Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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In dieser Arbeit sollte der Einfluss von Trockenstress auf die Photosyntheserate von einer repräsentativen C3-Art und dreier repräsentativer Arten unterschiedlicher C4-Subtypen vergleichend untersucht werden, wobei die drei Subtypen der C4-Photosynthese im Vordergrund standen. Anhand der ausgewählten Arten der Modell-Gattung Panicum (s.l.), P. bisulcatum (C3), P. bulbosum (NADP-ME), P. miliaceum (NAD-ME) und P. maximum (PCK), konnten die unterschiedlichen Stoffwechseltypen, an phylogenetisch nah verwandten Arten, auf Unterschiede in der physiologischen Antwort auf den abiotischen Stressfaktor Trockenheit untersucht werden. Hierfür wurden zwei verschiedene Arten der Trockenstressinduktion durchgeführt. Ein Vergleich der Arten in Hinblick auf Unterschiede in der Trockentoleranz erfolgte anhand von Hydrokulturversuchen mit PEG6000 als Osmotikum. In diesem Fall wurde der jeweilige Stress sehr schnell induziert und über die Dauer von 6 Tagen in unterschiedlichen Intensitäten konstant gehalten. Anhand der durchgeführten Gaswechselmessungen und Bestimmungen der Chlorophyllfluoreszenzparameter konnte eindeutig die C3-Art P. bisulcatum als die am sensitivsten auf Trockenstress reagierende Art identifiziert werden. Die drei C4-Arten lagen in ihrer physiologischen Antwort auf die unterschiedlichen Trockenstressintensitäten verhältnismäßig nah zusammen. Bei schwächerem osmotischen Stress zeigte aber P. miliaceum, der Vertreter des NAD-ME Subtyps, eindeutig die geringste Beeinflussung der untersuchten Photosyntheseparameter, was im Wesentlichen auch bei stärkerem osmotischen Stress bestätigt wurde. Zudem zeigte P. miliaceum bei 1400 ppm CO2 im Messgas im Vergleich zu den anderen getesteten Arten eine signifikant höhere Wassernutzungseffizienz, was die bessere Anpassung des NAD-ME Subtypen an osmotischen Stress unterstreicht. Bei dem Trockenstressexperiment in Erde stand die physiologische Maximalantwort auf den natürlicheren, verhältnismäßig langsam induzierten, aber letztendlich starken Trockenstress im Vordergrund. Hier wurde für jede Art untersucht, welche limitierenden Faktoren unter Trockenstress auf die Photosyntheserate wirken. Dafür wurde neben Gaswechsel- und Chlorophyllfluoreszenzmessungen mit der Bestimmung der In-vitro-Aktivitäten der Enzyme des C4-Zyklus, der Bestimmung der PEPC und RubisCO-Gehalte anhand von SDS-PAGE und Western-Blot-Analysen, und der Bestimmung des Deepoxidationsgrades des Xanthophyllzykluses ausgewählte Teilreaktionen der C4-Photosynthese genauer untersucht. Bei allen untersuchten C4- Arten konnte bei dem starken Trockenstress eine eindeutige nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate festgestellt werden. Bei der C3-Art P. bisulcatum sprechen die Ergebnisse für eine Mischung aus stomatären und nicht-stomatären Faktoren, die die Photosynthese unter Trockenstress limitieren. Hier konnte eine Abnahme des RubisCO-Gehalts unter Trockenstress beobachtet werden, was ein möglicher Faktor für eine nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate unter Trockenstress sein kann. Aufgrund der im Mittel reduzierten In-vitro-Aktivitäten der Enzyme des NADP-ME C4-Zyklus (PPDK, PEPC, NADP-MDH und NADP-ME) und einer Abnahme des PEPC- und RubisCOGehalts bei trockengestressten P. bulbosum im Vergleich zu der entsprechenden Kontrolle, konnte bei dem Vertreter des NADP-ME Subtyps die nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate auf eine generelle Abnahme der an der C4-Photosynthese beteiligten Enzyme zurückgeführt werden. Anhand der Bestimmung der In-vitro-Aktivitäten von P. maximum konnte gezeigt werden, dass die als Nebenweg beschriebene Decarboxylierung des CO2 über das NAD-ME in den BSZ, wahrscheinlich im gleichen Maße abläuft wie der von KANAI und EDWARDS (1999) beschriebene Hauptweg (Decarboxylierung in den BSZ durch die PCK). Die beobachtete nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate unter Trockenstress wurde auf eine mögliche Abnahme der In-vitro-Aktivitäten des sogenannten Nebenweges zurückgeführt. Bei P. miliaceum, dem repräsentativen Vertreter des NAD-ME Subtyps, zeigte keines der C4-Enzyme eine Abnahme der In-vitro-Aktivität, noch konnte eine Abnahme des RubisCO Gehalts unter Trockenstress im Vergleich zur Kontrolle beobachtet werden. Diese Beobachtung deutete auf eine In-Situ-Inhibierung eines der C4-Enzyme hin. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit bei P. miliaceum weiterführende Untersuchungen zur posttranslationalen Regulation der PEPC durchgeführt. Obwohl die PEPC unter Trockenstress in phosphorylierter und somit aktiver Form vorliegt, konnte gezeigt werden, dass bei trockengestressten P. miliaceum eine In-Situ-Inhibition der PEPC aufgrund einer Feedback-Inhibition durch das unter Trockenstress in den MZ akkumulierende Transportmetabolit Aspartat wahrscheinlich ist und somit die Photosyntheserate limitieren kann.
