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In recent years, the number and type of treatment options in advanced bladder cancer (BC) have been rapidly evolving. To select an effective therapy and spare unnecessary side effects, predictive biomarkers are urgently needed. As the host’s anti-cancer immune response is by far the most effective system to impede malignant tumor growth, immune system-based biomarkers are promising. We have recently described altered proteasomal epitope processing as an effective immune escape mechanism to impair cytotoxic T-cell activity. By altering the neoantigens’ characteristics through different proteasomal peptide cleavage induced by non-synonymous somatic mutations, the ability for T-cell activation was decreased (“processing escapes”). In the present study, we analyzed primary chemo-naïve tissue samples of 26 adjuvant platinum-treated urothelial BC patients using a targeted next-generation sequencing panel followed by the epitope determination of affected genes, a machine-learning based prediction of epitope processing and proteasomal cleavage and of HLA-affinity as well as immune activation. Immune infiltration (immunohistochemistries for CD8, granzyme B, CD45/LCA) was digitally quantified by a pathologist and clinico-pathological and survival data were collected. We detected 145 epitopes with characteristics of a processing escape associated with a higher number of CD8-positive but lower number of granzyme B-positive cells and no association with PD-L1-expression. In addition, a high prevalence of processing escapes was associated with unfavorable overall survival. Our data indicate the presence of processing escapes in advanced BC, potentially creating a tumor-promoting pro-inflammatory environment with lowered anti-cancerous activity and independence from PD-L1-expression. The data also need to be prospectively validated in BC treated with immune therapy.
The adult human body contains about 4 g of iron. About 1–2 mg of iron is absorbed every day, and in healthy individuals, the same amount is excreted. We describe a patient who presents with severe iron deficiency anemia with hemoglobin levels below 6 g/dL and ferritin levels below 30 ng/mL. Although red blood cell concentrates and intravenous iron have been substituted every month for years, body iron stores remain depleted. Diagnostics have included several esophago-gastro-duodenoscopies, colonoscopies, MRI of the liver, repetitive bone marrow biopsies, psychological analysis, application of radioactive iron to determine intact erythropoiesis, and measurement of iron excretion in urine and feces. Typically, gastrointestinal bleeding is a major cause of iron loss. Surprisingly, intestinal iron excretion in stool in the patient was repetitively increased, without gastrointestinal bleeding. Furthermore, whole exome sequencing was performed in the patient and additional family members to identify potential causative genetic variants that may cause intestinal iron loss. Under different inheritance models, several rare mutations were identified, two of which (in CISD1 and KRI1) are likely to be functionally relevant. Intestinal iron loss in the current form has not yet been described and is, with high probability, the cause of the severe iron deficiency anemia in this patient.
Background: To test the impact of urethral sphincter length (USL) and anatomic variants of prostatic apex (Lee-type classification) in preoperative multiparametric magnet resonance imaging (mpMRI) on mid-term continence in prostate cancer patients treated with radical prostatectomy (RP). Methods: We relied on an institutional tertiary-care database to identify patients who underwent RP between 03/2018 and 12/2019 with preoperative mpMRI and data available on mid-term (>6 months post-surgery) urinary continence, defined as usage 0/1 (-safety) pad/24 h. Univariable and multivariable logistic regression models were fitted to test for predictor status of USL and prostatic apex variants, defined in mpMRI measurements. Results: Of 68 eligible patients, rate of mid-term urinary continence was 81% (n = 55). Median coronal (15.1 vs. 12.5 mm) and sagittal (15.4 vs. 11.1 mm) USL were longer in patients reporting urinary continence in mid-term follow-up (both p < 0.01). No difference was recorded for prostatic apex variants distribution (Lee-type) between continent vs. incontinent patients (p = 0.4). In separate multivariable logistic regression models, coronal (odds ratio (OR): 1.35) and sagittal (OR: 1.67) USL, but not Lee-type, were independent predictors for mid-term continence. Conclusion: USL, but not apex anatomy, in preoperative mpMRI was associated with higher rates of urinary continence at mid-term follow-up.
