TY  - THES
A1  - Wunderlich, Kai
T1  - Entwicklung einer parallelen Mehrkomponentenanalyse von Antigen-Antikörper-Reaktionen in der Dopinganalyse
T1  - Development of a multiplex-assay for the analysis of antigen-antibody reactions in doping analysis
N2  - Weltweit streben Anti-Doping Institute danach jene Sportler zu überführen, welche sich unerlaubter Mittel oder Methoden bedienen. Die hierfür notwendigen Testsysteme werden kontinuierlich weiterentwickelt und neue Methoden aufgrund neuer Wirkstoffe der Pharmaindustrie etabliert. Gegenstand dieser Arbeit war es, eine parallele Mehrkomponentenanalyse auf Basis von Antigen-Antikörper Reaktionen zu entwickeln, bei dem es primär um Verringerung des benötigten Probevolumens und der Versuchszeit im Vergleich zu einem Standard Nachweis-Verfahren ging. Neben der Verwendung eines Multiplex Ansatzes und der Mikroarraytechnologie stellten ebenfalls die Genauigkeit aller Messparameter, die Stabilität des Versuchsaufbaus sowie die Performance über einen Einfach-Blind-Ansatz Herausforderungen dar. Die Anforderung an den Multiplex Ansatz, keine falschen Signale trotz ähnlicher Strukturen zu messen, konnte durch die gezielte Kombination von spezifischen Antikörpern realisiert werden. Hierfür wurden neben Kreuzreaktivitätstests auf dem Mikroarray parallel erfolgreich Western Blot Versuche durchgeführt. Jene Antikörper, welche in diesen Versuchen die gesetzten Anforderungen erfüllten, wurden für das Ermitteln der kleinsten nachweisbaren Konzentration verwendet. Über das Optimieren der Versuchsbedingungen konnte unter Verwendung von Tween in der Waschlösung sowohl auf Glas als auch auf Kunststoff die Hintergrundfluoreszenz reduziert und somit eine Steigerung des Signal/Hintergrundverhältnisses erreicht werden. In den Versuchen zu Ermittlung der Bestimmungsgrenze wurde für das humane Choriongonadotropin (hCG-i) eine Konzentration von 10 mU/ml, für dessen beta-Untereinheit (hCG-beta) eine Konzentration von 3,6 mU/ml und für das luteinisierende Hormon (LH) eine Konzentration von 10 mU/ml bestimmt. Den ermittelten Wert im Serum für das hCG-i entspricht dem von der Welt-Anti-Dopin-Agentur (WADA) geforderten Wert in Urin von 5 mU/ml. Neben der Ermittlung von Bestimmungsgrenzen wurden diese hinsichtlich auftretender Matrixeffekte in Serum und Blut gemessen. Wie aus den Versuchen zur Ermittlung von Kreuzreaktivitäten auf dem Mikroarray zu entnehmen ist, lassen sich das LH, das hCG-i und hCG-β ebenfalls in Serum und Blut messen. Die Durchführung einer Performance-Analyse über einem Einfach-Blind-Ansatz mit 130 Serum Proben, wurde ebenfalls über dieses System realisiert. Die ausgewerteten Proben wurden anschließend über eine Grenzwertoptimierungskurve analysiert und die diagnostische Spezifität ermittelt. Für die Messungen des LH konnte eine Sensitivität und Spezifität von 100% erreicht werden. Demnach wurden alle negativen und positiven Proben eindeutig interpretiert. Für das hCG-β konnte ebenfalls eine Spezifität von 100% und eine Sensitivität von 97% erreicht werden. Die hCG-i Proben wurden mit einer Spezifität von 100% und eine Sensitivität von 97,5% gemessen. Um den Nachweis zu erbringen, dass dieser Versuchsaufbau über mehrere Wochen stabile Signale bei Vermessen von identischen Proben liefert, wurde ein über zwölf Wochen angesetzter Stabilitätstest für alle Parameter erfolgreich in Serum und Blut durchgeführt. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erfolgreich eine Mehrkomponentenanalyse als Multiplex Ansatz auf einem Mikroarray entwickelt werden. Die Durchführung der Performance-Analyse und des Stabilitätstests zeigen bereits die mögliche Einsatzfähigkeit dieses Tests im Kontext einer Dopinganalyse.
N2  - Worldwide it is the goal of anti-doping institutes to have a fair competition in sports free of doping and to prevent the misuse of therapeutics for doping purposes. Therefore there is a need to continuously develop new rapid test methods for the analysis and identification of pharmaceutical substances.
Herein, the focus was to develop a multiplex assay on the basis of antigen antibody reactions in doping analysis. It was one goal to reduce the sample volume and the measurement time in comparison to standard methods (i.e. ELISA). Additional challenges were the application of a multiplex approach on the basis of microarray technology and to achieve a high sensitivity and precision.
