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Main Title: Bedeutung und Regulation der Biosynthese von Selenoproteinen beim Wachstum und der Akut-Phase-Reaktion der Maus
Translated Title: Impact and regulation of selenoprotein biosynthesis during growth and acute phase response in mice
Author(s): Renko, Kostja
Advisor(s): Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Selen ist in Form der 21ten proteinogenen Aminosäure Selenocystein für die Synthese und Funktion von Selenoproteinen essentiell. Im Menschen und im Nagermodell kodieren nur 25 bzw. 24 Gene für diese besondere Proteinklasse, deren Biosynthese auf eine ausreichende Versorgung mit Selen angewiesen ist. Ein ausgeprägter Selenmangel hat Wachstums-, Entwicklungs- und Immundefizite zur Folge. Der überwiegende Anteil der europäischen Bevölkerung gilt als nur suboptimal mit Selen versorgt. In manchen Krankheitssituationen, wie z.B. der Sepsis, kommt es zu einer zusätzlichen, krankheitsbedingten Selenverarmung. Eine solche transient ausgeprägte Mangelsituation kann für die Betroffenen fatale Folgen haben. Im Kontext dieser Arbeit wurden anhand von verschiedenen Modellen die Folgen eines genetischen oder durch LPS-Injektion induzierten Selenmangels nachvollzogen. Ein genetisch modifizierter Mausstamm, dessen zentraler Selentransporter, Selenoprotein P, inaktiviert wurde, bildet die Grundlage für die Untersuchung des selenabhängigen Wachstumsdefizits. Hier zeigten sich Interaktionen von Selenstatus mit der Wachstumshormonachse, mit Fett-, Knochen- und Muskelaufbau. Nach der Etablierung eines geeigneten Fütterungs-Regimes wies dieses Modell auch charakteristische geschlechtsspezifische Veränderungen der Wachstumshormonachse auf. Ähnliche geschlechtspezifische Unterschiede waren in klinischen Untersuchungen von Sepsis-Patienten beobachtet worden. Hier sind die dem Verlust unterliegenden Mechanismen jedoch unbekannt, und der Erfolg einer adjuvanten Supplementation als Gegenmaßnahme ist umstritten. Beide Aspekte wurden durch die Etablierung eines murinen Modells zur Akut-Phase-Reaktion nachvollzogen und molekular analysiert. Nach LPS-Injektion zeigte sich eine transiente und moderate Verringerung der mRNA-Konzentration des Selentransporters Selenoprotein P in der Leber. Dieser Effekt konnte jedoch die Dynamik und das Ausmaß des stetigen Selenverlustes im Blut nicht vollständig erklären. Entsprechend ergab die Detailanalyse, dass zusätzlich die Expression zentraler Komponenten des Selenoprotein-Biosyntheseapparates konzertiert reduziert wurde. Hier waren die Effekte auf die mRNA der erst kürzlich im Selenmetabolismus identifizierten Phosphoseryl-tRNA-Kinase am stärksten. Die Relevanz dieser Regulation erwies sich in vitro durch eine siRNA-vermittelte Transkriptreduktion und führte zu einer signifikant reduzierten Selenoprotein P Biosynthese. Parallele Versuche zur Modulation der LPS-abhängigen Akut-Phase-Reaktion bestätigten die positive Wirkung einer adjuvanten Selensupplementation auf die Immunantwort und identifizierten Selenoprotein S als sehr responsive, selenabhängige und gewebespezifische Komponente der zellulären Stressbewältigung. Dieses Selenoprotein könnte somit für die selenabhängigen Gesundheitseffekte eine zentrale Rolle spielen und sollte im Fokus der weiteren immunendokrinen Forschung stehen.
Selenium, in its entity as the 21st proteinogenic amino acid selenocysteine, is essential for the function and biosynthesis of selenoproteins. In humans as well as in rodent models, only 25 or 24 genes are coding for this special protein class. Their biosynthesis is strongly limited by the selenium supply of the organism. A severe selenium deficiency can lead to deficits in growth, development and impaired immune function. The European population is generally considered to be not-well supplied. Under some medical conditions, e.g. in sepsis, an additional illness-dependent reduction of the selenium status is described. This kind of transient severe deficiency may have fatal consequences for the patient. In this work, several models were used to evaluate the consequences of a selenium deficiency, caused by genetic predisposition or upon endotoxin application. A genetically modified mouse-strain, lacking the central selenium-transporter, i.e. selenoprotein P, was used for the analysis of a selenium-depending growth deficiency phenotype. In this model, an interaction between selenium status and the growth hormone axis was finally delineated. After establishing a suitable feeding-strategy, a gender-specific bias of this phenotype was established. A similar sexual dimorphism was also reported from sepsis patients. The molecular reason for the serum-selenium loss in this pathology is not well understood and selenium supplementation as a therapeutic option is under heavy discussion. Both aspects were taken into account when a murine model for an acute phase reaction was studied. After LPS injection, selenoprotein P mRNA-levels declined moderately explaining some aspects of diminished serum selenium concentrations. In addition, a concerted reduction in the expression of key components of selenoprotein biosynthesis was seen. One of these strongly affected genes, the phosphoseryl-tRNA-kinase was further characterized in its relevance by in vitro knockdown experiments. A modulating effect of reduced mRNA levels on the biosynthesis of selenoprotein P was observed in this system which likely contributes to the negative acute phase response of serum selenium. In addition, a beneficial modulation of the acute phase response by selenium supplementation was shown in this murine model, and therefore underlines the therapeutic potential of selenium in related clinical pathologies. Selenoprotein S, as a component of intracellular stress defense, was shown to be induced by endotoxin in a tissue-specific manner and to depend strongly on the selenium supply of the organism. These findings indicate selenoprotein S as a possible mediator of the selenium-depending health effects in sepsis and should therefore constitute the main focus of further research.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22525
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2476
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2179
Exam Date: 19-Feb-2009
Issue Date: 15-Jun-2009
Date Available: 15-Jun-2009
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Akutphase
Lipopolysaccharid
Selenoproteine
Sepsis
Wachstum
Acute phase
Growth
Lipopolysaccharid
Selenoproteins
Sepsis
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