Einfluß von Rho-GTPasen und Aktin auf den cortikalen Membrantransport in Xenopus laevis-Oozyten
(2002)
Rho-Isoform-spezifische Änderungen der Zelloberfläche. Durch Bestimmung der Anzahl plasmamembranständiger Na,K-Pumpen bzw. der elektrischen Membrankapazität als Maße für die Zelloberfläche wurde der Einfluss verschiedener rekombinanter Rho-GTPasen auf den kortikalen Membranfluss an Xenopus-Oozyten untersucht. RhoA, RhoB, RhoC, RhoD und Cdc42 führten zu einer Abnahme der Zelloberfläche, wohingegen RhoE, RhoG und Rac1 eine Vergrößerung hervorriefen. Die Rho-GTPase TC10 hatte keinen Einfluss auf die Zelloberfläche. Die Veränderung der Zelloberfläche wurde durch elektronenmikroskopische und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen verifiziert: Oozyten zeigten nach Überexprimierung von RhoA eine deutliche Reduktion der Mikrovilli, wohingegen die dominant-aktive Form von RhoG (V12-RhoG) zu einer Verlängerung der Mikrovilli führte. Für die Wirkstärke der Rho-GTPasen, die die Oberfläche in ihrer Wild-Typ Form reduzierten, konnte folgende Rangfolge ermittelt werden: RhoB > RhoA > RhoD > RhoC > Cdc42. In der Gruppe der Rho-Proteine, die eine Vergrößerung der Zelloberfläche bewirken, zeigte RhoE den größten Effekt, gefolgt von Xenopus-RhoG, humanem RhoG und Rac1. Aus den Untersuchungen ging ferner hervor, dass dominantaktive Formen der Rho-GTPasen nicht unbedingt stärker wirken als die Wildtypform. Auch einige dominant-negative Formen führten trotz des inhibierten GDP/GTP-Austausches zu unerwarteten Veränderungen der Zelloberfläche. GTPasen anderer Familien wie Arf1, Arf6 oder Rab5a, für die eine Rolle beim vesikulären Transport gut dokumentiert ist, hatten keinen Einfluss auf die Zelloberfläche. Für die Änderung der Zelloberfläche erwies sich das Vorhandensein eines Cterminalen Lipidankers als essentiell, da Rho-GTPase-Mutanten, die infolge des Fehlens eines kritischen Cysteinrestes nicht mehr isoprenyliert werden können, keine Änderung der Zelloberfläche bewirkten. Die Analyse von RhoB-RhoG-Chimären brachte keine eindeutigen Hinweise auf das Vorhandensein einer für die Zelloberflächenregulation entscheidenden weiterer Region. Sowohl N-terminal- als auch C-terminal-gelegene Sequenzabschnitte waren zur Ausbildung des vollen Effektes notwendig. Identifizierung möglicher RhoA-Effektoren. Die Untersuchung von RhoAEffektormutanten, bei denen die Interaktion mit spezifischen Effektormolekülen durch Mutation in der Effektorregion inhibiert war, ergab, dass die Abnahme der Zelloberfläche weder durch Rhophilin, mDia, Kinectin, Citronkinase oder ROK vermittelt wird. Auch der ROK-Inhibitors Y-27632 konnte den RhoA-Effekt nicht blockieren. Nach diesem Ausschlußverfahren konnte die Proteinkinase N (PKN, PRK) als einziger möglicher Effektor für den durch RhoA ausgelösten Internalisierungsprozeß ermittelt werden. Wechselwirkung zwischen Rho und Aktin. Rho-Proteine gelten als endscheidene Regulatorproteine des Aktinzytoskeletts. Als Reaktion auf bestimmte extrazelluläre Signale kontrollieren diese Proteine Aufbau und Zerfall des Aktins. Untersucht wurde hier der Einfluß der Aktinumstrukturierung auf den Rho-vermittelten Membrantransport. Die das Aktin-Zytoskelett gegensätzlich beeinflussenden Substanzen Cytochalasin B, Cytochalasin D und Phalloidin hatten keinen bzw. nur einen schwachen Effekt auf die Oozyten-Oberfläche. Die Rho-vermittelte Zelloberflächenänderungen wurden von diesen Substanzen nicht blockiert. Dagegen bewirkten die das Aktin-Zytoskelett depolymerisierenden Substanzen Latrunculin A und C2-Toxin eine starke Reduzierung der Zelloberfläche. Die Reduzierung unter Latrunculin A kam auch dann zustande, wenn zuvor RhoE überexprimiert wurde, welches selbst die Zelloberfläche stark vergrößert. Wurde zunächst C2-Toxin in Oozyten injiziert und anschließend RhoE überexprimiert, ergab sich keine Veränderung der Membrankapazität im Vergleich zu einer nicht injizierten Kontrolloozyte. Der Effekt von Latrunculin A wurde blockiert, wenn Rho-GTPasen durch Vorbehandlung der Oozyten mit Rho-spezifischen Toxinen (ToxB und C3- Toxin) inaktiviert wurden. Daraus folgt, dass der Effekt von Latrunculin A und C2-Toxin davon abhängt, dass aktivierbares Rho zur Verfügung steht. Jasplakinolid, eine Aktin stabilisierende Substanz, führt ebenfalls zu einer starken Verringerung der Zelloberfläche, die jedoch durch Toxin-Vorhandlung nicht blockierbar und damit RhoA-unabhängig war. Auswirkung der GAP-Wirkung von ExoS auf die Rho-Aktivität. Die Injektion von ExoS, einem Toxin, das gegenüber Rho GAP-Aktivität aufweist, führt zu einer Vergrößerung der Zelloberfläche. Die GAP-Wirkung von ExoS konnte durch das CNFToxin, daß aufgrund einer Aktivierung von Rho zu einer Verminderung der Zelloberfläche führt, nicht aufgehoben werden. Auch die dominant-aktiven Formen von RhoA (V14-RhoA, Q61-RhoA) konnten die GAP-Wirkung von ExoS