Thesis (doctoral)--Göteberg, 1981.

Cell death is an essential aspect of life that plays an important role for successful development and tissue remodeling as well as for diseases. There are several different types of cell death that differ from each other in morphological, functional and biochemical ways. Regulated cell death that occurs in physiological processes is generally equated with programmed cell death (PCD), whereby apoptosis is the most studied form of PCD. Ferroptosis is a form of regulated cell death and unique in its requirements for iron and lipid peroxidation. It is linked to numerous biological processes, such as amino acid metabolism, phospholipid metabolism and sterol synthesis. Cholesterol biosynthesis is a complex pathway with a large number of enzymes and substrates that are potential target points for cellular dysfunctions. Motivated by the results from a CRISPR-based genetic screening in this thesis, we focused on 7-dehydrocholesterol reductase (DHCR7), the enzyme responsible for conversion of 7-dehydrocholesterol (7-DHC) to cholesterol. In this work we focused on the ferroptosis sensitive cell line HT1080 and generated a series of models to address the importance of DHCR7 in ferroptosis. Using CRISPR/Cas9, HT1080 DHCR7_KO and DHCR7/SC5D_KO cell lines were generated and used to validate their sensitivity against ferroptosis inducers and sterol consumption. We could show that 7-DHC is a strong antiferroptotic agent that could prevent cell death in genetic models as well as when supplemented directly to cells. Importantly, all the results obtained were subsequently confirmed in isogenic reconstituted pairs from the HT1080 DHCR7/SC5D_KO. Moreover, we demonstrate that this protective effect is not due to an inherent and unspecific resistance as the sensitivity to non-ferroptotic stimuli was equally effective in killing the HT1080 DHCR7_KO and DHCR7/SC5D_KO cell lines. We could also show that selenium present in the media has a strong impact on the activity of 7-DHC and this is because in its absence the effective concentration is rapidly decreased. Surprisingly we also demonstrate that removing sterol from cell culture triggers ferroptosis in cells unable to synthesize 7-DHC, suggestive that this could be used as a novel mechanism to trigger ferroptosis. Ultimately, in the present work we could show that unlike previously reported, 7-DHC is not only a toxic intermediate of the cholesterol biosynthesis pathway but under specific circumstances it has a strong pro-survival effect. / Der Zelltod ist ein unabdingbarer Bestandteil des Lebens, der sowohl für gesunde Entwicklung und Gewebeumbau, als auch für Krankheiten eine wichtige Rolle spielt. Es gibt viele verschiedene Arten des Zelltods, die sich in morphologischer, funktioneller und biochemischer Hinsicht unterscheiden. Regulierter Zelltod tritt im Rahmen physiologischer Prozesse auf und wird allgemein mit dem programmierten Zelltod gleichgesetzt, zu dem auch die am meisten untersuchte Apoptose gehört. Die von uns untersuchte Ferroptose ist eine Form des regulierten Zelltodes und einzigartig in ihrem Bedarf an Eisen und Lipidperoxidation. Sie ist mit zahlreichen biologischen Prozessen verknüpft, wie z.B. dem Aminosäuren- und Phospholipidstoffwechsel und der Sterolsynthese. Die Cholesterinbiosynthese ist ein komplexer Weg mit einer Vielzahl an Enzymen und Substraten, die potentielle Angriffspunkte für zelluläre Funktionsstörungen darstellen. Motiviert durch die Ergebnisse eines CRISPR-basierten genetischen Screenings haben wir uns in dieser Arbeit auf die 7-Dehydrocholesterol-Reduktase (DHCR7) konzentriert, das Enzym, das für die Umwandlung von 7-Dehydrocholesterol (7-DHC) in Cholesterol verantwortlich ist. In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf die ferroptosesensitive Zelllinie HT1080 und erstellten eine Reihe von Modellen, um die Bedeutung von DHCR7 in der Ferroptose zu untersuchen. Mittels CRISPR/Cas9 wurden HT1080 DHCR7_KO und DHCR7/SC5D_KO Zelllinien generiert und ihre Sensitivität gegenüber Ferroptose-Induktoren und ihr Sterolverbrauch validiert. Wir konnten zeigen, dass 7-DHC eine starke antiferroptotische Verbindung ist, die sowohl in genetischen Modellen als auch bei direkter Zugabe den Zelltod verhindern kann. Hervorzuheben ist, dass alle erhaltenen Ergebnisse anschließend anhand isogen rekonstituierter Paare aus den HT1080 DHCR7/SC5D_KO Zellen bestätigt wurden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass dieses protektive Mittel nicht auf eine inhärente und unspezifische Resistenz zurückzuführen ist, da die Empfindlichkeit gegenüber nicht-ferroptotischen Stimuli gleichermaßen effektiv bei der Abtötung der Zelllinien HT1080 DHCR7_KO und DHCR7/SC5D_KO war. Wir konnten auch zeigen, dass in den Zellmedien vorhandenes Selen einen starken Einfluss auf die Aktivität von 7-DHC hat, da in Abwesenheit von Selen die effektive Konzentration schnell abnimmt. Überraschenderweise konnten wir auch feststellen, dass die Entfernung von Sterolen aus dem Nährmedium Ferroptose in Zellen auslöst, die nicht in der Lage sind, 7-DHC zu synthetisieren. Dies regt dazu an, dass dieser Mechanismus zur Auslösung von Ferroptose genutzt werden könnte. Letztendlich konnten wir in der vorliegenden Arbeit darlegen, dass 7-DHC im Gegensatz zu den bisherigen Berichten nicht nur ein toxisches Zwischenprodukt der Cholesterinbiosynthese ist, sondern unter bestimmten Umständen eine starke überlebensfördernde Wirkung hat.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007

