92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
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Toxicology, the study of the adverse effects of chemicals and physical agents on living organisms, is a critical process in chemical and drug development. The low throughput, high costs, limited predictivity and ethical concerns related to traditional animal-based toxicity studies render them impractical to assess the growing number and complexity of both existing and new compounds and their formulations. These factors together with the increasing implementation of more demanding regulations, evidence the current need to develop innovative, reliable, cost effective and high throughput toxicological methods.
The use of metabolomics in vitro presents the powerful combination of a human relevant system with a multiparametric approach that allows assessing multiple endpoints in a single biological sample. Applying metabolomics in a cell-based system offers an alternative to both, the ethical concerns and relevance of animal testing and the restraining nature of single endpoint evaluations characteristic of conventional toxicological in vitro assays. However, there are still challenges that hamper the expansion of metabolomics beyond a research tool to a feasible and implementable technology for toxicology assessment.
The aim of this dissertation is to advance the applications of in vitro metabolomics in toxicology by addressing three major challenges that have limited its widespread implementation in the field. In chapter 2 the restrictive high cost and low throughput of in vitro metabolomics was addressed through the development, standardization and proof of concept of a high throughput targeted LC-MS/MS in vitro metabolomics platform for the characterization of hepatotoxicity. In chapter 3, the use of the developed in vitro metabolomics system was expanded beyond hazard identification, to its implementation for deriving dose- and time response metrics that were shown useful for Point of departure (PoD) estimations for human risk assessment. Finally, in chapter 4 in order to increase the reliance and confidence of using in vitro metabolomics data for risk assessment, the human relevance of the metabolomics in vitro assays was attempted to be improved by the implementation and evaluation of in vitro metabolomics in a hiPSCs-derived 3D liver organoid system.
The work developed here demonstrates the suitable of in vitro metabolomics for mechanistic-based hazard identification and risk assessment. By advancing the applications of metabolomics in toxicology, this work has significantly contributed to the aim of toxicology of the 21st century for a human-relevant non-animal toxicological testing, supporting the toxicology task of protecting human health and the environment.
Phycobilisomes (PBS) are the major light-harvesting complexes for the majority of cyanobacteria
and allow these organisms to absorb in the so-called green gap. They consist of smaller units called
phycobiliproteins (PBPs), which are composed of an α- and a β-subunit with covalently bound
linear tetrapyrroles (phycobilins). The latter are attached to the apo-PBPs by phycobiliprotein
lyases. Interestingly, cyanobacteria of the genus Prochlorococcus lack complete PBS and instead
use prochlorophyte chlorophyll-binding proteins (Pcbs), which effectively utilize the energy of the
blue light region. The low-light-adapted (LL) strain Prochlorococcus marinus SS120 has a single
PBP, phycoerythrin-III (PE-III). It has been postulated that PE-III is chromophorylated with the
phycobilins phycourobilin (PUB) and phycoerythrobilin (PEB) in a 3:1 ratio. Thereby, the function
of PE-III remains unclear so far, so that light-gathering function and also photoreceptor function
are discussed.
The main goal of this work was to characterize the assembly of PE-III and thus the function of the
six putative phycobiliprotein lyases of P. marinus SS120. Previous work found that the individual
lyases could not be produced in soluble form, so we switched to a dual pDuet™ plasmid system in
E. coli, which was successfully established. Investigation of the binding of PEB to Apo-PE
revealed that the CpeS lyase specifically chromophorylated Cys82 with 3Z-PEB. Unfortunately,
additional chromophorylation could not be observed using the pDuet system. Therefore, in a
second part of the work, the entire PE gene cluster from P. marinus SS120 was to be introduced
into E. coli and expressed. Although the gene cluster was successfully transcribed within E. coli,
no translation was observed, possibly due to incompatible translation initiation between
Prochlorococcus and E. coli. The introduction of a mini PE cluster (CpeAB) into the
cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 was also successfully performed, in which case
production of CpeB but not CpeA from Prochlorococcus was detected. Recombinant CpeB was
also detected together with intrinsic PBP in Synechococcussp. 7002, indicating structural similarity
and incorporation into PBS in Synechococcus sp. 7002. Overall, the obtained results suggest that a
cyanobacterial host is a good option for the studies on the assembly of PE-III from P. marinus and,
based on this, future work could aim at generating an artificial operon using synthetic biology to
achieve efficient translation of all genes.