The purpose of this study is to compare the efficacy and safety of microwave ablation (MWA) versus laser-induced thermotherapy (LITT) as a local treatment for hepatocellular carcinoma (HCC,) with regard to therapy response, survival rates, and complication rates as measurable outcomes. This retrospective study included 250 patients (52 females and 198 males; mean age: 66 ± 10 years) with 435 tumors that were treated by MWA and 53 patients (12 females and 41 males; mean age: 67.5 ± 8 years) with 75 tumors that were treated by LITT. Tumor response was evaluated using CEMRI (contrast-enhanced magnetic resonance imaging). Overall, 445 MWA sessions and 76 LITT sessions were performed. The rate of local tumor progression (LTP) and the rate of intrahepatic distant recurrence (IDR) were 6% (15/250) and 46% (115/250) in the MWA-group and 3.8% (2/53) and 64.2% (34/53) in the LITT-group, respectively. The 1-, 3-, and 5-year overall survival (OS) rates calculated from the date of diagnosis were 94.3%, 65.4%, and 49.1% in the MWA-group and 96.2%, 54.7%, and 30.2% in the LITT-group, respectively (p-value: 0.002). The 1-, 2-, and 3-year disease-free survival (DFS) rates were 45.9%, 30.6%, and 24.8% in the MWA-group and 54.7%, 30.2%, and 17% in the LITT-group, respectively (p-value: 0.719). Initial complete ablation rate was 97.7% (425/435) in the MWA-group and 98.7% (74/75) in the LITT-group (p-value > 0.99). The overall complication rate was 2.9% (13/445) in the MWA-group and 7.9% (6/76) in the LITT-group (p-value: 0.045). Based on the results, MWA and LITT thermal ablation techniques are well-tolerated, effective, and safe for the local treatment of HCC. However, MWA is recommended over LITT for the treatment of HCC, since the patients in the MWA-group had higher survival rates.
Brain metastases are a common finding upon initial diagnosis of otherwise locally limited non-small cell lung cancer. We present a retrospective case series describing three cases of patients with symptomatic, synchronous brain metastases and resectable lung tumors. The patients received local ablative treatment of the brain metastases followed by neoadjuvant immunochemotherapy with pemetrexed, cisplatin, and pembrolizumab. Afterwards, resection of the pulmonary lesion with curative intent was performed. One patient showed progressive disease 12 months after initial diagnosis, and passed away 31 months after initial diagnosis. Two of the patients are still alive and maintain a good quality of life with a progression-free survival and overall survival of 28 and 35 months, respectively, illustrating the potential of novel combinatorial treatment approaches.
Inguinal hernia repair (IHR) is a common procedure in childhood. Laparoscopic IHR has been evolving for the last three decades. Although clear advantages have been shown, adaptation in Germany has been slow. We aim to study the current status of pediatric laparoscopic IHR. A survey was sent to all 89 pediatric surgical departments in Germany on current practices and preferences of open versus laparoscopic IHR. Two nationwide databases of administrative claims data from 2019 were analyzed and correlated with responses from the survey. A total of 56% of the pediatric surgical departments supplied data through the quality reports. The recall of our survey was 58% of all pediatric surgery departments. According to the pooled data, laparoscopic IHR was performed in 8.2% of all inpatients treated. Laparoscopic IHR was considered a training procedure in 48% of the departments. Five different laparoscopic techniques were described (most commonly percutaneous closure of the hernia under laparoscopic vision). The choice between open and laparoscopic IHR was mainly determined by the child’s age. Currently, only a minority of German children undergo inguinal hernia repair by laparoscopy. More training opportunities in the form of hands-on and video workshops may lead to more widespread employment of the laparoscopic technique.
Reactive oxygen species (ROS) are important mediators of both physiological and pathophysiological signal transduction in the cardiovascular system. The effects of ROS on cellular processes depend on the concentration, localization, and duration of exposure. Cellular stress response mechanisms have evolved to mitigate the negative effects of acute oxidative stress. In this study, we investigate the short-term and long-term metabolic and transcriptomic response of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) to different types and concentrations of ROS. To generate intracellular H2O2, we utilized a lentiviral chemogenetic approach for overexpression of human D-amino acid oxidase (DAO). DAO converts D-amino acids into their corresponding imino acids and H2O2. HUVEC stably overexpressing DAO (DAO-HUVEC) were exposed to D-alanine (3 mM), exogenous H2O2 (10 µM or 300 µM), or menadione (5 µM) for various timepoints and subjected to global untargeted metabolomics (LC-MS/MS) and RNAseq by MACE (Massive analysis of cDNA ends). A total of 300 µM H2O2 led to pronounced changes on both the metabolic and transcriptomic level. In particular, metabolites linked to redox homeostasis, energy-generating pathways, and nucleotide metabolism were significantly altered. Furthermore, 300 µM H2O2 affected genes related to the p53 pathway and cell cycle. In comparison, the effects of menadione and DAO-derived H2O2 mainly occurred at gene expression level. Collectively, all types of ROS led to subtle changes in the expression of ribosomal genes. Our results show that different types and concentration of ROS lead to a different metabolic and transcriptomic response in endothelial cells.