Mainz, Univ., Diss., 2000.

Technische Schwierigkeiten während der Lipidapherese beeinflussen die Fraktionatorperformance. Aus diesem Grund wurde ein Großtiermodell zur Charakterisierung neuartiger Plasmafraktionatormembranen entwickelt. Vier Schafe wurden im Rahmen einer randomisierten, kontrollierten "Cross-over"-Studie einer Doppelfiltrationsplasmapherese mit drei Varianten der neuartigen FractioPES-Membran unterzogen. Diese Varianten unterschieden sich bezüglich ihrer HDL-Siebkoeffizienten (SK) (FPESa, 0.30, FPESb, 0.26, and FPESc, 0.22). Getestet wurden diese gegen eine Kontroll-Fraktionatormembran (EVAL). Siebkoeffizienten und Reduktionsraten wurden bestimmt für LDL, HDL, Fibrinogen, IgG und Albumin. Im Vergleich zu EVAL (0.42 � 0.04 zu 0.74 � 0.08) und FPESa (0.36 � 0.06 zu 0.64 � 0.04) waren die SK für HDL niedriger (p < 0,05) von FPESc (0.30 � 0.04 to 0.49 � 0.10). Die SK für Fibrinogen waren höher mit EVAL (p < 0,05; 0.02 � 0.01 zu 0.40 � 0.08) im Vergleich zu FPESb (0.05 � 0.02 zu 0.26 � 0.34) und FPESc (0.01 � 0.01 to 0.21 � 0.16). Das Tiermodell unterschied somit die minimalen Unterschiede der Fraktionatormembranen. / Technical problems during clinical lipid apheresis interfere with fractionator performance. Therefore, a large animal model was established to characterize a new plasma fractionation membrane. Four sheep were randomized, controlled, and crossover subjected to double filtration lipoprotein apheresis with three specimens of FractioPES having slightly different HDL sieving coefficients (SK) (FPESa, 0.30, FPESb, 0.26, and FPESc, 0.22) versus a control fractionator (EVAL). SK and reduction ratios were determined for LDL, HDL, fibrinogen, IgG, and albumin. Compared to EVAL (0.42 � 0.04 to 0.74 � 0.08) and FPESa (0.36 � 0.06 to 0.64 � 0.04), SK for HDL were lower (P < 0.05) with FPESc (0.30 � 0.04 to 0.49 � 0.10). Fibrinogen SK were higher (P < 0.05) with EVAL (0.02 � 0.01 to 0.40 � 0.08) compared to FPESb (0.05 � 0.02 to 0.26 � 0.34) and FPESc (0.01 � 0.01 to 0.21 � 0.16). No further differences were determined. The animal model distinguished between minor differences in fractionation membrane permeability, demonstrating equivalent sieving of FPESa and EVAL and slightly inferior permeability of FPESb and FPESc.

