Adenosine is a ubiquitous metabolite with multiple physiological functions in organisms. In this thesis, I studied the effect of extracellular adenosine on Huntington´s disease (HD) model Drosophila melanogaster. I show that extracellular Adenosine signaling mitigates HD pathology by observing three main types of symptoms of the disease in Drosophila. The results suggest that the mechanism involves Drosophila melanogaster adenosine receptor signaling.

Die Huntington''sche Krankheit (Huntington''s disease, HD) ist eine tödliche neurodegenerative Erkrankung mit einem extensiven Verlust von Neuronen im Striatum. Die Ursache für HD ist eine genetische Mutation, bei der eine CAG-Wiederholungssequenz verlängert wird. Im resultierenden Protein, das Huntingtin (htt) genannt wurde, diese Mutation führt zur Missfaltung und Aggregation von htt. Ich habe untersucht ob die Bildung von htt-Aggregaten die Transkription von Genen dass sie von HD-assoziierten Transkriptionsfaktoren kontrolliert werden, verändert. Zur Untersuchung der Transkription wurden die zu untersuchenden Gene auf cDNA-Mikroarrays aufgebracht und mit RNA, welche aus den Zellen nach der Induktion der Expression des mutierten htt gewonnen wurde, hybridisiert. Es wurden keine systematischen Veränderungen innerhalb der durch spezifische Transkriptionsfaktoren regulierten Gengruppen gefunden. Ich habe auch mehrere mathematische Modelle erstellt, welche die htt-Aggregation und den Zelltod beschreiben. Die Ergebnisse zeigten, dass eine transiente Dynamik im System und die nicht-monotone Reaktion auf Parameteränderungen zu den nicht-intuitiven Ergebnissen bei Behandlungsansätzen, welche die htt-Aggregation beeinflussen, führen könnten. Für den Fall, dass Aggregate die toxische Form von htt sind, zeigten die numerischen Simulationen dass das Einsetzen der Aggregation, welches durch ein Überschießen der Aggregatkonzentration gekennzeichnet ist, am ehesten zum Zelltod führt. Dieses Phänomen wurde "one-shot"-Modell genannt. Es gibt, auch bei HD-Patienten mit gleicher Länge der CAG-Wiederholungssequenz, eine große Varianz des Alters bei Krankheitsausbruch (age of onset, AO). Ich habe ein stochastisches Modell für den neuronalen Zelltod im Striatum entwickelt. Das Modell zeigte, dass ein signifikanter Anteil der nicht erklärbaren Varianz des AO der intrinsischen Dynamik der Neurodegeneration zugeschrieben werden kann. / Huntington''s disease (HD) is a fatal neurodegenerative disorder characterized by a progressive neuronal loss in the striatum of HD patients. HD is caused by a CAG repeat expansion which translates into a polyglutamine stretch at the N-terminus of the huntingtin protein (htt). The polyQ stretch induces misfolding, cleavage and aggregation of htt. To test the hypothesis that the sequestration of transcription factors into the htt aggregates causes transcriptional changes observed in HD models, I compiled lists of genes controlled by the transcription factors associated with HD. These genes were spotted on cDNA microarrays that were later hybridized with RNA extracted from cells expressing a mutant htt fragment. In this study, no systematic changes related to a specific transcription factors were observed. Formation and the accumulation of htt aggregates causes neurotoxicity in different HD model systems. To investigate the consequences of therapeutic strategies targeting aggregation, I derived several mathematical models describing htt aggregation and cell death. The results showed that transient dynamics and the non-monotonic response of cell survival to a change of parameter might lead to the non-intuitive outcome of a treatment that targets htt aggregation. Also, the numerical simulations show that if aggregates are toxic, the onset of aggregation, marked by the overshoot in the concentration of aggregates, is the event most likely to kill the cell. This phenomenon was termed a one-shot model. The principal cause of the variability of the age at onset (AO) is the length of the CAG repeat. Still, there is a great variance in the AO even for the same CAG repeat length. To study the variability of the AO, I developed a stochastic model for clustered neuronal death in the HD striatum. The model showed that a significant part of the unexplained variance can be attributed to the intrinsic stochastic dynamics of neurodegeneration.

