TY  - THES
A1  - Friese, Sharleen
T1  - Trace elements and genomic instability in the murine brain
N2  - The trace elements copper, iron, manganese, selenium and zinc are essential micronutrients involved in various cellular processes, all with different responsibilities. Based on that importance, their concentrations are tightly regulated in mammalian organisms. The maintenance of those levels is termed trace element homeostasis and mediated by a combination of processes regulating absorption, cellular and systemic transport mechanisms, storage and effector proteins as well as excretion. Due to their chemical properties, some functions of trace elements overlap, as seen in antioxidative defence, for example, comprising an expansive spectrum of antioxidative proteins and molecules. Simultaneously, the same is true for regulatory mechanisms, causing trace elements to influence each other’s homeostases. To mimic physiological conditions, trace elements should therefore not be evaluated separately but considered in parallel. While many of these homeostatic mechanisms are well-studied, for some elements new pathways are still discovered. Additionally, the connections between dietary trace element intake, trace element status and health are not fully unraveled, yet. With current demographic developments, also the influence of ageing as well as of certain pathological conditions is of increasing interest. Here, the TraceAge research unit was initiated, aiming to elucidate the homeostases of and interactions between essential trace elements in healthy and diseased elderly. While human cohort studies can offer insights into trace element profiles, also in vivo model organisms are used to identify underlying molecular mechanisms. This is achieved by a set of feeding studies including mice of various age groups receiving diets of reduced trace element content. To account for cognitive deterioration observed with ageing, neurodegenerative diseases, as well as genetic mutations triggering imbalances in cerebral trace element concentrations, one TraceAge work package focuses on trace elements in the murine brain, specifically the cerebellum. In that context, concentrations of the five essential trace elements of interest, copper, iron, manganese, selenium and zinc, were quantified via inductively coupled plasma-tandem mass spectrometry, revealing differences in priority of trace element homeostases between brain and liver. Upon moderate reduction of dietary trace element supply, cerebellar concentrations of copper and manganese deviated from those in adequately supplied animals. By further reduction of dietary trace element contents, also concentrations of cerebellar iron and selenium were affected, but not as strong as observed in liver tissue. In contrast, zinc concentrations remained stable. Investigation of aged mice revealed cerebellar accumulation of copper and iron, possibly contributing to oxidative stress on account of their redox properties. Oxidative stress affects a multitude of cellular components and processes, among them, next to proteins and lipids, also the DNA. Direct insults impairing its integrity are of relevance here, but also indirect effects, mediated by the machinery ensuring genomic stability and its functionality. The system includes the DNA damage response, comprising detection of endogenous and exogenous DNA lesions, decision on subsequent cell fate and enabling DNA repair, which presents another pillar of genomic stability maintenance. Also in proteins of this machinery, trace elements act as cofactors, shaping the hypothesis of impaired genomic stability maintenance under conditions of disturbed trace element homeostasis. To investigate this hypothesis, a variety of approaches was used, applying OECD guidelines Organisation for Economic Co-operation and Development, adapting existing protocols for use in cerebellum tissue and establishing new methods. In order to assess the impact of age and dietary trace element depletion on selected endpoints estimating genomic instability, DNA damage and DNA repair were investigated. DNA damage analysis, in particular of DNA strand breaks and oxidatively modified DNA bases, revealed stable physiological levels which were neither affected by age nor trace element supply. To examine whether this is a result of increased repair rates, two steps characteristic for base excision repair, namely DNA incision and ligation activity, were studied. DNA glycosylases and DNA ligases were not reduced in their activity by age or trace element depletion, either. Also on the level of gene expression, major proteins involved in genomic stability maintenance were analysed, mirroring results obtained from protein studies. To conclude, the present work describes homeostatic regulation of trace elements in the brain, which, in absence of genetic mutations, is able to retain physiological levels even under conditions of reduced trace element supply to a certain extent. This is reflected by functionality of genomic stability maintenance mechanisms, illuminating the prioritization of the brain as vital organ.