Grape powdery mildew, Erysiphe necator, is one of the most significant plant pathogens, which affects grape growing regions world-wide. Because of its short generation time and the production of large amounts of conidia throughout the season, E. necator is classified as a moderate to high risk pathogen with respect to the development of fungicide resistance. The number of fungicidal mode of actions available to control powdery mildew is limited and for some of them resistances are already known. Aryl-phenyl-ketones (APKs), represented by metrafenone and pyriofenone, and succinate-dehydrogenase inhibitors (SDHIs), composed of numerous active ingredients, are two important fungicide classes used for the control of E. necator. Over the period 2014 to 2016, the emergence and development of metrafenone and SDHI resistant E. necator isolates in Europe was followed and evaluated. The distribution of resistant isolates was thereby strongly dependent on the European region. Whereas the north-western part is still predominantly sensitive, samples from east European countries showed higher resistance frequencies.
Classical sensitivity tests with obligate biotrophs can be challenging regarding sampling, transport and especially the maintenance of the living strains. Whenever possible, molecular genetic methods are preferred for a more efficient monitoring. Such methods require the knowledge of the resistance mechanisms. The exact molecular target and the resistance mechanism of metrafenone is still unknown. Whole genome sequencing of metrafenone sensitive and resistant wheat powdery mildew isolates, as well as adapted laboratory mutants of Aspergillus nidulans, where performed with the aim to identify proteins potentially linked to the mode of action or which contribute to metrafenone resistance. Based on comparative SNP analysis, four proteins potentially associated with metrafenone resistance were identified, but validation studies could not confirm their role in metrafenone resistance. In contrast to APKs, the mode of action of SDHIs is well understood. Sequencing of the sdh-genes of less sensitive E. necator isolates identified four different target-site mutations, the B-H242R, B-I244V, C-G169D and C-G169S, in sdhB and sdhC, respectively. Based on this information it was possible to develop molecular genetic monitoring methods for the mutations B-H242R and C-G169D. In 2016, the B-H242R was thereby identified as by far the most frequent mutation. Depending on the analysed SDH compound and the sdh-genotype, different sensitivities were observed and revealed a complex cross-resistance pattern.
Growth competition assays without selection pressure, with mixtures of sensitive and resistant E. necator isolates, were performed to determine potential fitness costs associated with fungicide resistance. With the experimental setups used, a clear fitness disadvantage associated with metrafenone resistance was not identified, although a strong variability of fitness was observed among the tested resistant E. necator isolates. For isolates with a reduced sensitivity towards SDHIs, associated fitness costs were dependent on the sdh-genotype analysed. Competition tests with the B-H242R genotypes gave evidence that there are no fitness costs associated with this mutation. In contrast, the C-G169D genotypes were less competitive, indicating a restricted fitness compared to the tested sensitive partners. Competition assays of field isolates, which exhibited several resistances towards different fungicide classes, indicated that there are no fitness costs associated with a multiple resistant phenotype in E. necator. Overall, these results clearly indicate the importance to analyse a representative number of isolates with sensitive and resistant phenotypes.
Die Funktion der c-di-GMP modulierenden Membranproteine NbdA und MucR in Pseudomonas aeruginosa
(2019)
NbdA und MucR sind Multi-Domänenproteine aus Pseudomonas aeruginosa. Beide Proteine besitzen eine ähnliche Domänenorganisation mit einer N-terminalen, membranständigen
MHYT-Domäne sowie einer GGDEF- und einer EAL-Domäne im Cytoplasma. Die
cytosolischen Domänen von MucR sind beide aktiv, während NbdA neben der intakten
EAL-Domäne eine degenerierte GGDEF-Domäne mit dem Motiv AGDEF aufweist. Bioinformatischen