The major challenge for a multiplex analysis is the specific detection of all analytes without producing false positive signals, even of those analytes with similar molecular structure. This was solved using a special combination of specific monoclonal antibodies. Therefore cross-reaction-tests on the microarray platform and western blot analysis were performed simultaneously. Subsequently, the relevant antibodies were used for the analysis of the minimum detectable concentration. Optimization of experimental conditions on glass and polymer surfaces (i.e. COP) led to a reduction of the background fluorescence, resulting in an increase of signal-to-background ratio. The measured limit of detection (LOD) for the human choriongonadotropin (hCG-i) was a concentration of 10 mU/ml, for the beta-subunit (hCG-beta) 3,6 mU/ml and for the luteinizing hormone (LH) 10 mU/ml. The value of hCG-i in serum correlates to the claimed threshold limit from the world anti doping agency (WADA) of 5 mU/ml in urine.
In parallel, matrix effects were analyzed in serum and whole blood. In a crossreactivity study it was shown, that it is possible to measure all three parameters in serum and whole blood independently.
The performance analysis of a blinded experiment with 130 serum samples was analyzed with receiver operating characteristic (ROC) and showed the diagnostic specificity. For LH the specificity and sensitivity was 100%, for hCG-beta a specificity of 100% and a sensitivity of 97% was measured. The samples for hCG-i were measured with a specificity of 100% and a sensitivity of 97,5%.
For the evidence of stability for several weeks of the experimental setup, a stability testing over a period of 12 weeks was performed. Identical samples gave stable signals over a period of 10 weeks in serum as well as in whole blood.
In summary the development of a multiplex assay for the analysis of antigen-antibody reactions in doping analysis for LH and hCG was successful and represents a proof of concept. Due to the promising results in the performance analysis and the stability tests it might be possible to insert that kind of multiplex assay as a test method for the anti doping analysis.
KW  - Mehrkomponentenanalyse
KW  - Multiplex
KW  - Doping
KW  - Schnelltest
KW  - hCG
KW  - multiplex assay
KW  - microarray
KW  - dopingtest
KW  - point-of-care
KW  - in-vitro diagnostic
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76869
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TY  - THES
A1  - Schwonbeck, Susanne
T1  - Analyse von Single Nucleotide Polymorphisms an Glas-Oberflächen
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer SNP-Genotypisierungsmethode mit auf Mikroarrays immobilisierten PCR-Produkten. Für die Analyse wurde ein faseroptischer Affinitätssensor bzw. ein Durchfluss-Biochip-Scanner mit integrierter Fluoreszenzdetektion verwendet. An den immobilisierten Analyten (PCR-Produkten) wurde eine Fluoreszenzoligonukleotidsonde hybridisiert und anschließend die Dissoziation der Sonde im Fluss verfolgt. Die Diskriminierung von Wildtyp- und Mutanten-DNA erfolgte durch die kinetische Auswertung der Dissoziationskurven sowie durch die Analyse der Fluoreszenzintensität.   Die Versuche am faseroptischen Affinitätssensor zeigten, dass DNA-DNA-Hybride sowohl von Oligonukleotiden als auch von PCR-Produkten ein typisches Dissoziationsverhalten aufweisen, wobei fehlgepaarte Hybride eine signifikant schnellere Dissoziation zeigen als perfekt passende Hybride. Dieser Geschwindigkeitsunterschied lässt sich durch den Vergleich der jeweiligen kinetischen Geschwindigkeitskonstanten kD quantitativ erfassen.  Da die Kopplung des Analyten an der Chipoberfläche sowie die Hybridisierungs- und Dissoziationsparameter essentiell für die Methodenentwicklung war, wurden die Parameter für ein optimales Spotting und die Immobilisierung von PCR-Produkten ermittelt. Getestet wurden die affine Kopplung von biotinylierten PCR-Produkten an Streptavidin-, Avidin- und NeutrAvidin-Oberflächen sowie die kovalente Bindung von phosphorylierten Amplifikaten mit der EDC/Methylimidazol-Methode. Die besten Ergebnisse sowohl in Spotform und -homogenität als auch im Signal/Rausch-Verhältnis wurden an NeutrAvidin-Oberflächen erreicht.  Für die Etablierung der Mikroarray-Genotypisierungsmethode durch kinetische Analyse nach einem Hybridisierungsexperiment wurden Sondenlänge, Puffersystem, Spotting-Konzentration des Analyten sowie Temperatur optimiert. Das Analysensystem erlaubte es, PCR-Produkte mit einer Konzentration von 250 ng/µl in einem HEPES-EDTA-NaCl-Puffer auf mit NeutrAvidin beschichtete Glasträger zu spotten. In den anschließenden Hybridisierungs- und Dissoziationsexperimenten bei 30 °C konnte die Diskriminierung von homocygoter Wildtyp- und homocygoter Mutanten- sowie heterocygoter DNA am Beispiel von Oligonukleotid-Hybriden erreicht werden.  