Regensburg, Univ., Diss., 2009.

There is substantial interest in the identification of genes underlying susceptibility to complex human diseases because of the potential utility of such genes in disease prediction and therapy. The complex age-related macular degeneration (AMD) is a prevalent cause of legal blindness in industrialized countries and predominantly affects the elderly population over 75 years of age. Although vision loss in AMD results from photoreceptor cell death in the central retina, the initial pathogenesis likely involves processes in the retinal pigment epithelium (RPE) (Liang and Godley, 2003). The goal of the current study was to identify and characterize genes specifically or abundantly expressed in the RPE in order to determine more comprehensively the transcriptome of the RPE. In addition, our aim was to assess the role of these genes in AMD pathogenesis. Towards this end, a bovine cDNA library enriched for RPE transcripts was constructed in-house using a PCR-based suppression subtractive hybridization (SSH) technique (Diatchenko et al., 1996, 1999), which normalizes for sequence abundance and achieves high enrichment for differentially expressed genes. CAP3 (Huang and Madan, 1999) was used to assemble the high quality sequences of all the 2379 ESTs into clusters or singletons. 1.2% of the 2379 RPE-ESTs contains vector sequences and was excluded from further analysis. 5% of the RPE-ESTs showed homology to multipe chromosomes and were not included in further assembly process. The rest of the ESTs (2245) were assembled into 175 contigs and 509 singletons, which revealed approximately 684 unique genes in the dataset. Out of the 684, 343 bovine RPE transcripts did not align to their human orthologues. A large fraction of clones were shown to include a considerable 3´untranslated regions of the gene that are not conserved between bovine and human. It is the coding regions that can be conserved between bovine and human and not the 3’ UTR (Sharma et al., 2002). Therefore, more sequencing from the cDNA library with reclustering of those 343 ESTs together with continuous blasting might reveal their human orthologoues. To handle the large volume of data that the RPE cDNA library project has generated a highly efficient and user-friendly RDBMS was designed. Using RDBMS data storage can be managed efficiently and flexibly. The RDBMS allows displaying the results in query-based form and report format with additional annotations, links and search functions. Out of the 341 known and predicted genes identified in this study, 2 were further analyzed. The RPE or/and retina specificity of these two clones were further confirmed by RT-PCR analysis in adult human tissues. Construction of a single nucleotide polymphism (SNP) map was initiated as a first step in future case/control association studies. SNP genotyping was carried out for one of these two clones (RPE01-D2, now known as RDH12). 12 SNPs were identified from direct sequencing of the 23.4-kb region, of which 5 are of high frequency. In a next step, comparison of allele frequencies between AMD patients and healthy controls is required. Completion of the expression analysis for other predicted genes identified during this study is in progress using real time RT-PCR and will provide additional candidate genes for further analyses. This study is expected to contribute to our understanding of the genetic basis of RPE function and to clarify the role of the RPE-expressed genes in the predisposition to AMD. It may also help reveal the mechanisms and pathways that are involved in the development of AMD or other retinal dystrophies. / Es besteht ein grosses medizinisches Interesse an der Identifizierung von Genen, welche an der Entstehung komplexer, häufiger Krankheiten des Menschen beteiligt sind. Eine solche Krankheit ist die alters-korrelierte Makuladegeneration (AMD). Die AMD ist eine der häufigsten Ursachen für den Verlust der Sehfähigkeit im Alter von über 75 Jahren. Obwohl die Erblindung bei der AMD letztlich durch das Absterben von Photorezeptor-Zellen in der zentralen Retina bedingt wird, gibt es genügend Hinweise dafür, dass die Pathogenese der AMD ihren Ausgang vom retinalen Pigmentepithel (RPE) nimmt (Liang and Godley, 2003). Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung und Charakterisierung von RPE-spezifischen Genen als Beitrag zur umfassenden Charakterisierung des RPE-Transkriptoms. Darüberhinaus war es Ziel der Arbeit, die mögliche Rolle der RPE-spezifischen Gene bei der Entstehung der AMD zu explorieren. Ausgangspunkt der Arbeit war eine RPE-spezifische, bovine cDNA Bibliothek, welche in der Arbeitsgruppe auf der Grundlage der SSH-Technik (Diatchenko et al, 1996, 1999) hergestellt worden war. Die SSH-Technik gestattet die Anreicherung von differentiell exprimierten Genen bei gleichzeitiger Normalisierung redundanter Sequenzen. Mit Hilfe des Software-Programms CAP3 (Huang and Madan, 1999) wurden insgesamt 2379 ESTs gruppiert und geordnet. 1,2% der 2379 RPE-ESTs enthielten Vektor Sequenzen und wurden daher von der weiteren Analyse ausgeschlossen. 5% der RPE-ESTs wiesen Homologien zu multiplen Chromosomen auf und wurden daher ebenfalls von der weiteren Analyse ausgeschlossen. Die übrigen 2245 ESTs wurden in 175 Contigs und 509 Singletons gruppiert, woraus sich Hinweise auf insgesamt 684 putative Einzelgene ergaben. 343 dieser 684 Klone zeigten jedoch keine Homologien zu humanen orthologen Sequenzen. Ursache für die fehlende Homologie muss in der grossen Zahl der Klone gesehen werden, bei welchen nur die 3´untranslatierten verglichen wurden. Im Gegensatz zu den kodierenden Sequenzabschnitten kommt es in den nicht-kodierenden Regionen in der Regel zu einer relativ raschen evolutionären Divergenz und damit zum Verlust der Homologie (Sharma et al, 2002). Durch zusätzliche Sequenzierung und Sequenzvergleiche der kodierenden Bereiche dieser 343 Klone lassen sich möglicherweise weitere RPE-spezifische Gene finden. Um die grosse Anzahl der im Rahmen des RPE-Projektes generierten Daten bearbeiten zu können wurde eine sehr effiziente und Benutzer-freundliche Datenbank auf Grundlage des RDBMS-Moduls etabliert. Dieses System gestattet die interaktive Bearbeitung der gespeicherten Daten im Query-Format. Darüberhinaus können die Daten in beliebiger Weise annotiert und verbunden werden. Nach Abzug der 343 nicht-homologen cDNA Klone von den 684 putativen Einzelsequenzen verblieben 341 Kandidaten-Sequenzen. 2 dieser Sequenzen wurden als putative neue RPE-spezifische Gene einer weiteren Analyse zugeführt. Dabei wurde zunächst die RPE- bzw. Retina-Spezifität dieser Kandidaten-Sequenzen mit Hilfe der RT-PCR Analyse bestätigt. Als Basis für zukünftige Fall-Kontroll- und Assoziationsstudien wurde eine SNP-Genotypisierung eines dieser zwei Klone (ursprüngliche Bezeichnung: RPE01-D2; derzeitige Bezeichnung: RDH12) durchgeführt. Die direkte Sequenzanalyse umfasste 23.4 kb und ergab insgesamt 12 SNPs, von denen sich 5 als hoch-informativ erwiesen. Auf dieser Grundlage können zukünftig Allel-Frequenzen zwischen Kontrollpersonen und AMD-Patienten ermittelt und verglichen werden. Zukünftig werden darüberhinaus real-time PCR Methoden zur Expressionsanalyse der verbliebenen Kandidaten-Klone eingesetzt. Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum Verständnis der genetischen Grundlagen der RPE-Funktionen und trägt zur Aufklärung der Rolle von RPE-spezifischen Genen bei der Disposition zur AMD bei. Zusätzlich ergaben sich Hinweise auf Kandidatengene, welche möglicherweise in der Pathogenese der AMD eine Rolle spielen.