Huntington’s Disease (HD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die sich durch motorische, kognitive sowie psychiatrische Beeinträchtigungen auszeichnet. Die Verlängerung eines Polyglutamin (polyQ)-Abschnittes im Protein Huntingtin (Htt) über 37 Qs hinaus bedingt die Aggregation des mutierten Proteins (mHtt) und dessen Ablagerung in neuronalen Einschlüssen. Als potenzieller Modulator der polyQ-abhängigen mHtt Aggregation und Toxizität wurde der Q-reiche Transkriptionstransaktivator SS18L1 in silico identifiziert. Rekombinantes Volllängen-SS18L1 sowie die beiden verkürzten Fragmente SS18L1_NM und SS18L1_C weisen in wässriger Lösung einen hohen Anteil an Random-Coil-Strukturen auf und bilden Oligomere. Alle SS18L1-Proteine verzögern dosisabhängig die spontane Aggregation eines Htt Exon 1 Fragmentes mit 49 Glutaminen (Ex1Q49). Dabei wird die Entstehung SDS-stabiler Ex1Q49 Aggregate durch die Stabilisierung von Ex1Q49 Mono- und Oligomeren gebremst. In HEK293 Zellen verringern rekombinante SS18L1-Proteine sowohl die Anzahl der SDS-unlöslichen Ex1Q49-Aggregate als auch die mHtt-vermittelte Zytotoxizität. Auch hierbei scheint eine Stabilisierung früher Aggregatspezies, wahrscheinlich durch die Interaktion der SS18L1-Proteine mit dem jeweiligen mHtt Fragment, eine wesentliche Rolle zu spielen. Entsprechende Interaktionen konnten mittels LUMIER-Studien und konfokaler Mikroskopie nachgewiesen werden. Humanes, exogenes SS18L1 unterdrückt die polyQ-bedingte Aggregation in einem C. elegans-Modell für HD und in transgenen R6/2 HD-Mäusen sind die Mengen an endogenem SS18L1 im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen verändert. Beides weist darauf hin, dass SS18L1 auch in vivo von Relevanz sein könnte. Dafür spricht zudem, dass murines SS18L1 in Gehirnen von R6/2-Mäusen mit neuronalen mHtt-Aggregaten co-lokalisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten einen Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Therapieansätze und die weitere Erforschung der HD Pathologie darstellen. / Huntington’s Disease (HD) is a neurodegenerative disease, which is characterised by motor, cognitive and psychiatric disturbances. The abnormal extension of an N-terminal polyQ tract in the protein huntingtin (Htt) results in aggregation of the mutant protein (mHtt) and the deposition of neuronal inclusions. The Q-rich transcriptional transactivator SS18L1 was identified in silico as a potential modulator of polyQ-mediated mHtt aggregation and toxicity. Recombinant full-length SS18L1 and the truncated fragments SS18L1_NM and SS18L1_C have a high random-coil content and form oligomeric structures in aqueous solutions. In addition, all three proteins delay the spontaneous aggregation of an Htt exon 1 fragment with a stretch of 49 glutamines (Ex1Q49). The formation of SDS-resistant Ex1Q49 aggregates is postponed in a concentration-dependent manner as monomers and oligomers, appearing early in the amyloid formation cascade, are stabilised. In mammalian cells recombinant SS18L1 proteins reduce both the number of SDS-stable Ex1Q49 aggregates and mHtt-induced cytotoxicity. These effects are likely due to the stabilisation of early aggregation intermediates, which could result from interactions of the SS18L1 proteins with the respective mutant Htt exon 1 fragment. Such interactions have been demonstrated employing a LUMIER assay and confocal microscopy. Exogenous human SS18L1 suppresses polyQ-mediated aggregation in a C. elegans model of HD and levels of endogenous SS18L1 are altered in transgenic R6/2 HD mice compared to wild type mice. As a consequence, SS18L1 might be of relevance in vivo. This is also supported by the finding that murine SS18L1 interacts with mHtt inclusions in R6/2 mice. The results of this study could provide a basis for the development of a therapeutical strategy or for the further elucidation of HD pathology.

