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Nanoplastics affect the inflammatory cytokine release by primary human monocytes and dendritic cells
(2022)
So far, the human health impacts of nano- and microplastics are poorly understood. Thus, we investigated whether nanoplastics exposure induces inflammatory processes in primary human monocytes and monocyte-derived dendritic cells. We exposed these cells in vitro to nanoplastics of different shapes (irregular vs. spherical), sizes (50–310 nm and polydisperse mixtures) and polymer types (polystyrene; polymethyl methacrylate; polyvinyl chloride, PVC) using concentrations of 30–300 particles cell−1. Our results show that irregular PVC particles induce the strongest cytokine release of these nanoplastics. Irregular polystyrene triggered a significantly higher pro-inflammatory response compared to spherical nanoplastics. The contribution of chemicals leaching from the particles was minor. The effects were concentration-dependent but varied markedly between cell donors. We conclude that nanoplastics exposure can provoke human immune cells to secrete cytokines as key initiators of inflammation. This response is specific to certain polymers (PVC) and particle shapes (fragments). Accordingly, nanoplastics cannot be considered one homogenous entity when assessing their health implications and the use of spherical polystyrene nanoplastics may underestimate their inflammatory effects.
Biallelic pathogenic variants in CLPP, encoding mitochondrial matrix peptidase ClpP, cause a rare autosomal recessive condition, Perrault syndrome type 3 (PRLTS3). It is characterized by primary ovarian insufficiency and early sensorineural hearing loss, often associated with progressive neurological deficits. Mouse models showed that accumulations of (i) its main protein interactor, the substrate-selecting AAA+ ATPase ClpX, (ii) mitoribosomes, and (iii) mtDNA nucleoids are the main cellular consequences of ClpP absence. However, the sequence of these events and their validity in human remain unclear. Here, we studied global proteome profiles to define ClpP substrates among mitochondrial ClpX interactors, which accumulated consistently in ClpP-null mouse embryonal fibroblasts and brains. Validation work included novel ClpP-mutant patient fibroblast proteomics. ClpX co-accumulated in mitochondria with the nucleoid component POLDIP2, the mitochondrial poly(A) mRNA granule element LRPPRC, and tRNA processing factor GFM1 (in mouse, also GRSF1). Only in mouse did accumulated ClpX, GFM1, and GRSF1 appear in nuclear fractions. Mitoribosomal accumulation was minor. Consistent accumulations in murine and human fibroblasts also affected multimerizing factors not known as ClpX interactors, namely, OAT, ASS1, ACADVL, STOM, PRDX3, PC, MUT, ALDH2, PMPCB, UQCRC2, and ACADSB, but the impact on downstream metabolites was marginal. Our data demonstrate the primary impact of ClpXP on the assembly of proteins with nucleic acids and show nucleoid enlargement in human as a key consequence.
The accumulation of functionally impaired mitochondria is a key event in aging. Previous works with the fungal aging model Podospora anserina demonstrated pronounced age-dependent changes of mitochondrial morphology and ultrastructure, as well as alterations of transcript and protein levels, including individual proteins of the oxidative phosphorylation (OXPHOS). The identified protein changes do not reflect the level of the whole protein complexes as they function in-vivo. In the present study, we investigated in detail the age-dependent changes of assembled mitochondrial protein complexes, using complexome profiling. We observed pronounced age-depen-dent alterations of the OXPHOS complexes, including the loss of mitochondrial respiratory supercomplexes (mtRSCs) and a reduction in the abundance of complex I and complex IV. Additionally, we identified a switch from the standard complex IV-dependent respiration to an alternative respiration during the aging of the P. anserina wild type. Interestingly, we identified proteasome components, as well as endoplasmic reticulum (ER) proteins, for which the recruitment to mitochondria appeared to be increased in the mitochondria of older cultures. Overall, our data demonstrate pronounced age-dependent alterations of the protein complexes involved in energy transduction and suggest the induction of different non-mitochondrial salvage pathways, to counteract the age-dependent mitochondrial impairments which occur during aging.