Gram-negative Tripartite Resistance Nodulation and cell Division (RND) superfamily efflux pumps confer various functions, including multidrug and bile salt resistance, quorum-sensing, virulence and can influence the rate of mutations on the chromosome. Multidrug RND efflux systems are often characterized by a wide substrate specificity. Similarly to many other RND efflux pump systems, AcrAD-TolC confers resistance toward SDS, novobiocin and deoxycholate. In contrast to the other pumps, however, it in addition confers resistance against aminoglycosides and dianionic β-lactams, such as sulbenicillin, aztreonam and carbenicillin. Here, we could show that AcrD from Salmonella typhimurium confers resistance toward several hitherto unreported AcrD substrates such as temocillin, dicloxacillin, cefazolin and fusidic acid. In order to address the molecular determinants of the S. typhimurium AcrD substrate specificity, we conducted substitution analyses in the putative access and deep binding pockets and in the TM1/TM2 groove region. The variants were tested in E. coli ΔacrBΔacrD against β-lactams oxacillin, carbenicillin, aztreonam and temocillin. Deep binding pocket variants N136A, D276A and Y327A; access pocket variant R625A; and variants with substitutions in the groove region between TM1 and TM2 conferred a sensitive phenotype and might, therefore, be involved in anionic β-lactam export. In contrast, lower susceptibilities were observed for E. coli cells harbouring deep binding pocket variants T139A, D176A, S180A, F609A, T611A and F627A and the TM1/TM2 groove variant I337A. This study provides the first insights of side chains involved in drug binding and transport for AcrD from S. typhimurium.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Proteinkinase Akt das
Zellzyklusprotein p21 in Endothelzellen an der Aminosäure Threonin 145
phosphoryliert und auf diese Weise p21 posttranskriptionell reguliert. So führt die Aktabhängige Phosphorylierung zur Aufhebung der PCNA-Bindungsfähigkeit und zu einer Abnahme der Komplexbildung von p21 mit Cdk2 und Cdk4. Dementsprechend reduziert die Akt-Phosphorylierung von p21 an Threonin 145 die Hemmung der Cdk2-Aktivierung durch p21, begünstigt damit die Phosphorylierung von Retinoblastoma-Protein und die Freisetzung des Transkriptionsfaktors E2F. Diese Daten weisen auf einen neuen Signaltransduktionsweg hin, über den Akt die Endothelzellproliferation reguliert.
Außerdem führt die Akt-vermittelte Phosphorylierung von p21 an T145 zur Stabilisierung von p21 gegenüber Caspase-abhängiger Degradation während der pro-apoptotischen Stimulation der Endothelzellen und schützt die Zellen gegenüber der Apoptose-Induktion durch TNFα. Die p21-Phosphorylierung durch Akt stellt dabei einen essentiellen Mechanismus der endothelzellprotektiven Wirkung von Akt dar, denn in Abwesenheit von p21 infolge Antisense-Transfektion vermag die Überexpression von Akt nicht mehr zu einer Senkung der endothelialen Apoptoserate nach TNFα -Stimulation führen.
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.