Vorhersagen zufolge soll die MHYT-Domäne eine sensorische Funktion für diatomische Gase wie Stickstoffmonoxid oder Sauerstoff vermitteln. Die phänotypische Charakterisierung der markerlosen PAO1-Deletionsmutanten \(Delta\)nbdA, \(Delta\)mucR und \(Delta\)nbdA \(Delta\)mucR zeigte, dass NbdA und MucR nicht in die NO-induzierte
Dispersion involviert sind. Ebenso konnte in einem neu etablierten heterologen in-vivo-System in E. coli keine NO-sensorische Funktion der Proteine detektiert werden. Im Weiteren wurde festgestellt, dass die MHYT-Domäne keinen ersichtlichen Einfluss auf die
Enzymaktivität von NbdA und MucR unter aeroben Bedingungen hat. Demzufolge fungiert
die Membrandomäne vermutlich weder als Sensor für Sauerstoff, noch für NO. Anhand heterologer Komplementationstests konnte eine PDE-Aktivität des NbdA-Volllängenproteins
nachgewiesen werden. Zudem wurde gezeigt, dass die degenerierte AGDEF-Domäne einen regulatorischen Effekt auf die EAL-Domäne hat, der essentiell für die in-
vivo-Aktivität von NbdA ist. In-vivo-Untersuchungen bestätigten die postulierte DGC-Aktivität von MucR. Weiterhin konnte belegt werden, dass MucR ein bifunktionelles Enzym
ist. Entgegen den Erwartungen scheint es jedoch im Planktonischen als DGC und im
Biofilm als PDE zu fungieren.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Charakterisierung der homologen Überexpression
von nbdA in P. aeruginosa, welche teilweise unerwartete Phänotypen ergab. Anhand
der homologen Überproduktion einer inaktiven NbdA-Variante stellte sich heraus, dass die
Hemmung der Motilität unabhängig von der Aktivität von NbdA auftritt. Massenspektrometrische
Analysen deuteten daraufhin, dass NbdA lokal c-di-GMP hydrolysiert. Diese
Ergebnisse implizieren, dass NbdA eine Trigger-PDE ist, deren primäre Funktion die Regulation
anderer makromolekularer Zielmoleküle ist. In Pseudomonas fluorescens Pf0-1 ist bekannt, dass das NbdA-Homolog Pfl01_1252 mit den Homologen von MucR (Pfl01_2525) und SadC (Pfl01_4451) interagiert. Ergebnisse einer früheren Arbeit lassen eine Interaktion
von NbdA und SadC ebenso in P. aeruginosa vermuten. Daher ist denkbar, dass sich
NbdA im gleichen Netzwerk wie MucR und SadC befindet und deren Aktivität reguliert.
Schon bei seiner Entdeckung konnte eine Verbindung des Zwei-Komponenten Systems CiaRH mit der natürlichen Kompetenzentwicklung und der β-Laktamresistenz in S. pneumoniae beobachtet werden. Mutationen in der Histidinkinase CiaH bewirken eine sogenannte Hyperaktivierung dieses Systems, welche zu einem vollständigen Verlust der Kompetenz und einem Anstieg der β-Laktamresistenz führen. Der über das CiaRH System vermittelte Kompetenzphänotyp ist dabei abhängig von der Serinprotease HtrA und den csRNAs. Die Serinprotease HtrA reduziert hierbei, durch Proteolyse, die Menge des Kompetenz spezifische Peptid CSP.
In dieser Arbeit konnte nun erstmals gezeigt werden, dass die csRNAs ihre negative Wirkung auf die Kompetenz ausüben, indem sie comC post-transkriptionell reprimieren. Wahrscheinlich wird hierbei die Initiation der Transaltion inhibiert, wobei die Stabilität der mRNA zusätzlich verringert werden könnte. ComC kodiert für das CSP Vorläuferpeptid. Daher üben die csRNAs noch vor der proteolytischen Wirkung von HtrA einen negativen Effekt auf die CSP Produktion aus. Anhand von comC-Translationsfusionen in S. pneumoniae Stämmen mit und ohne csRNAs, sowie in dem Stamm mit hyperaktivem ciaH202-Allel konnte eindeutig gezeigt werden, dass die csRNAs negativ auf die comC-Translation wirken.
Mittels weiterer comC-Translationsfusionen, in Stämmen mit einzelnen csRNAs, ließ sich eine additive Wirkung der einzelnen csRNAs auf die comC-Translation nachweisen. Das bedeutet, dass eine csRNA alleine nicht in der Lage ist die Kompetenz zu reprimieren. Eine Kombination aus csRNA1, csRNA2 und csRNA3 allerdings ist sogar ohne die Anwesenheit von HtrA in der Lage, die Kompetenzentwicklung vollständig zu unterdrücken.
Der Effekt der csRNAs auf die comC-Translation hat Auswirkungen auf die sich entwickelnde Kompetenz, was anhand von β-Galaktosidasemessungen des frühen Kompetenzpromotors PcomX gezeigt wurde. Hier konnte allerdings ein stark positiver Effekt der csRNA4 und csRNA5 auf diesen Promotor beobachtet werden. Weitere Versuche zeigten, dass dieser Effekt auch auf den frühen Kompetenzpromotor PcomC, aber nicht auf den späten Kompetenzpromotor Pcib zu beobachten ist.