Einleitung
APP und die Alzheimersche Krankheit
Das Alzheimer Amyloid Precursor Protein (APP) ist ein Typ-1 Transmembranprotein mit einem Molekulargewicht von 110-135 kDa [Selkoe et al. 1988, Weidemann et al. 1989]. Es wird in allen bisher untersuchten Geweben exprimiert und weist in mehrzelligen Organismen einen hohen Konservierungsgrad auf [Robakis et al. 1987, Rosen et al. 1989]. APP ist unter anderem Vorläufer des β-A4-Peptides (Aβ), das in extrazellulären Aggregaten (Plaques) im Zentralen Nervensystem von Alzheimer-Patienten akkumuliert [Masters et al. 1985]. Die sogenannte „Amyloid-Hypothese der Alzheimerschen Erkrankung“ besagt, dass das Aβ-Peptid eine pathologische Kaskade initiiert, die zur Bildung von amyloiden Plaques, neuronaler Funktionsstörung und letztendlich Demenz führt [Hardy 1997, Selkoe 1999].
Prozessierung des APP
Der Hauptanteil des zellulären APP wird über den (nicht pathogenen) α-Sekretase-Weg prozessiert, wobei das sekretorische APP (α-sAPP) freigesetzt wird, das beinahe der gesamten N-terminalen Ektodomäne des APP entspricht. Die α-Sekretase spaltet APP innerhalb der Aβ-Domäne und verhindert somit die Bildung des pathogenen Aβ-Peptides. Kandidaten für die Katalyse dieser Spaltung sind Proteasen der ADAM-Familie [Buxbaum et al. 1998, Hooper et al. 1997, Koike et al. 1999, Lammich et al. 1999, Loechel et al. 1998].
Das Aβ-Peptid entsteht bei der sukzessiven proteolytischen Spaltung des APP durch die sogenannten β- und γ-Sekretasen. Bei der β-Sekretase handelt es sich um die Aspartat-Protease BACE (β-site APP cleaving enzyme) [Hussain et al. 1999, Sinha et al. 1999, Vassar et al. 1999, Yan et al. 1999]. Die Identität der γ-Sekretase ist noch nicht endgültig geklärt, jedoch spielen Presenilin-1 und -2 sowie Nicastrin eine Rolle bei der γ-Spaltung des APP [de Strooper et al. 1998, 1999, Struhl et al. 2000, Wolfe et al. 1999].
Unter physiologischen Bedingungen wird ca. 30% des APP durch α-Sekretasen prozessiert, ein viel geringerer Anteil dagegen durch die β-Sekretasen. Mehr als die Hälfte des zellulären APP bleibt ungespalten [Koo 2002].
Biologische Funktionen des APP
Die Funktionen des APP lassen sich unterscheiden nach Funktionen der kurzen zytoplasmatischen Domäne und der ca. 100 kDa großen Ektodomäne (α-sAPP). Die zytoplasmatische Domäne des APP stellt eine Plattform für die Bindung verschiedener Interaktionspartner dar. In Kooperation mit den Bindungspartnern spielt APP eine Rolle in unterschiedlichsten zellulären Prozessen wie vesikulärem Transport, Zellmotilität oder Genaktivierung [Review siehe Annaert und de Strooper 2002]. Die meisten Interaktionspartner der zytoplasmatischen Domäne des APP binden an die YENPTY-Sequenz nahe des C-Terminus des APP, die auch als Signal für die Endozytose des APP dient [Perez et al. 1999].
Die sekretorische Ektodomäne des APP hat eine wachstumsfördernde und neuroprotektive Wirkung. Um diese Wirkung auszuüben, bindet α-sAPP an einen bisher unbekannten Rezeptor, der auf der Zelloberfläche diverser Zelltypen wie Neuronen, Fibroblasten, Thyreozyten und Keratinozyten exprimiert wird [Review siehe Schmitz et al. 2002].
Polarer Transport des APP
In polaren MDCK Zellen wird das APP-Holoprotein fast ausschließlich zur basolateralen Zelloberfläche transportiert [Haass et al. 1994]. Es wurde gezeigt, dass dieser polare Transport des APP durch Tyrosin 653 in der zytoplasmatischen Domäne des APP beeinflusst wird. Mutation dieses Tyrosins zu Alanin führte zu partieller Fehlsortierung von ca. 50% des APP zur apikalen Plasmamembran. Die Sekretion von α-sAPP dagegen fand in MDCK-Zellen unabhängig von Tyrosin 653 basolateral statt [Haass et al. 1995].