University, Diss., 2009--Frankfurt (Main).

München, Techn. Univ., Diss., 2008.

München, Techn. Univ., Diss., 2002.

Neurodegenerative Erkrankungen des Menschen sind eines der Hauptfelder molekularer neurobiologischer Grundlagenforschung. Um generell molekulare, komplizierte Vorgänge in vivo untersuchen zu können, nutzt man seit geraumer Zeit Modellorganismen wie Caenorhabditis elegans oder Drosophila melanogaster. In der vorliegenden Arbeit wird die Drosophila-Neurodegenerationsmutante loe (löchrig) beschrieben, die als Modell für die Rolle des Cholesterinhaushalts im Bezug auf Neurodegeneration herangezogen werden kann. Die Fliegen dieser Mutante zeigen stark progressive, altersabhängige Degeneration von Neuronen, dabei unterlaufen diese Nervenzellen einen nekrotischenZelltod. Verantwortlich für diese Mutation ist die Insertion eines P-Elementes in einem Intron des Drosophila-g-5'-AMP-aktivierten Proteinkinase- (AMPK)-Gens. Die verschiedenen Spleißprodukte des loe Gens kodieren für die regulatorische g-Untereinheit des AMPK-Komplexes, der , aktiviert durch 5'AMP, energieintensive Prozesse negativ reguliert. Die Spleißform loeI ist durch die P-Element-Insertion betroffen, Anteile des P-Elementes werden in das loeI-Transkript hineingespleißt. Eine neuronale Expression von loeI im loe-Hintergrund führt zur Revertierung des loe-Phänotypes. Mit der Expression anderer Spleißformen kann dieser Effekt nicht erzielt werden. Das LOE I-Protein birgt in seinem N-Terminus eine Reihe möglicher Interaktionstellen mit anderen Proteinen, die den AMPK-Komplex in einen Kontext mit den Proteinen der APP (Amyloid Precursor Proteins) ?Familie stellen oder z. B. Interaktionen mit dem Cytoskelett herstellen können. Eine molekulare Interaktion mit NiPSNAP, einem Protein, dass vermutlich eine Rolle im Vesikelverkehr spielt, konnte nachgewiesen werden. Ein direktes humanes Homolog von LOE I ist nicht bekannt, wohlgleich es im Menschen drei AMPK-g-Untereinheiten gibt, von denen zwei ähnliche Funktionen übernehmen könnten wie LOE I. Die loe-Mutante interagiert genetisch mit der Mutante clb ? columbus, die einen Defekt im Gen der HMG-CoA-Reduktase trägt. Dieses Emzym ist das Schlüsselenzym der Cholesterinbiosynthese. Die Art der Interaktion belegt eine negative Regulierung der HMG-CoA-Reduktase durch die AMPK. So schwächt die clb-Mutation den neurodegenerativen loe-Phänotyp ab, eine Überexpression von clb verstärkt diesen. Eine Verminderung der Neurodegeneration kann auch mit Medikamenten erreicht werden: Statine, potente Hemmer der HMG-COA-Reduktase, reprimieren deutlich den loe-Phänotyp. In loe ist der Cholesterinester-Spiegel auf 40% abgesenkt. Eine weitere genetische Interaktion von loe konnte nachgewiesen werden: Die Mutante für das Drosophila-Homolog von APP (Appl) verstärkt den neurodegenerativen Phänotyp in loe stark, wogegen die Appl-Mutante selbst keine neurodegenerativen Defekte aufweist. Darüberhinaus zeigt die Doppelmutante Defekte, die keine der Einzelmutanten aufweist: Sterilität oder eine extrem kurze Lebensdauer von nur 3-4 Tagen. Diese Interaktion ließ sich auf molekularer Ebene charakterisieren. Die proteolytische Prozessierung von APPL durch Sekretasen ist in loe alteriert. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die loe-Mutation die b-Sekretase aus Vertebraten (BACE) und eine bisher noch nicht beschriebene endogene Sekretase aus Drosophila negativ beeiflusst werden. Ein AMPK-Komplex mit LOE I als g-Untereinheit scheint über den Cholesterinester-Spiegel die Aktivität einer speziellen Untergruppe der Sekretasen zu beeinflussen. Die Missfunktion dieser Sekretasen ist ein kritischer Punkt in der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit. Die loe-Mutation wirft neues Licht auf die bekannten Verbindungen zwischen Cholesterin-Stoffwechsel, Vesikelverkehr und Prozessierung von APP(L). Mit den großen Möglichkeiten, die die Drosophila-Genetik bietet, stellt diese neue Mutante ein