Age related macular degeneration (AMD) is the leading cause of visual impairment in the elderly and the major cause of blindness in the developed world. To date, the molecular mechanisms underlying the disease are not well understood although in recent years a primary involvement of the retinal pigment epithelium (RPE) has become evident. The aim of the present study is to systematically analyse genes which are differentially expressed in the RPE, and to assess their possible association with mechanisms and pathways likely to be related to retinal disease, in particular AMD. Towards this goal, 2379 expressed sequence tags (ESTs) were established from an inhouse generated RPE cDNA library. This library was constructed by using the suppression subtraction hybridization (SSH) technique which normalises redundant sequences and ensures enrichment of rare transcripts. In a first phase, 1002 ESTs were sequenced and subjected to comprehensive alignment with public nucleotide and protein databases. A search of the 1002 ESTs against the human genome draft sequence yielded 168 known genes, 51 predicted genes, 15 unknown transcripts and 41 clones with no significant similarity. Reverse Northern blot hybridization was performed for 318 EST clusters to identify abundantly expressed genes in the RPE and to prioritize subsequent analyses. Representative clones were spotted onto a nylon membrane and hybridized with cDNA probes of driver (heart and liver) and tester (RPE) used in the cDNA library construction. Subsequently, 107 EST clusters were subjected to Northern blot hybridizations. These analyses identified 7 RPE-specific, 3 retina-specific, 7 RPE/retina-specific, and 7 tissue restricted transcripts, while 29 EST clusters were ubiquitously expressed, and evaluation was not possible for another 54 EST clusters. Of the 24 transcripts with specific or restricted expression, 16 clones were selected for further characterization. The predicted gene MGC2477 and 2 novel isoforms of the human transient receptor potential cation channel, subfamily M, member 3 (TRPM3) were cloned and further described in detail. In addition, polymorphic variations for these 2 genes as well as for the human MT-Protocadherin gene were determined. For MGC2477, 15 single nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified, with 13 having a frequency of the minor allele greater than 20%. 10 of the 15 SNPs have not been reported in so far in public SNP repertoires. Partial assessment of the TRPM3 gene yielded 35 SNPs. Of these, 30 (85.7%) were highly frequent (0.17-0.5%), and 14 (40%) were novel. The MT-Protocadherin gene revealed 35 SNPs, including 28 (80%) with high frequency of the minor allele. 23 (65.7%) were novel SNPs. These SNPs will be used to construct the most common haplotypes. These will be used in case/control association studies in 400 AMD patients and 200 ethnically and aged matched controls to assess a possible contribution of these genes in the etiology of AMD. / Die altersabhängige Makuladegeneration (AMD) ist die häufigste Ursache von gravierenden Einschränkungen des Sehvermögens im fortgeschrittenen Lebensalter. In den Industriestaaten ist die AMD zudem die Hauptursache für Altersblindheit. Die molekularen Mechanismen, die zur Entstehung der AMD führen, sind bisher nur unzureichend bekannt. In den letzten Jahren hat es sich jedoch herausgestellt, dass das retinale Pigmentepithel (RPE) eine primäre Rolle in der Pathogenese der AMD spielt. Ziel dieser Arbeit war die systematische Analyse von Genen, welche im RPE differentiell exprimiert werden. Entsprechende Kandidatengene sollten auf deren mögliche Beteiligung an der Entstehung von Erkrankungen der Retina, insbesondere der AMD, untersucht werden. Zunächst wurden 2379 ESTs aus einer innerhalb der Arbeitsgruppe generierten RPE cDNA Bibliothek definiert. Die dazu verwendete cDNA Bibliothek wurde durch die Suppressions- Subtraktions Hybridisierungs-Technik (SSH) konstruiert. Diese Technik gestattet eine Normalisierung gegenüber redundanten Sequenzen und begünstigt gleichzeitig die Anreicherung von seltenen Transkripten. In einer ersten Phase wurden 1002 ESTs sequenziert und einer umfassenden bioinformatischen Analyse mit Hilfe der verfügbaren DNA- und Protein Datenbanken unterzogen. Der Vergleich der 1002 ESTs mit der Draft Sequenz des menschlichen Genoms ergab den Hinweis auf 168 bereits bekannte Gene, 51 mögliche Gene, 15 völlig unbekannte Transkripte und 41 nicht weiter zuordenbare cDNA Klone. 318 EST Cluster wurden einer reversen Northen-Blot Analyse unterzogen um hochexprimierte Gene zu identifizieren und damit Prioritäten für die weiteren Analysen zu setzen. Im Rahmen der Northern-Analyse wurden repräsentative Klone von 107 EST-Klustern mit cDNA Sonden der ursprünglichen cDNA-Bibliothek hybridisiert. Als Ergebnis dieser Analyse fanden sich 7 RPE-spezifische, 3 Retina-spezifische, 7 sowohl RPE- als auch Retinaspezifische sowie 7 auf einzelne Gewebe limitierte Transkripte. 29 EST Cluster erwiesen sich als ubiquitär exprimiert, und 54 Kluster konnten nicht näher zugeordnet werden. Von den 24 Transkripten mit spezifischer oder zumindest begrenzter Expression wurden 16 Klone zur weiteren Charakterisierung ausgewählt. Aus diesen Material wurden im Rahmen dieser Arbeit das Kandidatengen MGC2477 sowie 2 neue Isoformen des menschlichen TRPM3-Gens kloniert und näher charakterisiert. Weiterhin wurden polymorphe Varianten dieser beiden Isoformen und des menschlichen MTProtocadherin- Gens definiert. Im Gen MGC2477 wurden 15 SNPs identifiziert, wovon die Allelhäufigkeit des selteneren Allels bei 13 der SNPs über 20% lag. Für 10 der insgesamt 15 vii SNPs dieses Gens fanden sich bisher keine Einträge in den entprechenden Datenbanken. Die SNP-Suche wurde auch für das TRPM3-Gen durchgeführt und ergab 35 SNPs, wovon 30 (85,7%) als hochfrequent eingestuft werden konnten. 14 dieser 35 SNPs waren bisher nicht in den Datenbanken verzeichnet. Beim MT-Protocadherin-Gen fanden sich ebenfalls 35 SNPs, wobei 80% eine hohe Frequenz des selteneren Allels aufwiesen. In diesem Fall handelte es sich bei 23 der insgesamt 35 SNPs um bisher unbekannte Allele. Diese SNPs bilden den Ausgangspunkt zur Konstruktion der häufigsten Haplotypen der genannten Gene. Mit der Charakterisierung der Einzel-Nukleotid Polymorphismen der Kandidatengene wurde die Grundlage zur Durchführung von Fall/Kontrollstudien gelegt, in deren Rahmen die Bedeutung der jeweiligen Kandidatengene in der Pathogense der AMD untersucht werden kann.