Intrazellulärer Proteintransport durch Adaptor-Protein-Komplexe
Am intrazellulären Proteintransport sind Adaptor-Protein-Komplexe (APs) beteiligt, die bestimmte Sortierungssignale in der zytoplasmatischen Domäne von Frachtproteinen erkennen. Bis heute sind vier dieser tetrameren AP-Komplexe (AP-1 bis AP-4) bekannt, die zum Teil verschiedene Isoformen einzelner Untereinheiten aufweisen, z.B. AP-1A und AP-1B [Review: Boehm und Bonifacino 2001]. Jeder AP-Komplex spielt eine Rolle in einem bestimmten Schritt des intrazellulären Proteintransportes. Für AP-1A wird eine Funktion im anterograden und retrograden Transport zwischen Endosomen und TGN beschrieben [Review: Hinners und Tooze 2003]. AP-2 vermittelt Endozytose verschiedener Transmembranproteine von der Plasmamembran [Review: Kirchhausen 2002]. AP-3 spielt eine Rolle im Proteintransport zu Lysosomen und Lysosom-ähnlichen Organellen wie Melanosomen [Robinson und Bonifacino 2001]. AP-4 sowie AP1-B sortieren Proteine zur basolateralen Plasmamembran polarer Epithelzellen [Fölsch et al. 1999, Simmen etal. 2002].
Die Sortierungsmotive, die von Adaptor-Komplexen in der zytoplasmatischen Domäne der Fracht-Proteine gebunden werden, enthalten in den meisten Fällen entweder ein Tyrosin oder zwei Leucine. Das gesamte Motiv besteht aus jeweils vier bis zehn Aminosäuren [Review siehe Bonifacino und Traub 2003].
Ziele der Arbeit
In der vorliegenden Arbeit wurde der polare Transport des APP in Epithelzellen untersucht. Ein Ziel war es, Faktoren zu finden, die den basolateralen Transport des APP in Abhängigkeit von Tyrosin 653 vermitteln. Des weiteren sollte der Transport von APP und sAPP in verschiedenen Epithelzelllinien analysiert werden. Um ein gutes Werkzeug zur Detektion von APP zu haben, wurden GFP-APP-Fusionsproteine hergestellt und charakterisiert.
Ergebnisse und Diskussion
GFP-APP-Fusionsproteine wurden hergestellt und in MDCK-, FRT- und LLC-PK1-Zellen stabil exprimiert. Die Charakterisierung der GFP-APP-Fusionsproteine durch Immunfluoreszenzanalysen zeigte, dass die chimeren Proteine im TGN sowie in peripheren Vesikeln lokalisiert sind und mit endogenem APP stark kolokalisieren. GFPAPP war somit gut geeignet, um den intrazellulären Transport des APP zu untersuchen.
Eine Analyse der zytoplasmatischen Domäne des APP im Bereich des Tyrosin 653 zeigte, dass dieses Tyrosin und die drei folgenden Aminosäuren (YTSI) ein Konsensus-Motiv für die Bindung von tetrameren Adaptor-Protein-Komplexen darstellen.
Zu Beginn dieser Arbeit waren AP-1 bis AP-3 bereits gut charakterisiert, wohingegen für AP-4 keine Funktion bekannt war. In Kollaboration mit Simmen et al. konnte gezeigt werden, dass AP-4 den basolateralen Transport einiger Proteine vermittelt [Simmen et al. 2002]. Immunfluoreszenzanalysen lokalisierten AP-4 im TGN und peripheren Vesikeln, die unterschiedlich von AP-1A/B markierten Strukturen waren. Da kaum Kolokalisation von AP-4 und AP-1A/B zu beobachten war, ist die Lokalisation von AP-4 und AP-1B, das auch eine Rolle im basolateralen Proteintransport spielt, in unterschiedlichen Subdomänen des TGN und unterschiedlichen vesikulären Strukturen anzunehmen.
Polarer Transport des APP durch Adaptor-Protein-Komplexe
Die mögliche Funktion von AP-1 und AP-4 im Transport von APP wurde zunächst mit Hilfe von in vitro-Bindungsstudien untersucht. Dazu wurde die zytoplasmatische Domäne des APP als GST-Fusionsprotein kloniert und exprimiert. Die Frachtproteinbindenden Untereinheiten von AP-1 und AP-4 wurden unter Verwendung von radioaktiv markiertem Methionin durch in vitro-Transkription und -Translation hergestellt. In Bindungsstudien interagierten AP-1A und AP-1B mit der zytoplasmatischen Domäne des APP, nicht aber AP-4. Diese Ergebnisse deuten an, dass AP-1A und AP-1B eine Rolle im intrazellulären Transport von APP spielen könnten. AP-4 dagegen scheint nicht an diesem Prozess beteiligt zu sein.
