Thesis (doctoral)--Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 2005.

Die Zahl der physiologischen Prozesse in Pflanzen, die scheinbar durch NO reguliert werden, hat in den letzten Jahren stark zugenommen. NO übernimmt wichtige Rollen für die Steuerung von Wachstum und Entwicklung, für die Pathogenresistenz und bei abiotischem Stress, sowohl in unterirdischen als auch in oberirdischen Organen. In Pflanzen wurden bisher eine Reihe verschiedener enzymatischer und einige wenige nichtenzymatische Synthesewege für NO vorgeschlagen. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand nun darin, die NO Produktion von Pflanzen und speziell von Wurzeln möglichst quantitativ zu erfassen und die beteiligten Enzyme zu identifizieren. Dieses Ziel sollte vor allem durch Chemilumineszenz-Messung von NO in der Gasphase (= direkte Chemilumineszenz) erreicht werden, aber auch durch die indirekte Chemilumineszenz, bei welcher Spuren von NO-Oxidationsprodukten wie Nitrat und Nitrit erfasst werden. Als Versuchspflanzen wurden verwendet: Wildtypen von Nicotiana tabacum cv. Xanthi oder cv. Gatersleben; Nitratreduktase-freie, auf Ammonium-N angezogene Mutanten, die keine Nitratreduktase (NR) induzieren; WT Pflanzen, die auf Wolframat angezogen wurden um die Synthese funktionaler MoCo-Enzyme zu unterbinden; eine NO-überproduzierende, Nitritreduktase (NiR)-freie Transformante, sowie gelegentlich Gerste, Reis und Erbsen. Eine hypersensitive Reaktion (HR) von Tabak wurde erzeugt durch Druckinfiltration von avirulenten Bakterien des Stammes Pseudomonas syringae pv. phaseolicola. Bei Sauerstoffkonzentrationen &#8804;1% wurde exogenes Nitrit auch von völlig NR-freien Wurzeln zu NO reduziert. Folglich war NR nicht die einzige NO-Quelle von Wurzeln. Im Gegensatz dazu waren NR-freie Blattstreifen nicht in der Lage, Nitrit zu NO umzusetzen. Die NO-Bildung von Wurzeln wurde außerdem durch Hemmstoffe des mitochondrialen Elektronentransportes, Myxothiazol und Salicylhydroxamsäure (SHAM) gehemmt, während die NO-Produktion von NR-exprimierenden Blattstreifen gegen diese Inhibitoren unempfindlich war. Damit stimmte auch überein, dass gereinigte Mitochondrien aus Wurzeln, aber nicht die aus Blättern Nitrit mit Hilfe von NADH zu NO reduzieren konnten. Die Inhibitor-Wirkung lässt darauf schließen, dass in Wurzelmitochondrien beide terminalen Oxidasen and der NO-Bildung beteiligt sind, und dass selbst in NR-haltigen Wurzeln ein großer Teil der Reduktion von Nitrit zu NO durch die Mitochondrien bewerkstelligt wird, und weniger durch NR selbst. Die Unterschiedliche Fähigkeit von Blatt-und Wurzelmitochondrien zur anaeroben Nitrit:NO-Reduktion wurde nicht nur bei Tabak, sondern auch bei Arabidopsis, Gerste und Erbse gefunden. Sie scheint also eine generelle Eigenschaft höherer Pflanzen zu sein. Die Nitrit:NO Reduktion wurden auch direkt als Nitrit- bzw. NADH-Verbrauch gemessen. Die Reaktion war außerdem exklusiv mit der Membranfraktion der Mitochondrien assoziert, ohne jede Beteiligung von Matrixkomponenten. Es wurde auch geprüft, ob Wurzelmitochondrien und- gereinigte Membranen NO ausschließlich aus Nitrit produzierten, oder eventuell auch über eine NO-Synthase (NOS). Außerdem wurde untersucht, ob und in welchem Umfang die NO-Messungen durch eine NO-Oxidation verfälscht werden konnten. Zusätzlich zur Chemilumineszenz wurden Fluoreszenzmessungen mit Diaminofluoreszeinen (DAF) zum Vergleich herangezogen. In Luft produzierten Mitochondrien ja kein Nitrit-abhängiges NO, und eine NOS-Aktivität konnte weder durch direkte noch durch indirekte Chemilumineszenz nachgewiesen werden. Mit DAF-2 oder DAR-4M wurde jedoch eine L-Arginin-abhängige Fluoreszenzerhöhung beobachtet. Diese scheinbare NOS-Aktivität wurde mit kommerzieller iNOS verglichen und zeigte dabei sehr untypische Antworten auf NOS-Inhibitoren, Substrate und Kofaktoren. Sie wird deshalb als Artefakt beurteilt. Bei Verwendung von iNOS wurden ca. 2/3 des insgesamt produzierten NO zu (Nitrit+Nitrat) oxidiert. Mitochondrien scheinen NO zu verbrauchen, ohne jedoch die Oxidation von NO zu (Nitrit+Nitrat) zu erhöhen. Vermutlich wird dabei ein flüchtiges Intermediat gebildet (eventuell N2O3). In unserer Gruppe wurde kürzlich gezeigt, dass der pilzliche Elicitor Cryptogein eine hypersensitive Reaktion (HR) bei Tabak hervorrief, die völlig unabhängig von der Gegenwart oder Abwesenheit von NR war. Eine Schlussfolgerung daraus war, dass die NR-abhängige NO-Bildung für die HR keine Rolle spielte. Hier präsentieren wir Hinweise darauf, dass dieses Szenario Cryptogein-spezifisch sein könnte. Pseudomonas syringae pv phaseolicola wurde in Tabakblätter des Wildtyps und derNiR-defizienten, NO-überproduzierenden Mutante (clone 271) infiltriert, die entweder auf Ammonium oder auf Nitrat angezogen waren. Es wurde die Entwicklung der Läsionen, das Bakterienwachstum und die Zuckerkonzentrationen in den Blättern und im Blattapoplasten verfolgt. Die Läsionen-Entwicklung war positiv, und das Bakterienwachstum negativ korreliert mit der Nitrat-Ernährung und einer eventuellen NO-Produktion. Das Bakterienwachstum war positiv korreliert mit einer Ammonium-Ernährung und mit apoplastischen Zuckerkonzentrationen. Der Gesamtgehalt an freier + konjugierter