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Spermine (SPM) is an aliphatic amine which contains four nucleophilic centers and is found in all eukaryotic cells, including nervous cells. It belongs to the group of polyamines, which are molecules associated with both neuroprotection and neurotoxicity. The aim of this study was to investigate the effects of spermine on some parameters of toxicity induced by striatal administration of quinolinic acid (QA), an experimental model of Huntington s disease in adult and male Wistar rats. The intrastriatal administration of QA (180 nmol/site) induced contralateral rotations and increase the number of contralateral body swings. The previous striatal administration of SPM caused mixed effects: at the dose of 0.1 nmol/site increased the number of contralateral rotations; but at 10 nmol/site it reduced both the number of rotations and the contralateral body swings induced by QA. The mechanism by which SPM decreases these motor alterations is probably through its interaction with the NMDA receptor, since the co-administration with arcaine (antagonist of polyamine binding sites on this receptor) reversed its protective effect. The increase of protein carbonyl content induced by QA (180 nmol/site) in striatum of rats was prevented by the administration of 10 nmol/site of SPM. Besides, the bilateral striatal injection of QA (180 nmol/site) impaired the performance in the recognition memory task. The post-training striatal administration of SPM (0.1 and 1 nmol/site) reversed the QA-induced cognitive deficit. It was also evaluated whether spermine prevented QA-induced neuromorphological alterations. QA caused striatal neuronal degeneration and reactive astrogliosis. SPM, at the dose that improved the cognitive performance (0.1 nmol/site), had no effect on striatal neuronal degeneration but reversed the intense astrocytic reaction induced by QA. These results suggest that SPM has neuroprotective properties, presenting a dose dependent pattern of polyamine, in this experimental model of Huntington disease. / A espermina (SPM) é uma amina alifática, contendo quatro centros nucleofílicos e é encontrada em todas as células eucarióticas, incluindo células nervosas. Ela pertence ao grupo das poliaminas, moléculas responsáveis tanto por efeitos neuroprotetores quanto neurotóxicos. O objetivo do presente trabalho foi investigar os efeitos da SPM sobre alguns parâmetros de toxicidade induzidos pela administração estriatal de ácido quinolínico (AQ), um modelo experimental da doença de Huntington em ratos Wistar machos adultos. A administração intraestriatal unilateral de AQ (180 nmol/sítio) induziu o aparecimento de rotações contralaterais e aumento do percentual de balanços corporais contralaterais. A prévia administração estriatal de SPM mostrou efeitos diversos: na dose de 0,1 nmol/sítio aumentou o número de rotações; porém na dose de 10 nmol/sítio ela diminuiu tanto o número de rotações quanto o percentual de balanços corporais contralaterais induzidos pelo AQ. O mecanismo pelo qual a SPM diminui estas alterações motoras é, provavelmente, devido à sua interação com o receptor NMDA, uma vez que sua co-administração com a arcaína (antagonista do sítio das poliaminas neste receptor) reverteu o efeito protetor da mesma. A administração de 10 nmol/sítio de SPM preveniu o aumento do conteúdo de proteína carbonil induzida pela injeção de AQ (180 nmol/sítio) no estriado de ratos. Além disso, foi observado prejuízo cognitivo na tarefa de reconhecimento de objetos após a injeção estriatal bilateral de AQ (180 nmol/sítio). A administração estriatal póstreino de SPM (0,1 e 1 nmol/sítio) reverteu este déficit cognitivo induzido pelo AQ. Para avaliação das alterações neuromorfológicas neste modelo foram observadas degeneração neuronal e reação astrocitária. O AQ aumentou significativamente a degeneração de neurônios estriatais e a astrogliose reativa. A SPM, na menor dose que melhorou o desempenho cognitivo (0,1 nmol/sítio), não teve efeito sobre a degeneração neuronal estriatal; no entanto, ela foi capaz de reverter a intensa reação astrocitária induzida pela injeção de AQ. Estes resultados sugerem que a SPM tem propriedades neuroprotetoras, que apresentam um padrão dependente da dose da poliamina, neste modelo experimental da doença de Huntington.

