muskels M17 und auf das Lernvermögen in einer komplexen Aufgabe an der Honigbiene (Apis mellifera carnica) durchgeführt. Dabei wurden drei verschiedene Substanzen verwendet: Clothianidin, Thiacloprid und Imidacloprid. Neonikotinoide stehen häufig im Verdacht, für das Sterben von Bienenvölkern verantwortlich zu sein, da die Bienen bei ihrer Nahrungssuche an behandelten Pflanzen den Substanzen ausgesetzt sind und diese möglicherweise damit auch an ihr Volk weitergeben. Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen, diese mögliche Gefährdung der Honigbiene durch Neonikotinoide weiter aufzuklären und deren Risiken zu beurteilen. Der Hintergrund für die Versuche zur Muskelspikeaktivität waren vorangegangene Versuche, die Auswirkungen von Neonikotinoiden auf die Motorik von sich frei bewegenden Individuen dokumentierten. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob sich diese Effekte auch an der Spikeaktivität des Muskels M17 widerspiegeln. Dafür wurden Elektromyogramme des Muskels M17 zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Gabe der Substanzen erstellt und deren mediane Anzahl mit einer Kontrollgruppe verglichen.
In einem ersten Versuch wurden Clothianidin (1 µM), Thiacloprid (1 µM), Imidacloprid (1 µM) oder eine Kontrollsubstanz (PBS) in die Kopfkapsel appliziert. Beim Vergleich mit der Kontrollgruppe zeigten sich für Imidacloprid keine Auswirkungen. Clothianidin verursachte eine deutlich erhöhte mediane Spikerate des Muskels M17, während Thiacloprid diese absenkte, beides im Vergleich zur Kontrollgruppe. Auch bei einer um 30 Minuten versetzten Doppelapplikation von Clothianidin (1 µM) und Thiacloprid (10 µM) stellten sich diese Effekte ein, wobei Clothianidin eine dominante Rolle einzunehmen scheint. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Untersuchungen zur Laufaktivität, welche sich ebenfalls durch Clothianidin erhöhte und durch Thiacloprid absenkte.
Ein weiteres Experiment untersuchte die Auswirkung einer akuten Fütterung mit Clothianidin (1 ng in 1 µl) bzw. Thiacloprid (250 ng in 1 µl) auf die Anzahl der Muskelaktionspotenziale. Auch hier zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Spikeanzahl durch Clothianidin und eine Absenkung der Spikeanzahl durch Thiacloprid, was die Ergebnisse des ersten Versuchs nochmals bestätigt.
Des Weiteren wurden Untersuchungen zur Auswirkung einer chronischen Fütterung mit Clothianidin (50 ppb) bzw. Thiacloprid (5000 ppb) auf die Anzahl an Spikes durchgeführt. Die Bienen wurden dabei über mehrere Wochen im Volk mit den jeweiligen Substanzen gefüttert. Dabei zeigte sich, dass auch eine chronische Fütterung der Bienen mit Clothianidin ihre Anzahl an Muskelaktionspotenzialen deutlich erhöht, während eine chronische Fütterung mit Thiacloprid diese absenkt. In einer Kombination der chronischen Fütterung mit einer zusätzlichen akuten Fütterung des jeweils anderen Neonikotinoids zeigte sich, dass auch hier Clothianidin eine dominante Rolle gegenüber Thiacloprid einnimmt und auch keine synergistischen oder Gewöhnungseffekte der beiden Substanzen eintreten. Die chronisch eingefütterten Völker entwickelten sich dagegen wie die Kontrollvölker, sodass die hier beschriebenen Auswirkungen auf die Einzelbiene keine sichtbaren Effekte auf ganze Völker zu haben scheinen.
Zusätzlich wurden Versuche zum Duftlernen in einer komplexen Lernaufgabe, dem positiven Patterning, unter Einfluss von Clothianidin durchgeführt. Die Bienen müssen dabei zwischen unbelohnten Einzeldüften und einem belohnten Duftgemisch, bestehend aus den beiden Einzeldüften, unterscheiden. In verschiedenen Versuchsdurchläufen wurden 0,25 ng oder 1 ng Clothianidin (jeweils 1 µl) in den Thorax injiziert, entweder vor der Akquisitionsphase oder vor dem ersten Abruftest nach drei Stunden. In keinem der Versuchsdurchläufe zeigten sich Effekte des Clothianidins auf den Lernvorgang, weder in der Akquisitionsphase noch in den Abruftests. Somit wurden weder das Lernen an sich, noch die Konsolidierung und damit die Überführung des Gelernten in das Langzeitgedächtnis durch das Clothianidin beeinflusst. Allerdings könnte die Immunabwehr der Bienen nach längerer Einwirkung des Clothianidins (24 h) in der höheren Konzentration herabgesetzt sein, da viele Bienen starben.