In einer Gruppe von 24 homocygoten Patienten wurde ein Polymorphismus im SULT1A1-Gen analysiert. Sowohl durch kinetische Auswertung als auch mit der Analyse der Fluoreszenzintensität wurde der Genotyp der Proben identifiziert. Die Ergebnisse wurden mit dem Referenzverfahren, der Restriktionschnittstellenanalyse (PCR-RFLP) validiert. Lediglich ein Genotyp wurde falsch bestimmt, die Genauigkeit lag bei 96%.  In einer Gruppe von 44 Patienten wurde der Genotyp eines SNP in der Adiponectin-Promotor-Region untersucht. Nach Vergleich der Analysenergebnisse mit denen eines Referenzverfahrens konnten lediglich 14 der untersuchten Genotypen bestätigt werden. Ursache für die unzureichende Genauigkeit der Methode war vor allem das schlechte Signal/Rausch-Verhältnis.  Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das in dieser Arbeit entwickelte Analysesystem für die Genotypisierung von Einzelpunktmutationen geeignet ist, homocygote Patientenproben zuverlässig zu analysieren. Prinzipiell ist das auch bei heterocygoter DNA möglich. Da nach aktuellem Kenntnisstand eine SNP-Analysemethode an immobilisierten PCR-Produkten noch nicht veröffentlicht wurde, stellt das hier entwickelte Verfahren eine Alternative zu bisher bekannten Mikroarray-Verfahren dar. Als besonders vorteilhaft erweist sich der reverse Ansatz der Methode.  Der hier vorgestellte Ansatz ist eine kostengünstigere und weniger hoch dimensionierte Lösung für Fragestellungen beispielsweise in der Ernährungswissenschaft, bei denen meist eine mittlere Anzahl Patienten auf nur einige wenige SNPs zu untersuchen ist. Wenn es gelingt, durch die Weiterentwicklung der Hardware bzw. weiterer Optimierung, eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses und damit die Diskriminierung von heterocygoter DNA zu erreichen, kann diese Methode zukünftig bei der Analyse von mittelgroßen Patientengruppen alternativ zu anderen Genotypisierungsmethoden verwendet werden.
N2  - The aim of this thesis was the development of a SNP genotyping method involving PCR products immobilised on microarrays. For the analysis a fibre optic affinity biosensor and a flow-through biochip scanner were used. Fluorescent probes were hybridized with the immobilised PCR products. In order to start the dissociation process the surface was rinsed with buffer and the fluorescence intensity was measured.  Two different cases were studied: First, the full-matched DNA hybrid (wildtyp single strand with complementary wildtype single strand), second the mis-matched hybrid (wildtype single strand and mutant single strand). After determinating the reaction rates (kD) as kinetic parameter the kD values of both cases were compared. The experiments showed a significant difference in the kD value of the full- and the mis-match hybrids. Therefore, mutant and wildtype DNA were discriminated by kinetic analysis of the dissociation process and analysis of the fluorescence intensity.  To set up the complete analysis process the reaction parameters like coupling of the PCR products had to be optimised. Both affininty coupled (streptavidin, neutravidin, avidin - biotin) and covalent methods (EDC/methylimidazol) were carried out. Best results in spot homogeinity and spot appearance were obtained with coupling of biotinylated PCR products on neutravidin coated chip surfaces. Additionally, the length of the probe, the spotting concentration, the spotting buffer and the reaction temperature were optimised. In the optimised analysis PCR products (250 µg/µl) were spotted onto neutravidin coated surfaces. The hybridisation  and dissociation processes were carried out at 30°C. A HEPES-EDTA-NaCl buffer was used for spotting, diluting of the fluorescent probe and rinsing the microarray surface. A fluorescent probe was used with 13 nucleotides in length. The mis- or full-matching base indicating the polymorphism was located in the center position of the probe.  The analysis system was tested with the genomic DNA of a group of 24 homocygote individuals with a SNP in the SULT1A1 gene region. The hybridisation and dissociation processes were carried out and the reaction rates were determinated. Subsequently after the analysis in the flow-through biochip scanner the fluorescence intensity of the  spots were measured. The results showed very good comparability with results of a PCR-RFLP analysis (one false genotype). Additionally, a group of 44 heterocygote DNA samples with one SNP in the adiponectin promotor region were also genotyped. Compared to a reference method only 14 genotypes were correctly determined. This was mostly due to a low signal-noise-ratio and needs to be further investigated.  Besides the problem in analysing heterocygote DNA samples the developed analysis system is very useful for genotyping SNP in homocygote DNA samples. The successful analysis of heterocygote sample is principally possible and with further investigations/optimisation, a better analysis should be possible.  The most important advantage of the developed method is the reverse approach of binding PCR products at the surface instead of oligonucleotides. This allows the parallel genotyping of several individuals. Other advantages include low costs and medium sized dimensions in terms of throughput.