nicht blockieren. ExoS kann im Gegensatz zu anderen GTPase-aktivierenden Proteinen eine Interaktion mit der deamidierten Form von Rho eingehen und somit den Aktivitätszustand durch GTPHydrolyse beenden. Wechselwirkung zwischen Bordetella Dermonekrose-Toxin (DNT) und Rho. Die biologische Wirkung von DNT resultiert aus einer Deamidierung und Transglutaminierung von Rho-GDP nach Freisetzung von GDI. Aufgrund dieser Modifikationen kommt es zum Verlust der GTP-Hydrolyse-Aktivität und somit zur Bildung einer konstitutiv-aktiven Form von Rho. In Zusammenarbeit mit Prof. Aktories (Pharmakologisches Institut, Freiburg), gelang es, die Aminosäure Lysin als ein weiteres Substrat neben Spermidin und Putrescin für den Transglutaminierunsprozeß des Toxins DNT zu identifizieren.
The technique of site-specific fluorescence labelling with Tetramethylrhodaminemaleimide (TMRM) in combination with two electrode voltage-clamp technique (TEVC), an approach that has been named voltage clamp fluorometry (VCF), has been used in this work to study the Na,K-ATPase. The TMRM dye has the ability to attach covalently to cysteine residues and it responds to changes in the hydrophobicity of its local environment. We exploited this property using a construct of the Na-pump in which the native, extracellularly accessible cysteines were removed and cysteine residues were introduced by site-directed mutagenesis in specific positions of the Na-pump. In this way it was possible to detect site-specific conformational rearrangements of the Na-pump in a time-resolved fashion within a native membrane environment. In particular this technique allows to resolve reactions with low electrogenicity that cannot be satisfactorily analyzed with purely electrophysiological techniques and to identify the conformations of the enzyme under specific ionic composition of the measuring buffers. We used VCF to study the influence that several cations like Na+, K+, NMG+, TEA+ and BTEA+ exert on the distribution of the Na,K-ATPase between several enzymatic intermediates and on some of the reactions related to cation transport. To this end we utilized the mutants N790C in the loop M5-M6 and the mutant E307C, T309C, L311C and E312C in the loop M3-M4. From the correspondence of the fluorescence changes with the activation and inhibition of pumping current, by K+ and ouabain respectively, and from the fact that in Na+/Na+ exchange conditions the voltage distribution of charge movement and fluorescence changes evoked by voltage jumps are in reasonable agreement we conclude that through the fluorescence signals measured from these mutants, we can indeed monitor conformational changes linked to transport activity of the enzyme. For the mutants N790 and L311, it was found that the Na+ dependence of the amplitude and kinetics of the fluorescence signal associated with the E1P-E2P transition is in agreement with the prediction of an access channel model describing the regulation of the access of extracellular Na+ to its binding site. In particular for the mutants E307 and T309 it was found that in Na+/Na+ exchange conditions, the conformational change tracked by the fluorescence was much slower than the charge relaxation at hyperpolarized potentials while the kinetics was very similar at depolarized potentials. This implies that at hyperpolarized potentials the conformational change connected to the E1P-E2P transition does not give a large contribution to the electrogenicity of the process which is also consistent with the access channel model. On the mutant N790C it was found that the external pH does not seem to have any effect on the E1P-E2P equilibrium even if it seems to modulate the fluorescence quantum yield of the dye. Fluorescence quenching experiments with iodide and D2O indicate that at hyperpolarized potentials the local environment of the mutant N790C, experiences a small change in the accessibility to water without major changes in the local electrostatic field ...
The midbrain DA system comprising dopamine (DA) neurons of the substantia nigra (SN) and the ventral tegmental area (VTA) is involved in various brain functions, including voluntary movement and the encoding and prediction of behaviorally relevant stimuli. In Parkinsonʼs disease (PD), a progressive degeneration of particularly vulnerable SN DA neurons causes a progressive DA depletion of striatal projection sites. As a consequence, motor symptoms such as tremor, hypokinesia and rigidity appear once about 50 % to 70 % of SN DA neurons have been lost. Under physiological conditions, SN DA neurons can encode behaviorally salient events and coordinated movements through tonic and phasic activity and correlated striatal DA release. Burst-activity mediates a phasic, supralinear rise of striatal DA levels and allows to activate coordinated movements via modulation of corticostriatal signals.