Salicylsäure (SA) war durch bakterielle Infektion immer drastisch gesteigert, aber ohne klare Korrelation mit einer NO-Produktion. In Gegenwart von Cryptogein war das Wachstum von Pseudomonas fast völlig gehemmt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die vermutete gegenseitige Abhängigkeit von Bakterienwachstum, NO-Produktion und der HR sehr komplex ist und nicht auf einfache unifaktorielle Beziehungen reduziert werden kann. / During the last few years an increasing number of physiological processes in plants have been shown to be regulated by NO. NO plays important roles in growth and development, plant disease resistance, abiotic stress, and in above and underground plant organs. In recent years several enzymatic pathways and few non-enzymatic pathways were proposed for nitric oxide production in plants. The major goal of this work was to quantify NO production by plants and especially by roots, and to identify the enzymes responsible for NO production. As a major method, NO production by roots was followed through on-line measurement of NO emission into the gas phase by chemiluminescence (= direct chemiluminescence), and also by indirect chemiluminescence where trace amounts of oxidized products like NO2- and NO3- can be easily measured. Plants used were tobacco wild-type (N. tabacum cv Xanthi or cv Gatersleben), NR-free mutants grown on ammonium in order to prevent NR induction, plants grown on tungstate to inhibit synthesis of functional MoCo-enzymes, and a NO-overproducing nitrite reductase (NiR)-deficient transformant as well as barley, rice and pea. Induction of a hypersensitive response (HR) in tobacco leaves was achieved by using avirulent Pseudomonas syringae pv phaseolicola. At oxygen concentrations of <1%, even completely nitrate reductase (NR)-free root tissues reduced added nitrite to NO, indicating that in roots, NR was not the only source for nitrite-dependent NO formation. By contrast, NR-free leaf slices were not able to reduce nitrite to NO. Root NO formation was blocked by inhibitors of mitochondrial electron transport (Myxothiazol and SHAM), whereas NO formation by NR containing leaf slices was insensitive to the inhibitors. Consistent with that, mitochondria purified from roots, but not those from leaves, reduced nitrite to NO at the expense of NADH. The inhibitor studies suggest that, in root mitochondria, both terminal oxidases participate in NO formation, and they also suggest that even in NR-containing roots, a large part of the reduction of nitrite to NO was catalysed by mitochondria, and less by NR. The differential capacity of root and leaf mitochondria to reduce nitrite to NO appears to be common among higher plants, since it was observed with Arabidopsis, barley, pea, and tobacco. Nitrite and NADH consumption by mitochondria were also measured. Anaerobic, nitrite-dependent NO emission was exclusively associated with the membrane fraction, without participation of matrix components. It was also examined whether root mitochondria and mitochondrial membranes produce nitric oxide (NO) exclusively by reduction of nitrite or also via a nitric oxide synthase (NOS),- and to what extent direct NO measurements could be falsified by NO oxidation. In addition to chemiluminescence, Diaminofluoresceins (DAF) were used as an NO indicators for comparison. In air, mitochondria apparently produced no nitrite-dependent NO, and no NOS activity was detected by direct or indirect chemiluminescence. In contrast, with DAF-2 and DAR-4M an L-arginine-dependent fluorescence increase took place. However, the response of this apparent NOS activity to inhibitors, substrates and cofactors was untypical when compared with commercial iNOS and is considered an artefact. With iNOS, about 2/3 of the NO were oxidized to (nitrite + nitrate). Mitochondria also appear to consume NO without increasing oxidation to (nitrite+ nitrate). We therefore assume formation of NO to a volatile intermediate (eventually N2O3). It was recently shown that the hypersensitive response (HR) of tobacco triggered by the fungal elicitor cryptogein occurred independent of the presence or absence of nitrate reductase (NR). One conclusion was that NR-dependent NO formation played no role in the HR. Here we present evidence that the described scenario may be specific for cryptogein. Pseudomonas syringae pv. phaseolicola was infiltrated into tobacco leaves from WT plant and from the NiR-deficient NO-overproducing clone 271, grown either on nitrate or ammonium. Lesion development as well as bacterial growth and sugar concentrations in leaves and in the leaf apoplast was monitored. Lesion development was positively and bacterial growth was negatively correlated with nitrate nutrition and eventually with NO formation. Bacterial growth was positively correlated with ammonium nutrition and apoplastic sugar concentrations. Total (free and conjugated) SA content were always drastically increased by bacterial infection, but there was no clear correlation with NO production. In the presence of cryptogein, Pseudomonas growth was drastically reduced. This shows that the assumed interdependence of bacterial growth, NO production and the HR is complex and not unifactorial.