N2  - Als essentielle Mikronährstoffe spielen die Spurenelemente Kupfer, Eisen, Mangan, Selen und Zink eine wichtige Rolle für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Aufgrund dessen unterliegen ihre Konzentrationen in der Peripherie einer strengen Regulation. Die Aufrechterhaltung dieser Konzentrationen wird als Spurenelementhomöostase bezeichnet und beruht auf der Kombination verschiedener Mechanismen hinsichtlich ihrer Absorption, des zellulären und systemischen Transports, der Regulation von Speicher- und Effektorproteinen sowie ihrer jeweiligen Exkretion. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften überschneiden sich einige Funktionen der Spurenelemente. Beispielsweise ist hier die antioxidative Abwehr zu nennen, an welcher eine Vielzahl verschiedener antioxidativer Moleküle und Proteine beteiligt sind. Gleiches gilt für regulative Mechanismen, wodurch Spurenelemente unter Umständen ihre jeweiligen Homöostasen gegenseitig beeinflussen können. Um physiologische Bedingungen abzubilden, sollten Spurenelemente somit nicht isoliert betrachtet, sondern gemeinsam untersucht werden. Obwohl viele homöostatische Mechanismen bereits gut erforscht sind, werden für einige Elemente immer noch neue Stoffwechselwege identifiziert. Darüber hinaus sind auch die Zusammenhänge zwischen der Spurenelementaufnahme aus der Nahrung sowie dem Spurenelement- und Gesundheitsstatus noch nicht vollständig aufgeklärt. Im Zuge der aktuellen demografischen Entwicklung steigt zudem das Interesse daran, den Einfluss des Alterungsprozesses sowie bestimmter Erkrankungen zu untersuchen. In diesem Kontext wurde die Forschungsgruppe TraceAge gegründet, welche dazu beitragen soll, zum einen die homöostatische Regulation und zum anderen die Interaktionen essentieller Spurenelemente in gesunden und erkrankten älteren Menschen zu untersuchen. Hierbei werden einerseits humane Kohortenstudien beprobt, so dass Spurenelementprofile erstellt werden können. Darüber hinaus werden auch in vivo Modellorganismen verwendet, um zugrundeliegende molekulare Mechanismen zu erfassen. In murinen Fütterungsstudien erhielten Tiere unterschiedlicher Altersgruppen deshalb eine spurenelementreduzierte Diät. Um kognitive Beeinträchtigungen zu beachten, wie sie neben dem Altern auch bei neurodegenerativen Erkrankungen sowie bestimmten genetischen Mutationen, meist im Zusammenhang mit Spurenelementdishomöostasen, auftreten, konzentriert sich ein Projektbereich auf die Wechselwirkung von Spurenelementen im murinen Gehirn, wobei hier der Fokus auf das Cerebellum gelegt wurde. In diesem Zusammenhang wurden die Konzentrationen fünf essentieller Spurenelemente, Kupfer, Eisen, Mangan, Selen und Zink, mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma in den Organen der Tiere quantifiziert, wodurch sich Unterschiede in der Priorität der Aufrechterhaltung von Spurenelementhomöostasen zwischen Gehirn und Leber aufzeigten. Eine moderate Verringerung der Spurenelementgehalte in der gefütterten Diät wirkte sich dabei besonders auf die Konzentrationen von cerebellärem Kupfer und Mangan aus. Bei weiterer Spurenelementreduktion sanken auch die Konzentrationen von cerebellärem Eisen und Selen. Im Vergleich zur Leber waren diese Abnahmen jedoch weniger ausgeprägt. Im Gegensatz dazu blieben die