In the present dissertation project, pathophysiological adaptations of surviving SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostiatal system have been studied using a 6-hydroxydopamine mouse model of PD. Combining in vivo retrograde tracing techniques with in vitro whole-cell patch-clamp recordings, multifluorescent immunolabeling and confocal microscopy allowed an unambiguous correlation of electrophysiological phenotypes, anatomical positions and neurochemical phenotypes of recorded neurons on a single-cell level. In vitro, neuronal activity of SN DA neurons is characterized by spontaneous, slow pacemaker activity of 1 to 10 Hz and a high degree of spike-timing precision. In vitro current-clamp recordings of surviving SN DA neurons using acute brain slice preparations after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system showed a significant perturbation of spontaneous pacemaker activity, mirrored by a decreased spike-timing precision compared to controls. Selective pharmacology and whole-cell voltage-clamp recordings served to identify calciumactivated SK channels as molecular effectors of a perturbated pacemaker activity of surviving SN DA neurons. SK channels and have been shown to critically contribute to the spike-timing precision of SN DA neurons. Consistently, in vitro current-clamp recordings after pharmacological blockade of SK channels in vitro caused a significant decrease of spike-timing precision, occluding previously observed differences between surviving SN DA neurons and controls.In addition to in vitro patch-clamp recordings, extracellular single-unit recordings in anaesthetized animals in vivo served to study surviving SN DA neurons embedded in an intact neuronal network after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system. Combining in vivo single-unit recordings, juxtacellular neurobiotin labeling and multifluorescent immunohistochemistry allowed to directly correlate electrophysiological and neurochemical phenotypes as well as anatomical positions on a single-cell level. In vivo, surviving SN DA neurons showed a significant decrease of spike-timing precision as reflected by an increased irregularity and an augmented burst activity compared to controls.
The present dissertation project provided a unique combination of a neurotoxicological PD mouse model, retrograde tracing techniques and in vitro as well as in vivo electrophysiologiy, allowing to unambiguously correlate electrophysiological adaptations, projection-specific anatomical positions and neurochemical phenotypes of SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostriatal system. Surviving SN DA neurons exhibited a significant deficit of SK channel activity after a partial degeneration of the nigrostriatal DA system. In consequence of a diminished SK channel activity observed in vitro, surviving SN DA neurons exhibited and enhanced burst activity in vivo, providing a plausible mechanism to compensate a striatal DA depletion.
Lichtgesteuerte Channelrhodopsine (ChR) haben im letzten Jahrzehnt neue Wege zur Untersuchung neurophysiologischer Zusammenhänge eröffnet. Die ersten grundlegenden Charakterisierungen von Channelrhodpsin-1 und Channelrhodopsin-2 (ChR-1 und ChR-2) zeigten bereits die hohe Selektivität dieser Ionenkanäle für Protonen gegenüber monovalenten und divalenten Kationen und veranschaulichten die Dominanz der einwärtsgerichteten gegenüber den auswärtsgerichteten Kationenströmen durch die Kanalpore (Einwärtsgleichrichtung) (Nagel et al., 2002; Nagel et al., 2003). Nach Expression von Channelrhodopsin können erregbare Zellen mit einem Ruhepotential von -60 mV durch Licht depolarisiert und Aktionspotentiale (AP’s) ausgelöst werden (Boyden et al., 2005; Li et al., 2005; Nagel et al., 2005b). Aufgrund der Einwärtsgleichrichtung von ChR nehmen die lichtaktivierten Ströme mit zunehmender Depolarisation ab, sodass die vollständige Ausbildung des AP’s nicht gestört wird. Dadurch wird ChR zu einem optimalen optogenetischen Werkzeug. Dennoch ist die Einwärtsgleichrichtung bisher wenig detailliert charakterisiert. Auch die zugrunde liegenden Mechanismen sind nicht genau bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte anhand von Patch-Clamp Messungen gezeigt werden, dass zwei Mechanismen die Rektifizierung des Kanalstroms durch ChR-2 hervorrufen: eine Spannungsabhängigkeit der Einzelkanalleitfähigkeit und eine Spannungsabhängigkeit der Offenwahrscheinlichkeit. Die Spannungsabhängigkeit der Einzelkanalleitfähigkeit ist von der Art der geleiteten Ionen abhängig und konnte experimentell über die Unterschiede der stationären IV-Kurve für H+ und Na+ bei symmetrischen Ionenkonzentrationen bewiesen werden. Des Weiteren wurden die Resultate für unterschiedliche Ionenbedingungen anhand eines Ionenbindungsmodells mit einem „3-Barrieren 2-Bindungsstellen“ Profil für die Kanalpore simuliert. Die Spannungsabhängigkeit der Offenwahrscheinlichkeit ist an eine Lichtadaption des ChR-2 Proteins gekoppelt. Diese Lichtadaption konnte mithilfe von repetitiven Messungen, d.h. Strommessungen mit mehrfachen kurzen Lichtblitzen (10 ns), gezeigt werden. Da die Lichtadaption wie auch die Kanalkinetik stark vom pH abhängig sind, ist anzunehmen, dass mechanistisch wichtige De- und Reprotonierungsreaktionen mit diesen Prozessen