In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion kardialer beta-adrenerger Rezeptoren mit Hilfe einer Kombination aus transgenen Mausmodellen und physiologischen und molekularbiologischen Methoden untersucht. Durch gezielte Überexpression des humanen beta1-adrenergen Rezeptors im Herzen transgener Mäuse konnte gezeigt werden, daß die chronische Aktivierung dieses Rezeptors eine trophische Wirkung auf die Herzmuskelzellen hat. Über einen Zeitraum von mehreren Monaten führte dies zur Entwicklung einer Herzinsuffizienz. In der menschlichen Herzinsuffizienz kommt es zu einem ähnlichen Phänomen: Durch deutlich erhöhte Freisetzung von endogenen Katecholaminen kommt es zu einer chronischen Dauerstimulation kardialer beta1-adrenerger Rezeptoren. Daß diese schädlich ist belegen das hier beschriebene Mausmodell und zudem einige neuere klinische Studien, die zeigen daß eine pharmakologische Blockade beta-adrenerger Rezeptoren zu einer Verminderung der Herzinsuffizienzmortalität führt. Dieses Mausmodell erlaubte es erstmals den beta1-adrenergen Rezeptor hinsichtlich seiner spontanen Rezeptoraktivität in einem physiologischen Modell zu untersuchen. Dabei zeigte sich, daß der humane beta1-adrenerge Rezeptor spontane Aktivität aufweist, jedoch in einem deutlich geringeren Ausmaß als der beta2-adrenerge Rezeptor. Dies könnte klinisch relevant sein, da klinisch verwendete beta-Rezeptor-Antagonisten die spontane Aktivität des beta1-adrenergen Rezeptors in unserem Modell unterschiedlich stark unterdrückten. In der vorliegenden Arbeit wurde zudem untersucht, ob sich die beiden kardial exprimierten Beta-Rezeptor-Subtypen Beta1 und Beta2 hinsichtlich ihrer Signaltransduktion unterscheiden. Ausgehend von dem Befund, daß die chronische Aktivierung der beiden Subtypen in transgenen Mausmodellen zu deutlich unterschiedlichen Phänotypen führt, wurden verschiedene intrazelluläre Signalwege auf ihre Aktivierung hin überprüft. Abweichend von publizierten, in vitro nach kurzzeitiger Rezeptorstimulation erhobenen Daten zeigte sich, daß die chronische Aktivierung der Rezeptorsubtypen zu einer unterschiedlichen Aktivierung der kardialen MAP-kinasen (ERK) führt. Die beta1-spezifische Aktivierung dieser Kinasen könnte die beobachtete unterschiedliche Hypertrophieentwicklung in diesen beiden Mausmodellen erklären. Einen weiteren Schwerpunkt bei der Aufklärung des Mechanismus beta-adrenerg induzierter Hypertrophie bildete die Untersuchung der zellulären Calcium-homöostase. Als früheste funktionelle Veränderung in der Entwicklung einer beta-adrenerg induzierten Herzhypertrophie und -insuffizienz trat dabei eine Störung des intrazellulären Calciumtransienten auf. Als möglicher Mechanismus für die Störung des Calciumhaushalts konnte eine zeitgleich auftretende veränderte Expression des Calcium-regulierenden Proteins Junctin beschrieben werden. Einen neuen therapeutischen Ansatz für die Therapie der Herzinsuffizienz könnten schließlich vielleicht die Untersuchungen zum kardialen Na/H-austauscher ergeben: Es konnte erstmals gezeigt werden, daß der kardiale Na/H-Austauscher maßgeblich an der beta-adrenerg induzierten Herzhypertrophie- und Fibrose-entstehung beteiligt ist und daß die pharmakologische Inhibition dieses Proteins sowohl Hypertrophie als auch die Fibrose wirksam unterdrücken kann.