Hierbei scheint es sich um einen Regulationsmechanismus der csRNAs zu handeln, welcher die CSP-Produktion erhöht, ohne die Expression der Gene, die für die DNA Aufnahme und den Einbau verantwortlich sind, zu verändern. Der einerseits negative Effekt aller csRNAs auf die comC-Translation und andererseits positive Effekt der csRNA4 und csRNA5 sprechen dafür, dass die csRNAs an der Feinabstimmung der Kompetenzentwicklung beteiligt sind. Tatsächlich lassen sich Unterschiede im Zeitverlauf der Stämme mit einzelnen csRNAs erkennen. Vor allem kann ein Kompetenzpeak, wie im Wildtyp beobachtet, nicht mehr im csRNA-Deletionsstamm nachgewiesen werden.
Die csRNAs scheinen die Kompetenzentwicklung bis zu einem gewissen Grad zu reprimieren. Ist aber der Schwellenwert überschritten, wirkt ein Teil positiv und trägt somit dazu bei, dass die Kompetenzentwicklung ohne Einschränkungen abläuft.
Des Weiteren konnten, durch gezielte Mutationen in der comC mRNA, Bereiche in dieser identifiziert werden, welche für die Bindung der csRNAs an die mRNA essentiell sind. Hierzu gehört zum einen der Bereich zwischen der Shine-Dalgarno Sequenz und dem Startkodon sowie der Bereich direkt nach dem Startkodon AUG. Zum anderen gibt es Hinweise darauf, dass Mutationen, welche die Stabilität der mRNA beeinflussen könnten, die Regulation durch die csRNAs aufheben.
Anhand einer komplementären Veränderung der csRNA4 konnte der negative Effekt dieser csRNA auf die Translation der veränderten comC mRNA wieder hergestellt werden.
Die hier erbrachten Ergebnisse konnten einen weiteren kompetenzregulierenden Faktor identifizieren. Außerdem ergaben sich einige Hinweise, die dazu beitragen können, in weiteren Studien die komplexe Regulation der Kompetenzentwicklung besser zu verstehen.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem, ebenfalls schon bei der Entdeckung des CiaRH Systems beschriebenen, Anstieg der β-Laktamresistenz. Für diesen, durch ein hyperaktives CiaRH System vermittelten Anstieg konnte, wie schon bei der Kompetenz, ein wesentlicher Effekt der csRNAs nachgewiesen werden. Eine Deletion aller csRNAs in einem Stamm mit hyperaktivem CiaRH System bewirkt einen Zusammenbruch der Resistenz auf Wildtyp Niveau. Im Gegensatz zur Kompetenz konnte hier aber kein deutlicher Effekt der Serinprotease HtrA beobachtet werden.
Wie schon bei der Kompetenz lag das Augenmerk dieser Arbeit auf dem Effekt der einzelnen csRNAs auf den Anstieg der β-Laktamresistenz. Hier konnte eine größtenteils additive Wirkung der csRNAs nachgewiesen werden. Allerdings wurden Stämme isoliert, in welchen die β-Laktamresistenz um das 10-fache im Vergleich zu dem Stamm mit hyperaktivem CiaRH System anstieg. Hierbei handelt es sich um Stämme, die csRNA4 oder csRNA5 enthalten. Da eine starke Instabilität in diesen Stämmen zu beobachten war, ist davon auszugehen, dass es hier zu Zusatzmutationen kam, welche den Resistenzanstieg bewirken. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass der beobachtete Resistenzanstieg nur im Zusammenhang mit csRNA4 vermittelt wird. Falls es hier zu Zusatzmutationen im Genom kam, wäre deren vermittelter Resistenzanstieg von csRNA4 abhängig.
Da im Falle der β-Laktamresistenz die computerbasierte Zielgensuche keinen geeigneten Kandidaten erbrachte und keines der bekannten csRNA regulierten Gene die Resistenz beeinflusst, wurde hier eine globale Transkriptomanalyse zur Zielgensuche durchgeführt.
Anhand dieser globalen Transkriptomanalyse konnten zwei neue potenzielle CiaR regulierte Gene, pavB und spr0091, identifiziert werden.