Durch Mutation des Tyrosin 653 in APP zu Alanin (Y653A) wurde die Interaktion zwischen AP-1B und APP stark verringert, was darauf hindeutet, dass dieses Tyrosin einen Teil des Bindungsmotivs für AP-1B darstellt. Übereinstimmend damit entspricht die genaue Aminosäureabfolge des Y653TSI-Motivs den Sotierungsmotiv-Präferenzen von AP-1B [Ohno et al. 1999]. Die Interaktion von AP-1A dagegen war mit WildtypAPP und der Tyrosin-Mutante vergleichbar und scheint somit auf einem anderen Interaktions-Motiv zu basieren. AP-1A und AP-1B erkennen somit unterschiedliche Sortierungsmotive in der zytoplasmatischen Domäne des APP und kooperieren möglicherweise im intrazellulären Transport des APP. Diese Ergebnisse sind der erste Bericht über eine Interaktion von Adaptor-Protein-Komplexen mit der zytoplasmatischen Domäne des APP.
Die Rolle von AP-1B im basolateralen Transport von APP wurde genauer untersucht mit Hilfe der LLC-PK1 Zelllinie, die kein AP-1B exprimiert [Ohno et al. 1999]. In LLCPK1-Zellen werden verschiedene Proteine unpolar zur apikalen und basolateralen Membran verteilt, die in MDCK-Zellen durch Interaktion mit AP-1B basolateral transportiert werden [Fölsch et al. 1999, Sugimoto et al. 2002]. Um den Transport von APP in polaren LLC-PK1-Zellen zu untersuchen, wurde Plasmamembran-ständiges GFP-APP durch zwei unabhängige Methoden nachgewiesen: die apikale oder basolaterale Oberfläche der Zellen wurde selektiv entweder biotinyliert oder mit GFPAntikörpern markiert. Beide Methoden zeigten, dass GFP-APP in LLC-PK1-Zellen sowohl an der apikalen als auch an der basolateralen Zelloberfläche lokalisiert ist. Somit wird auch APP in diesen Zellen im Vergleich zu MDCK-Zellen anders sortiert. Dieses Ergebnis festigt die Hypothese einer Funktion von AP-1B im Transport von APP, die aufgrund der Daten der in vitro-Bindungsstudien aufgestellt wurde.
Polare Sekretion des sAPP ist unabhängig vom Transport des Holoproteins
Neben dem Transport des APP-Holoproteins war auch die polare Sekretion des sAPP Thema dieser Arbeit. Es war gezeigt worden, dass basolaterale Sekretion des sAPP in MDCK-Zellen unabhängig vom Transport des APP-Holoproteins ist [Haass et al. 1995]. Dieses Ergebnis konnte in der vorliegenden Arbeit bestätigt und auf andere Zelllinien erweitert werden. Um die korrekte Sekretion von GFP-sAPP nachzuweisen, wurde die GFP-sAPP-Sekretion zunächst in polaren MDCK-Zellen untersucht, die stabil GFP-APP exprimierten. Da GFP am N-Terminus des APP angefügt ist, trägt auch das sezernierte APP die GFP-Markierung. GFP-sAPP konnte mittels Immunpräzipitation mit GFP-spezifischen Antikörpern lediglich im basolateralen Medium nachgewiesen werden. Somit sezernieren MDCK-Zellen GFP-sAPP in gleicher Polarität wie von Haass et al. für endogenes sAPP gezeigt wurde [Haass et al. 1995].
Experimente in GFP-APP exprimierenden LLC-PK1- und FRT-Zellen zeigten, dass auch hier die polare Sekretion des GFP-sAPP und der Transport des APPHoloproteins zwei unabhängige Prozesse sind. Polare LLC-PK1-Zellen transportierten GFP-APP zur apikalen und basolateralen Plasmamembran (siehe oben). GFP-sAPP-Sekretion aus polaren LLC-PK1-Zellen dagegen fand ausschließlich basolateral statt. In FRT-Zellen wurde GFP-sAPP im Gegensatz zu MDCK- und LLCPK1-Zellen apikal sezerniert. Kolokalisation des GFP-APP mit Transferrin-Rezeptor in FRT-Zellen deutete dagegen an, dass das Holoprotein wie in MDCK-Zellen basolateral transportiert wird. Dies ist auch zu erwarten, da FRT-Zellen AP-1B exprimieren und es auch in dieser Zelllinie basolateralen Transport vermittelt [A. Gonzalez, persönlich, ASCB 2003]. Nach diesen Ergebnissen zu urteilen, finden auch in FRT und LLC-PK1-Zellen APP-Transport und sAPP-Sekretion unabhängig voneinander statt.