EcoP15I ist ein Vertreter der multifunktionalen, heterooligomeren Typ III Restriktionsendonukleasen. Typ III Restriktionsendonukleasen sind wegen der Lage ihres Spaltortes, ca. 25 bp vom Erkennungsort entfernt, von besonderem Interesse für Anwendungen in der Medizin und funktionellen Genomanalyse. EcoP15I erkennt die DNA-Sequenz 5''-CAGCAG und benötigt für eine effektive DNA-Spaltung zwei invers orientierte Erkennungsorte auf einem DNA-Molekül. Nach dem bisherigen DNA-Translokations-Modell bindet je ein EcoP15I-Protein an je einen Erkennungsort und startet dann durch ATP-Hydrolyse vermittelte DNA-Translokation. Die Kollision der beiden EcoP15I-DNA-Komplexe initiiert die DNA-Doppelstrang-Spaltung. Experimente zur Erkennungsort-Suche von EcoP15I zeigen, dass über längere Distanzen offenbar nicht das "Sliding", sondern ein dreidimensionaler Prozess die bevorzugte Bewegung von EcoP15I an der DNA ist. Eine erhöhte Anzahl von Wiederholungen von CAG-Trinukleotiden (CAG-Repeats) im Exon 1 des Gens für Chorea Huntington (Huntington Disease - HD) führt zur Manifestation dieser neurodegenerativen Erkrankung. Für die Diagnostik der Erkrankung ist die exakte Bestimmung der Anzahl der CAG-Repeats von Bedeutung. Diese Arbeit zeigt die Spaltung von HD Gen Exon 1 DNA durch EcoP15I. Die halbautomatische, hoch-sensitive Analyse dieses Spaltmusters ermöglicht die exakte Bestimmung der Anzahl der CAG-Repeats. Diese Arbeit liefert den ersten Nachweis für die DNA-Translokation durch eine Typ III-Restriktionsendonuklease. Die postulierten EcoP15I-DNA-Schlaufen wurden mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (SFM) abgebildet. Dadurch wird das DNA-Translokations-Modell der DNA-Spaltung durch EcoP15I bestätigt. Es werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede des gesamten DNA-Spaltvorganges der Typ III Restriktionsendonuklease EcoP15I in bezug auf andere Restriktionsendonukleasen diskutiert. / EcoP15I is a multifunctional, hetero-oligomeric Type III restriction enzyme. Type III restriction enzymes are of general interest in medicine and functional genome analysis because they cut DNA 25 bp downstream of their recognition site. EcoP15I recognises the DNA sequence 5`-CAGCAG and needs two inverse oriented recognition sites for effective DNA cleavage. According to the present translocation collision model DNA cleavage was proposed to result from ATP dependent DNA translocation, which is expected to induce DNA loop formation, and collision of two enzyme-DNA complexes. Experiments show that EcoP15 moves rather in a three-dimensional than in a "sliding" process in search for its recognition site. Huntington''s disease (HD) is a progressive neurodegenerative disorder with autosomal-dominant inheritance. The disease is caused by a CAG trinucleotide repeat expansion located in the first exon of the HD gene. To diagnose the illness the exact determination of the number of CAG repeats is necessary. This study shows that the number of CAG repeats in the HD gene can be determined by restriction of the DNA with the endonuclease EcoP15I and subsequent high-resolution analysis of the restriction fragment pattern using the ALFexpress DNA Analysis System. Here, for the first time DNA translocation by the Type III restriction enzyme EcoP15I is demonstrated. The postulated EcoP15-DNA loops are visualised using scanning force microscopy. This confirms the translocation-collision model for DNA cleavage by EcoP15. Similarities and differences between the DNA cleavage processes of the Type III restriction enzyme EcoP15I and other restriction enzymes are discussed.