Das akute Nierenversagen aufgrund ischämischer oder toxischer Nierenschädigung ist eine häufig auftretende Erkrankung mit einer hohen Mortalität. Immer noch sind die genauen Abläufe auf Zellebene nicht vollständig geklärt. Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle der induzierbaren Hämoxygenase (HO-1) und ihrer Wechselwirkung mit der endothelialen Stickoxidsynthase (eNOS) im akuten ischämischen Nierenversagen. Dazu wurde im Rattenmodell mittels 45-minütigen Clamping beider Aa. renales ein ischämisches ANV induziert. Während eine Gruppe dem Clamping ohne weitere Intervention unterzogen wurde, ist einer weiteren Gruppe Zinn(VI)-Mesoporphyrin (SnMP), ein Inhibitor der HO-1, intraperitoneal appliziert worden. Eine dritte Gruppe mit Schein-Operation wurde als unbehandelte Kontrollgruppe parallel operiert und untersucht. Zur Bestimmung von renaler Filtrations- und Sekretionsfunktion wurden die Inulin-Clearance und die PAH-Clearance gemessen. Die Expression der untersuchten Enzyme aus HO/CO- und NOS/NO-System wurde mittels Westernblot quantitativ bestimmt. Der postinterventionelle Versuchszeitraum erstreckte sich über 14 Tage. In der unbehandelten Clamping-Gruppe zeigte sich ein Abfall von Inulin- und PAH-Clearance in der frühen postischämischen Phase, gefolgt von einer raschen Erholung und stetiger Verbesserung der Exkretionsfunktion im Verlauf des 14-tägigen Versuchs-intervalls. Die HO-1 zeigte einen Tag nach der Ischämie eine starke Überexpression, ebenso die im Hämkatabolismus wichtige Biliverdinreduktase (BVR). Die eNOS reagierte mit einer Hochregulierung, die sich in der Medulla langsamer entwickelte als in Kortex. Der gemeinsame Rezeptor der Signalstoffe CO und NO, die lösliche Guanylatzyklase (sGC), zeigte eine bedarfsgesteuerte leichte Hochregulation, möglicherweise ein Zeichen der endothelialen Dysfunktion mit zunächst nicht ausreichender NO-Bildung durch die eNOS. Die Clamping + SnMP-Gruppe erlitt eine stärkere Funktionseinschränkung nach der Intervention, was sich mit der Hemmung der HO-1 erklärt, regenerierte sich anschließend rasch wieder und hatte im Versuchsverlauf vergleichbare Funktionswerte wie die Clamping-Gruppe. Die HO-1 wurde ebenso akut hochreguliert, hielt aber die starken Überexpressionswerte während des Versuchszeitraums länger aufrecht als die Clamping-Gruppe. Diese Beobachtung lässt sich mit der Eigenschaft des SnMP erklären, dass es die Aktivität der HO-1 hemmt, ihre Expression aber steigert. Die Hochregulation der BVR war in dieser Gruppe geringer ausgeprägt. Die eNOS wurde in den mit SnMP behandelten Tieren weit schwächer exprimiert. Die sGC zeigte ähnliche Werte wie in der Clamping-Gruppe, wenn auch weniger stark reguliert. Die Beobachtung, dass sich eine Hemmung der HO-1 nicht nur auf die Enzyme ihres eigenen Signalweges und des Hämabbaus, der sGC und der BVR, auswirkt, sondern auch auf die der eNOS, bestätigt, dass das HO/CO- und das NOS/NO-System eng mit einander verknüpft sind. Dass dies nicht nur unter physiologischen Bedingungen, sondern insbesondere in der pathologischen Situation einer renalen Ischämie zum Tragen kommt, eröffnet Perspektiven, dass die dargestellten Ergebnisse dazu dienen könnten, neue Ansätze zu finden, um die endotheliale Dysfunktion im ANV kurativ zu beeinflussen. / The acute renal failure due to ischaemic or toxic kidney damage is a common disease with a high mortality. The exact processes at cell level are still not fully clarified. This work deals with the role of inducible heme oxygenase (HO-1) and its interaction with the endothelial nitric oxide synthase (eNOS) in the ischemic acute kidney failure (iARF). iARF was initiated in rats by 45-min artery clamping. While one group has undergone the clamping without further intervention, a further group was treated with tin(VI)-mesoporphyrin (SnMP), an inhibitor of HO 1, by intraperitoneal application. A third group was parallel operated as unhandled control group and investigated. The inulin clearance and the PAH clearance were measured to determine the renale filtration and secretion function. The expression of examined enzymes HO/CO and NOS/NO system was quantitatively determined using Westernblot. The test period extended over 14 days after operation. In the unhandled clamping group was a decrement of Inulin-and PAH clearance in the early post ischaemic phase, followed by a rapid recovery and constant improvement of the excretion function during the experimental period. The HO-1 showed on day 1 after the ischaemia a high expression, and so did the biliverdin reductase (BVR). The eNOS also responded with a high expression, slower developed in the medulla as in cortex. The receptor of both CO and NO, the soluble guanylyl cyclase (sGC), showed only a slightly higher expression, maybe a sign of the endothelialen dysfunction with first insufficient NO production by eNOS. The clamping/SnMP group underwent a stronger functional constraint after the intervention, what could be explained by the inhibition of HO 1. This group showed then a strong regeneration and had comparable values as the clamping group. The HO-1 shows a high expression, which was held up during the whole test period. This observation can be explained with the property of SnMP that inhibits the activity of HO 1, but increases its expression. The BVR high regulation is less pronounced in this group. The eNOS is far weaker expressed in the SnMP treated animals. The sGC shows similar values such as in the clamping group, but only indicated. The observation that an inhibition of HO 1 not only affects the enzymes of its own signal path and the heme degradation, sGC and BVR, but also eNOS and its signal path, confirms that the HO/CO and the NOS/NO system are linked closely with each other. That this comes about not only among physiological conditions, but especially in the pathological situation of a renale ischaemia, opens up prospects that the displayed results could serve to find curative influences on the endothelial dysfunction in the iARF.