Insgesamt ergaben sich Effekte von Clothianidin und Thiacloprid auf die Anzahl der Aktionspotenziale des Muskels M17, die sich aber im gesamten Volk nicht widerspiegeln. Der Lernvorgang in der hier durchgeführten komplexen Lernaufgabe wird durch Clothianidin nicht beeinflusst. Möglicherweise entsteht dieser Unterschied in den Ergebnissen durch eine Bindung der Substanzen an verschiedene Rezeptorsubtypen, die pharmakologisch unterschiedliche Eigenschaften besitzen und somit auch unterschiedliche Auswirkungen zeigen.
Der unscheinbare Fadenwurm "C. elegans" ist einer der ersten und bis heute wichtigsten Modellorganismen der Optogenetik. Zwei Frankfurter Arbeitsgruppen gelang es vor zehn Jahren erstmals, das Tier genetisch mit lichtaktivierbaren Ionenkanälen auszustatten und seine Bewegungen mit Licht zu steuern. Inzwischen studieren Forscher an dem durchsichtigen Wurm auch Prozesse, die für die medizinische Forschung bedeutsam sind – etwa die Entstehung und Behandlung genetisch bedingter Herz-Rhythmus-Störungen.
Die Endometriose ist eine gynäkologische Erkrankung, bei der epitheliale und stromale Zellen des Endometriums Läsionen außerhalb des Uterus bilden, die in ihrem Aufbau dem Endometrium gleichen. Diese Läsionen, sowie deren zyklische Proliferation, führen zu Schmerzen bei betroffenen Frauen. In isolierten, invasiven Epithelzellen (EEC145T) einer Endometriose-Läsion konnte die Expression von Shrew-1 gezeigt werden. Auch in anderen zellulären Zusammenhängen fördert die Expression von Shrew-1 den invasiven Phänotyp. Shrew-1 ist ein Transmembranprotein, das in Epithelzellen mit den Adhärenzverbindungen assoziiert ist und Interaktionen mit β-Catenin und E-Cadherin eingeht. In MCF7-Zellen fördert die Expression von Shrew-1 die EGF-induzierte Internalisierung von E-Cadherin, welche zur Verminderung der Zell-Zell-Adhäsion führt. In 12Z- und HT1080-Zellen konnte eine Interaktion mit CD147 gezeigt werden. CD147 fördert die Aktivität von MMPs und in Shrew-1-überexprimierenden HT1080-Zellen konnte eine erhöhte Aktivität der MMP9 gezeigt werden. Shrew-1 wirkt somit auf die Invasivität von Zellen und ist gleichzeitig Teil der Adhärenzverbindung. Aus diesem Grund wird Shrew-1 eine modulatorische Rolle in diesem Kontext zugeschrieben.
In immunhistologischen Färbungen von Shrew-1 und E-Cadherin konnte in Adenomyose-Läsionen eine inverse Expression der beiden Proteine in einigen epithelialen Zellen gezeigt werden, die im Endometrium nicht detektiert werden konnten. In den epithelialen Endometriose-Zelllinien 12Z und 49Z, die kein E-Cadherin exprimieren und äquivalent zu der Zelllinie EEC145T sind, führte die Herunterregulation von Shrew-1 (Shrew-1 KD) zur Reexpression von E-Cadherin. E-Cadherin ist in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen an der Plasmamembran lokalisiert und interagiert mit β-Catenin, wodurch seine Assoziation mit den Adhärenzverbindungen wahrscheinlich ist. Die Herunterregulation von Shrew-1 führt zu einer verminderten Motilität und Invasivität der 12Z-Zellen, wobei die reduzierte Invasivität nicht alleine auf die Reexpression von E-Cadherin zurückgeführt werden kann. Es ist zu vermuten, dass das verminderte invasive Verhalten mit der ausbleibenden Interaktion von Shrew-1 mit CD147 zusammenhängt, welches die Aktivität von MMPs fördert.