Zinkkonzentrationen in Leber und Gehirn unverändert. Untersuchungen in älteren Mäusen zeigten eine Akkumulation von Kupfer und Eisen im Cerebellum. Möglicherweise trägt dies durch deren Redoxeigenschaften zur Entstehung von oxidativem Stress bei. Oxidativer Stress wirkt sich auf eine Vielzahl zellulärer Bestandteile, wie Proteine und Lipide, aber auch auf die DNA, sowie auf den Ablauf von Zellvorgängen aus. Dabei sind einerseits direkte Einflüsse auf die strukturelle Integrität der DNA von Relevanz, andererseits auch indirekte Effekte, welche durch Mechanismen zur Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität vermittelt werden. Dieses System beinhaltet die DNA-Schadensantwort, welche die Identifikation von DNA-Schäden und die Entscheidung über das weitere Schicksal der Zelle beinhaltet. Darüber hinaus ist diese für die Initiation der DNA-Reparatur verantwortlich, welche einen weiteren zentralen Mechanismus zur Instandhaltung genomischer Stabilität darstellt. Auch die Proteine der DNA-Reparaturwege nutzen Spurenelemente als Kofaktoren, worin die Hypothese zur Beeinträchtigung der Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität unter Bedingungen einer inadäquaten Spurenelementversorgung begründet wird. Um diese Hypothese zu prüfen, wurden in der vorliegenden Arbeit diverse Methoden unter Anwendung von OECD-Richtlinien, der Anpassung existierender Versuchsvorschriften an die spezifischen Anforderungen von Cerebellumgewebe, sowie die Entwicklung neuer Methoden angewandt. Zur Einschätzung des Einflusses von Alter und Spurenelementversorgung aus der Diät auf verschiedene Endpunkte der genomischen Instabilität wurden insbesondere die DNA-Schädigungen und die DNA-Reparatur als molekulare Zielstrukturen analysiert. DNA-Schäden, primär DNA-Strangbrüche und oxidativ modifizierte DNA-Basen, wiesen dabei stabile, physiologische Level auf, die nicht durch Alter oder Spurenelementzufuhr verändert wurden. Um festzustellen, ob dies ein Resultat erhöhter Reparaturvorgänge ist, wurden zwei charakteristische Schritte der Basenexzisionsreparatur, DNA-Inzision und DNA-Ligation, näher untersucht. Es zeigte sich jedoch kein Einfluss auf die DNA-Reparatur einleitenden DNA-Glykosylasen sowie auf die DNA-Reparatur abschließenden DNA-Ligasen. Auch auf Genexpressionsebene wurden wichtige Gene der Proteine der genomischen Stabilität analysiert, welche die Ergebnisse proteinbezogener Studien widerspiegelten. Abschließend lässt sich somit feststellen, dass die Spurenelementhomöostase des Gehirns, selbst unter Bedingungen der defizienten Spurenelementzufuhr, streng reguliert ist. Dadurch können physiologische Spurenelementkonzentrationen bis zu einem gewissen Grad konstant gehalten werden. Dies spiegelt sich auch in der Funktionalität von Mechanismen zur Erhaltung genomischer Stabilität wider, welche die Priorität des Gehirns im Organismus unterstreicht.
KW  - ageing
KW  - cerebellum
KW  - DNA repair
KW  - genomic instability
KW  - trace elements
KW  - Alter
KW  - Cerebellum
KW  - DNA-Reparatur
KW  - genomische Instabilität
KW  - Spurenelemente
Y1  - 2024
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Codeço, Marta S.
A1  - Weis, Philipp
A1  - Trumbull, Robert B.
A1  - Van Hinsberg, Vincent
A1  - Pinto, Filipe
A1  - Lecumberri-Sanchez, Pilar
A1  - Schleicher, Anja M.