Several epidemiological studies found that hypertensive patients have an increased risk to develop kidney cancer. Hyperaldosteronism frequently results in arterial hypertension and contributes to the development and progression of kidney injury, with reactive oxygen species (ROS) playing an important role. ROS are thought to be associated with many pathological conditions such as cancer and other disorders, like cardiovascular complications , which often go along with hypertension. The aim of the present work was to investigate whether the effects of elevated aldosterone concentrations might be involved in the increased cancer incidence of hypertensive individuals. First, the potential capacity of aldosterone to induce oxidative stress and DNA damage was investigated in vitro and in vivo. In LLC-PK1 porcine kidney cells and MDCK canine kidney cells the significant formation of ROS, and especially of superoxide (O2˙ˉ) was assessed. With two genotoxicity tests, the comet assay and the micronucleus frequency test, the DNA damaging potential of aldosterone was quantified. In both genotoxicity tests a dose-dependent increase in aldosterone-induced structural DNA damage was observed. Oxidative stress and DNA damage were prevented by antioxidants, suggesting ROS as a major cause of DNA damage. Furthermore, the oxidatively modified DNA lesion 8-oxo-7,8-dihydro-2´-deoxyguanosine (8-oxodG), was found to be significantly elevated. In kidneys of rats with desoxycorticosterone acetate (DOCA)/salt-induced hypertension, which is a model of severe mineralocorticoid-dependent hypertension, elevated levels of ROS and superoxide were found, compared to kidneys of sham rats. Also DNA strand breaks, measured with the comet assay and double strand breaks, visualized with antibodies against the double strand break-marker gamma-H2AX were significantly elevated in kidneys of DOCA/salt-treated rats. In addition, significantly increased amounts of 8-oxodG were detected. Proliferation of kidney cells was found to be increased, which theoretically enables the DNA damage to manifest itself as mutations, since the cells divide. Second, the effects of aldosterone on the activation of transcription factors and signaling pathways were investigated. A significant activation of the potentially protective transcription factor Nrf2 was observed in LLC-PK1 cells. This activation was triggered by an increase of ROS or reactive nitrogen species (RNS). In response to oxidative stress, glutathione synthesis and detoxifying enzymes, such as the subunits of the glutathione-cysteine-ligase or heme oxygenase 1 were rapidly induced after 4 h. Nevertheless, after 24 h a decrease of glutathione levels was observed. Since ROS levels were still high after 24 h, but Nrf2 activation decreased, this adaptive survival response seems to be transient and quickly saturated and overwhelmed by ROS/RNS. Furthermore, Nrf2 activation was not sufficient to protect cells against oxidative DNA damage, because the amounts of double strand breaks and 8-oxodG lesions steadily rose up to 48 h of aldosterone treatment. The second transcription factor that was time- and dose-dependently activated by aldosterone in LLC-PK1 and MDCK cells was NF-kappaB. Furthermore, a significant cytosolic and nuclear activation of ERK was detected. Aldosterone induced the phosphorylation of the transcription factors CREB, STAT1 and STAT3 through ERK. Third, the underlying mechanisms of oxidant production, DNA damage and activation of transcription factors and signaling pathways were studied. Aldosterone exclusively acted via the MR, which was proven by the MR antagonists eplerenone, spironolactone and BR-4628, whereas the glucocorticoid receptor (GR) antagonist mifepristone did not show any effect. Furthermore, aldosterone needed cytosolic calcium to exert its negative effects. Calcium from intracellular stores and the influx of calcium across the plasma membrane was involved in aldosterone signaling. The calcium signal activated on the one hand, the prooxidant enzyme complex NAD(P)H oxidase through PKC, which subsequently caused the generation of O2˙ˉ. On the other hand, nitric oxide synthase (NOS) was activated, which in turn produced NO. NO and O2˙ˉ can react to the highly reactive species ONOO- that can damage the DNA more severely than the less reactive O2˙ˉ. In the short term, the activation of transcription factors and signaling pathways could be a protective response against aldosterone-induced oxidative stress and DNA damage. However, a long-term NF-B and ERK/CREB/STAT activation by persistently high aldosterone levels could unfold the prosurvival activity of NF-kappaB and ERK/CREB/STAT in aldosterone-exposed cells. DNA damage caused by increased ROS might become persistent and could be inherited to daughter cells, probably initiating carcinogenesis. If these events also occur in patients with hyperaldosteronism, these results suggest that aldosterone could be involved in the increased cancer incidence of hypertensive individuals. / Mehrere epidemiologische Studien haben ein erhöhtes Nierenkrebsrisko bei Patienten mit Bluthochdruck aufgedeckt. Hyperaldosteronismus führt oft zu arteriellem Bluthochdruck und trägt zur Entwicklung und zum Fortschreiten von Nierenschäden bei, wobei reaktive Sauerstoffspezies (ROS) eine wichtige Rolle spielen. Immer häufiger werden ROS mit Krankheitsbildern wie Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen, die mit Bluthochdruck einhergehen, in Verbindung gebracht. Das Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob erhöhte Aldosteronkonzentrationen an dem gesteigerten Krebsrisiko von hypertensiven Patienten beteiligt sein könnten. Zunächst wurde die potentielle Kapazität von Aldosteron, oxidativen Stress und DNA-Schaden in vitro und in vivo induzieren zu können, untersucht. In der Schweine-Nierenzelllinie