Da Shrew-1 eine direkte Interaktion mit β-Catenin eingehen kann, ist es möglich, dass die Herunterregulation von Shrew-1 zu Veränderungen in der Lokalisation von β-Catenin und weiteren Proteinen, die mit den Adhärenzverbindungen assoziiert sind (p120 Catenin und Aktin), führen. Dies konnte jedoch nicht beobachtet werden. Eine verstärkte Lokalisation von Vinculin an den Enden von Aktin-Stressfasern sowohl in Zellausstülpungen als auch an Zell-Zell-Kontakten konnte in 12Z-Zellen nach der Herunterregulation von Shrew-1 beobachtet werden. Dies könnte eine Folge der E-Cadherin-Reexpression oder entscheidend für die Lokalisation von E-Cadherin an der Membran sein.
Die Reexpression von E-Cadherin, die in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen auf mRNA- und Protein-Ebene nachgewiesen werden kann, erfolgt in den 12Z-Zellen vermutlich hauptsächlich über Veränderungen von Histon-Acetylierungen, da die Behandlung mit dem HDAC-Inhibitor TSA die Expression von E-Cadherin in den 12Z-Zellen induziert. Eine verstärkte H3K9-Acetylierung am CDH1-Promotor konnte in ChIP-Analysen in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen gezeigt werden. Die gesteigerte Acetylierung resultiert vermutlich aus der verminderten Assoziation von HDAC1 und HDAC2 mit dem CDH1-Promotor in diesen Zellen. Eine Beteiligung der Repressoren Snail, Slug, Twist und ZEB1 an der Reexpression von E-Cadherin in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen konnte nicht gezeigt werden. Ebenso scheinen Veränderungen am Methylierungsstatus des CDH1-Promotors nach der Herunterregulation von Shrew-1 nicht zu erfolgen.
TSA induziert auch in weiteren epithelialen Endometriose-Zelllinien (10Z und 49Z) die Expression von E-Cadherin. In stromalen Zellen führt hingegen weder TSA noch die Herunterregulation von Shrew-1 zur Expression von E-Cadherin (17B, 18B und 22B). Dies weist darauf hin, dass die Herunterregulation von Shrew-1 über die Veränderungen von Histon-Acetylierungen wirkt und dass dieser Mechanismus in epithelialen Endometriose-Zellen entscheidend ist. In den stromalen Zellen muss die Expression von E-Cadherin über einen anderen und/oder weitere Mechanismen blockiert sein.
Auch der Wnt-Signalweg scheint an der Reexpression von E-Cadherin in 12Z-Zellen beteiligt zu sein. Die Inhibierung der GSK3β (LiCl und SB216763) führt zur Expression von geringen Mengen an E-Cadherin. In 12Z Shrew-1 KD-Zellen führt die Stabilisierung von Axin (XAV939) zur verminderten Expression von E-Cadherin. Dies lässt darauf schließen, dass Shrew-1 auch einen Einfluss auf den Wnt-Signalweg hat, was vor allem durch dessen Interaktion mit β-Catenin wahrscheinlich ist.
Die Arachidonsäurekaskade spielt bei Entzündungsprozessen und der Schmerzentstehung eine wichtige Rolle. Deren primäre Produkte, die Leukotriene und die Prostaglandine, sind entzündungsfördernde Mediatoren und nehmen Einfluss auf den Entzündungs-auflösendenprozess und sind bei einer Dysregulation für diverse Erkrankungen wie z.B. Asthma bronchiale und allergische Rhinitis mitverantwortlich. Die Kaskade gliedert sich mit ihren beiden Hauptenzymen, Cyclooxygenase und 5-Lipoxygenase (5-LO), in zwei Wege auf. Beide Enzyme sind außerdem in der Lage entzündungsauflösenden Mediatoren zu bilden. Die Mediatoren wie z.B. Lipoxin können im Zellstoffwechsel einerseits über die Lipoxygenase-Route, oder andererseits wie „aspirin-triggered“-Lipoxin von der durch geeignete Wirkstoffe acetylierten Cyclooxygenase-2 (COX-2) katalysiert werden. Diese Mediatoren werden benötigt, um (chronische) Entzündungen und beschädigtes Gewebe zurück zur Homöostase zu führen.