Die Erkrankung Huntington s Chorea ist eine autosomal dominant vererbte Erkrankung, die gewöhnlich im mittleren Lebensabschnitt beginnt und unausweichlich zum Tode führt. In unserem Bestreben, Proteine zu identifizieren, welche an Prozessen "Upstream" oder "Downstream" des krankheitsverursachenden Proteins Huntingtin beteiligt sind, wurde das Proteom eines sehr gut etablierten Mausmodells mit Hilfe der Großgel 2D-Elektrophorese untersucht. Es konnte zum ersten Mal auf Proteinebene nachweisen werden, dass die Expression von zwei Serinproteasehemmern, alpha1-Antitrypsin und Contraspin und darüber hinaus eines Chaperons, alphaB-Kristallin, im Verlauf der Erkrankung abnimmt. Reduzierte Expression von alpha1-Antitrypsin und Contraspin konnte in Gehirn, Leber, Herz und Testes nahe dem Endstadium der Erkrankung nachgewiesen werden. Hier ist es wichtig festzustellen, dass die Expressionsabnahme von alpha1-Antitrypsin im Gehirn der Abnahme in der Leber im Herzen und in den Testes vorangeht. Eine verminderte Expression des Chaperons alphaB-Kristallin wurde nur im Gehirn gefunden. Für ein weiteres Protein, das Major Urinary Protein, wurde eine verminderte Expression in der Leber und im Urin von betroffenen Mäusen festgestellt. Damit konnte demonstriert werden, dass die Erkrankung auf Proteinebene auch ein Protein, das im Gehirn von transgenen Mäusen nicht vorkommt, beeinflusst. Bei Untersuchungen am Menschen wurde in drei Gehirnregionen von Postmortem-Gehirnen von Huntington s Chorea Patienten eine veränderte Expression von alpha1-Antitrypsin festgestellt. Wenn gewährleistet werden kann, dass die Konzentration von alpha1-Antitrypsin und alphaB-Kristallin während Huntington s Chorea im Gewebe nicht absinkt, könnte dies vielleicht neuronalen Zelltod verhindern und somit bei der Verzögerung des Krankheitsverlaufs nutzbringend eingesetzt werden. / Huntington disease is an autosomal dominantly inherited disease that usually starts in midlife and inevitably leads to death. In an effort to identify proteins involved in processes upstream or downstream of the disease causing huntingtin, the proteome of a well-established mouse model was studied by large-gel 2D electrophoresis. It could be demonstrated for the first time at the protein level that two serin protease inhibitors, alpha1-antitrypsin and contraspin and the chaperone alphaB-crystallin decrease in expression over the course of disease. Importantly, the alpha1-antitrypsin decrease in the brain precedes that in liver, heart and testes in mice. Reduced expression of alpha1-antitrypsin and contraspin could be detected in the brain, liver heart and testes close to terminal disease. Decreased expression of the chaperone alphaB-crystallin was found exclusively in the brain. Reduced expression of the liver specific major urinary proteins not found in the brain, was seen in affected mice, demonstrating that the disease exerts its influence on a protein not present in the brain of transgenic mice at the protein level. When investigating three human brain regions obtained post-mortem from Huntington s disease patients, alpha1-antitrypsin expression was also altered. Maintaining alpha1-antitrypsin and alphaB-crystallin availability during the course of Huntington s disease might prevent neuronal cell death and therefore could be useful in delaying the disease progression.