Das humane MLC1 (auch als KIAA0027 oder WKL1 benannt) ist ein 377 AS umfassendes Protein, welches vornehmlich in neuralen Geweben exprimiert wird. Aufgrund von Strukturanalysen und Homologievergleichen wurde eine Funktion als Ionenkanal mit acht Transmembrandomänen postuliert. Loss-of-function-Mutationen des MLC1-Gens lassen sich mit dem Auftreten der Megalenzephale Leukenzephalopathie mit subkortikalen Zysten korrelieren. Ferner konnte anhand einer Stammbaumanalyse gezeigt werden, dass die C1121A-Mutation in einer größeren Familie mit dem Auftreten der Periodischen Katatonie nach Leonhardt (PK) kosegregierte, wobei Folgeuntersuchungen zur Assoziation von MLC1-Mutationen und dem Auftreten der PK widersprüchliche Ergebnisse erbrachten. Zur weiteren Aufklärung der biologischen Funktion von MLC1 war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, in zwei experimentellen Ansätzen nähere Kenntnisse zum transkriptionellen Expressionsmuster von MLC1 in vivo zu gewinnen, und anschließend durch Herstellung eines polyklonalen Antikörpers gegen das humane MLC1 den Grundstein für weitergehende Untersuchungen zur funktionellen Bedeutung von MLC1 zu legen. Mittels In Situ-Hybridisierung humaner und muriner Gewebeschnitte aus Hippocampus und Cerebellum konnte gezeigt werden, dass die MLC1/Mlc1-Transkription in diesen Geweben vornehmlich in den Bergmann-Gliazellen der Purkinjezellschicht des Cerebellums sowie – in schwächerem Umfang – in verstreut liegenden und in der subgranulären Zone des Gyrus dentatus gehäuften Astrozyten des murinen Hippocampus nachweisbar war. Im zweiten Schritt der Analyse wurden humane post-mortem cDNA-Proben aus verschiedenen Gehirnregionen und zusätzlich einigen nicht-neuralen Geweben von zwei Menschen gewonnen, mittels quantitativer Real-time-PCR die Genexpression von MLC1 bestimmt und mithilfe des Expressionsniveaus von ausgewählten Housekeeping-Genen (GAPDH, L13a, β-Aktin, ARP und Cyclophilin) normalisiert. Es zeigte sich, dass in allen getesteten Hirnregionen eine deutliche MLC1-Expression festzustellen war, deren Maxima im Cerebellum und Frontalhirn und deren Minima im Putamen bzw. im nicht-neuralen Plexus chorioideus lagen. Zudem konnte eine nicht-neurale Expression auf sehr geringem Niveau für Lunge und Milz nachgewiesen werden. Zur Gewinnung eines polyklonalen Antikörpers gegen humanes MLC1 wurden mittels computergestützter Verfahren ein 117 AS langes Vakzinierungsprotein entworfen, welches immunogene Abschnitte des N-Terminus (61 AS) und C-Terminus (54 AS) enthielt. Die kodierende Sequenz wurde unter Verwendung des Impact-CN®-Expressionssystems in einen pTYB-Vektor kloniert, in ER2566-Zellen exprimiert, das Protein affinitätschromatographisch über Chitin-Säulen isoliert und aufgereinigt und mittels Bradford-Assay und SDS-Gelelektrophorese nachgewiesen. Leider konnte trotz vielfältiger Variation der Versuchsparameter kein eindeutiger Nachweis einer ausreichenden Expression des MLC1-Proteins in den ER2566-Zellen erbracht werden, die für die anschließende Vakzinierung von Kaninchen zur Gewinnung des polyklonalen Antiserums erforderlich gewesen wäre. Die Gründe hierfür sind unklar, denkbar sind beispielsweise eine suboptimale Codon-Frequenz, eine schlechte Proteinlöslichkeit, intrazelluläre