Background and Aims: In patients with Rat sarcoma proto-oncogene (RAS) wild-type metastatic colorectal cancer (mCRC), anti-epidermal growth factor receptor (EGFR) antibodies have been established in first- and further therapy lines. Due to limited treatment options upon disease progression, anti-EGFR re-exposure is increasingly employed in real-world oncology. The aim of this study was to assess clinical implementation and utility of anti-EGFR retreatment strategies in real-world mCRC patients. Methods: In this monocentric retrospective study, we included 524 patients with CRC and identified patients who received an anti-EGFR-based treatment as well as anti-EGFR rechallenge (progression on first-line anti-EGFR therapy) or reintroduction (discontinuation due to intolerance/toxicity/other). Results: In total, 143 patients received an anti-EGFR-based first- or second-line treatment, showing a similar overall survival (OS) compared to the non-anti-EGFR treatment group (38.3 vs. 39.6 months, p = 0.88). Thirty-three patients met the inclusion criteria for anti-EGFR re-exposure and were either assigned to rechallenge (n = 21) or reintroduction (n = 12) subgroups. The median FU after re-exposure was 45.8 months. Cetuximab and Panitumumab were used in 21 and 12 patients, respectively, and the main chemotherapy at re-exposure was FOLFIRI in 39.4%. Anti-EGFR re-exposure was associated with a distinct trend towards a better outcome (median OS 56.0 vs. 35.4 months, p = 0.06). In a subgroup comparison, reintroduction was associated with a higher OS and PFS in trend compared to the rechallenge (mOS 66 vs. 52.4, n.s., mPFS 7.33 vs. 3.68 months, n.s.). Conclusions: This retrospective study provides real-world evidence underscoring that anti-EGFR re-exposure strategies might benefit patients independently of the reason for prior discontinuation.
Background: To test for differences in complication rates, in-hospital mortality, length of stay (LOS) and total hospital costs (THCs) in patients treated with neoadjuvant chemotherapy (NAC) prior to radical cystectomy (RC). Methods: Within the National (Nationwide) Inpatient Sample (NIS) database (2016–2019), we identified RC-treated, non-metastatic, lymph-node negative bladder cancer patients, stratified by NAC status. Trend analyses, multivariable logistic, multivariable Poisson and multivariable linear regression models were used. Results: We identified 4347 RC-treated bladder cancer patients. Of those, 805 (19%) received NAC prior to RC. Overall, complications rates did not differ (65 vs. 66%; p = 0.7). However, NAC patients harbored lower rates of surgical site (6 vs. 9%), cardiac (13 vs. 19%) and genitourinary (5.5 vs. 9.7%) complications. In-hospital mortality (<1.7 vs. 1.8%) and LOS (6 vs. 7 days) was lower in NAC patients (all p < 0.05). Moreover, NAC was an independent predictor of shorter LOS in multivariable Poisson regression models (Risk ratio: 0.86; p < 0.001) and an independent predictor for higher THCs in multivariable linear regression models (Odds ratio: 1474$; p = 0.02). Conclusion: NAC was not associated with higher complication rates and in-hospital mortality. Contrary, NAC was associated with shorter LOS, yet moderately higher THCs. The current analysis suggests no detriment from NAC in the context of RC.
Traumatic brain injury (TBI) is often complicated by long-lasting disabilities, including headache, fatigue, insomnia, hyperactivity, and cognitive deficits. In a previous study in mice, we showed that persistent non-goal-directed hyperactivity is a characteristic post-TBI behavior that was associated with low levels of endocannabinoids in the perilesional cortex. We now analyzed lipidome patterns in the brain and plasma in TBI versus sham mice in association with key behavioral parameters and endocannabinoids. Lipidome profiles in the plasma and subcortical ipsilateral and contralateral brain were astonishingly equal in sham and TBI mice, but the ipsilateral perilesional cortex revealed a strong increase in neutral lipids represented by 30 species of triacylglycerols (TGs) of different chain lengths and saturation. The accumulation of TG was localized predominantly to perilesional border cells as revealed by Oil Red O staining. In addition, hexosylceramides (HexCer) and phosphatidylethanolamines (PE and ether-linked PE-O) were reduced. They are precursors of gangliosides and endocannabinoids, respectively. High TG, low HexCer, and low PE/PE-O showed a linear association with non-goal-directed nighttime hyperactivity but not with the loss of avoidance memory. The analyses suggest that TG overload and HexCer and PE deficiencies contributed to behavioral dimensions of post-TBI psychopathology.
Bone vasculature provides protection and signals necessary to control stem cell quiescence and renewal1. Specifically, type H capillaries, which highly express Endomucin, constitute the endothelial niche supporting a microenvironment of osteoprogenitors and long-term hematopoietic stem cells2–4. The age-dependent decline in type H endothelial cells was shown to be associated with bone dysregulation and accumulation of hematopoietic stem cells, which display cell-intrinsic alterations and reduced functionality3. The regulation of bone vasculature by chronic diseases, such as heart failure is unknown. Here, we describe the effects of myocardial infarction and post-infarction heart failure on the vascular bone cell composition. We demonstrate an age-independent loss of type H bone endothelium in heart failure after myocardial infarction in both mice and in humans. Using single-cell RNA sequencing, we delineate the transcriptional heterogeneity of human bone marrow endothelium showing increased expression of inflammatory genes, including IL1B and MYC, in ischemic heart failure. Inhibition of NLRP3-dependent IL-1β production partially prevents the post-myocardial infarction loss of type H vasculature in mice. These results provide a rationale for using anti-inflammatory therapies to prevent or reverse the deterioration of vascular bone function in ischemic heart disease.