Basolaterale sAPP-Sekretion ist unabhängig von der Ektodomäne
In MDCK-Zellen wurde zusätzlich die Sekretion eines GFP-APP untersucht, in dem der Großteil der Ektodomäne deletiert und durch GFP ersetzt wurde, die SekretaseSchnittstellen jedoch noch vorhanden waren. Durch Immunfluoreszenzanalyse wurde zunächst nachgewiesen, dass die subzelluläre Lokalisation dieser Deletionsmutante der des endogenen APP entspricht. Die Sekretion dieses stark verkürzten sAPP erfolgte wie die des Wildtyps basolateral. Dieses Ergebnis deutet an, dass die Determinante für die basolaterale Sekretion des sAPP nicht innerhalb der Ektodomäne liegt, wie in einigen älteren Publikationen angenommen wird [Haass et al. 1995, de Strooper et al. 1995]. Neuere Ergebnisse dagegen führen die polare Sekretion des sAPP auf die basolaterale Lokalisation der α-Sekretase zurück [Capell et al. 2002], was die basolaterale Sekretion der Deletionsmutante erklären könnte.
sAPP-Bindung an polaren Zellen
Durch Interaktion mit einem bisher unbekannten Rezeptorprotein erfüllt sAPP für verschiedene Zelltypen die Funktion eines Wachstumsfaktors [Saitoh et al., 1989, Pietrzik et al., 1998, Hoffmann et al., 2000]. Da viele Wachstumsfaktor-Rezeptoren selektiv entweder an der apikalen oder basolateralen Plasmamembran von Epithelzellen lokalisiert sind, wurden Bindungsstudien mit rekombinant exprimiertem sAPP (sAPPrec) an polaren FRT und MDCK-Zellen durchgeführt. Analyse der Bindung mit einem sAPPrec-spezifischen Antikörper zeigte, dass sAPP ausschließlich an der apikalen Plasmamembran beider Zelllinien bindet. Da die Sekretion des sAPP in FRT-Zellen ebenso apikal erfolgt, ist in dieser Zelllinie eine autokrine Regulation durch sAPP vorstellbar, was auch durch vorherige Ergebnisse angedeutet wurde [Pietrzik et al. 1998]. Für MDCK-Zellen, die sAPP basolateral sezernieren und apikal binden, muss ein anderer Regulationsmechanismus vorliegen. Es könnte sich um parakrine Regulation handeln, was jedoch noch bestätigt werden muss.
Fazit: In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass tetramere Adaptor-ProteinKomplexe eine Rolle im intrazellulären Transport von APP spielen. In diesem Zusammenhang wurde die Funktion des AP-4-Komplexes in einer Kollaboration analysiert. Es wurde gezeigt, dass AP-1A und AP-1B eine Rolle im Transport von APP spielen. Eine Funktion von AP-4 im Transport von APP ist nach den vorliegenden Ergebnissen unwahrscheinlich. Untersuchungen zur APP-Sortierung in verschiedenen Epithelzelllinien zeigten, dass die Hypothese der Unabhängigkeit von APP-Transport und sAPP-Sekretion als genereller Mechanismus angesehen werden kann. Durch Analyse der sAPP-Bindung an polaren FRT- und MDCK-Zellen wurde erstmals die polare Lokalisation des putativen sAPP-Rezeptors untersucht, was einen ersten Einblick in den Mechanismus der sAPP-vermittelten Regulation in polaren Zellen ermöglichte.
Background: Nitric oxide synthase 1 adaptor protein (NOS1AP; previously named CAPON) is linked to the glutamatergic postsynaptic density through interaction with neuronal nitric oxide synthase (nNOS). NOS1AP and its interaction with nNOS have been associated with several mental disorders. Despite the high levels of NOS1AP expression in the hippocampus and the relevance of this brain region in glutamatergic signalling as well as mental disorders, a potential role of hippocampal NOS1AP in the pathophysiology of these disorders has not been investigated yet.
Methods: To uncover the function of NOS1AP in hippocampus, we made use of recombinant adeno-associated viruses to overexpress murine full-length NOS1AP or the NOS1AP carboxyterminus in the hippocampus of mice. We investigated these mice for changes in gene expression, neuronal morphology, and relevant behavioural phenotypes.
Findings: We found that hippocampal overexpression of NOS1AP markedly increased the interaction of nNOS with PSD-95, reduced dendritic spine density, and changed dendritic spine morphology at CA1 synapses. At the behavioural level, we observed an impairment in social memory and decreased spatial working memory capacity.
Interpretation: Our data provide a mechanistic explanation for a highly selective and specific contribution of hippocampal NOS1AP and its interaction with the glutamatergic postsynaptic density to cross-disorder pathophysiology. Our findings allude to therapeutic relevance due to the druggability of this molecule.