weiteres Werkzeug zur Charakterisierung von Therapie-Ansätzen für die Alzheimer-Kankheit dar. Die vorliegende Arbeit belegt um ein weiteres Mal, dass Drosophila ein potentes Modellsystem zur Untersuchung humaner, neurodegenerativer Erkrankungen wie Chorea Huntington, Parkinson oder der Alzheimer Krankheit ist. / Human neurodegenerative diseases are the main topic of molecular neurobiological basic research. To investigate detailed mechanisms in vivo one uses the tool of genetic model organisms like Caenorhabditis elegans or Drosophila melanogaster for quite a long while. This thesis describes the Drosophila neurodegenration mutant löchrig (loe), which can be used as a model for cholesterol metabolism in respect to neurodegeneration. Mutant loe flies show strong and progressive age-dependent degenration of neurons undergoing necrotic cell death. The P-element inserted in an intron of the gene coding for the Drosophila 5'-AMP activated protein kinase (AMPK) complex gamma subunit is responsible for the mutation in loe. The various splice forms of the loe gene code for different regulatory gamma subunits of this complex consisiting of three subunits. The splice form loeI is affected by the P-element insertion, parts of the P-element are spliced into the loeI transkript in the loe mutant. The neuronal expression of one copy of loeI in the mutant background revertes the neurodegenerative phenotype which can not be achieved by expression of one of the other splice forms. The LOE I protein contains in its N-terminus several putative interaction motifs and domaines. These could get a LOE I-containing AMPK complex in context with the APP (amyloid precursor protein) or the cytoskeletton. An interaction with NiPSNAP ? a protein with a putative function in the vesicular transport ? has been proved molecularly. A human homolog of LOE I is not yet known, although there are three different isoforms of a AMPK gamma subunit described in humans. The loe mutant interacts genetically with the columbus (clb) mutant, wich is affected in the gene of the HMG-CoA reductase, the key enzyme in cholesterol biosynthesis. This shown interaction verifies a negative regulation of the HMG-CoA reductase by the AMPK complex in Drosophila. Thus the clb mutation supresses the loe phenotype, an overexpression of clb enhances the neurodegeneration. A supression of the neurodegenerative phenotype can be also achieved by a statin treatment of loe flies. Statins are potent inhibitors of the HMG-CoA reductase. Another genetic interaction exists between loe and the Appl mutant. Appl d, the null mutant of the Drosophila APP homolog, enhances strongly the neurogenerative phenotype of loe, whereas the Appl mutant itself shows no neuronal defects. In addition the double mutant shows defects which none of the single mutants show: sterility of females and a dramatic shortened lifespan of only 3-4 days. This interaction could be characterized on the molecular level: The proteelytic processing of APPL by sectretases is altered in the loe mutant. Both the BACE sectretase from vertebrates and an so far uncharakterized endogenous sectretase in Drosophila are negatively influenced by the loe mutation. An AMPK complex containing LOE I as the gamma subunit seems to regulate the activity of a subgroup of the sectretases via the cholesterolester level. The misfunction of secretases is a crutial point in the pathogenesis of Alzheimer's disease. The loe mutation gives new insights in the already known links between cholesterol homeostasis, vesicular transport, and processing of APP(L). Together with the exstensive tools of Drosophila genetics this new mutant will supply new possibilities to characterize putative therapies to cure Alzheimer's disease. This thesis at another time presents Drosophila as an potent model system for the research on human neurodegenerative diseases like Huntington's disease, Parkinson or Alzheimer's disease.

Ulm, Univ., Diss., 2008.