mRNA-Degradation, proteolytische Abbauvorgänge oder eine Hemmung der Proteinbiosynthese durch die biologische Funktion des Proteins. Zusammenfassend konnten die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens zur MLC1-Expression leisten. Dabei entsprachen die Befunde zur humanen MLC1-Expression weitgehend den diesbezüglichen Beobachtungen zur regionalen und zellulären Expressionsstärkenverteilung aus dem Mausmodell, welche eine funktionelle Bedeutung von MLC1 im Rahmen von neuralen Schrankenstrukturen nahelegten (vgl. Schmitt et al. 2003). Mittels der zwischenzeitlich von anderen Arbeitsgruppen (über andere experimentelle Verfahren) erzeugten Antikörper gegen MLC1 konnte gezeigt werden, dass funktionelles MLC1 vermutlich als zellmembranständiges Dimer vorliegt und seine biologische Funktion u.a. durch Interaktion mit dem DGC (=Dystrophin-assoziierten Glykoprotein-Komplex) in den Caveolae ausübt. Es bleibt eine Aufgabe für die Zukunft, die genauen molekularen Mechanismen dieser Prozesse und ihre mögliche therapeutische Beeinflussbarkeit zur Behandlung der MLC zu erforschen. Auch die Frage der potenziellen extraneuralen MLC1-Expression, für die in dieser Arbeit Hinweise gefunden wurden, mag ein interessanter Ansatzpunkt für zukünftige Forschungsarbeiten sein. / Studies on the expression of megalencephalic leukoencephalopathy with subcortical cysts 1 (MLC1/Mlc1) in human and murine tissues

Damage to cardiac contractile proteins such as myosin light chain 1 (MLC1), during oxidative stress is mediated by reactive oxygen species such as peroxynitrite (ONOO-), resulting in impairment of cardiac systolic function. The purpose of this study is to investigate the effects of the increased level of ONOO- on MLC1 degradation by the proteolytic enzyme matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) during oxidative stress which ultimately decreases cardiac function.<p> In the present study two distinct models were utilized to demonstrate the mechanism by which MLC1 is modified by ONOO- and how these post-translational modifications lead to its increased degradation by MMP-2. In a model of newborn hypoxia-reoxygenation in piglets we demonstrated that ONOO--induced nitration and nitrosylation of tyrosine and cysteine residues of MLC1 increase its degradation by MMP-2. Furthermore, we found nitration of a tyrosine residue located adjacent to the cleavage site for MMP-2. We verified these results by using a model of isolated rat heart myocytes to determine that the same mechanism responsible for cardiac dysfunction in newborn piglets occurs in isolated myocytes and that the MMP-2 involved in degradation of MLC1 is located within the myocytes. Moreover, we were able to determine that this mechanism occurs during ischemia itself before the onset of reperfusion. Furthermore, we have found that pharmacological intervention aimed at inhibition of MLC1 nitration/nitrosylation during ischemia by the ONOO- scavenger FeTPPS (5,10,15,20-tetrakis-[4-sulfonatophenyl]-porphyrinato-iron[III]), or inhition of MMP-2 activity with phenanthroline, provides an effective protection of cardiomyocyte contractility. The work presented here provides new evidence on the mechanisms of regulation of contractile proteins during the development of contractile dysfunction.