Lübeck, Med. Universität, Thesis (doctoral), 2003.

University, Diss., 2003--Würzburg.

University, Diss., 2003--Würzburg.

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We investigated attachment and migration of human retinal pigment epithelial cells (primary, SV40-transfected and ARPE-19) on nanoscopically defined, two-dimensional matrices composed of parallel-aligned collagen type I fibrils. These matrices were used non-cross-linked (native) or after riboflavin/UV-A cross-linking to study cell attachment and migration by time-lapse video microscopy. Expression of collagen type I and IV, MMP-2 and of the collagen-binding integrin subunit α2 were examined by immunofluorescence and Western blotting. SV40-RPE cells quickly attached to the nanostructured collagen matrices and aligned along the collagen fibrils. However, they disrupted both native and cross-linked collagen matrices within 5 h. Primary RPE cells aligned more slowly without destroying either native or cross-linked substrates. Compared to primary RPE cells, ARPE-19 cells showed reduced alignment but partially disrupted the matrices within 20 h after seeding. Expression of the collagen type I-binding integrin subunit α2 was highest in SV40-RPE cells, lower in primary RPE cells and almost undetectable in ARPE-19 cells. Thus, integrin α2 expression levels directly correlated with the degree of cell alignment in all examined RPE cell types. Specific integrin subunit α2-mediated matrix binding was verified by preincubation with an α2-function-blocking antibody, which impaired cell adhesion and alignment to varying degrees in primary and SV40-RPE cells. Since native matrices supported extended and directed primary RPE cell growth, optimizing the matrix production procedure may in the future yield nanostructured collagen matrices serving as transferable cell sheet carriers. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

We investigated attachment and migration of human retinal pigment epithelial cells (primary, SV40-transfected and ARPE-19) on nanoscopically defined, two-dimensional matrices composed of parallel-aligned collagen type I fibrils. These matrices were used non-cross-linked (native) or after riboflavin/UV-A cross-linking to study cell attachment and migration by time-lapse video microscopy. Expression of collagen type I and IV, MMP-2 and of the collagen-binding integrin subunit α2 were examined by immunofluorescence and Western blotting. SV40-RPE cells quickly attached to the nanostructured collagen matrices and aligned along the collagen fibrils. However, they disrupted both native and cross-linked collagen matrices within 5 h. Primary RPE cells aligned more slowly without destroying either native or cross-linked substrates. Compared to primary RPE cells, ARPE-19 cells showed reduced alignment but partially disrupted the matrices within 20 h after seeding. Expression of the collagen type I-binding integrin subunit α2 was highest in SV40-RPE cells, lower in primary RPE cells and almost undetectable in ARPE-19 cells. Thus, integrin α2 expression levels directly correlated with the degree of cell alignment in all examined RPE cell types. Specific integrin subunit α2-mediated matrix binding was verified by preincubation with an α2-function-blocking antibody, which impaired cell adhesion and alignment to varying degrees in primary and SV40-RPE cells. Since native matrices supported extended and directed primary RPE cell growth, optimizing the matrix production procedure may in the future yield nanostructured collagen matrices serving as transferable cell sheet carriers. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.