Inhibitors of the mammalian target of rapamycin (mTOR) have improved the treatment of renal cell carcinoma (RCC). However, chronic drug exposure may trigger resistance, limiting the utility of these agents. The metastatic behavior of RCC cells, susceptible (RCC(par)) or resistant (RCC(res)) to the mTOR inhibitor temsirolimus, was investigated. Adhesion to vascular endothelium or immobilized collagen and fibronectin was quantified. Chemotactic motility was evaluated with a modified Boyden chamber assay. Integrin α and β subtype receptors were analyzed by flow cytometry and Western blot analysis. The physiological relevance of the integrins was then determined by blocking studies and small interfering RNA knockdown. Adhesion to endothelial cells and to fibronectin (not to collagen) and chemotaxis were enhanced in RCC(res) compared to RCC(par). RCC(res) detached from fibronectin and motile activity further increased under retreatment with low-dosed temsirolimus. α5 integrin was diminished inside the cell and at the cell surface, whereas the β3 subtype was reduced intracellularly but elevated at the plasma membrane. In RCC(par), blocking α5 surface receptors enhanced RCC-collagen but reduced RCC-fibronectin interaction, whereas the opposite was true for RCC(res). Chemotaxis of RCC(par) but not of RCC(res) was strongly diminished by the α5 antibody. Blocking β3 significantly lowered chemotaxis with stronger effects on RCC(res), compared to RCC(par). Importantly, β3 knockdown reduced chemotaxis of RCC(par) but upregulated the motile behavior of RCC(res). Temsirolimus resistance is characterized by quantitative alterations of integrin α5 and β3 expression, coupled to functional changes of the integrin molecules, and forces a switch from RCC adhesion to RCC migration.
Human serum albumin (HSA) nanoparticles represent a promising tool for targeted drug delivery to tumor cells. The coupling of the antibody trastuzumab to nanoparticles uses the capability of human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)-positive cells to incorporate agents linked to HER2. In our present study, we developed targeted nanoparticles loaded with antisense oligonucleotides (ASOs) against polo-like kinase 1 (Plk1). We evaluated the receptor-mediated uptake into HER2-positive and -negative breast cancer and murine cell lines. We performed quantitative real-time PCR and Western blot analyses to monitor the impact on Plk1 expression in HER2-positive breast cancer cells. Antibody-conjugated nanoparticles showed a specific targeting to HER2-overexpressing cells with cellular uptake by receptor-mediated endocytosis and a release into HER2-positive BT-474 cells. We observed a significant reduction of Plk1 mRNA and protein expression and increased activation of Caspase 3/7. Thus, this is the first report about ASO-loaded HSA nanoparticles, where an impact on gene expression could be observed. The data provide the basis for the further development of carrier systems for Plk1-specific ASOs to reduce off-target effects evoked by systemically administered ASOs and to achieve a better penetration into primary and metastatic target cells. Treatment of tumors using trastuzumab-conjugated ASO-loaded HSA nanoparticles could be a promising approach to reach this goal.
In der vorliegenden Arbeit wird die Expression der Nonapetide Oxytocin und Vasopressin im Zentralnervensystem der Ratte, Rattus rattus und des afrikanischen Graumulls, Cryptomys anselli, mit immunhistochemischen Methoden untersucht. Bei Säugetieren allgemein werden Oxytocin (OX) und Vasopressin (VP) in separaten Populationen magnozellulärer Neuronen des Hycleus supraopticus und die weitverstreuten akzessorischen magnozellulären neurosekretorischen Zellen). Über axonalen Transport gelangen die Hormone hauptsächlich in die Neurohypophyse und werden von dort in das Blutgefäßsystem ausgeschüttet. Neben allgemein bekannten peripheren Wirkungen wie beispielsweise der Uteruskontraktion (Oxytocin), der Milchejektion (Oxytocin) und der Homöostase des Wasserhaushalts (Vasopressin) werden den beiden Hormonen auch wichtige zentrale Effekte wie die Beeinflussung von Sozialverhalten, Partnerwahl, Aggression etc. zugeschrieben, wobei sie als hypothalamische Neurotransmitter fungieren.