einhergehen. Ferner konnte über die Untersuchung der elektrophysiologischen Eigenschaften der ChR-2 Mutante E90A eine Region im Protein identifiziert werden, die höchstwahrscheinlich am Protonentransport durch die Kanalpore beteiligt ist. Die Mutante E90A wies eine verringerte Protonenleitfähigkeit und eine natriumabhängige Blockierung der lichtaktivierten Ströme bei niedrigem extrazellulären pH auf. Doppelbelichtungsexperimente mit gelbem oder kurzwelligem blauen Licht ergaben außerdem neue Hinweise auf die Identität einiger Intermediate des Photozyklus. Die vorgestellten Ergebnisse weisen darauf hin, dass die bisher beschriebene „lichtadaptierte“ Form, die als P480 Intermediat bezeichnet wird, eher einem P520 Intermediat entspricht. Außerdem konnte im Rahmen dieser Arbeit eine funktionelle Beteiligung des Intermediats P390, in dem die Schiff Base deprotoniert ist, am Photostrom von ChR-2 im Wildtyp-Protein gezeigt werden. Diese Beteiligung ist bisher nur für ChR-2 Mutanten bekannt (Bamann et al., 2010). Neben der Untersuchung der Kanaleigenschaften von ChR-2 wurde in dieser Arbeit auch der Frage nachgegangen, ob an den Photozyklus von ChR-2 eine vektorielle Protonenverschiebung über der Membran gekoppelt ist. Mithilfe der BLM-Technik und Patch-Clamp Messungen an elektrofusionierten HEK-293 Zellen (Zimmermann et al., 2006) konnte gezeigt werden, dass auch ohne elektrochemische Triebkraft lichtaktivierte Ströme (Pumpströme) zu beobachten sind, die einer vektoriellen Protonenverschiebung von 0,2 - 0,4 Ladungen pro Photozyklus entsprechen. Die Doppelbelichtungsexperimente und der vektorielle Protonentransport geben einen Einblick in den Zusammenhang zwischen Photozyklus und den funktionalen Zuständen des Kanals. Die Ergebnisse zeigen das komplexe Geflecht zwischen Spannungsabhängigkeit, der Kinetik und den offenen Zuständen und wurden in einem Modell zusammengefasst. Weiterhin wurde in dieser Arbeit eine stabile Zelllinie für die Expression von ChR-1 etabliert, die eine genauere Charakterisierung dieses Proteins möglich macht. Es konnte gezeigt werden, dass ChR-1 ebenso wie ChR-2 eine Kationenleitfähigkeit besitzt. Aus zeitaufgelösten Messungen wurde außerdem ermittelt, dass ChR-1 gegenüber ChR-2 eine verkürzte Zykluszeit besitzt. Die verkürzte Zykluszeit von ChR-1, die zu kleineren Gesamtstromamplituden im Vergleich zu ChR-2 führt und die vergleichsweise geringere Expression, v.a. in transienten Expressionssystemen, limitiert dessen neurophysiologische Anwendung. Zusammenfassend stellt die vorliegende Dissertation eine detaillierte biophysikalische Charakterisierung von Channelrhodopsinen dar, die neue Erkenntnisse über die mechanistische Kopplung der Kanalfunktion an den Photozyklus hervorbringt. Zudem kann sie eine Grundlage für die gezielte Suche nach Channelrhodopsin Mutanten bieten, deren Kinetik oder analeigenschaften für die neurophysiologische Anwendung optimiert sind.
The prevalence of food allergies has increased in the westernized countries during the past decades. Clinical manifestations of food allergies involve the skin (e.g. atopic dermatitis), the respiratory tract (e.g. rhinitis, and asthma), the ocular area (e.g. conjunctivitis), the gastrointestinal tract (e.g. food-protein-induced enterocolitis syndrome, food-induced proctocolitis, and eosinophilic gastroenteropathies), and the cardiovascular system (e.g. anaphylaxis). A curative treatment of these diseases has not been established yet. Oral immunotherapy (OIT) has gained attention as a potential therapy for food allergies. Continuous feeding of allergenic diet applied in the model described here mirrors to a certain extent an OIT treatment. It might be therefore useful to investigate efficacy and safety of OIT pre-clinically.
Mouse models have been widely used to analyse novel treatment approaches. Unfortunately, most of them have focussed on IgE-mediated hyperreactivity. Only a limited number of mouse models presenting mixed IgE- and non-IgE-mediated gastrointestinal symptoms and inflammation upon allergen-challenge are available. To study the mechanisms underlying the induction of food-induced gastrointestinal inflammation and subsequent oral tolerance induction, a mouse model of food-induced gastrointestinal allergy was established. BALB/c mice were sensitised with Ovalbumin (OVA) plus ALUM and subsequently challenged by feeding a diet containing egg white (EW diet). During the first seven days on EW diet, OVA-sensitised mice (OVA/ALUM EW mice) developed gastrointestinal symptoms (e.g. weight loss, ruffed fur, soft stool and less mobility) and inflammation in the small intestines accompanied by a strong induction of OVA-specific IgE antibodies and mouse mast cell protease-1 (mMCP-1). Proliferation of CD4+ T cells from spleen of OVA/ALUM EW mice was reduced compared controls. The result indicated that feeding EW diet induced T cell tolerance systemically. In contrast, CD4+ T cells isolated from MLN of OVA/ALUM EW mice showed stronger proliferation upon OVA stimulation in vitro than mice OVA-sensitised but fed a conventional diet, indicating that tolerance was not induced by short-term EW diet. Histological analysis of the small intestinal tissue of OVA/ALUM EW mice revealed strong inflammation present in the duodenum, jejunum and ileum at this time point.