LLC-PK1 und der Hunde-Nierenzelllinie MDCK wurde die Entstehung von ROS und speziell die Bildung von Superoxid (O2˙ˉ) nachgewiesen. Das gentoxische Potential von Aldosteron wurde mit zwei Genotoxizitätstests, dem Comet Assay und dem Mikrokernfrequenztest bestimmt. In beiden Genotoxizitätstests konnte ein dosis-abhängiger Anstieg des strukturellen DNA-Schadens beobachtet werden. Antioxidantien konnten den oxidativen Stress und die DNA-Schäden verringern, was annehmen lässt, dass ROS die Hauptursache für die Entstehung der DNA-Schäden sind. Darüberhinaus wurden signifikant erhöhte Mengen der oxidativ modifizierten DNA Läsion 8-Oxo-7,8-dihydro-2´-deoxyguanosin (8-oxodG) gefunden. In Nieren von Ratten mit Desoxycorticosteron-Acetat (DOCA) und Salz-induziertem Bluthochdruck, ein Modell für massiven Mineralocorticoid-induzierten Bluthochdruck, wurde ebenfalls eine erhöhte Bildung von ROS und O2˙ˉ in Nieren von DOCA/Salz-Ratten im Vergleich zu Sham-Ratten beobachtet. Auch im Comet Assay erfasste DNA-Strangbrüche und Doppelstrangbrüche, die mit Hilfe von Antikörpern gegen den Doppelstrangbruchmarker gamma-H2AX sichtbar gemacht wurden, waren in den Nieren der DOCA/Salz-behandelten Ratten signifikant erhöht. Weiterhin wurden erhöhte 8-oxodG-Spiegel in DOCA/Salz-Ratten beobachtet. Auch eine erhöhte Proliferationsrate in DOCA/Salz-behandelten Ratten konnte festgestellt werden, was theoretisch dazu führen könnte, dass sich die DNA-Schäden als Mutationen manifestieren, da sich die Zellen teilen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von Aldosteron auf die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und Signalwegen untersucht. Zunächst konnte die Aktivierung des potentiell schützenden Transkriptionsfaktors Nrf2 in LLC-PK1 Zellen mittels electrophoretic mobility shift assay (EMSA) beobachtet werden. Diese Aktivierung wurde durch den Anstieg an ROS und reaktiven Stickstoffspezies (RNS) ausgelöst. Als Antwort auf den oxidativen Stress, wurde die Glutathion-Synthese und detoxifizierende Enzyme, wie die Untereinheiten der Glutathion-Cystein-Ligase oder Hämoxygenase 1, nach 4 Stunden rasch hochreguliert. Nichtsdestotrotz konnte nach 24 Stunden eine Abnahme des Glutathionspiegels festgestellt werden. Da die Konzentration an ROS nach 24 Stunden immer noch signifikant erhöht war, die Aktivierung von Nrf2 allerdings stark zurückgegangen ist, scheint diese adaptive Überlebensstrategie nur kurzfristig, und somit schnell durch ROS/RNS gesättigt zu sein. Weiterhin war die Aktivierung von Nrf2 nicht ausreichend, um die Zellen vor dem durch Aldosteron-induzierten DNA-Schaden zu schützen, da Doppelstrangbrüche, sowie 8-oxodG-Läsionen bei bis zu 48-stündiger Inkubation mit Aldosteron stetig anstiegen. Der zweite Transkriptionsfaktor, der zeit- und dosisabhängig durch Aldosteron aktiviert wurde, war NF-kappaB. Ausserdem wurde die cytosolische und nukleäre Aktivierung von ERK nachgewiesen. Aldosteron induzierte weiterhin die Phosphorylierung der Transkriptionsfaktoren CREB, STAT1 und STAT3 durch ERK. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden die zugrundeliegenden Mechanismen der Entstehung von ROS/RNS, des DNA-Schadens und der Aktivierung von Transkriptionsfaktoren untersucht. Aldosteron wirkte ausschließlich über den MR, bewiesen durch Einsatz der MR-Antagonisten Eplerenon, Spironolakton und BR-4628. Der Glucocorticoid-Rezeptor-Antagonist Mifepriston zeigte dagegen keinen Effekt. Weiterhin benötigte Aldosteron cytosolisches Calcium, um seine negativen Effekte auszuüben. Es waren intrazelluäres Calcium, sowie ein Calciuminflux über die Plasmamembran am Aldosteronsignal beteiligt. Einerseits wurde der prooxidative Enzymkomplex NAD(P)H-Oxidase von Calcium durch die Proteinkinase C (PKC) aktiviert, was wiederum zur Bildung von O2˙ˉ führte. Andererseits kam es durch erhöhtes cytosolisches Calcium zur Aktivierung der NO-Synthase (NOS), welche daraufhin Stickoxid (NO) produzierte. NO und O2˙ˉ können zu dem hochreaktiven Peroxynitrit (ONOO-) reagieren, welches die DNA mehr schädigen kann als das etwas weniger reaktive O2˙ˉ. Kurzfristig könnte die Aktivierung der Transkriptionsfaktoren und Signalwege eine schützende Wirkung gegen den durch Aldosteron-induzierten oxidativen Stress und DNA-Schaden in den Zellen haben. Allerdings kann eine länger anhaltende Aktivierung von NF-kappaB und ERK/CREB/STAT durch permanent hohe Aldosteronspiegel zur Induktion einer Überlebensstrategie durch NF-kappaB und ERK/CREB/STAT in Aldosteron-exponierten Zellen führen. Der DNA-Schaden, der durch erhöhte ROS-Spiegel entsteht, könnte persistent und somit an Tochterzellen weitervererbt werden, was eventuell zur Entstehung von Krebs beitragen könnte. Falls diese Effekte auch in Patienten mit Hyperaldosteronismus gefunden werden können, dann könnte Aldosteron an der erhöhten Krebsinzidenz bei Bluthochdruck beteiligt sein.

AVPR1A und NOS1 spielen in der aktuellen Forschung zu Paarbindungsverhalten bzw. Impulsivität eine wichtige Rolle. Ziel dieser Arbeit war es, einen Zusammenhang zwischen genetischen Varianten in diesen beiden Genen mit sexueller Aktivität, Treue und impulsivem Verhalten zu untersuchen. Dabei wurde die Hypothese aufgestellt, dass das lange Allel des AVPR1A RS3 Polymorphismus mit gesteigertem sexuellem Verhalten und entsprechend verringerter Treue assoziiert ist. Des Weiteren wurde postuliert, dass das kurze Allel von NOS1 ex1f-VNTR indirekt über gesteigerte Impulsivität und Extraversion mit Untreue und gesteigertem sexuellem Verhalten assoziiert ist. In Hinblick auf den NOS1 Polymorphismus konnte die Hypothese teilweise bestätigt werden. So zeigten Probanden, welche homozygot für das kurze Allel des NOS1 ex1f-VNTR waren, signifikant höhere Werte für Impulsivität und Extraversion, wohingegen Teilnehmer mit mindestens einem langen Allel signifikant höhere Werte für Gehemmtheit aufwiesen. Eine