Understanding the underlying mechanisms that link psychopathology and physical comorbidities in schizophrenia is crucial since decreased physical fitness and overweight pose major risk factors for cardio-vascular diseases and decrease the patients’ life expectancies. We hypothesize that altered reward anticipation plays an important role in this. We implemented the Monetary Incentive Delay task in a MR scanner and a fitness test battery to compare schizophrenia patients (SZ, n = 43) with sex- and age-matched healthy controls (HC, n = 36) as to reward processing and their physical fitness. We found differences in reward anticipation between SZs and HCs, whereby increased activity in HCs positively correlated with overall physical condition and negatively correlated with psychopathology. On the other handy, SZs revealed stronger activity in the posterior cingulate cortex and in cerebellar regions during reward anticipation, which could be linked to decreased overall physical fitness. These findings demonstrate that a dysregulated reward system is not only responsible for the symptomatology of schizophrenia, but might also be involved in physical comorbidities which could pave the way for future lifestyle therapy interventions.
RBFOX1 is a highly pleiotropic gene that contributes to several psychiatric and neurodevelopmental disorders. Both rare and common variants in RBFOX1 have been associated with several psychiatric conditions, but the mechanisms underlying the pleiotropic effects of RBFOX1 are not yet understood. Here we found that, in zebrafish, rbfox1 is expressed in spinal cord, mid- and hindbrain during developmental stages. In adults, expression is restricted to specific areas of the brain, including telencephalic and diencephalic regions with an important role in receiving and processing sensory information and in directing behaviour. To investigate the effect of rbfox1 deficiency on behaviour, we used rbfox1sa15940, a rbfox1 loss-of-function line. We found that rbfox1sa15940 mutants present hyperactivity, thigmotaxis, decreased freezing behaviour and altered social behaviour. We repeated these behavioural tests in a second rbfox1 loss-of-function line with a different genetic background, rbfox1del19, and found that rbfox1 deficiency affects behaviour similarly in this line, although there were some differences. rbfox1del19 mutants present similar thigmotaxis, but stronger alterations in social behaviour and lower levels of hyperactivity than rbfox1sa15940 fish. Taken together, these results suggest that rbfox1 deficiency leads to multiple behavioural changes in zebrafish that might be modulated by environmental, epigenetic and genetic background effects, and that resemble phenotypic alterations present in Rbfox1-deficient mice and in patients with different psychiatric conditions. Our study thus highlights the evolutionary conservation of rbfox1 function in behaviour and paves the way to further investigate the mechanisms underlying rbfox1 pleiotropy on the onset of neurodevelopmental and psychiatric disorders.
RBFOX1 is a highly pleiotropic gene that contributes to several psychiatric and neurodevelopmental disorders. Both rare and common variants in RBFOX1 have been associated with several psychiatric conditions, but the mechanisms underlying the pleiotropic effects of RBFOX1 are not yet understood. Here we found that, in zebrafish, rbfox1 is expressed in spinal cord, mid- and hindbrain during developmental stages. In adults, expression is restricted to specific areas of the brain, including telencephalic and diencephalic regions with an important role in receiving and processing sensory information and in directing behaviour. To investigate the effect of rbfox1 deficiency on behaviour, we used rbfox1sa15940, a rbfox1 loss-of-function line. We found that rbfox1sa15940 mutants present hyperactivity, thigmotaxis, decreased freezing behaviour and altered social behaviour. We repeated these behavioural tests in a second rbfox1 loss-of-function line with a different genetic background, rbfox1del19, and found that rbfox1 deficiency affects behaviour similarly in this line, although there were some differences. rbfox1del19 mutants present similar thigmotaxis, but stronger alterations in social behaviour and lower levels of hyperactivity than rbfox1sa15940 fish. Taken together, these results suggest that rbfox1 deficiency leads to multiple behavioural changes in zebrafish that might be modulated by environmental, epigenetic and genetic background effects, and that resemble phenotypic alterations present in Rbfox1-deficient mice and in patients with different psychiatric conditions. Our study thus highlights the evolutionary conservation of rbfox1 function in behaviour and paves the way to further investigate the mechanisms underlying rbfox1 pleiotropy on the onset of neurodevelopmental and psychiatric disorders.