Integration and expression of exogenous genetic material – in particular, transgenes – into the genomes of model organisms, cell lines or patients is widely used for the creation of genetically modified experimental systems and gene therapy. However, loss of transgene expression due to silencing is still a major hurdle which remains to be overcome. Judicious selection of integration loci can help alleviate the risk of silencing; in recent years the ability to efficiently and specifically target transgene integration has been improved by the advent of site-specific nucleases (SSNs). SSNs can be used to generate double strand breaks (DSBs) in a targeted manner, which increases the efficiency of homologous recombination (HR) mediated transgene integration into predetermined loci. In this work I investigate four human genomic loci for their potential to act as transgene integration sites which will support robust long term expression: the adeno-associated virus (AAV) integration site 1 (AAVS1); the human homologue of the mouse Rosa26 locus (hROSA26); the inosine monophosphate dehydrogenase 2 (IMPDH2) gene and the eukaryotic translation elongation factor 1 alpha 1 (EEF1A1) gene. I also investigate the potential of creating a novel drug-selectable transgene integration system at the IMPDH2 locus to allow for rapid and specific selection of correctly inserted transgenes. In addition to their ability to drive targeted transgene integration, SSNs can be harnessed to specifically disrupt gene function through indel formation following erroneous repair of the induced DSB. Using this strategy, I aimed to answer some important biological questions about eukaryotic translation elongation factor 1 alpha (eEF1A); eEF1A is responsible for providing aminoacylated tRNAs to the ribosome during the elongation phase of protein synthesis. Humans and other vertebrates express two isoforms, eEF1A1 and eEF1A2 (encoded by EEF1A1 and EEF1A2 respectively). During development eEF1A1 is replaced by eEF1A2 in some tissues. The reasons for this remain elusive, but one explanation may lie in the moonlighting functions of eEF1A1, which may not be shared by eEF1A2. Additionally, eEF1A2 can act as an oncogene, while there is no evidence that eEF1A1 is overexpressed in tumours. To begin to untangle these issues I targeted EEF1A1 using SSNs with the aim of making a cell line expressing only the eEF1A2 isoform. This work suggests that eEF1A1 may be essential even in the presence of eEF1A2, though further studies will be required to confirm this.

Habilitation - Universität, München, 1998.

Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2009

Genetically modified (GM) canola (Brassica napus L.) has been widely adopted in Canada since its commercial release in 1995 and now represents over 85% of the canola grown in western Canada. Concurrently, GM canola volunteers have become an increasing management problem in cultivated fields and are ubiquitous in adjacent ruderal (non-cropped disturbed) habitats. However, systematic post-release monitoring is lacking and the ecological and agronomic impacts of escaped GM canola are poorly understood. In this dissertation, I characterize the escape, demography and distribution of GM canola in ruderal habitats in southern Manitoba, at multiple spatial and temporal scales. I characterized GM herbicide tolerance traits in 16 escaped canola populations. The progeny of 129 plants were tested in herbicide trials; 74% of plants produced glyphosate-tolerant progeny, 63% produced glufosinate-tolerant progeny, and 34% produced multiple herbicide-tolerant progeny as a result of gene flow between escaped plants. At the population-scale, four escaped GM canola populations were monitored and periodic matrix models were constructed to describe the dynamics and persistence of flowering plants. Escaped populations were observed to flower in synchrony with adjacent crops and were projected to persist for 2 to 5 years, confirming the potential for gene flow between escaped and cultivated canola populations. At the landscape-scale, the distribution of escaped canola was surveyed in three agricultural regions. Regional factors were important determinants of distribution; escaped canola density was positively correlated with canola cropping intensity and with traffic intensity, and was negatively correlated with distance to grain distribution centres. Local seed dispersal had negligible impact on distribution compared to landscape-scale anthropogenic seed inputs resulting from agricultural transport. These findings suggest that escaped canola persists as a metapopulation, where long-distance dispersal and colonization compensate for frequent extinction of local populations. Escaped populations play an important role in the persistence and spread of GM traits at large spatial scales, with substantial implications for the coexistence of GM and non-GM crops, and especially for organic and reduced-tillage farming operations. Landscape-scale management approaches, designed and implemented collaboratively by multiple stakeholders, are necessary to mitigate the risks of contamination resulting from GM trait escape. Regulation and ongoing monitoring of GM crops must acknowledge and address the dynamic regional nature of seed- and pollen-mediated gene flow.