Interestingly, the observed symptoms in OVA/ALUM EW mice resolved spontaneously after 7 days on EW diet, if the feeding was continued. In the next steps the CD4+ T cell-mediated immune response after 28 days continuous EW diet was assessed and revealed that tolerance was induced systemically as well as locally. This was shown by reduced proliferation and cytokine secretion of CD4+ T cells from MLN of OVA/ALUM EW mice after long-term EW diet. However, the inflammation in the jejunum was aggravated instead of resolved at this time point of allergenic diet. Our results suggest that application of OIT in food-allergic patients with gastrointestinal inflammation may need to be reconsidered, since continuous administration of allergenic food may aggravate inflammation in the local tissue. Interestingly, only the jejunum was affected by a worsened condition, whereas duodenum and ileum resolved inflammation. In accordance to the observed jejunal inflammation mMCP-1 levels in the sera were not changed. Allergen-specific IgE levels did not reach baseline level after long-term EW diet, although they were reduced compared to levels in mice after 7 days on EW diet. This result suggests that residual OVA-specific IgE antibodies would promote the jejunal inflammation by sustained activation of mast cells. Furthermore, our results suggest that IL-4 produced by activated Th2 cells could be an effector molecule to induce intestinal inflammation.
The second part of this thesis was aimed at verifying the hypothesis that IgE-mediated mast cell activation is a major effector mechanism in induction of chronic inflammation induced by long-term EW diet. For that mice deficient for FcεRI, a high affinity IgE receptor, were used. These mice were sensitised with OVA and fed EW diet as described for WT mice. Although FcεRI-deficient mice showed an intact Th2 immunity with IgE production, weight loss in the receptor-deficient mice was moderately induced by EW diet compared to WT mice, suggesting that this clinical symptom during the acute phase of allergic response is associated with IgE-mediated mechanisms. Surprisingly, the deficient mice presented comparable intestinal inflammation on day seven of EW diet as WT mice did. However, if EW diet was continued, recovery of intestinal inflammation was observed in FcεRI-deficient mice in contrast to WT mice. These results suggest that the induction of intestinal inflammation is not IgE-dependent. Nevertheless, this does not rule out a potential role of mast cells in the inflammation, because of their IgE-independent activation pathways. It also suggests the involvement of T cell-mediated mechanisms during induction of jejunal inflammation. Interestingly, the aggravated inflammation seen after long-term EW diet in WT mice seems to be IgE-dependent, considering that it was not observed in FcεRI-deficient mice. The elevated number of mast cells in the intestine of WT mice further led to a hypothesis that their continuous activation might be responsible for the chronification of allergic inflammation observed after long-term EW diet. In the context of OIT it further implies that IgE might be a poor prognostic factor for recovery of intestinal inflammation during and after an OIT treatment. In the third part of this thesis regulatory mechanisms employed by the immune system were analysed. Initial results from CD4+ T cells isolated from MLN from OVA/ALUM EW mice showed elevated IL-10 levels in their supernatants after short-term EW diet. IL-10-deficient mice were used to analyse the effect of this immunosuppressive cytokine in the mouse model presented here. However, IL-10-deficient mice tend to develop a strong Th1-dominated immune response. Nevertheless, an accelerated weight loss and slight inflammation of the jejunum was observed after short-term EW diet. Analysis of OVA-specific proliferation and cytokine production CD4+ T cells from Spleen and MLN of IL-10-deficient mice on EW diet suggested that systemic as well as local tolerance was induced after short-term and long-term EW diet feeding, respectively. The result suggests that IL-10 is dispensable for induction of T cell tolerance in our mouse model.
However, the presence of functionally active Tregs was observed during this study in WT mice fed short-term EW diet, suggesting that Tregs might have an important role in regulating the systemic or local immune response. T cell deletion as an alternative immune regulatory mechanism was also observed. Additionally, the efficacy of continuous EW diet (mirroring to a certain extent an OIT treatment) in induction of permanent tolerance was assessed. In OVA-sensitised WT mice continuous allergenic diet was stopped after resolution of clinical symptoms and reintroduced after a defined period on conventional diet. Evaluating the weight development showed that reintroduction of EW diet induced weight loss again, but not as pronounced as seen after short-term EW diet. Also the CD4+ T cell-mediated response was elevated again upon allergen stimulation in vitro. The results suggested that permanent tolerance was not induced in the chosen feeding regime.
The mouse model established and analysed here was used to investigate inflammatory and regulatory mechanisms underlying food-induced gastrointestinal allergy. It presents clinical symptoms and intestinal inflammation (Burggraf et al., 2011). This model is easy to be reproduced in different laboratories, and is useful for testing novel therapy approaches (Schülke et al., 2011; Bohnen et al., 2013). It further provides an opportunity to investigate basic mechanisms underlying OIT. This therapy approach is currently extensively investigated and our mouse model would help to understand the therapeutic mechanism of OIT.