KW  - Einzelbasenaustausch
KW  - SNP
KW  - Mikrochip
KW  - DNA-Chip
KW  - SULT1A1
KW  - Adiponectin
KW  - kinetische Analyse
KW  - Dissoziation
KW  - Durchfluß-Biochip-Scanner
KW  - Fließsystem
KW  - single nucleotide polymorphisms
KW  - SNP
KW  - microarray
KW  - DNA
KW  - kinetic analysis
KW  - dissociation
KW  - SULT1A1
KW  - flow-through biochip scanner
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001853
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TY  - THES
A1  - Nell, Sandra
T1  - Vitamin E und der vesikuläre Transport : Untersuchungen zu den genregulatorischen Funktionen von Vitamin E mittels Microarray- und real time PCR-Analysen in der Maus und funktionellen in vitro Assays in RBL-2H3 Zellen
T1  - Vitamin E and the vesicular transport : examination of the generegulatory functions of vitamin E using microarrays and real time PCR analyses in the mouse and functional in vitro assays in RBL-2H3 cells
N2  - Vitamin E wird immer noch als das wichtigste lipophile Antioxidanz in biologischen Membranen betrachtet. In den letzten Jahren hat sich jedoch der Schwerpunkt der Vitamin E-Forschung hin zu den nicht-antioxidativen Funktionen verlagert. Besonderes Interesse gilt dabei dem α-Tocopherol, der häufigsten Vitamin E-Form im Gewebe von Säugetieren, und seiner Rolle bei der Regulation der Genexpression. Das Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung der genregulatorischen Funktionen von α-Tocoperol und die Identifizierung α-Tocopherol-sensitiver Gene in vivo. Zu diesem Zweck wurden Mäuse mit verschiedenen Mengen α-Tocopherol gefüttert. Die Analyse der hepatischen Genexpression mit Hilfe von DNA-Microarrays identifizierte 387 α-Tocopherol-sensitive Gene. Funktionelle Clusteranalysen der differentiell exprimierten Gene zeigten einen Einfluss von α-Tocooherol auf zelluläre Transportprozesse. Besonders solche Gene, die an vesikulären Transportvorgängen beteiligt sind, wurden größtenteils durch α-Tocopherol hochreguliert. Für Syntaxin 1C, Vesicle-associated membrane protein 1, N-ethylmaleimide-sensitive factor and Syntaxin binding protein 1 konnte eine erhöhte Expression mittels real time PCR bestätigt werden. Ein funktioneller Einfluss von α-Tocopherol auf vesikuläre Transportprozesse konnte mit Hilfe des in vitro β-Hexosaminidase Assays in der sekretorischen Mastzelllinie RBL-2H3 gezeigt werden. Die Inkubation der Zellen mit α-Tocopherol resultierte in einer konzentrationsabhängigen Erhöhung der PMA/Ionomycin-stimulierten Sekretion der β-Hexosaminidase. Eine erhöhte Expression ausgewählter Gene, die an der Degranulation beteiligt sind, konnte nicht beobachtet werden. Damit schien ein direkter genregulatorischer Effekt von α-Tocopherol eher unwahrscheinlich. Da eine erhöhte Sekretion auch mit β-Tocopherol aber nicht mit Trolox, einem hydrophilen Vitamin E-Analogon, gefunden wurde, wurde vermutet, dass α-Tocopherol die Degranulation möglicherweise durch seine membranständige Lokalisation beeinflussen könnte. Die Inkubation der Zellen mit α-Tocopherol resultierte in einer veränderten Verteilung des Gangliosids GM1, einem Lipid raft Marker. Es wird angenommen, dass diese Membranmikrodomänen als Plattformen für Signaltransduktionsvorgänge fungieren. Ein möglicher Einfluss von Vitamin E auf die Rekrutierung/Translokation von Signalproteinen in Membranmikrodomänen könnte die beobachteten Effekte erklären. Eine Rolle von α-Tocopherol im vesikulären Transport könnte nicht nur seine eigene Absorption und seinen Transport beeinflussen, sondern auch eine Erklärung für die bei schwerer Vitamin E-Defizienz auftretenden neuronalen Dysfunktionen bieten. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die α-Tocopheroltransferprotein (Ttpa) Knockout-Maus als genetisches Modell für Vitamin E-Defizienz verwendet, um den Effekt von Ttpa auf die Genexpression und die Gewebeverteilung von α-Tocopherol zu analysieren. Ttpa ist ein cytosolisches Protein, das für die selektive Retention von α-Tocopherol in der Leber verantwortlich ist. Die Ttpa-Defizienz resultierte in sehr geringen α-Tocopherol-Konzentrationen im Plasma und den extrahepatischen Geweben. Die Analyse der α-Tocopherol-Gehalte im Gehirn wies auf eine Rolle von Ttpa bei der α-Tocopherol-Aufnahme ins Gehirn hin.