Genetically modified (GM) canola (Brassica napus L.) has been widely adopted in Canada since its commercial release in 1995 and now represents over 85% of the canola grown in western Canada. Concurrently, GM canola volunteers have become an increasing management problem in cultivated fields and are ubiquitous in adjacent ruderal (non-cropped disturbed) habitats. However, systematic post-release monitoring is lacking and the ecological and agronomic impacts of escaped GM canola are poorly understood. In this dissertation, I characterize the escape, demography and distribution of GM canola in ruderal habitats in southern Manitoba, at multiple spatial and temporal scales. I characterized GM herbicide tolerance traits in 16 escaped canola populations. The progeny of 129 plants were tested in herbicide trials; 74% of plants produced glyphosate-tolerant progeny, 63% produced glufosinate-tolerant progeny, and 34% produced multiple herbicide-tolerant progeny as a result of gene flow between escaped plants. At the population-scale, four escaped GM canola populations were monitored and periodic matrix models were constructed to describe the dynamics and persistence of flowering plants. Escaped populations were observed to flower in synchrony with adjacent crops and were projected to persist for 2 to 5 years, confirming the potential for gene flow between escaped and cultivated canola populations. At the landscape-scale, the distribution of escaped canola was surveyed in three agricultural regions. Regional factors were important determinants of distribution; escaped canola density was positively correlated with canola cropping intensity and with traffic intensity, and was negatively correlated with distance to grain distribution centres. Local seed dispersal had negligible impact on distribution compared to landscape-scale anthropogenic seed inputs resulting from agricultural transport. These findings suggest that escaped canola persists as a metapopulation, where long-distance dispersal and colonization compensate for frequent extinction of local populations. Escaped populations play an important role in the persistence and spread of GM traits at large spatial scales, with substantial implications for the coexistence of GM and non-GM crops, and especially for organic and reduced-tillage farming operations. Landscape-scale management approaches, designed and implemented collaboratively by multiple stakeholders, are necessary to mitigate the risks of contamination resulting from GM trait escape. Regulation and ongoing monitoring of GM crops must acknowledge and address the dynamic regional nature of seed- and pollen-mediated gene flow.

