Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4144
Main Title: The role of Pycr1 in the pathomechanism of autosomal recessive cutis laxa
Translated Title: Die Rolle von Pycr1 im Pathomechanismus der autosomal rezessiven Cutis Laxa
Author(s): Sprenger, Saniye
Advisor(s): Kornak, Uwe
Lauster, Roland
Referee(s): Lauster, Roland
Kornak, Uwe
Kurreck, Jens
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Cutis laxa ist ein Sammelbegriff für eine heterogene Gruppe von Erkrankungen des Bindegewebes, gekennzeichnet durch eine Verminderung der elastischen Fasern. Eine Unterform der autosomal rezessiven cutis laxa (ARCL) wird hervorgerufen durch Mutationen in pyrroline-5-carboxylate reductase 1 (PYCR1). PYCR1 ist ein Enzym des Prolinbiosynthese Zyklus und ist in Mitochondrien lokalisiert. In vielen Spezies existieren zwei weitere Paraloge, PYCR2 und PYCRL. Um das Verständnis der Funktion von Pycr1 zu vertiefen, wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Mausmodel erstellt. Die Charakterisierung des konstitutiven Pycr1 knock outs (Pycr1-/-) zeigte, dass dieses Mausmodel die Kardinalsymptome der PYCR1-assoziierten ARCL widerspiegelt. Histologische Untersuchungen zeigten eine Hypoplasie der Dermis, welche am stärksten bei acht Wochen alten Tieren ausgeprägt ist. Pycr1 defiziente Tiere haben eine signifikant verringerte Dicke der Dermis. Des Weiteren weisen Pycr1 defiziente Tiere eine milde Form der Osteopenie in Röhrenknochen auf, welche mit einer Reduktion des trabekulären Knochenvolumens sowie der Anzahl der Trabekel einhergeht. Der Osteopeniephänotyp ist am deutlichsten bei vier Wochen alten Tieren ausgeprägt und nimmt mit dem Alter ab. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Anzahl der Osteozyten im corticalen Knochen reduziert ist sowie, dass die Osteozyten Pycr1 defizienter Tiere Merkmale einer gestörten terminalen Differenzierung aufweisen. Diese Vermutung wird gestützt durch Expressionsanalysen von Markergenen der Osteoblasten- und Osteozytendifferenzierung. Auch die Anzahl der knochenabbauenden Osteoklasten ist vermindert. Interessanterweise, wurde jedoch gezeigt, dass die Expression von Rankl, einem Faktor welcher die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten bewirkt, in Pycr1 defizienten Knochen herauf reguliert ist, wobei die Expression von Opg, dem Antagonisten von RankL unverändert bleibt. Zusätzlich zu den Veränderungen in der Haut und im Knochen wurde in Muskelbioptaten von Pycr1 defizienten Tieren ein Missverhältnis der Muskelfasertypen festgestellt, welche am prägnantesten bei vier Wochen alten Tieren manifestiert ist und mit dem Alter abnimmt. Im Vergleich zu Kontrolltieren, weisen Tiere mit einer Pycr1 Defizienz deutlich mehr Typ I Muskelfasern auf. Darüber hinaus wurde die Tendenz festgestellt, dass die Mitglieder der Myozyten Enhancer Faktor 2 (Mef2) Transkriptionsfaktor Famile hoch reguliert sind. Die Mef2 Transkriptionsfaktoren spielt eine wichtige Rolle bei der Determinierung von oxidativen Typ I Fasern und der Transition von glykolytischen Typ II Fasern zu Typ I Fasern. Mit Hilfe von in vitro Experimenten konnte des Weiteren gezeigt werden, dass der Verlust von Pycr1 in murinen embryonalen Fibroblasten (MEFs) zu einer partiellen Fragmentierung des mitochondrialen Netzwerkes führt. Deutlich erhöhte Laktatwerte in Pycr1 defizienten MEFs, im Vergleich zu Kontrollzellen, deuten auf eine gesteigerte glycolytische Aktivität hin, was wiederum auf eine Verminderung der Zellatmung schließen lässt. Zusätzlich zeigte sich mittels knock down Experimenten, dass eine Verminderung des Paraloges Pycr2 einen stärkeren Effekt auf Veränderungen des mitochondrialen Netzwerkes und apoptosevermittelten Zelltod hat als eine Verminderung von Pycr1. Interessanterweise, zeigte sich im Vergleich von humanem und murinen PYCRs ein Größenunterschied zwischen beiden Paralogen, der in der Maus umgekehrt ist. Die beschriebenen Ergebnisse verdeutlichen, dass das Pycr1 knock out Model die Kardinalsymtome der PYCR1-assoziierten ARCL widerspiegelt, jedoch in einer milderen Form. Trotz der hohen evolutionären Konservierung von Pycr1 scheint es funktionelle Unterschiede in verschiedenen Spezies der Wirbeltiere zu geben. Diese Ergebnisse, zusammen mit der Beobachtung eines umgekehrten Größenverhältnisses von humanen und murinen Pycr Paralogen, deutet auf einen Speziesunterschied in der Funktion von humanen und murinen Pycr Proteinen hin.