Previous studies towards reduced oxygen availability have mostly focused on changes in total mRNA expression, neglecting underlying transcriptional and post-transcriptional events. Therefore, we generated a comprehensive overview of hypoxia-induced changes in total mRNA expression, global de novo transcription, and mRNA stability in monocytic THP-1 cells. Since hypoxic episodes often persist for prolonged periods, we further compared the adaptation to acute and chronic hypoxia. While total mRNA changes correlated well with enhanced transcription during short-term hypoxia, mRNA destabilization gained importance under chronic conditions. Reduced mRNA stability not only added to a compensatory attenuation of immune responses, but also, most notably, to the reduction in nuclear-encoded mRNAs associated with various mitochondrial functions. These changes may prevent the futile production of new mitochondria under conditions where mitochondria cannot exert their full metabolic function and are indeed actively removed by mitophagy. The post-transcriptional mode of regulation might further allow for the rapid recovery of mitochondrial capacities upon reoxygenation. Our results provide a comprehensive resource of functional mRNA expression dynamics and underlying transcriptional and post-transcriptional regulatory principles during the adaptation to hypoxia. Furthermore, we uncover that RNA stability regulation controls mitochondrial functions in the context of hypoxia.
Calcium (Ca2+) elevation is an essential secondary messenger in many cellular processes, including disease progression and adaptation to external stimuli, e.g., gravitational load. Therefore, mapping and quantifying Ca2+ signaling with a high spatiotemporal resolution is a key challenge. However, particularly on microgravity platforms, experiment time is limited, allowing only a small number of replicates. Furthermore, experiment hardware is exposed to changes in gravity levels, causing experimental artifacts unless appropriately controlled. We introduce a new experimental setup based on the fluorescent Ca2+ reporter CaMPARI2, onboard LED arrays, and subsequent microscopic analysis on the ground. This setup allows for higher throughput and accuracy due to its retrograde nature. The excellent performance of CaMPARI2 was demonstrated with human chondrocytes during the 75th ESA parabolic flight campaign. CaMPARI2 revealed a strong Ca2+ response triggered by histamine but was not affected by the alternating gravitational load of a parabolic flight.
In the course of the odontogenesis of bovine incisors several clearly distinguishable phosphohydrolase activities are observed in the pulp and in dental hard tissues. Using various substrates and inhibitors, unspecific alkaline phosphatase, two isoenzymes of acid phosphatase, Ca2+-activated ATPase and inorganic pyrophosphatase are characterized. The enzymatic activity of alkaline phosphatase in pulp and hard tissues is significantly high at the beginning of dentine and enamel mineralization. The specific activity of this enzyme decreases quite fast with the beginning of root formation, then more slowly, until it reaches a constant final value. Histochemical studies show that during mineralization the maximum of alkaline phosphatase activity is in the subodontoblasts. Lower enzyme concentrations are found in the stratum intermedium and in the outer enamel epithelium during that process.
The specific activities of ATPase, acid phosphatases and pyrophosphatase show little temporal variation during tooth development, but they also appear in a characteristic spatial pattern in the dental tissues.
CXCR4 chemokine receptor mediates prostate tumor cell adhesion through alpha5 and beta3 integrins
(2006)
The mechanisms leading to prostate cancer metastasis are not understood completely. Although there is evidence that the CXC chemokine receptor (CXCR) 4 and its ligand CXCL12 may regulate tumor dissemination, their role in prostate cancer is controversial. We examined CXCR4 expression and functionality, and explored CXCL12-triggered adhesion of prostate tumor cells to human endothelium or to extracellular matrix proteins laminin, collagen, and fibronectin. Although little CXCR4 was expressed on LNCaP and DU-145 prostate tumor cells, CXCR4 was still active, enabling the cells to migrate toward a CXCL12 gradient. CXCL12 induced elevated adhesion to the endothelial cell monolayer and to immobilized fibronectin, laminin, and collagen. Anti-CXCR4 antibodies or CXCR4 knock out significantly impaired CXCL12-triggered tumor cell binding. The effects observed did not depend on CXCR4 surface expression level. Rather, CXCR4-mediated adhesion was established by alpha5 and beta3 integrin subunits and took place in the presence of reduced p38 and p38 phosphorylation. These data show that chemoattractive mechanisms are involved in adhesion processes of prostate cancer cells, and that binding of CXCL12 to its receptor leads to enhanced expression of alpha5 and beta3 integrins. The findings provide a link between chemokine receptor expression and integrin-triggered tumor dissemination.