Des Weiteren konnten zwei Gene, spr0264 und oxlT, identifiziert werden, deren Translation negativ durch die csRNAs reguliert wird. Hier konnte gezeigt werden, dass der UTP Metabolismus der Zelle betroffen ist. Hierrüber könnte die Menge an UDP verändert werden, welches zur Aktivierung von Vorläuferstufen der Zellwandbiosynthese benötigt wird. Ob diese beiden Transporter an dem Anstieg der Resistenz beteiligt sind, wurde bisher nicht untersucht.
Die innerhalb dieser Arbeit durchgeführten globalen Transkriptomanalysen stellen allerdings eine gute Basis zur weiteren Identifikation von möglichen potenziellen csRNA Zielgenen dar. Hierüber könnte eventuell auch das β-Laktam spezifische Zielgen identifiziert werden. Das der deutliche Effekt der csRNAs, sekundär auf ein schon bekanntes β-Laktamresistenzgen zurückzuführen ist, ist dabei durchaus denkbar.
Die in dieser Arbeit nachgewiesenen Regulationen der csRNAs bezüglich der Kompetenz- und β-Laktamresistenz konnten einen großen Beitrag zum besseren Verständnis dieser Regulations-mechanismen in S. pneumoniae leisten. Des Weiteren bilden die hier ermittelten Ergebnisse eine gute Basis für weitere Experimente.
Das Zwei-Komponenten System CiaRH beeinflusst mit der β-Lactamresistenz, Kompetenz, Autolyse, Bakteriocinproduktion und Virulenz eine Vielzahl an Phänotypen in Streptococcus pneumoniae und ist daher von großer physiologischer Bedeutung. Es setzt sich aus der membrangebundenen Sensorkinase CiaH und dem cytoplasmatisch lokalisierten Response Regulator CiaR zusammen. Das CiaRH System ist unter sehr vielen Wachstumsbedingungen aktiv. CiaH ist allerdings für die Aktivierung von CiaR unter bestimmten Bedingungen verzichtbar. CiaR ist jedoch in seiner phosphorylierten Form aktiv, was die Frage nach einer alternativen Phosphatquelle für CiaR aufwirft. Der sog. Crosstalk durch eine fremde Sensorkinase oder niedermolekulare Phosphodonoren wie Acetylphosphat stellen mögliche Wege zur alternativen Phosphorylierung von CiaR dar.
Um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden, wurden Gene des Acetylphosphat-Stoffwechsels inaktiviert, was zu einer Änderung der Produktion von Acetylphosphat führen sollte. Anschließende Messungen der zellulären Acetylphosphatmenge und der CiaR-abhängigen Promotoraktivitäten in Abwesenheit der Sensorkinase CiaH zeigten klar, dass mit sinkendem Acetylphosphat auch die CiaR-vermittelte Genexpression reduziert wurde. Diese Korrelation legt den Schluss nahe, dass Acetylphosphat tatsächlich den wesentlichen alternativen Phosphodonor für CiaR darstellt. Allerdings wurden auch Hinweise für geringfügigen Crosstalk durch eine andere Sensorkinase erhalten. Im Zuge dieser Experimente ergab sich weiterhin, dass ein Enzym des Acetylphosphat-Stoffwechsels, die Acetatkinase, eine besondere Rolle bei der alternativen Phosphorylierung von CiaR spielt. Eine Reihe von Befunden legt den Schluss nahe, dass Acetatkinase und CiaR möglicherweise interagieren. Eine solche regulatorische Rolle der Acetatkinase ist bisher nicht beschrieben.
Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die CiaR-Aktivität durch die Bifunktionalität von CiaH auf nahezu konstantem Niveau gehalten wird. Dabei kann wahrscheinlich Acetat, ein exkretiertes Endprodukt des Acetylphosphat-Stoffwechsels, zur Stimulierung der Phosphataseaktivität von CiaH dienen. Dies könnte von physiologischer Bedeutung sein, um eine von Acetylphosphat ausgehende Phosphorylierung von CiaR durch Acetat im Medium durch Dephosphorylierung zu begrenzen. Somit könnten Acetylphosphat und Acetat Gegenspieler zur Regulation der CiaR-Aktivität darstellen.