N2  - Vitamin E is still considered the most important lipid-soluble antioxidant within biological membranes. However, in the last years the non-antioxidant functions of vitamin E have become the focus of vitamin E research. From the eight members of the vitamin E family, specific emphasis is given to α-tocopherol, the most abundant vitamin E form in mammalian tissues, and its role in the regulation of gene expression. The aim of this thesis was the analysis of the gene regulatory functions of α-tocopherol and the identification of α-tocopherol sensitive genes in vivo. For this purpose mice were fed diets differing in α-tocopherol content. The analysis of hepatic gene expression using DNA microarrays identified 387 α-tocopherol-sensitive genes. Functional cluster analyses of these differentially expressed genes demonstrated an influence of α-tocopherol on cellular transport processes. Especially the expression of genes involved in vesicular trafficking was largely upregulated by α-tocopherol. Upregulation of syntaxin 1C, vesicle-associated membrane protein 1, N-ethylmaleimide-sensitive factor and syntaxin binding protein 1 was verified by real time PCR. A role of α-tocopherol in exocytosis was shown by the in vitro β-hexosaminidase release assay in the secretory mast cell line RBL-2H3. Incubation with α-tocopherol resulted in a concentration dependent increase of PMA/ionomycin-stimulated secretion of β-hexosaminidase. Induction of selected genes involved in degranulation was not observed at any time point. Thus, a direct gene-regulatory effect of α-tocopherol seemed rather unlikely. Since increased secretion was also observed with ß-tocopherol but not with trolox, a water-soluble analog of vitamin E, it was hypothesized that α-tocopherol might affect degranulation through its localization at the plasma membrane. Incubation of cells with α-tocopherol changed the distribution of the gangliosid GM1, a Lipid raft marker. These membrane microdomains are assumed to function as signaling platforms. An possible influence of vitamin E on the recruitment/translocation of signaling proteins into membrane microdomains could explain the observed effects. A role of α-tocopherol in the vesicular transport might not only affect its own absorption and transport but also explain the neural dysfunctions observed in severe α-tocopherol deficiency. In the second part of this dissertation the α-tocopherol transfer protein (Ttpa) knockout-mouse as a model of genetic vitamin E deficiency was used to analyze the effect of Ttpa gene expression and tissue distribution of α-tocopherol. Ttpa is a cytosolic protein, which is responsible for the selective retention of α-tocopherol in the liver. Its deficiency resulted in very low α-tocopherol concentrations in plasma and extrahepatic tissues. Analysis of α-tocopherol contents in brain indicated a role for Ttpa in the uptake of α-tocopherol into the brain.
KW  - Vitamin E
KW  - Microarray
KW  - Genregulation
KW  - vesikulärer Transport
KW  - α-Tocopheroltransferprotein (Ttpa)
KW  - vitamin E
KW  - microarray
KW  - gene regulation
KW  - vesicular transport
KW  - alpha-tocopherol transfer protein (Ttpa)
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-35710
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TY  - THES
A1  - Dreja, Tanja S.
