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Die Induktion antioxidativer Enzyme gilt als eine Möglichkeit, die antioxidative Kapazität von Zellen zu steigern und dadurch mit oxidativem Stress assoziierten Erkrankungen (z. B. Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Neurodegeneration, Atherosklerose) vorzubeugen. Ausgehend davon wurde in der vorliegenden Arbeit der Dual-Luciferase-Reportergen-(DLR)-Assay zum Nachweis der Induktion der antioxidativen Enzyme Katalase (CAT), zytosolische Glutathion-Peroxidase (GPX1) und Kupfer-Zink-Superoxid-Dismutase (SOD1) entwickelt. Im Zuge dessen wurden drei Säugetierzelllinien (CaCo2, IEC-18, V79) auf ihre Eignung zur Modellzelllinie untersucht. Aufgrund der Transfektionseffizienz wurde die Fibroblastenzelllinie V79 ausgewählt. Zur Gewährleistung eines hohen Substanzdurchsatzes des DLR-Assays wurden bei der Etablierung Parameter wie Kulturplattenformat, DNA-Menge, Luciferasen-Kinetik berücksichtigt. Nach erfolgreicher Etablierung des Versuchs im 96-Well-Format wurden L-Carnitin, Catechin, Epigallocatechingallat, Genistein, Wasserstoffperoxid (H2O2), Natrium-Ascorbat, Paraquat, Quercetin, 12-O-Tetradecanoylphorbol-13-Acetat (TPA) und Trolox in nicht-zytotoxischen Konzentrationen hinsichtlich der Aktivierung des Ratten-CAT-, des humanen GPX1- und des humanen SOD1-Promotors untersucht. Die Bestimmung der maximal tolerierbaren Behandlungskonzentration erfolgte im Vorfeld mittels Resazurintest. Von den zehn Verbindungen zeichneten sich drei Substanzen als potente Induktoren für die SOD1 und die GPX1 aus. Die 24-stündige Behandlung von mit Reportergenkonstrukten transient transfizierten V79-Zellen mit 100 µM Paraquat resultierte in einer Verdopplung der relativen SOD1-Promotor-Aktivität und einer Erhöhung der relativen GPX1-Promotor-Aktivität auf 1,6 bzw. 1,7. Die Stimulation mit 20 µM Genistein oder 10 µM Quercetin führte wiederum zu einer Verdopplung bis Verdreifachung der relativen SOD1- und GPX1-Promotor-Aktivität. Der Promotor der Rattenkatalase konnte demgegenüber nur durch 50 µM H2O2 aktiviert werden (1,5fach). Für diesen DLR-Assays bieten sich folglich Genistein, Quercetin wie auch H2O2 als Referenzsubstanzen an. Um aber eine qualitative Charakterisierung der einzelnen Verbindungen hinsichtlich ihres Induktionspotentials zu gewährleisten, sollten von allen getesteten Substanzen Dosis-Wirkungskurven aufgenommen werden. Zudem wird für den routinemäßigen Einsatz die Verwendung stabil transfizierter Zellen zur Vermeidung von mit der Transfektion verbundenen experimentellen Schwankungen empfohlen.
Abiotic stress is one of the major threats to plant crop yield and productivity. When plants are exposed to stress, production of reactive oxygen species (ROS) increases, which could lead to extensive cellular damage and hence crop loss. During evolution, plants have acquired antioxidant defense systems which can not only detoxify ROS but also adjust ROS levels required for proper cell signaling. Ascorbate peroxidase (APX), glutathione peroxidase (GPX), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) are crucial enzymes involved in ROS detoxification. In this study, 40 putative APX, 28 GPX, 16 CAT, and 41 SOD genes were identified from genomes of the resurrection species Boea hygrometrica, Selaginella lepidophylla, Xerophyta viscosa, and Oropetium thomaeum, and the mesophile Selaginella moellendorffi. Phylogenetic analyses classified the APX, GPX, and SOD proteins into five clades each, and CAT proteins into three clades. Using co-expression network analysis, various regulatory modules were discovered, mainly involving glutathione, that likely work together to maintain ROS homeostasis upon desiccation stress in resurrection species. These regulatory modules also support the existence of species-specific ROS detoxification systems. The results suggest molecular pathways that regulate ROS in resurrection species and the role of APX, GPX, CAT and SOD genes in resurrection species during stress.
Abiotic stress is one of the major threats to plant crop yield and productivity. When plants are exposed to stress, production of reactive oxygen species (ROS) increases, which could lead to extensive cellular damage and hence crop loss. During evolution, plants have acquired antioxidant defense systems which can not only detoxify ROS but also adjust ROS levels required for proper cell signaling. Ascorbate peroxidase (APX), glutathione peroxidase (GPX), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) are crucial enzymes involved in ROS detoxification. In this study, 40 putative APX, 28 GPX, 16 CAT, and 41 SOD genes were identified from genomes of the resurrection species Boea hygrometrica, Selaginella lepidophylla, Xerophyta viscosa, and Oropetium thomaeum, and the mesophile Selaginella moellendorffi. Phylogenetic analyses classified the APX, GPX, and SOD proteins into five clades each, and CAT proteins into three clades. Using co-expression network analysis, various regulatory modules were discovered, mainly involving glutathione, that likely work together to maintain ROS homeostasis upon desiccation stress in resurrection species. These regulatory modules also support the existence of species-specific ROS detoxification systems. The results suggest molecular pathways that regulate ROS in resurrection species and the role of APX, GPX, CAT and SOD genes in resurrection species during stress.