Assoziation zwischen gesteigerter Sexualität bzw. Untreue und diesen Varianten zeigte sich jedoch nicht. Allerdings zeigte sich auch auf der rein psychometrischen Ebene kein Zusammenhang zwischen gesteigerter Impulsivität und Untreue, so dass zusammenfassend zwar der direkte vermutete Assoziationsbefund repliziert werden konnte, die indirekte Annahme jedoch zu verwerfen ist. Auch für die beiden Polymorphismen RS1 und RS3 des Vasopressin-Rezeptor-Gens AVPR1A zeigten sich signifikante Ergebnisse. So konnte gezeigt werden, dass Probanden, welche homozygot für das lange Allel von RS3 sind, signifikant höhere Werte für Leistungsorientiertheit, Extraversion und Selbstbewusstsein, aber auch für Untreue und gesteigertes Sexualverhalten aufweisen. Für RS1 hingegen ergab sich lediglich, dass Probanden, welche homozygot für das lange Allel sind, impulsiver zu sein scheinen, während Probanden mit mindestens einem kurzen Allel eine Tendenz zu gesteigertem sexuellem Verhalten erkennen ließen. Zusammenfassend kann man daher sagen, dass die Hypothesen teilweise bestätigt werden konnten – unter den Einschränkungen dass die Stichprobengröße relativ gering war und alle Signifikanzwerte für multiples Testen unkorrigiert sind – und als Grundlage für weiterführende Studien hinsichtlich AVPR1A und NOS1 in Bezug auf menschliches Verhalten dienen können. / AVPR1A and NOS1 play an important role in recent research concerning pair bonding behaviour and impulsivity. We aimed at showing a connection between genetic variants of these two genes and sexual activity, constancy and impulsivity. We claimed that the long allele of AVPR1A RS3 polymorphism is associated with sexual activity and less constancy. We also claimed that the short allele of NOS1 ex1f-VNTR is associated with impulsivity and extraversion and consecutively also with sexual activity. Concerning the NOS1 polymorphism, our hypothesis could be proofed. Homozygous participants for the short allele of NOS1 ex1f-VNTR showed significant higher scores for impulsivity and extraversion, whereas participants with at least one long allele scored significant higher for inhibitness. Unfortunately there was no association between increased sexuality and these behaviours. On the psychometric level there also was no connection between impulsivity and infidelity. All together we must say that we could only replicate the direct association, whereas the indirect hypothesis could not be proofed. There also were significant results for both polymorphisms RS1 and RS3 of the vasopressin receptor gene AVPR1A. Homozygote participants for the long allele of RS3 scored significant higher on achievement-orientation, extraversion and self-confidence, but also for infidelity and sexuality. Concerning RS1, homozygote participants for the long allele scored higher on impulsivity, whereas participants with at least one short allele seem to be sexually more active. In summary one can say, that all hypotheses could be proofed, at least partly- knowing the limitation that the sample was quite small and all significances for multiple testing were uncorrected - and can be used as a basis for further studies concerning AVPR1A and NOS1 and their influence on human behaviour.

Diese Arbeit befasst sich mit dem NO-Stoffwechsel und der Wirkung von Rosiglitazon (RGZ) im ischämischen akuten Nierenversagen (iANV). Im Rattenmodell wurde mittels 60-minütigem Clamping beider Aa. renales ein iANV induziert. Die Unterteilung erfolgte in die Gruppen mit Gefäßclamping jeweils ohne bzw. mit Gabe von RGZ (Clamp+NaCl bzw. Clamp+RGZ) sowie in die entsprechenden Gruppen mit Scheinoperation (Sham+NaCl bzw. Sham+RGZ). 24 Stunden nach dem Eingriff wurde photometrisch die Inulin- und PAH-Clearance bestimmt. Die Expression der Enzyme, Proteine und Metabolite des NO-Stoffwechsels wurde mittels Western-Blot, real time-PCR aus Nierenhomogenisaten oder Flüssig¬chromato¬graphie mit Massenspektrometrie-Kopplung (LC-MS/MS) aus Serumproben quantitativ bestimmt. In der unbehandelten Clamp-Gruppe zeigte sich ein deutlicher Abfall (90%) der Inulin- und PAH-Clearance und PAH-Nettosekretion. Die Gabe von RGZ besserte die Inulin- und PAH-Clearance sowie die PAH-Nettosekretion. Die Applikation von RGZ im iANV bewirkte keine aktivitätssteigernde Phosphorylierung der endothelialen NO-Synthase (eNOS) an Serine 1177. An eNOS Serine 633 nahm durch RGZ die Phosphorylierung ab. Auch das, an vielen Signalkaskaden beteiligte, Akt zeigte keine vermehrte Aktivierung. Die Gesamtexpression der eNOS-mRNA wurde durch RGZ im iANV signifikant geringer (auf 60% des Ausgangswertes) vermindert als in unbehandelten Tieren (20% des Ausgangswertes). Im iANV stieg die Expression der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) - mRNA um das vierfache an, dieser Anstieg wurde durch Gabe von RGZ halbiert. Der verminderte Anstieg von iNOS kann als Erklärung für den Anstieg von eNOS dienen. Der Anstieg von ED-1 als Marker der Inflammationsreaktion sowie der Anstieg der Cleaved caspase 3 als Marker der Apoptosereaktion im iANV konnte nach der Applikation von RGZ nicht mehr nachgewiesen werden. Insgesamt schienen Inflammationsreaktion und Apoptose keinen signifikanten Einfluss auf die funktionellen Parameter im iANV zu besitzen. Das L-Argininderivat „Asymmetrisches Dimethylarginin“ (ADMA), das eNOS kompetitiv hemmt, stieg im iANV in der Clamp+NaCl und in der Clamp+RGZ Gruppe um ungefähr 20% an. Das an der Synthese von ADMA beteiligte Enzym PRMT 1 (Proteinargininmethyltransferase) und das ADMA-abbauende Enzym DDAH II (Dimethylarginindiaminohydrolase) wurden im iANV nicht reguliert. DDAH I, ein funktionsgleiches Isomer von DDAH II, zeigte im iANV eine Herabregulation um 20%. Diese Herabregulation könnte den Anstieg von Serum-ADMA im iANV erklären. Die Applikation von RGZ hatte weder auf ADMA noch auf DDAH einen regulatorischen Effekt. Die