T1  - Microarray-basierte Expressionsanalysen des weißen Fettgewebes der NZO-Maus sowie der Langerhansschen Inseln der NZL-Maus : zwei Modelle für das metabolische Syndrom
T1  - Microarray based expression analyses of white adipose tissue of the NZO-mouse and of the islets of Langerhans of the NZL-mouse : two models for the human metabolic syndrome
N2  - Übergewicht und Adipositas führen zu Insulinresistenz und erhöhen deutlich das Risiko für die Entwicklung von Typ-2-Diabetes und kardiovaskulären Erkrankungen. Sowohl Adipositas als auch die Suszeptibilität gegenüber Diabetes sind zu einem erheblichen Teil genetisch determiniert. Die relevanten Risikogene, deren Interaktion mit der Umwelt, insbesondere mit Bestandteilen der Nahrung, und die Pathomechanismen, die zur Insulinresistenz und Diabetes führen, sind nicht vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit sollte durch Genexpressionsanalysen des weißen Fettgewebes (WAT) und der Langerhansschen Inseln die Entstehung und Progression von Adipositas und Typ-2-Diabetes untersucht werden, um relevante Pathomechanismen und neue Kandidatengene zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden Diät-Interventionsstudien mit NZO- und verwandten NZL-Mäusen, zwei polygenen Mausmodellen für das humane metabolische Syndrom, durchgeführt. Eine kohlenhydrathaltige Hochfett-Diät (HF: 14,6 % Fettanteil) führte in beiden Mausmodellen zu früher Adipositas, Insulinresistenz und Typ 2 Diabetes. Eine fettreduzierte Standarddiät (SD: 3,3 % Fettanteil), welche die Entstehung von Adipositas und Diabetes stark verzögert, sowie eine diabetesprotektive kohlenhydratfreie Hochfett-Diät (CHF: 30,2 % Fettanteil) dienten als Kontrolldiäten. Mit Hilfe der Microarray-Technologie wurden genomweite Expressionsprofile des WAT erstellt. Pankreatische Inseln wurden durch laserbasierte Mikropräparation (Laser Capture Microdissection; LCM) isoliert und ebenfalls hinsichtlich ihres Expressionsprofils analysiert. Differenziell exprimierte Gene wurden durch Real-Time-PCR validiert. Im WAT der NZO-Maus bewirkte die HF-Diät eine reduzierte Expression nukleärer Gene der oxidativen Phosphorylierung und von lipogenen Enzymen. Dies deutet auf eine inadäquate Fettspeicherung und -verwertung in diesen Tieren hin. Die Reduktion in der Fettspeicherung und -oxidation ist spezifisch für das adipöse NZO-Modell und konnte bei der schlanken SJL Maus nicht beobachtet werden, was auf eine mögliche Beteiligung an der Entstehung der Insulinresistenz hinweist. Zusätzlich wurde bestätigt, dass die Expansion des Fettgewebes bei der adipösen NZO-Maus eine zeitlich verzögerte Infiltration von Makrophagen in das WAT und dort eine lokale Immunantwort auslöst. Darüber hinaus wurde die Methode der LCM etabliert und zur Gewinnung hochangereicherter RNA aus den Langerhansschen Inseln eingesetzt. In erstmalig durchgeführten genomweiten Expressionsanalysen wurde zu einem frühen Zeitpunkt in der Diabetesentwicklung der Einfluss einer diabetogenen HF-Diät und einer diabetesprotektiven CHF-Diät auf das Expressionsprofil von pankreatischen Inselzellen verglichen. Im Gegensatz zum WAT bewirkt die diabetogene HF-Diät in Inselzellen einerseits, eine erhöhte Expression von nukleären Genen für die oxidative Phosphorylierung und andererseits von Genen, die mit Zellproliferation assoziiert sind. Zudem wurden 37 bereits annotierte Gene identifiziert, deren differenzielle Expression mit der Diabetesentwicklung korreliert. Das Peptidhormon Cholecystokinin (Cck, 11,8-fach erhöht durch die HF) stellt eines der am stärksten herauf regulierten Gene dar. Die hohe Anreicherung der Cck-mRNA in Inselzellen deutet auf eine bisher unbekannte Funktion des Hormons in der Regulation der Inselzellproliferation hin. Der Transkriptionsfaktor Mlxipl (ChREBP; 3,8-fach erniedrigt durch die HF) stellt in Langerhansschen Inseln eines der am stärksten herunter regulierten Gene dar. Ferner wurde ChREBP, dessen Funktion als glucoseregulierter Transkriptionsfaktor für lipogene Enzyme bislang in der Leber, aber nicht in Inselzellen nachgewiesen werden konnte, erstmals immunhistochemisch in Inselzellen detektiert. Dies deutet auf eine neue, bisher unbekannte regulatorische Funktion von ChREBP im Glucosesensor-Mechanismus der Inselzellen hin. Eine durchgeführte Korrelation der mit der Diabetesentwicklung assoziierten, differenziell exprimierten Inselzellgene mit Genvarianten aus humanen genomweiten Assoziationsstudien für Typ-2-Diabetes (WTCCC, Broad-DGI-T2D-Studie) ermöglichte die Identifizierung von 24 neuartigen Diabetes-Kandidatengenen. Die Ergebnisse der erstmals am polygenen NZO-Mausmodell durchgeführten genomweiten Expressionsuntersuchungen bestätigen bisherige Befunde aus Mausmodellen für Adipositas und Diabetes (z.B. ob/ob- und db/db-Mäuse), zeigen in einigen Fällen aber auch Unterschiede auf. Insbesondere in der oxidativen Phosphorylierung könnten die Ergebnisse relevant sein für das Verständnis der Pathogenese des polygen-bedingten humanen metabolischen Syndroms.