La Leucoencefalopatia Megalencefàlica amb quists subcorticals (MLC) és un tipus de leucodistròfia espongiforme d'herència autosòmica recessiva. Està considerada una malaltia rara que es caracteritza per macrocefàlia els primers anys de vida, deteriorament de les funcions motores, atàxia i espasticitat, lleuger retràs mental i en alguns casos atacs epilèptics. El diagnòstic es fa per ressonància magnètica d'imatge ja que els pacients presenten la substància blanca anormalment difusa i quists subcorticals a la regió anterio-temporal i fronto-parietal. Es va descriure el primer gen causant de la malaltia, MLC1 mapat al cromosoma 22qtel, del qual s'han descrit més de 60 mutacions diferents. Però existeix un 20% dels pacients de MLC que no presenten mutacions en aquest gen, suggerint més d'un gen implicat a la malaltia. En l'actualitat encara no es coneix la funció de la proteïna MLC1. L'expressió de MLC1 és bàsicament en el sistema nerviós en ratolí, a astròcits i neurones. En la present tesi s'han generat tres anticossos contra la proteïna humana MLC1 per tal de caracteritzar l'expressió i localització de MLC1 en humans. MLC1 s'expressa a sistema nerviós central i perifèric en adult, principalment a astròcits perivasculars i concretament en la membrana en contacte entre els astròcits, amb petites diferències en l'etapa fetal on és predominantment expressió neuronal. Trobem una sobreexpressió de MLC1 en la zona de penombra en condicions d'infart cerebral. S'ha desenvolupat dos models cel·lulars per estudiar la fisiopatologia de MLC1. En el model primari d'astròcits, MLC1 es localitza als processos astrocitaris entre astròcits en unions complexes, formades per proteïnes d'unions tight, gap i adherents, colocalitzant i co¬immunoprecipitant amb ZO-1 i GlialCAM. La seva localització depèn dels microfilaments d'actina. En el model primari de neurones, MLC1 està localitzat al tracte axonal. L'estudi de les mutacions de MLC1 en el model astrocitari provoquen un defecte de plegament amb la retenció de la proteïna a reticle endoplasmàtic, sense poder arribar a membrana. MLC1 s'expressa a monòcits de sang perifèrica, una nova eina pel diagnòstic dels pacients. L'estudi de pacients de MLC amb diferents mutacions revelen una manca total de la proteïna MLC1. El model astrocitari knock-down de MLC1, utilitzant la tecnologia de RNA d'interferència i adenovirus, presenta canvis morfològics en els astròcits. La manca de MLC1 provoca una reducció de la mida cel·lular i l'aparició de vacuoles intracel·lulars. La seva expressió i localització es veu alterada per condicions hipoosmòtiques del medi. La sobreexpressió de MLC1 provoca un augment en la permeabilitat de l'aigua en els astròcits i una disminució de la capacitat de recuperar el volum cel·lular RVD (regulatory colume decrese) en condicions hipoosmòtiques, i en condicions fisiològiques, produeix una major sortida d'aspartat dels astròcits degut a l'activació dels VRACs (volume.regulated anion channels). La nostre hipòtesi és que MLC1 podria actuar com un canal d'aigua, un canal/transporador de Cl-o K+, o un VRAC. / Megalencephalic leukoencephalopathy with subcortical cysts (MLC) is a type of spongiform leukodystrophy with an autosomal recessive inheritance. It is considered a rare disease characterized by early life macrocephaly, impaired motor functions, ataxia and spasticity, slight mental delay and some cases of seizures. Magnetic resonance imaging is used as diagnostic of patients and shows abnormally diffuse white matter and subcortical cysts in the anterio-temporal and fronto-parietal regions. We describe the first gene causing the disease; MLC1 is mapped to chromosome 22qtel, which have been described more than 60 different mutations. But there is 20% of MLC patients who have no mutations in this gene, suggesting more than one gene involved in disease. The function of MLC1 protein is unknown. The expression of MLC1 is basically in the nervous system in mice, in neurons and astrocytes. In this thesis, we have generated three antibodies against MLC1 human protein to characterize the expression and localization of human MLC1. MLC1 is expressed in central and peripheral nervous system in adults, mainly in perivasculars astrocytes and specifically in the membrane contact between cells, with small differences in the fetal stage where it is predominantly neuronal expression. We found an overexpression of MLC1 in the penumbra zone of a cerebral stroke. We have developed two cell models to study the pathophysiology of MLC1. In the primary astrocytes model, MLC1 is localized in the astrocytic processes between astrocytes, in a complex junctions formed by proteins of tight, gap and adherent junctions, interacting with ZO-1 and GlialCAM. Its location depends on the actin microfilaments. In the model of primary neurons, MLC1 is located in axonal tracts. In the astrocytes model, mutations in MLC1 cause protein folding defects and an endoplasmic reticulum retention, unable to reach membrane. MLC1 is expressed in peripheral blood monocytes, a tool for the diagnosis of patients. Studies of different MLC1 mutations in patients with MLC reveal a total lack of MLC1 protein. The astrocyte knock-down model of MLC1, using RNA interference and adenovirus technology, produces cell morphological changes. The lack of MLC1 causes a reduction in cell size and the appearance of intracellular vacuoles. The expression and localization is altered by hypoosmotical extracellular conditions. In this conditions, the overexpression of MLC1 causes an increase in the permeability of water in astrocytes and a reduced ability to recover the cellular volume RVD (regulatory volume decrease), and under physiological conditions, it triggers a greater efflux of aspartate due to the activation of VRACs (volume-regulated anions channels). Our hypothesis is that MLC1 could act as a water channel, a channel or transporter of Cl-or K+, or a VRAC.