Die Pharmakotherapie chronisch entzündlicher Erkrankungen mit guter Wirksamkeit und verträglichem Profil bei Langzeiteinnahme stellt jedoch eine Herausforderung dar. Die Therapie verzögern oft, z. B bei Einnahme von nicht-steroidalen Antirheumatika (NSAR), die Entzündungsauflösung, da die Bildung von entzündungshemmenden und entzündungs-auflösenden Lipidmediatoren gehemmt werden. Die gezielte Modulation und Einflussnahme auf die Arachidonsäurekaskade an einem der beiden Enzyme, stellt daher einen guten Ansatz für eine verbesserte Therapiemöglichkeit von (chronischen) entzündlichen Krankheiten dar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Modulatoren und Inhibitoren der Arachidonsäurekaskade. Zum einen befasst sie sich mit der Entwicklung von irreversiblen COX-2-acetylierenden Substanzen als neues anti-entzündliches und entzündungsauflösendes Prinzip. Zum anderen mit der Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehung (SAR) von 2-Aminothiazolen als direkte 5-LO-Inhibitoren ausgehend von SKI-II, welches zuvor als Leitstruktur zur Entwicklung von 5-LO-Inhibitoren entdeckt wurde.
Als Leitstrukturen für die irreversiblen COX-2-acetylierenden Substanzen wurden bekannte COX-2 selektive Substanzen ausgewählt sowie vereinzelte nicht-selektive NSAR. Es wurden an der COX-2 Kristallstruktur Docking-Studien durchgeführt, um die geeignetsten Positionen für die Einführung einer (labilen) Acetylgruppe zu identifizieren. Aufgrund dieser Studien wurden drei Positionen ausgewählt zur Derivatisierung. Es wurden daraufhin zahlreiche Derivate synthetisiert von Celecoxib, Valdecoxib, Rofecoxib, Etericoxib, als Vertreter der (COX-2) selektive Inhibitoren, sowie von Acetylsalicylsäure, Diclofenac und Nimesulid-Analoga als Vertreter der nicht-selektiven NSARs. Zusätzlich wurden Derivate synthetisiert mit Michael-Akzeptoren als kovalente bindende Komponente. Alle synthetisierten Substanzen wurden sukzessiv auf ihre COX inhibitorischen Eigenschaften hin untersucht und auf COX-2 Selektivitäten überprüft. Weiterhin wurden von allen Derivaten Auswaschungs-Studien durchgeführt als Vorversuche welche Derivate eine irreversible COX-2-Inhibition hervorrufen. In den Vorversuchen zeigte die Verbindung ST-1650 am deutlichsten eine COX-2-Selektivität sowie eine starke irreversible Inhibition der COX-2. Die Verbindung ST-1650 wurde weiterhin auf indirekte Hinweise zur Entstehung von heilungsfördernden Mediatoren untersucht anhand von: M1-Macrophagen Polarisation und einem Schmerzmodell, dem Zymosan-Überempfindlichkeit Pfotenmodell. Im Makrophagen-Modell konnte ST-1650 keine Phänotypverschiebung hinzu entzündungsauflösenden M2-Makrophagen bewirken, sowie in den Schmerzmodellen leider keine schnellere Schmerzauflösung als die Kontrollgruppe. Ob diese Effekte durch mangelnde oder zu geringer Entstehung von entzündungshemmenden Mediatoren zurückzuführen ist, ist noch unklar.
Für die SAR der 2-Aminothiazole als direkte 5-LO-Inhibitoren wurden über 60 Verbindungen synthetisiert und untersucht. Zu Beginn erfolgte eine Optimierung der Grundstruktur als 5-LO-Inhibitor. Es wurden die Einflüsse der Substituenten des Thiazolsrings und des Aminolinkers auf die 5-LO-Aktivität ermittelt, um die SAR initialer Arbeiten zu vertiefen. Nach der SAR-Untersuchung im intakten Zellsystem konnten durch Kombination bevorzugter Strukturelemente die zwei Verbindungen ST-1853 und ST-1906, als neue potente 5-LO-Inhibitoren entwickelt werden, die sich als nicht-toxisch herausstellten. Diese beiden 5-LO-Inhibitoren wirken um einen Faktor 10 potenter und sind weniger toxisch verglichen mit der Leitstruktur SKI-II. ST-1853 wurde innerhalb der Arachidonsäurekaskade auch auf Off-targets getestet, deren Aktivitäten sie erst bei 100-fach höherer Konzentration beeinflusst, sowie in humanem Vollblut, wo sie sich ihre 10-fach bessere Wirksamkeit im Vergleich zu SKI-II bestätigte. Darüber hinaus erwies sich ST-1853 bei den ersten Überprüfungen seiner Stabilität unter physiologischen Bedingungen wie bei der in vitro Metabolisierung durch Rattenlebermikrosomen als ausreichend stabil und daher zur weiteren Charakterisierung gut geeignet.