Vascular integrity is essential for organ homeostasis to prevent edema formation and infiltration of inflammatory cells. Long non-coding RNAs (lncRNAs) are important regulators of gene expression and often expressed in a cell type-specific manner. By screening for endothelial-enriched lncRNAs, we identified the undescribed lncRNA NTRAS to control endothelial cell functions. Silencing of NTRAS induces endothelial cell dysfunction in vitro and increases vascular permeability and lethality in mice. Biochemical analysis revealed that NTRAS, through its CA-dinucleotide repeat motif, sequesters the splicing regulator hnRNPL to control alternative splicing of tight junction protein 1 (TJP1; also named zona occludens 1, ZO-1) pre-mRNA. Deletion of the hnRNPL binding motif in mice (Ntras∆CA/∆CA) significantly repressed TJP1 exon 20 usage, favoring expression of the TJP1α- isoform, which augments permeability of the endothelial monolayer. Ntras∆CA/∆CA mice further showed reduced retinal vessel growth and increased vascular permeability and myocarditis. In summary, this study demonstrates that NTRAS is an essential gatekeeper of vascular integrity.
The genome, antigens of human cytomegalovirus (HCMV) are frequently found in prostatic carcinoma. However, whether this infection is causative or is an epiphenomenon is not clear. We therefore investigated the ability of HCMV to promote metastatic processes, defined by tumor cell adhesion to the endothelium, extracellular matrix proteins. Experiments were based on the human prostate tumor cell line PC3, either infected with the HCMV strain Hi (HCMVHi) or transfected with cDNA encoding the HCMV-specific immediate early protein IEA1 (UL123) or IEA2 (UL122). HCMVHi upregulated PC3 adhesion to the endothelium, to the extracellular matrix proteins collagen, laminin, fibronectin. The process was accompanied by enhancement of β1-integrin surface expression, elevated levels of integrin-linked kinase, phosphorylation of focal adhesion kinase. IEA1 or IEA2 did not modulate PC3 adhesion or β1-integrin expression. Based on this in vitro model, we postulate a direct association between HCMV infection, prostate tumor transmigration, which is not dependent on IEA proteins. Integrin overexpression, combined with the modulation of integrin-dependent signalling, seems to be, at least in part, responsible for a more invasive PC3Hi tumor cell phenotype. Elevated levels of c-myc found in IEA1-transfected or IEA2-transfected PC3 cell populations might promote further carcinogenic processes through accelerated cell proliferation.
Neuroligin-3 (Nlgn3), a neuronal adhesion protein implicated in autism spectrum disorder (ASD), is expressed at excitatory and inhibitory postsynapses and hence may regulate neuronal excitation/inhibition balance. To test this hypothesis, we recorded field excitatory postsynaptic potentials (fEPSPs) in the dentate gyrus of Nlgn3 knockout (KO) and wild-type mice. Synaptic transmission evoked by perforant path stimulation was reduced in KO mice, but coupling of the fEPSP to the population spike was increased, suggesting a compensatory change in granule cell excitability. These findings closely resemble those in neuroligin-1 (Nlgn1) KO mice and could be partially explained by the reduction in Nlgn1 levels we observed in hippocampal synaptosomes from Nlgn3 KO mice. However, unlike Nlgn1, Nlgn3 is not necessary for long-term potentiation. We conclude that while Nlgn1 and Nlgn3 have distinct functions, both are required for intact synaptic transmission in the mouse dentate gyrus. Our results indicate that interactions between neuroligins may play an important role in regulating synaptic transmission and that ASD-related neuroligin mutations may also affect the synaptic availability of other neuroligins.
Acinetobacter baumannii can thrive on a broad range of substrates such as sugars, alcohols, lipids, amino acids and aromatic compounds. The latter three are abundant in the human host and are potential candidates as carbon sources for the metabolic adaptation of A. baumannii to the human host. In this study we determined the biodegradative activities of A. baumannii AYE with monocyclic aromatic compounds. Deletion of genes encoding the key enzymes of the ß-ketoadipate pathway, the protocatechuate-3,4-dioxygenase (ΔpcaHG) and the catechol-1,2-dioxygenase (ΔcatA), led to a complete loss of growth on benzoate and p-hydroxybenzoate, suggesting that these substrates are metabolized via the two distinct branches (pca and cat) of this pathway. Furthermore, we investigated the potential role of these gene products in host adaptation by analyzing the capability of the mutants to resist complement-mediated killing. These studies revealed that the mutants exhibit a decreased complement resistance, but a dramatic increase in survival in normal human serum in the presence of p-hydroxybenzoate or protocatechuate. These results indicate that the ß-ketoadipate pathway plays a role in adaptation of A. baumannii to the human host. Moreover, the single and double mutants exhibited increased antibiotic resistances indicating a link between the two dioxygenases and antibiotic resistance.