Halbierung der Expression von PRMT 1 durch RGZ hatte keinen Einfluss auf den ADMA-Serumspiegel. L-Arginin (L-Arg) stieg mit 60% im iANV deutlich stärker an als ADMA und könnte den Anstieg von ADMA kompensieren. Der Anstieg von L-Arg war von RGZ unabhängig. Der Quotient aus L-Arg und ADMA stieg in unbehandelten Tieren im iANV signifikant an, unter der Gabe von RGZ jedoch nicht. Dieser fehlende Anstieg wirkte sich nicht wesentlich auf die Produktion von NO aus. Folglich stellen sowohl ADMA als auch der L-Arg/ADMA Quotient keine Erklärung für die unzureichende funktionelle Wirkung einer Expressionssteigerung von eNOS unter RGZ im iANV dar. „Symmetrisches Dimethylarginin“ (SDMA) inhibiert als Isomer von ADMA die Aufnahme von L-Arg in die Zelle kompetitiv. SDMA zeigte im iANV einen Anstieg um fast 400 % im Vergleich zu den Shamtieren. SDMA wurde durch die Gabe von RGZ nicht reguliert. Hieraus wurde die Hypothese abgeleitet, dass der erhöhte SDMA-Spiegel den transzellulären L-Arg-Transport blockiert. Dies kann den Serumanstieg von L-Arg im iANV erklären und würde zu einem intrazellulären Mangel an L-Arg führen. Die durch RGZ bewirkte Steigerung der Expression von eNOS bliebe ineffektiv, da durch den Substratmangel die Produktion von NO nicht adäquat ansteigen könnte. Das L-Arg-Paradox im iANV beschreibt die Tatsache, dass die Applikation von L-Arg im iANV zu einer Mehrproduktion von NO durch eNOS führt, obwohl der Serumspiegel von L-Arg bereits vor Applikation klar über dem Sättigungsbereich von eNOS liegt. Da der Anstieg von ADMA im iANV durch den deutlich höheren Anstieg von L-Arg überkompensiert wird, scheint ADMA als Erklärung des Paradoxes nicht hinreichend. Der deutliche Anstieg von SDMA im iANV hingegen könnte über eine Blockade des L-Arg-Transporters zu einem intrazellulären Mangel an L-Arg führen. Diese kompetitive Blockade könnte durch die Applikation von L-Arg aufgehoben werden. Somit wäre SDMA eine Erklärung für das L-Arg Paradox. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass der starke Anstieg von SDMA möglicherweise dem protektiven Effekt von RGZ im iANV entgegenwirkt. Außerdem konnte mit dem Anstieg von SDMA ein neuer Erklärungsansatz des L-Arg-Paradoxes im iANV aufgezeigt werden. / The protective effect of PPAR-gamma agonists in renal I/R-injury has already been shown. Here the influence of the PPAR-gamma agonist Rosiglitazone (RGZ) on the NO-pathway which plays an important role in the pathogenesis of and recovery from renal ischemia/reperfusion (I/R)-injury is investigated. Asymmetric and symmetric dimethylarginine (ADMA/SDMA) are structurally similar to L-arginine (L-Arg). ADMA is released from PRMT1 (Proteinargininmethyltransferase) and competitively inhibits eNOS activity. SDMA impairs cellular L-Arg transport. Both, SDMA and ADMA are eliminated by renal excretion while ADMA is additionally metabolized by DDAH 1 / 2 (Dimethylarginindiaminohydrolase). CD rats, subjected to bilateral I/R injury (60min) were administered RGZ. Sham served as control. 24 hours after reperfusion clearances were determined photometrically. The kidneys were removed. Measurements in the homogenisate of the renal cortex were made by qPRC, Western-Blot and immunohistochemistry. Serum was analyzed by LC-MS/MS. I/R-injury caused a significant decrease in inulin-/PAH-clearance (5%/3% vs. sham). RGZ resulted in an improvement of renal function (12% vs. sham). RGZ did not induce a phosphorylation of eNOS at Serine 1179. RGZ reduced phosphorylation of eNOS at Serine 633 (50% vs. sham). The phosphorylation of akt, which is involved in multiple signalling pathways, remained unchanged. RGZ significantly attenuated the decrease of eNOS-mRNA in I/R-injury (from 20% to 60% vs. sham). It remains unsolved why distinct effect of RGZ on eNOS evoked only an unexpected small functional amelioration after renal I/R-injury. I/R-injury enhanced the expression of iNOS-mRNA. Moreover CC3 and ED-1 were significantly increased. RGZ attenuated the increase of iNOS expression significantly (from 400% to 170% vs. sham). The enhanced expression of CC3 and ED1 was almost completely reversed by RGZ. Serum-levels of ADMA (+19%), SDMA (+145%) and L-Arg (+97%) were significantly elevated in clamping group compared to sham. RGZ had no effect on ADMA, SDMA and L-Arg levels. The L-Arg/ADMA ratio increased (+83%) in I/R-injury. This effect was abolished by RGZ. PRMT1 remained unchanged in the clamping group. However, the application of RGZ caused a significant down-regulation of PRMT1 (-50%) in sham and clamping group without an influence on ADMA level. Expression of DDAH 2 remained unchanged, DDAH 1 expression showed a down-regulation in the clamping-group. This down-regulation could explain the rise of ADMA serum-levels. RGZ had no effect on DDAH 1/2 regulations. Both, the clear increase of L-Arg and the small rise in ADMA levels suggest that ADMA has no major role in the inhibition of eNOS activity. However, the distinct rise of SDMA after I/R-injury which is not influenced by RGZ could cause an intracellular lack of the NO-substrate L-Arg. Thus, one hypothizes that despite increased eNOS expression by RGZ the NO-production remains heavily impaired due to the intracellular lack of L-Arg which results from the SDMA-dependent regulation. This additionally might explain the only small effect of RGZ on renal function after I/R-injury. The L-Arginin-paradox describes the improvement of renal function during I/R-injury by adding L-Arg although the endothelial NO-synthase´s (eNOS) KM for the L-Arg substrate is already sufficient. SDMA could cause the rise of L-Arg serum-level and the intracellular lack of the substrate by blocking the L-Arg-transporters. This blockade could be overcome by the additional application of L-Arg. So the changes in serum SDMA level might moreover be a new explanation of the L-Arg-paradox.