Damage to cardiac contractile proteins such as myosin light chain 1 (MLC1), during oxidative stress is mediated by reactive oxygen species such as peroxynitrite (ONOO-), resulting in impairment of cardiac systolic function. The purpose of this study is to investigate the effects of the increased level of ONOO- on MLC1 degradation by the proteolytic enzyme matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) during oxidative stress which ultimately decreases cardiac function.<p> In the present study two distinct models were utilized to demonstrate the mechanism by which MLC1 is modified by ONOO- and how these post-translational modifications lead to its increased degradation by MMP-2. In a model of newborn hypoxia-reoxygenation in piglets we demonstrated that ONOO--induced nitration and nitrosylation of tyrosine and cysteine residues of MLC1 increase its degradation by MMP-2. Furthermore, we found nitration of a tyrosine residue located adjacent to the cleavage site for MMP-2. We verified these results by using a model of isolated rat heart myocytes to determine that the same mechanism responsible for cardiac dysfunction in newborn piglets occurs in isolated myocytes and that the MMP-2 involved in degradation of MLC1 is located within the myocytes. Moreover, we were able to determine that this mechanism occurs during ischemia itself before the onset of reperfusion. Furthermore, we have found that pharmacological intervention aimed at inhibition of MLC1 nitration/nitrosylation during ischemia by the ONOO- scavenger FeTPPS (5,10,15,20-tetrakis-[4-sulfonatophenyl]-porphyrinato-iron[III]), or inhition of MMP-2 activity with phenanthroline, provides an effective protection of cardiomyocyte contractility. The work presented here provides new evidence on the mechanisms of regulation of contractile proteins during the development of contractile dysfunction.

Die periodische Katatonie ist ein reliabel diagnostizierbarer Subtyp der unsystematischen Schizophrenien nach K. Leonhard. Das Morbiditätsrisiko für Verwandte ersten Grades von 25% weist auf einen Hauptgendefekt hin. In durchgeführten genomweiten Linkagestudien und Haplotypanalysen ist ein Hauptlokus auf Chromosom 15 und ein möglicher zweiter Lokus auf Chromosom 22 entdeckt worden.Im telomeren Bereich von Chromosom 22q standen unter den Kandidatengenen u.a. MLC1 und CERK1. Diese Gene sind systematisch auf ihren Zusammenhang mit dem Phänotyp der periodischen Katatonie untersucht worden. / Schizophrenia is a severe disorder, characterized by delusional beliefs, hallucinations, disordered speech and deficits in emotional and social behavior. Periodic catatonia is a familiar subtype of schizophrenia defined by Leonhard.It segregates within families in an autosomal dominant mode of transmission with a cumultative morbidity risk of 25% for first degree relatives. There is a major susceptibility locus mapped to chromosome 15 and a second suggestive locus mapped to chromosome 22 found in two independent linkage scans. Two positional brain expressed canditate genes known as MLC1 and CERK1 in this region are screened for variants.