This thesis is based on the following publications (in chronological order): 1. Biegel, E., S. Schmidt & V. Müller (2009) Genetic, immunological and biochemical evidence for a Rnf complex in the acetogen Acetobacterium woodii. Environ. Microbiol. 11: 1438-1443. My contribution: Amplification, sequence determination and analysis of Rnf homologues, enrichment of the Rnf complex 2. Biegel, E. & V. Müller (2010) Bacterial Na+-translocating ferredoxin:NAD+ oxidoreductase. Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A. 107: 18138-18142. My contribution: I designed and performed all experiments shown and interpreted the data. 3. Biegel, E., S. Schmidt, J. Gonzáles & V. Müller (2010) Biochemistry, evolution and physiological function of the Rnf complex, a novel ion-motive electron transport complex in prokaryotes. Cell. Mol. Life Sci., in press. DOI: 10.1007/s00018-010-0555-8. My contribution: I was involved in writing all chapters except chapters: „phylogenetic analyses of rnf genes“ and „distribution of rnf genes“. 4. Biegel, E. & V. Müller (2010) A Na+-translocating pyrophosphatase in the acetogenic bacterium Acetobacterium woodii. J. Biol. Chem., in press. DOI: 10.1074/jbc.M110.192823. My contribution: I designed and performed all experiments shown and interpreted the data.
Mit den in dieser Arbeit entwickelten und getesteten Nachweismethoden konnte in verschiedenen Marktstudien gezeigt werden, dass sowohl molekularbiologische als auch immunologische Verfahren für den Nachweis von versteckten Allergenen in Lebensmitteln geeignet und auch miteinander vergleichbar sind. Dies wurde in zwei Studien deutlich, in denen beide Methoden sowohl für den Haselnuss- bzw. Erdnussnachweis miteinander verglichen wurden. In beiden Studien wurde eine sehr gute Übereinstimmung der beiden Verfahren gefunden. Nur in Einzelfällen gab zwischen beiden Methoden Abweichungen im Resultat, was aber fast ausschließlich Proben betraf, die einen sehr geringen Anteil (ca. 10 ppm Protein) Haselnuss bzw. Erdnuss enthielten. Damit konnte erstmals im direkten Vergleich gezeigt werden, dass PCR-basierte Methoden für den Allergennachweis in prozessierten Lebensmitteln genauso gut geeignet sind, wie antikörperbasierte Methoden. Allerdings besteht bis zum heutigen Zeitpunkt das Problem solche Anteile korrekt zu quantifizieren, da es an Referenzmaterialien mangelt, die es ermöglichen würden einen Mengenstandard für ein quantitatives Verfahren herzustellen. Momentan sind quantitative Messungen nur exakt möglich, wenn die zu untersuchende Lebensmittelmatrix genau bekannt ist und ein entsprechender Standard generiert werden kann. Trotzdem bieten beide Verfahren die Möglichkeit prozessierte Lebensmittel sehr empfindlich auf allergene Bestandteile zu untersuchen, um somit sicherzustellen dass die aktuellen gesetzlichen Regelungen und Richtlinien für die Etikettierung von Lebensmitteln, wie die EU-Richtlinie 2006/146/EU bzw. die Lebensmittelkennzeichnungsverordnung (LMKV), von den Lebensmittelherstellern eingehalten werden. Weiterhin bieten die etablierten Nachweismethoden den Herstellern die Möglichkeit, ihre Produktion im Hinblick auf potenzielle Kontaminationsrisiken mit allergenen Zutaten zu überprüfen bzw. die Effizienz der verwendeten Reinigungsmethoden einzuschätzen. Dies wurde erstmals im Rahmen an einer Modellstudie in Zusammenarbeit mit einem Aromenhersteller durchgeführt. In dieser Studie sollte die Effizienz von verschiedenen Reinigungsprozeduren hinsichtlich der Kontaminationsgefahr von allergenfreien Nachfolgeprodukten überprüft werden. Es konnte gezeigt werden, dass der verwendete Reinigungsprozess sehr effektiv abläuft und nicht mit Kontaminationen gerechnet werden muss. Diese Studie hat exemplarisch gezeigt, dass es möglich ist, allergenspezifische Nachweismethoden in einem Betrieb einzusetzen, um die Belastung der Produktionsanlage und der hergestellten Produkte mit potenziellen Allergenen zu überwachen. Prinzipiell sollte es also möglich sein allergenspezifische HAACCP Konzepte innerhalb eines Betriebes zu etablieren, um so die Produktsicherheit noch weiter zu verbessern. Abschließend kann man sagen, dass die Entwicklung von allergenspezifischen Nachweismethoden einen wichtigen Beitrag zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit darstellt. Nicht nur dass diese Methoden wichtig sind, um bestehendes Recht zu überwachen, sie sind auch für die Lebensmittelproduzenten ein wichtiges Werkzeug die Qualität ihrer Produkte zu erhöhen.