Der gasförmige Neurotransmitter Stickstoffmonoxid (NO) spielt eine Rolle bei verschiedenen physiologischen Vorgängen, aber auch psychiatrischen Erkrankungen wie Aggression, Ängstlichkeit, Depression und auch bei kognitiven Funktionen. Um mehr über die physiologische Rolle von NO herauszufinden untersuchten wir mittels Gen-Expressionsanalyse und Verhaltensversuchen Mäuse, bei denen die neuronale Isoform der Stickstoffmonoxidsynthase ausgeschaltet wurde. Die so genannte NOS-I ist die hauptsächliche Quelle von NO im zentralen Nervensystem. Knockout Tiere sind wertvolle Werkzeuge um sowohl den Einfluss eines Gens auf Verhalten als auch möglicherweise damit zusammenhängende Veränderungen des Transkriptoms zu identifizieren. Dies ist wichtig um herauszufinden, mit welchen molekularen Pfaden bestimmte Verhaltensweisen korreliert sind. In Bezug auf NOS-I gibt es zwei bisher beschriebene Knockout Mäuse Stämme. Es existieren KOex6 Knockout Mäuse, in welchen es überhaupt keine katalytisch aktive NOS-I gibt und es gibt einen Mausstamm, bei dem Exon 1 deletiert wurde, was aufgrund alternativer NOS-I Splicevarianten zu einer residualen Expression von bis zu 7% führt. Daher sind diese Mäsue besser zutreffend als Knockdown Mäuse zu bezeichnen. In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir die Nos1 Knockdown Mäuse, da die hier vorliegende Situation wohl ähnlicher zu der bei menschlicher genetischer Varianten ist, da eine komplette Disruption bisher noch nicht beim Menschen beschrieben wurde. Es gibt diverse Studien, welche den behaviouralen Phänotyp der Nos1 Knockdown Mäuse untersuchen, aber diese widersprechen sich zum Teil. Bei unserer Untersuchung legten wir den Schwerpunkt auf Verhaltenstests, welche spezifische Symptome des Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) aufdecken sollten. Wir führten den Elevated Plus Maze Test (EPM) und ein modifiziertes Lochbrett-Paradigma, die COGITAT-Box, durch. Um die den gefundenen Verhaltensänderungen zugrunde liegenden molekularen Mechanismen herauszufinden, suchten wir nach Unterschieden der Expression des Serotonin- (5HTT) und des Dopamintransporters (DAT) zwischen den Knockdown und den Wildtyp Mäusen. Wir hatten spekuliert, dass die Disruption der NOS-I zu einer modifizierten Expression des DAT oder des 5HTT geführt habe könnte wegen den bekannten engen Interaktionen zwischen dem nitrinergen und den monoaminergen Systemen. Wir fanden einen diskret anxiolytischen Phänotyp, da die Knockdown Mäuse eine längere Zeit auf dem offenen Arm des EPM verbrachten bzw. häufiger den offenen Arm betraten im Vergleich zu dem Wildtypen. Dies war nicht durch eine höhere lokomotorische Aktivität zu erklären. Auch beobachteten wir ein geschlechterunabhängiges kognitives Defizit im Arbeits- und Referenzgedächtnis in der COGITAT-Box. Überraschenderweise fanden wir keine signifikante Dysregulation der Monoamin-Transporter in der Expressionsanalyse mittels der quantitativen Real Time PCR. Dies war eher unerwartet, da vorherige Studien verschiedene Veränderungen im serotonergen und dopaminergen System bei den Nos1 Knockdown Mäusen gefunden hatten, wie z.B. einen verminderten Serotonin-Umsatz in frontalen Cortex und hypofunktionale 5 HT1A and 5HT1B Rezeptoren. Auch ist bekannt, dass NO direkt Monoamin-Transporter nitrosyliert. Zusammenfassend zeigen die Nos1 Knockdown Mäuse ein charakteristisches behaviourales Profil mit reduzierter Ängstlichkeit und Defiziten im Gedächtnis. Weitere Studien sollten folgen um zu klären, ob diese Mäuse als Tiermodell für z.B. die Alzheimer-Erkrankung oder das Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndrom dienen könnten und die weitere pathophysiologische Rolle des NO bei neuropsychiatrischen Erkrankungen herauszufinden. / The gaseous messenger nitric oxide (NO) has been implicated in a wide range of behaviours, including aggression, anxiety, depression and cognitive functioning. To further elucidate the physiological role of NO and its down-stream mechanisms, we conducted behavioral and expressional phenotyping of mice lacking the neuronal isoform of nitric oxide synthase (NOS1), the major source of NO in the central nervous system. Knockout animals are valuable tools to identify both the behavioural impact of a given gene, as well as subsequent changes of the transcriptome to correlate behaviour to molecular pathways. With respect to NOS-I, two genetically modified mouse strains have been described in the literature. There are the KOex6 knockout mice in which you find a complete absence of catalytically active NOS-I and previously generated animals with a targeted deletion of exon 1 which show a residual NOS-I expression up to 7% rendering those mice actually Nos1 knockdown animals. In this study we used the knockdown animals because this situation seems to be more closely to human genetic variation, since a complete disruption of the gene has not yet been described in man. There a several studies on the behavioural phenotype of these animals but they are in part contradictory. In our investigations we had a special emphasis on ADHD-relevant tests, we performed the Elevated Plus Maze and a modified holeboard paradigm, the COGITAT Box. To further examine the underlying molecular mechanisms, we searched for differences in the expression of the serotonine and the dopamine transporter between the knockdown and the wildtype mice because we had speculated that disruption of the NOS-I might lead to a modified expression of the DAT or the 5HTT because of the tight interactions of NO and both the serotonergic as well as the dopaminergic system. A subtle anxiolytic phenotype was observed, with knockdown mice displaying a higher open arm time in the Elevated Plus Maze (student's t-test p>0.05) as compared to their respective wildtypes which was not caused by a higher locomotor acivity. Also there was gender-independent cognitive impairment in spatial learning and memory, as assessed by an automatized holeboard paradigm, the COGITAT Box. Here the working memory error and the reference memory error were in parts significantly different between knockdown animals and their respective wildtypes. Surprisingly no significant dysregulation of monoamine transporters was evidenced by qRT PCR. This we did not expect because of previous findings in Nos1 knockout mice that showed for example a reduced 5 HT turnover in the frontal cortex along with a concomitant increase in frontal 5-HT as well as 5 HT1A and 5HT1B receptor hypofunctioning and the fact that NO directly nitrosylates monoamine transporters. Taken together, Nos1 knockdown mice display a characteristic behavioural profile consisting of reduced anxiety and impaired learning and memory. Further research has to assess the value of these mice as animal models e.g. for Alzheimer’s disease or attention deficit disorder, in order to clarify a possible pathophysiological role of NO therein.