N2  - Overweight and obesity cause insulin resistance and increase the risk of developing type 2 diabetes and cardiovascular diseases. Both, obesity and susceptibility to diabetes, are to a major part genetically predisposed. The relevant genes, their interaction with the environment – especially with food components – and the pathomechanisms causing insulin resistance and diabetes are not fully known yet. In the present study the development and progression of obesity and type 2 diabetes should be investigated by the means of gene expression analyses of the white adipose tissue (WAT) and the islets of Langerhans to identify underlying pathomechanisms and new causative candidate genes. For this purpose diet intervention studies on NZO- and related NZL-mice – two polygenic mouse models for the human metabolic syndrome – were performed. A carbohydrate containing high fat-diet (HF: 14.6 % fat) caused early obesity, insulin resistance and type 2 diabetes in both mouse models. A fat reduced standard chow (SD: 3.3 % fat) which strongly delayed the onset of obesity and diabetes, and a diabetes protective carbohydrate free high fat-diet (CHF: 30.2 % fat) served as control diets. Using microarray technology genome wide expression profiles of the WAT were generated. Pancreatic islets were isolated by the means of laser capture microdissection (LCM) and expression profiles of them were created, too. Differentially expressed genes were validated by quantitative real time PCR. The HF-diet reduced the expression of nuclear genes of the oxidative phosphorylation and lipogenic enzymes in the WAT of the NZO-mouse. This suggests an inadequate storage and utilization of fat in these animals. This is specific for the obese NZO-model and wasn’t observed for the lean SJL-mouse, indicating a role in the development of insulin resistance. Additionally, there was proof that the enlargement of the WAT triggers a retarded infiltration of macrophages into the WAT and there a local immune response. Moreover, the LCM technique was established and used for the isolation of highly enriched RNA from islets of Langerhans. For the first time the influence of carbohydrates in a high fat-diet on the expression profile of pancreatic islets was investigated by the use of genome wide expression analyses at an early time point at the onset of diabetes. Contrary to the WAT the diabetogenic HF-diet in islets cells increased the expression of both nuclear genes coding for the oxidative phosphorylation and genes associated with cell proliferation. Furthermore 37 already annotated genes correlated with diabetes progression were identified. The peptide hormone cholecystokinin (Cck: 11.8-fold enriched by the HF-diet) is one of the most up-regulated genes. The strong enrichment of Cck-mRNA in islets suggests a previously unknown function of the hormone in the regulation of the islet cell proliferation. The transcription factor ChREBP (Mlxipl: 3.8-fold reduced by the HF-diet) is one of the most down-regulated genes in the islets of Langerhans. Moreover, ChREBP, which has been already identified as a glucose regulated transcription factor for lipogenic enzymes in the liver but not in islets of Langerhans, was detected for the first time in islet cells, using immunohistochemistry. This points to an until now unknown regulatory function of ChREBP in the glucosesensor mechanism of the islet cells. Correlation of the differentially expressed genes associated with diabetes progression with gene variants from human genome wide association studies for type 2 diabetes (WTCCC, Broad-DGI-T2D-study) made the identification of 24 new diabetes candidate genes possible. The results of the genome wide expression analyses, which were done for the first time on a polygenic mouse-model, corroborated previous results for monogenic mouse-models for obesity and diabetes (e.g. ob/ob- and db/db-mice), however also demonstrated differences in some instances. Especially the results concerning the oxidative phosphorylation could be relevant for the comprehension of the pathogenesis of the polygenic human metabolic syndrome.