Die Alzheimersche Erkrankung (AD) ist die häufigste Demenzerkrankung bei älteren Menschen in den westlichen Industriestaaten mit ständig wachsender Zahl der Erkrankten. Trotz angestrengter wissenschaftlicher und medizinischer Forschung ist u. a. noch keine Möglichkeit der klinischen Frühdiagnose dieser Erkrankung etabliert. In der vorliegenden Arbeit wurden am transgenen Mausmodell Tg2576 mit beta-Amyloidplaque-Pathologie cholinerge und adrenerge Parameter sowie Einfluss-größen des Energiestoffwechsels untersucht, um transgen-induzierte neuro-chemische bzw. neuromorphologische Veränderungen im Hirngewebe zu erkennen. Außerdem sollte die Möglichkeit einer ex vivo Markierung solcher Moleküle getestet werden, von denen eine besondere Bindungsaffinität an beta-Amyloidablagerungen bereits bekannt ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, diese Mauslinie weiterhin hinsichtlich ihres Modellcharakters für die Alzheimersche Erkrankung zu beschreiben und potenzielle Plaque-assoziierte Markermoleküle aufzufinden, die einen in vivo Nachweis der b-Amyloidablagerungen erlauben. Die so gewonnenen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuer Strategien zur Frühdiagnostik der Alzheimerschen Erkrankung beitragen. Genutzt wurden dazu v. a. die biochemischen Methoden der Rezeptorautoradiografie und der Immunhistochemie sowie der in situ Hybridisierung als molekularbiologische Methode. Weiterhin wurde eine radiochemische Methode zur ex vivo Darstellung der Azetylcholinesterase getestet. Bei der Untersuchung des cholinergen Systems konnte eine signifikante Verringerung in der [3H]Hemicholinium-3-Bindung (als Marker des hoch affinen Cholintransporters) bei den fünf Monate alten transgenen Mäusen im Vergleich zu deren nicht transgenen Wurfgeschwistern festgestellt werden. Es wird hier von einem modulatorischen Effekt des löslichen beta-Amyloids ausgegangen, da die jüngeren Tiere noch keine Plaqueablagerungen aufweisen, die Ursache solcher Veränderungen sein könnten. Beim vesikulären Azetylcholintransposter (VAChT) konnte eine signifikante Erhöhung in der [3H]Vesamicol-Bindung bei 17 Monate alten transgenen Mäusen im Vergleich zu nicht transgenen Geschwistertieren beobachtet werden, obwohl der gegenteilige Fall erwartet wurde. Das Ergebnis wird als Ausdruck einer erhöhten Vesikeldichte interpretiert. Die immunhistochemische Untersuchung der a4- und a7-Untereinheiten der nikoti-nischen Azetylcholinrezeptoren ergab, dass die beta-Amyloidplaqueablagerung keinen Einfluss auf morphologische Veränderungen der Neuronen hatte, die diese Rezep-toren tragen. Es gab keine Hinweise, dass solche Neuronen degenerieren. Hinsichtlich der untersuchten Parameter des Glukosestoffwechsels konnten keine Veränderungen zwischen transgenen Tieren und nicht transgenen Wurfgeschwistern festgestellt werden. Bei der Verteilung der Hirnkapillaren konnte eine verringerte Dichte in unmittelbarer Umgebung der b-Amyloidplaques, verglichen mit weiter entfernt liegenden Gebieten, ermittelt werden. Dieser Befund bedarf weiterer Unter-suchungen, da er Relevanz für die in vivo Diagnostik und Therapie besitzen könnte. Im Vergleich mit den zwar oft nicht einheitlichen Befunden bei Alzheimerpatienten wird deutlich, dass das Mausmodell Tg2576 als Modell der Alzheimerschen Erkrankung nicht alle Aspekte der Pathogenese simuliert. Übereinstimmungen ergeben sich bei dieser transgenen Maus hinsichtlich der beta-Amyloidproduktion und -ablagerung im Hirn und den auch beim Menschen vorkommenden entzündlichen Reaktion um die Plaques. Damit kann sie als geeignetes Modell zum Studium der Amyloidogenese und damit verbundener inflammatorischer Prozesse angesehen werden. / Alzheimer´s Disease (AD) is the most common form of dementia among the elderly in the Western world, with growing prevalence. In spite of intensive scientific and medical research, no possibility of early clinical diagnosis for this disease has yet been established. In this thesis cholinergic and adrenergic parameters, as well as energy metabolism, were studied in the transgenic mouse model Tg2576, to reveal transgene-induced neurochemical and neuromorphological changes in the brain tissue of these animals. Also, the ex vivo labelling of marker molecules with a known high affinity for beta-amyloid was to be tested. The objective was to further characterize the Tg2576 mouse strain as a model of AD, and to find plaque-associated marker molecules which could be used for the in vivo detection of b-amyloid plaques. Such findings could contribute to the development of new stategies for the early diagnosis of AD. Quantitative receptor autoradiography, immunohistochemistry and in situ hybridization were the main biochemical and molecular biological methods employed. Furthermore, a radiochemical method was used for ex vivo labelling of acetylcholinesterase. The 5 month-old transgenic mice, with no significant plaque load, demonstrated reduced [3H]hemicholinium-3 binding to choline uptake sites in anterior brain regions, as compared to non-transgenic littermates. This provides evidence of the modulatory effect of soluble beta-amyloid on high affinity choline uptake sites. However, a significant increase of [3H]vesamicol receptor binding to the vesicular acetylcholine transporter was detected in 17 month-old transgenic animals, as compared to non-transgenic mice. Even though the opposite was expected, the result could be interpreted as an elevated vesicle density. The immunhistochemical studies of a4 and a7 subunits of the nicotinic acetylcholine receptor revealed that neurons expressing these receptors do not undergo morphological changes in close proximity to beta-amyloid plaques. There was no sign of degeneration in these neurons. Concerning the examined parameters of glucose metabolism, no changes between transgenic animals and non-transgenic littermates were detected. This observation is in accordance with the data available in the literature, but in contrast to findings in AD patients. The density of brain capillaries in close vicinity of beta-amyloid plaques, compared to a more distant surrounding, is reduced. This finding needs further examination because it could be relevant for in vivo diagnosis and therapy. Comparing the transgenic Tg2576 mouse model to AD patients, it becomes apparent that the mouse model does not simulate all aspects of the pathogenesis of this disease. Consistent with the human disease this model is characterized by b-amyloid plaque production and deposition in the brain, as well as inflammatory processes around the plaques, which are also known in humans. Therefore, it represents a suitable model to study amyloidogenesis and inflammation.

Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2005

Freie Universiẗat, Diss., 2007--Berlin.

Freie Univ., Diss.--Berlin, 1997.