T1  - The imprint of hydrothermal fluids on trace-element contents in white mica and tourmaline from the Panasqueira W–Sn–Cu deposit, Portugal
JF  - Mineralium Deposita
N2  - White mica and tourmaline are the dominant hydrothermal alteration minerals at the world-class Panasqueira W-Sn-Cu deposit in Portugal. Thus, understanding the controls on their chemical composition helps to constrain ore formation processes at this deposit and determine their usefulness as pathfinder minerals for mineralization in general. We combine whole-rock geochemistry of altered and unaltered metasedimentary host rocks with in situ LA-ICP-MS measurements of tourmaline and white mica from the alteration halo. Principal component analysis (PCA) is used to better identify geochemical patterns and trends of hydrothermal alteration in the datasets. The hydrothermally altered metasediments are enriched in As, Sn, Cs, Li, W, F, Cu, Rb, Zn, Tl, and Pb relative to unaltered samples. In situ mineral analyses show that most of these elements preferentially partition into white mica over tourmaline (Li, Rb, Cs, Tl, W, and Sn), whereas Zn is enriched in tourmaline. White mica has distinct compositions in different settings within the deposit (greisen, vein selvages, wall rock alteration zone, late fault zone), indicating a compositional evolution with time. In contrast, tourmaline from different settings overlaps in composition, which is ascribed to a stronger dependence on host rock composition and also to the effects of chemical zoning and microinclusions affecting the LA-ICP-MS analyses. Hence, in this deposit, white mica is the better recorder of the fluid composition. The calculated trace-element contents of the Panasqueira mineralizing fluid based on the mica data and estimates of mica-fluid partition coefficients are in good agreement with previous fluid-inclusion analyses. A compilation of mica and tourmaline trace-element compositions from Panasqueira and other W-Sn deposits shows that white mica has good potential as a pathfinder mineral, with characteristically high Li, Cs, Rb, Sn, and W contents. The trace-element contents of hydrothermal tourmaline are more variable. Nevertheless, the compiled data suggest that high Sn and Li contents are distinctive for tourmaline from W-Sn deposits.
KW  - alteration geochemistry
KW  - tourmaline
KW  - white mica
KW  - Panasqueira
KW  - Tungsten–tin deposits
KW  - magmatic-hydrothermal systems
KW  - trace elements
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1007/s00126-020-00984-8
SN  - 1432-1866
SN  - 0026-4598
VL  - 56
IS  - 3
SP  - 481
EP  - 508
PB  - Springer
CY  - Berlin; Heidelberg
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Warken, Sophie Friederike
A1  - Fohlmeister, Jens Bernd
A1  - Schröder-Ritzrauh, Andrea
A1  - Constantin, Silviu
A1  - Spötl, Christoph
A1  - Gerdes, Axel
A1  - Esper, Jan
A1  - Frank, Norbert
A1  - Arps, Jennifer
A1  - Terente, Mihai
A1  - Riechelmann, Dana Felicitas Christine
A1  - Mangini, Augusto
A1  - Scholz, Denis
T1  - Reconstruction of late Holocene autumn/winter precipitation variability in SW Romania from a high-resolution speleothem trace element record
JF  - Earth & planetary science letters
N2  - We present the first high-resolution trace element (Mg/Ca, Sr/Ca, Ba/Ca) record from a stalagmite in southwestern Romania covering the last 3.6 ka, which provides the potential for quantitative climate reconstruction. Precise age control is based on three independent dating methods, in particular for the last 250 yr, where chemical lamina counting is combined with the identification of the 20th century radiocarbon bomb peak and Th-230/U dating. Long-term cave monitoring and model simulations of drip water and speleothem elemental variability indicate that precipitation-related processes are the main drivers of speleothem Mg/Ca ratios. Calibration against instrumental climate data shows a significant anti-correlation of speleothem Mg/Ca ratios with autumn/winter (October to March) precipitation (r = -0.61, p < 0.01), which is statistically robust when considering age uncertainties and auto-correlation. This relationship is used to develop a quantitative reconstruction of autumn/winter precipitation. During the late Holocene, our data suggest a heterogeneous pattern of past regional winter hydroclimate in the Carpathian/Balkan realm, along with intermittent weakening of the dominant influence of North Atlantic forcing. In agreement with other regional paleo-hydrological reconstructions, the observed variability reveals periodically occurring strong NW-SE hydro-climate gradients. We hypothesize, that this pattern is caused by shifts of the eastern edge of the area of influence of the NAO across central eastern Europe due to the confluence of North Atlantic forcing, and other climatic features such as the East Atlantic/Western Russia (EAWR) pattern. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.
KW  - speleothem
KW  - trace elements
KW  - proxy calibration
KW  - precipitation reconstruction
KW  - Romania
KW  - North Atlantic forcing
Y1  - 2018
U6  - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.07.027
SN  - 0012-821X
SN  - 1385-013X
VL  - 499
SP  - 122
EP  - 133
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  -