Als ein subterranes, eusoziales Säugetier zeigt der Graumull eine ungewöhnliche (eusoziale) Familienstruktur: Die Tiere leben in großen Familien, wobei ein einziges Weibchen mit seinem Partner für die gesamte Nachkommenschaft sorgt. Die Jungtiere verweilen ihr gesamtes Leben bei den Eltern, meist ohne selbst zur Reproduktion zu kommen, und kümmern sich u.a. um ihre jüngeren Geschwister. Verhaltensbiologische Analysen konnten zeigen, daß im Gegensatz zum Nacktmull (Heterocephalus glaber) bei Cryptomys anselli weder Pheromone noch dominant-aggressives Verhalten der „Königin“ zu einer sexuellen Suppression der Nachkommen führen.
Parallel zum Graumull wird die Ratte als ein in der Neurobiologie und Verhaltensphysiologie gut erforschter „Standardorganismus“ immunhistochemisch untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zuerst mit der Frage, ob und inwieweit bei Ratten und Graumullen die jeweilige soziale Organisation mit dem Muster der Transmitterexpression von Oxytocin und Vasopressin korreliert. Desweiteren ist von besonderem Interesse, ob sich die einzelnen Angehörigen der Graumull-Familien mit ihrem jeweiligen individuellen sozialen Status auch bezüglich der Verteilung und Quantität der beiden Transmitter unterscheiden. Auf dieser Grundlage wurden insgesamt vierzehn Graumulle und vier Ratten auf die Oxytocin- und Vasopressin-Expression im Zentralnervensystem hin untersucht.
Die vorgestellten immunhistochemischen Befunde an der Ratte und am
Graumull entsprechen prinzipiell der in der Literatur beschriebenen Expression von Oxytocin und Vasopressin im Nucleus paraventricularis hypothalami, im Nucleus supraopticus sowie in den weit verbreiteten akzessorischen magnozellulären neurosekretorischen Neuronen im Hypothalamus anderer Säugetiere. Bei Cryptomys ergab weder die qualitative noch die quantitative intraspezifische Analyse der immunreaktiven OX- und VP- Neuronen signifikante Unterschiede zwischen Individuen unterschiedlicher sozialer Stellung. Dagegen weist der Graumull im Vergleich mit der Ratte und anderen daraufhin bearbeiteten Säugern bisher nicht bekannte qualitative Unterschiede im oxytocinergen System auf, wobei unsere Befunde an der Ratte weitgehend mit der vorhandenen Literatur übereinstimmen: Eine magnozelluläre Neuronen-population im Corpus mamillare, welche auch in der Routinefärbung (Kresylechtviolett) erkennbar ist, zeigt bei den Graumullen eine Oxytocin-Expression, nicht aber bei den Ratten. In der Literatur ist für diese Neuronenpopulation bis dato nur die Expression von ABA beschrieben worden, nicht aber ihr oxytocinerger Charakter. Darüber hinaus ist eine bei der Ratte auffällige Gruppe akzessorischer magnozellulärer und oxytocinerger Neuronen, der Nucleus commissuralis anterior der Ratte, beim Graumull weder in der Routinefärbung noch immunhistochemisch nachweisbar. Als ein weiterer Unterschied ist die Expression von Oxytocin in der Area hypothalamica lateralis bei der Ratte sehr viel dichter als beim Graumull, ein Merkmal von potentiell qualitativem Charakter.
Der interspezifische Vergleich (Ratte-Graumull) ergab also eine potentiell neue Population Oxytocin-exprimierender Neuronen für den Graumull, nicht aber für die Ratte. Es wäre denkbar, daß über diese neu entdeckte oxytocinerge, aber nicht vasopressinerge Expression/Population mamillärer Neuronen innerhalb des limbischen Systems Projektionen in den Neokortex das Sozialverhalten der Graumulle beeinflussen können. In der Zukunft gilt es zu prüfen, ob diese Neuronenpopulation mit ihrer Oxytocin-Expression auch in anderen Säugetieren inklusive anderen eusozialen Spezies vorkommt. Das Fehlen des Nucleus commissuralis anterior (CoA) beim Graumull beruht hingegen wahrscheinlich nur auf strukturellen Unterschieden zwischen den Gehirnen von Ratten und Graumullen.
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.