Ein einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde auf die Auswirkungen von Mutationen in CiaH auf die CiaR-Aktivität eingegangen. Das CiaRH-System wurde als erste Nicht-PBP-Resistenzdeteminante in β-lactamresistenten Labormutanten von S. pneumoniae R6 entdeckt, wobei eine Mutation im Sensorkinasegen ciaH (ciaH306, T230P) eine Erhöhung der CiaR-abhängigen Genexpression vermittelte. Weitere ciaH-Mutationen wurden in anderen spontanresistenten Labormutanten beschrieben. Die Laborallele vermitteln eine Steigerung der CiaR-abhängigen Promotoraktivität zwischen vier- und 26-fach. Phänotypische Folgen sind die Verringerung der β-Lactamsuszeptibilität, der Verlust der Kompetenz und verändertes Wachstum von S. pneumoniae R6.
Im Zuge dieser Arbeit wurden zum ersten Mal veränderte ciaH-Allele in klinischen Pneumokokken-Isolaten identifiziert und charakterisiert. Es zeigte sich eine Verbreitung in Isolaten der Serotypen 6, 7, 9, 19 und 23. Im Gegensatz zu den Laborallelen vermitteln die klinischen Allele eine bis zu dreifache Erhöhung der CiaR-abhängigen Promotoraktivität. Lediglich das Allel ciaHTpVT beeinflusst die Phänotypen β-Lactamresistenz und Kompetenz. Weiterhin erfolgte die Charakterisierung der Kinase- und Phosphataseaktivitäten der klinischen ciaH-Allele. Hierbei zeigten sich Abweichungen der Stärken beider Funktionen, wobei für ciaH306 ein Phosphatasedefekt festgestellt wurde.
Synaptic transmission is controlled by re-uptake systems that reduce transmitter concentrations in the synaptic cleft and recycle the transmitter into presynaptic terminals. The re-uptake systems are thought to ensure cytosolic concentrations in the terminals that are sufficient for reloading empty synaptic vesicles (SVs). Genetic deletion of glycine transporter 2 (GlyT2) results in severely disrupted inhibitory neurotransmission and ultimately to death. Here we investigated the role of GlyT2 at inhibitory glycinergic synapses in the mammalian auditory brainstem. These synapses are tuned for resilience, reliability, and precision, even during sustained high-frequency stimulation when endocytosis and refilling of SVs probably contribute substantially to efficient replenishment of the readily releasable pool (RRP). Such robust synapses are formed between MNTB and LSO neurons (medial nucleus of the trapezoid body, lateral superior olive). By means of patch-clamp recordings, we assessed the synaptic performance in controls, in GlyT2 knockout mice (KOs), and upon acute pharmacological GlyT2 blockade. Via computational modeling, we calculated the reoccupation rate of empty release sites and RRP replenishment kinetics during 60-s challenge and 60-s recovery periods. Control MNTB-LSO inputs maintained high fidelity neurotransmission at 50 Hz for 60 s and recovered very efficiently from synaptic depression. During 'marathon-experiments' (30,600 stimuli in 20 min), RRP replenishment accumulated to 1,260-fold. In contrast, KO inputs featured severe impairments. For example, the input number was reduced to ~1 (vs. ~4 in controls), implying massive functional degeneration of the MNTB-LSO microcircuit and a role of GlyT2 during synapse maturation. Surprisingly, neurotransmission did not collapse completely in KOs as inputs still replenished their small RRP 80-fold upon 50 Hz | 60 s challenge. However, they totally failed to do so for extended periods. Upon acute pharmacological GlyT2 inactivation, synaptic performance remained robust, in stark contrast to KOs. RRP replenishment was 865-fold in marathon-experiments, only ~1/3 lower than in controls. Collectively, our empirical and modeling results demonstrate that GlyT2 re-uptake activity is not the dominant factor in the SV recycling pathway that imparts indefatigability to MNTB-LSO synapses. We postulate that additional glycine sources, possibly the antiporter Asc-1, contribute to RRP replenishment at these high-fidelity brainstem synapses.