KW  - Microarray
KW  - Diabetes
KW  - metabolisches Syndrom
KW  - Diätintervention
KW  - LCM
KW  - microarray
KW  - diabetes
KW  - human metabolic syndrome
KW  - diet intervention
KW  - laser capture microdissection
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32379
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TY  - THES
A1  - Boeuf, Stéphane
T1  - Comparative study of gene expression during the differentiation of white and brown preadipocytes
N2  - Einleitung Säugetiere haben zwei verschiedene Arten von Fettgewebe: das weiße Fettgewebe, welches vorwiegend zur Lipidspeicherung dient, und das braune Fettgewebe, welches sich durch seine Fähigkeit zur zitterfreien Thermogenese auszeichnet. Weiße und braune Adipozyten sind beide mesodermalen Ursprungs. Die Mechanismen, die zur Entwicklung von Vorläuferzellen in den weißen oder braunen Fettzellphenotyp führen, sind jedoch unbekannt. Durch verschiedene experimentelle Ansätze konnte gezeigt werden, daß diese Adipocyten vermutlich durch die Differenzierung zweier Typen unterschiedlicher Vorläuferzellen entstehen: weiße und braune Preadipozyten. Von dieser Hypothese ausgehend, war das Ziel dieser Studie, die Genexpression weißer und brauner Preadipozyten auf Unterschiede systematisch zu analysieren.  Methoden Die zu vergleichenden Zellen wurden aus primären Zellkulturen weißer und brauner Preadipozyten des dsungarischen Zwerghamsters gewonnen. „Representational Difference Analysis“ wurde angewandt, um potentiell unterschiedlich exprimierte Gene zu isolieren. Die daraus resultierenden cDNA Fragmente von Kandidatengenen wurden mit Hilfe der Microarraytechnik untersucht. Die Expression dieser Gene wurde in braunen und weißen Fettzellen in verschiedenen Differenzierungsstadien und in braunem und weißem Fettgewebe verglichen.  Ergebnisse 12 Gene, die in braunen und weißen Preadipozyten unterschiedlich exprimiert werden, konnten identifiziert werden. Drei Komplement Faktoren und eine Fettsäuren Desaturase werden in weißen Preadipozyten höher exprimiert; drei Struktur Gene (Fibronectin, Metargidin und a Actinin 4), drei Gene verbunden mit transkriptioneller Regulation (Necdin, Vigilin und das „small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A“) sowie zwei Gene unbekannter Funktion werden in braunen Preadipozyten höher exprimiert. Mittels Clusteranalyse (oder Gruppenanalyse) wurden die gesamten Genexpressionsdaten charakterisiert. Dabei konnten die Gene in 4 typischen Expressionsmuster aufgeteilt werden: in weißen Preadipozyten höher exprimierte Gene, in braunen Preadipozyten höher exprimierte Gene, während der Differenzierung herunter regulierte Gene und während der Differenzierung hoch regulierte Gene.  Schlußfolgerungen In dieser Studie konnte gezeigt werden, daß weiße und braune Preadipozyten aufgrund der Expression verschiedener Gene unterschieden werden können. Es wurden mehrere Kandidatengene zur Bestimmung weißer und brauner Preadipozyten identifiziert. Außerdem geht aus den Genexpressionsdaten hervor, daß funktionell unterschiedliche Gruppen von Genen eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von weißen und braunen Preadipozyten spielen könnten, wie z.B. Gene des Komplementsystems und der extrazellulären Matrix.
N2  - Introduction Mammals have two types of adipose tissue: the lipid storing white adipose tissue and the brown adipose tissue characterised by its capacity for non-shivering thermogenesis. White and brown adipocytes have the same origin in mesodermal stem cells. Yet nothing is known so far about the commitment of precursor cells to the white and brown adipose lineage. Several experimental approaches indicate that they originate from the differentiation of two distinct types of precursor cells, white and brown preadipocytes. Based on this hypothesis, the aim of this study was to analyse the gene expression of white and brown preadipocytes in a systematic approach.   Experimental approach The white and brown preadipocytes to compare were obtained from primary cell cultures of preadipocytes from the Djungarian dwarf hamster. Representational difference analysis was used to isolate genes potentially differentially expressed between the two cell types. The thus obtained cDNA libraries were spotted on microarrays for a large scale gene expression analysis in cultured preadipocytes and adipocytes and in tissue samples.  Results 4 genes with higher expression in white preadipocytes (3 members of the complement system and a fatty acid desaturase) and 8 with higher expression in brown preadipocytes were identified. From the latter 3 coded for structural proteins (fibronectin, metargidin and a actinin 4), 3 for proteins involved in transcriptional regulation (necdin, vigilin and the small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A) and 2 are of unknown function. Cluster analysis was applied to the gene expression data in order to characterise them and led to the identification of four major typical expression profiles: genes up-regulated during differentiation, genes down-regulated during differentiation, genes higher expressed in white preadipocytes and genes higher expressed in brown preadipocytes.  Conclusion This study shows that white and brown preadipocytes can be distinguished by different expression levels of several genes. These results draw attention to interesting candidate genes for the determination of white and brown preadipocytes (necdin, vigilin and others) and furthermore indicate that potential importance of several functional groups in the differentiation of white and brown preadipocytes, mainly the complement system and extracellular matrix.
KW  - Säugetiere ; Fettgewebe ; Zelldifferenzierung ; Genexpression
KW  - Preadipozyt
KW  - Adipozyt
KW  - Fettzelle
KW  - braunes Fettgewebe
KW  - Differenzierung
KW  - Genexpression
KW  - Microarray
KW  - preadipocyte
KW  - adipocyte
KW  - brown adipose tissue
KW  - differentiation
KW  - gene expression
KW  - microarray
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000542
ER  -