Um die Bedeutung bestimmter Neurone oder Klassen von Neuronen innerhalb von Nervensystemen zu untersuchen, sind Methoden, die eine Manipulation der Aktivität der Neurone in vivo erlauben, besonders nützlich. Die bisher zur Verfügung stehenden Methoden haben jedoch Einschränkungen in beispielsweise der Zelltypspezifität, der zeitlichen Präzision, der Reversibilität oder der Anwendbarkeit in frei beweglichen Tieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden optogenetische, d.h. auf der Expression lichtempfindlicher Proteine basierende Methoden entwickelt, um eine präzise Manipulation des Membranpotentials definierter Neurone durch Licht zu ermöglichen. Die Techniken wurden daraufhin zur Untersuchung z.B. der Neurotransmission sowie der Funktion kleiner Netzwerke im Nervensystem des Nematoden Caenorhabditis elegans verwendet. Die zelltypspezifische heterologe Expression des lichtgesteuerten Kationenkanals Channelrhodopsin-2 (ChR2) aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ermöglichte es, Muskel- oder Nervenzellen der Nematoden durch blaue Beleuchtung innerhalb weniger Millisekunden zu depolarisieren. Dadurch ließen sich spezifische Verhaltensweisen in frei beweglichen Tieren auslösen. Dieser Ansatz wird in Zukunft die Untersuchung der Bedeutung einzelner Neurone innerhalb ihrer Schaltkreise deutlich erleichtern. So konnte hier gezeigt werden, dass die Photostimulation des propriorezeptiven Neurons DVA eine signifikante Erhöhung der mittleren Körperbiegungswinkel während der sinusförmigen Fortbewegung der Tiere zur Folge hatte. Außerdem wurde versucht, die Anwendbarkeit von ChR2 durch die gezielte Manipulation der subzellulären Lokalisation mittels Fusion mit speziellen Peptiden oder Proteinen zu erhöhen. Des Weiteren wurde eine zur Verwendung von ChR2 analoge Methode zur Hemmung von Neuronen durch Licht entwickelt. Hierfür wurde die lichtgetriebene Cl--Pumpe Halorhodopsin aus Natronomonas pharaonis (NpHR) zelltypspezifisch in C. elegans exprimiert. Durch Photoaktivierung von NpHR mit gelbem Licht war es möglich, Muskelzellen und cholinerge Neurone zu hyperpolarisieren und somit in ihrer Aktivität zu hemmen. Dies führte in frei beweglichen Tieren zu einer augenblicklichen Paralyse verbunden mit einer drastischen Reduktion der Schwimmfrequenz und einer Erhöhung der Körperlänge. Die Aktionsspektren von ChR2 und NpHR sind unterschiedlich genug, um eine unabhängige Photoaktivierung der beiden Proteine mit blauem und gelbem Licht zu ermöglichen. Dadurch konnte die Aktivität von Muskelzellen und cholinergen Neuronen nach Koexpression der beiden Proteine bidirektional kontrolliert werden. Es wurden somit Methoden entwickelt, die in vivo eine zeitlich äußerst präzise Manipulation des Membranpotentials definierter Neurone mit Licht verschiedener Wellenlängen ermöglichen. Die Beobachtung der dadurch induzierten Verhaltensänderungen erlaubt es, zuverlässige Aussagen über die Bedeutung einer Nervenzelle für die Ausprägung eines Verhaltens zu treffen und wird die Erforschung der Nervensysteme von C. elegans und anderen Modellorganismen deutlich vereinfachen. Schließlich wurden in dieser Arbeit optogenetische Methoden zur Untersuchung der synaptischen Übertragung an neuromuskulären Synapsen (neuromuscular junctions, NMJs) von C. elegans entwickelt. Hierfür wurde ChR2 in GABAergen oder cholinergen Neuronen exprimiert, um eine lichtgesteuerte Freisetzung des inhibitorischen Neurotransmitters GABA bzw. des exzitatorischen Neurotransmitters Acetylcholin (ACh) an NMJs zu erreichen. Die Methode wurde OptIoN getauft, ein Akronym für „Optogenetic Investigation of Neurotransmission“, also „optogenetische Untersuchung der Neurotransmission“. Die GABA-Freisetzung hatte ähnlich wie die NpHR-vermittelte Photoinhibition von Muskelzellen eine Reduktion der Schwimmfrequenz und Erhöhung der Körperlänge zur Folge. Die Ausschüttung von ACh verursachte hingegen starke Muskelkontraktionen verbunden mit einer Reduktion der Körperlänge. Die Änderungen der Körperlänge waren bei Mutanten mit verschiedenen Neurotransmissionsdefekten signifikant unterschiedlich im Vergleich zum Wildtyp. Außerdem kam es während längerer Beleuchtungsphasen in Mutanten mit defektem Recycling der synaptischen Vesikel (SV) zu einer verstärkten Abnahme der lichtinduzierten Effekte. OptIoN ermöglicht es dadurch erstmals, die Mechanismen des SV-Recyclings in C. elegans Verhaltensexperimenten zu untersuchen. In elektrophysiologischen Messungen ließen sich durch kurze Lichtpulse wiederholt und mit hoher Frequenz Neurotransmitter-spezifische postsynaptische Ströme evozieren. Diese Ströme waren in Mutanten mit gestörter SVExozytose reduziert und gingen bei wiederholter Stimulation in Mutanten mit defektem SVRecycling schneller zurück. Die Verwendung von OptIoN erleichtert die elektrophysiologische Untersuchung neuronaler Defekte und stellt erstmals eine Möglichkeit dar, Vorgänge der neuronalen Plastizität in dem genetischen Modellsystem C. elegans zu untersuchen. Das Potential von OptIoN zeigte sich unter anderem auch in der Identifizierung eines neuen, über metabotrope GABA-Rezeptoruntereinheiten vermittelten Mechanismus zur heterosynaptischen Hemmung cholinerger Neurone.