Bei Frauen ist Brustkrebs mit einem Viertel aller Krebserkrankungen die am häufigsten diagnostizierte Krebsart, während die Inzidenz bei Männern wesentlich geringer ist. Nur 10-15% aller Brustkrebserkrankungen können auf familiär prädisponierende Faktoren wie BRCA1 und BRCA2 zurückgeführt werden. Eine genetische Prädisposition bei hereditärem männlichem Brustkrebs wird für BRCA2 bestätigt. Funktionelle Analysen geben Grund zur Annahme, dass BRCA2 eine duale Rolle besitzt. Neben der Caretaker-Funktion für genomische Stabilität, ist auch eine Gatekeeper-Funktion bei der Transkriptionsregulation beschrieben. Die Basis dieser Arbeit beruht auf der Beobachtung, dass männliche BRCA2-Mutationsträger von 3 verschiedenen Familien mit hereditärem Brustkrebs auffällige chromosomale Veränderungen der Region 9p23-24 aufweisen. Vorarbeiten ließen einen kausalen Zusammenhang zwischen BRCA2-Mutation und 9p-Veränderung möglich erscheinen. Das Ziel der Arbeit bestand darin, durch molekularbiologische Methoden die Bruchpunkte in 9p23-24 bei BRCA2-Mutationsträgern unabhängiger Familien zu identifizieren und damit einen weiteren Hinweis auf die Entstehung dieser Instabilität zu geben. In dieser Arbeit konnten mittels FISH, PFGE und bioinformatischer Techniken sowohl Inversionen als auch Duplikationen festgestellt werden. Eine überlappende Inversion zeigte sich hierbei deutlich bei allen untersuchten Mutationsträgern. Mit einer FISH-Analyse konnte bei den Mutationsträgern der Familien 1 bis 3 eine Inversion im Bereich der STS-Marker D9S267 und D9S775 detektiert werden. Ferner konnte durch Interphasen-FISH eine Duplikation im Bruchpunktbereich um den STS-Marker D9S268 identifiziert werden. Southern-Analysen konnten Bruchpunkte in den Mutationsträgern der Familien 1 und 2 mittels der Enzyme EcoRI und SacI bestätigen. In dieser Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass sich die Inversionsbruchpunkte der Mutationsträger 3.3, 3.4 und 3.5 von Familie 1 in der unmittelbaren Nähe von low-copy repeats befinden, deren Größe 5kb-8kb beträgt. Die identifizierte Inversion überspannt im Wesentlichen die Gene TYRP1 und mPDZ. Bei dem durch die Inversion direkt betroffenen Gen handelt es sich um das mPDZ-Gen. Das Protein besitzt 13 PDZ-Domänen, deren Interaktionspartner beschrieben sind. Die Genexpression beider Gene konnte in lymphoblastoiden Zellen nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass Repeat-Sequenzen in der Umgebung der Bruchpunkte bei der Entstehung von Rearrangements auch in diesen BRCA2-Mutationsträgern eine große Rolle spielen.
‘Dioxin-like’ (DL) compounds occur ubiquitously in the environment. Toxic responses associated with specific dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), and polychlorinated biphenyls (PCBs) include dermal toxicity, immunotoxicity, liver toxicity, carcinogenicity, as well as adverse effects on reproduction, development, and endocrine functions. Most, if not all of these effects are believed to be due to interaction of these compounds with the aryl hydrocarbon receptor (AhR).
With tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) as representatively most potent congener, a toxic equivalency factor (TEF) concept was employed, in which respective congeners were assigned to a certain TEF-value reflecting the compound’s toxicity relative to TCDD’s.
The EU-project ‘SYSTEQ’ aimed to develop, validate, and implement human systemic TEFs as indicators of toxicity for DL-congeners. Hence, the identification of novel quantifiable biomarkers of exposure was a major objective of the SYSTEQ project.
In order to approach to this objective, a mouse whole genome microarray analysis was applied using a set of seven individual congeners, termed the ‘core congeners’. These core congeners (TCDD, 1-PeCDD, 4-PeCDF, PCB 126, PCB 118, PCB 156, and the non dioxin-like PCB 153), which contribute to approximately 90% of toxic equivalents (TEQs) in the human food chain, were further tested in vivo as well as in vitro. The mouse whole genome microarray revealed a conserved list of differentially regulated genes and pathways associated with ‘dioxin-like’ effects.
A definite data-set of in vitro studies was supposed to function as a fundament for a probable establishment of novel TEFs. Thus, CYP1A induction measured by EROD activity, which represents a sensitive and yet best known marker for dioxin-like effects, was used to estimate potency and efficacy of selected congeners. For this study, primary rat hepatocytes and the rat hepatoma cell line H4IIE were used as well as the core congeners and an additional group of compounds of comparable relevance for the environment: 1,6-HxCDD, 1,4,6-HpCDD, TCDF, 1,4-HxCDF, 1,4,6-HpCDF, PCB 77, and PCB 105.