Cutis laxa is an umbrella term for several disorders having in common lax and wrinkled skin most likely due to rarefaction of elastic fibers in the connective tissues. Autosomal recessive cutis laxa (ARCL) with progeroid features caused by mutations in PYCR1 is mainly characterized by intrauterine growth retardation, connective tissue weakness, reduced bone mass, muscular hypotonia and mental retardation of variable degree, leading to an overall progeroid appearance. PYCR1 is an enzyme catalyzing the final step of de novo proline synthesis and was shown to be localized within mitochondria. In many species, including human and mouse, two further paralogues, PYCR2 and PYCRL exist. In order to gain further insight into the PYCR1-related ARCL pathomechnism a constitutive knock out mouse line for Pycr1 (Pycr1−/−) was generated. The characterization of this mouse model revealed that it reflects major aspects of the human disease. Histological analyses of the skin showed a hypoplasia of the dermis. This was most prominent in eight weeks old mice where the dermal layer was significantly thinner than in control mice. Furthermore, Pycr1-deficient animals demonstrated a mild form of osteopenia with reduced trabecular bone volume and trabecular number compared to controls. This was most obvious in four weeks old mice and declined with age. In tibiae of four weeks old Pycr1 deficient mice the number of osteocytes is reduced and differentiation defects are present. Coherently, marker genes for late osteoblastic and osteocytic differentiation are down regulated in this tissue. Moreover, it was found that the number of bone resorbing osteoclasts is decreased. Contrary, the osteoclast differentiation and activation factor RankL was significantly up regulated in enriched osteoblastic fractions of tibiae from Pycr1 −/− mice, whereas the expression of its antagonist Opg remains unchanged. Beside an altered skin and bone morphology, a disproportion of muscle fiber types was evident in Pycr1 deficient mice, most pronounced in four weeks old animals and declining with age. The number of mitochondrial rich type I fibers was significantly increased. A tendency of up regulation of myocyte enhancer factor-2 (Mef2) transcription factor genes was observed in Pycr1 deficient muscles compared to control ones.The Mef2 transcription factor family has a large impact on fiber type determination and transition of glycolytic type II fibers to oxidative type I fibers. In in vitro assays it could be demonstrated, that Pycr1 deficient murine embryonic fibroblasts (MEFs) constitute a partial fragmentation of the mitochondrial network, compared to wild type MEFs. Increased concentrations of lactate produced by cultured Pycr1 deficient MEFs indicates elevated glycolytic activity, which in turn indicates impaired respiration caused by deficiency of Pycr1. Furthermore, in knock down experiments, using RNA interference against the Pycr1 paralogue Pycr2, it could be shown that the down regulation of the paralogue Pycr2 has a more pronounced effct on the fragmentation of the mitochondrial network and induction of apoptosis than the knock down of Pycr1. Interestingly, the protein size of human PYCR1 is bigger than PYCR2 in immunoblot. This difference is also present between the mouse proteins, but in an inverted fashion. Taking together these findings, the Pycr1 knock out mouse model reflects major aspects of PYCR1-related ARCL, but in a milder form. Despite a high evolutionary conservation the function of Pycr1 seems to differ among vertebrate species. Combined with the observation, that the proportion of human and murine Pycr paralogues protein sizes are inverted, indicate species differences between the function of human and murine Pycrs.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-55707
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4441
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4144
Exam Date: 18-Jul-2014
Issue Date: 15-Aug-2014
Date Available: 15-Aug-2014
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Pycr1
Cutis Laxa
Prolin
Mitochondrien
Alterungsprozess
Mausmodell
transgene Techniken
Pycr1
Cutis Laxa
Proline
mitochondria
aging
mouse model
transgenics
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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