Besides, a human whole genome microarray experiment was applied in order to gain knowledge with respect to TCDD’s impact towards cells of the immune system. Hence, human primary blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from individuals and exposed to TCDD or to TCDD in combination with a stimulus (lipopolysaccharide (LPS), or phytohemagglutinin (PHA)). A few members of the AhR-gene batterie were found to be regulated, and minor data with respect to potential TCDD-mediated immunomodulatory effects were given. Still, obtained data in this regard was limited due to great inter-individual differences.
Increasing costs due to the rising attrition of drug candidates in late developmental phases alongside post-marketing withdrawal of drugs challenge the pharmaceutical industry to further improve their current preclinical safety assessment strategies. One of the most common reasons for the termination of drug candidates is drug induced hepatotoxicity, which more often than not remains undetected in early developmental stages, thus emphasizing the necessity for improved and more predictive preclinical test systems. One reason for the very limited value of currently applied in vitro test systems for the detection of potential hepatotoxic liabilities is the lack of organotypic and tissue-specific physiology of hepatocytes cultured in ordinary monolayer culture formats.
The thesis at hand primarily deals with the evaluation of both two- and three-dimensional cell culture approaches with respect to their relative ability to predict the hepatotoxic potential of drug candidates in early developmental phases. First, different hepatic cell models, which are routinely used in pharmaceutical industry (primary human hepatocytes as well as the three cell lines HepG2, HepaRG and Upcyte hepatocytes), were investigated in conventional 2D monolayer culture with respect to their ability to detect hepatotoxic effects in simple cytotoxicity studies. Moreover, it could be shown that the global protein expression levels of all cell lines substantially differ from that of primary human hepatocytes, with the least pronounced difference in HepaRG cells.
The introduction of a third dimension through the cultivation of spheroids enables hepatocytes to recapitulate their typical native polarity and furthermore dramatically increases the contact surface of adjacent cells. These differences in cellular architecture have a positive influence on hepatocyte longevity and the expression of drug metabolizing enzymes and transporters, which could be proven via immunofluorescent (IF) staining for at least 14 days in PHH and at least 28 days in HepaRG spheroids, respectively. Additionally, the IF staining of three different phase III transporters (MDR1, MRP2 and BSEP) indicated a bile canalicular network in spheroids of both cell models. A dose-dependent inducibility of important cytochrome P450 isoenzymes in HepaRG spheroids could be shown on the protein level via IF for at least 14 days. CYP inducibility of HepaRG cells cultured in 2D and 3D was compared on the mRNA level for up to 14 days and inducibility was generally lower in 3D compared to 2D under the conditions of this study. In a comparative cytotoxicity study, both PHH and HepaRG spheroids as well as HepaRG monolayers have been treated with five hepatotoxic drugs for up to 14 days and viability was measured at three time points (days 3, 7 and 14). A clear time- and dose-dependent onset of the drug-induced hepatotoxic effects was observable in all conditions tested, indicated by a shift of the respective EC50 value towards lower doses by increasing exposure. The observed effects were most pronounced in PHH spheroids, thus indicating those as the most sensitive cell model in this study. Moreover, HepaRG cells were more sensitive in spheroid culture compared to monolayers, which suggests a potential application of spheroids as long-term test system for the detection of hepatotoxicities with slow onset. Finally, the basal protein expression levels of three antigens (CYP1A2, CYP3A4 and NAT 1/2) were analyzed via Western Blotting in HepaRG cells cultured in three different cell culture formats (2D, 3D and QV) in order to estimate the impact of the cell culture conditions on protein expression levels. In the QV system enables a pump-driven flow of cell culture media, which introduces both mechanical stimuli through shear and molecular stimuli through dynamic circulation to the monolayer. Those stimuli resulted in a clearly positive effect on the expression levels of the selected antigens by an increased expression level in comparison to both 2D and 3D. In contrast, HepaRG spheroids showed time-dependent differences with the overall highest levels at day 7.
The studies presented in this thesis delivered valuable information on the increased physiological relevance in dependence on the cell culture format: three-dimensionality as well as the circulation of media lead to a more differentiated phenotype in hepatic cell models. Those cell culture formats are applicable in preclinical drug development in order to obtain more relevant information at early developmental stages and thus help to create a more efficient drug development process. Nonetheless, further studies are necessary to thoroughly characterize, validate and standardize such novel cell culture approaches prior to their routine application in industry.