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Funktionelle Analyse des Polymorphismus im Promotor des 24-Hydroxylase-Gens Ziel dieser Arbeit war es, in der Arbeitsgruppe eindeutig nachgewiesene Polymorphismen im Promotor des 24Hydroxylasegens, auf eine funktionelle Relevanz zu untersuchen. Die Substrate des Enzyms CYP24 sind 1,25(OH)2D3 und 25(OH)D3. Die entsprechenden Produkte der Katalyse sind 1,24,25(OH)3D3 und 24,25(OH)2D3. Über das erste Produkt wird das hochpotente 1,25(OH)2D3 im Sinne einer negativen Rückkopplung abgebaut. Dem zweiten Produkt 24,25(OH)2D3, konnte die Funktion als Botenstoff in der Knochenheilung und -entstehung nachgewiesen werden. Detailliertere Ergebnisse gibt es insbesondere für Chondrozyten in der Ruhezone der Epiphysefuge. Der Promotor des CYP24-Gens ist mit zwei Vitamin D-responsiven Elementen (VDREs) ausgestattet, welche die Transkriptionsrate des Gens in Anwesenheit von 1,25(OH)2D3 schnell und deutlich steigern. In einer poly-A-Strecke, die 488bp upstream des Transkriptionsstarts auffiel, konnte ein Polymorphismus nachgewiesen werden, die häufigsten Allele wurden als +A, +2A, und +C5AC bezeichnet. Mittels PCR wurden aus humaner, genomischer DNA, 672-680bp lange Promotorfragmente mit TATA-box, den beiden bekannten VDREs und dem polymorphen Bereich hergestellt. Diese Promotorfragmente wurden in den pGL3 Basic Vektor (ein für Luziferase kodierendes Plasmid ohne Promotor) kloniert und die Sequenz dieser Vektor-Promotorkonstrukte durch Fragmentanalyse und Sequenzierung kontrolliert. Die Vektor-Promotorkonstrukte wurden dann mittels Elektroporation in hFOB und T/C28 Zellen transfiziert. Es wurden Versuchsreihen unter basalen Bedingungen und unter Stimulation mit1,25(OH)2D3 durchgeführt. Anhand von Kontrollkonstrukten konnte die Spezifität der Promotoraktivität gezeigt werden. Für die Promotoren, die das Allel +A enthielten, konnte eine Verdoppelung und für die mit dem Allel +2A eine Verdreifachung der Luziferaseaktivität gezeigt werden. Das Allel +C5AC wies ähnliche Promotoraktivitäten wie der Wildtyp auf. Unter Stimulation mit 1,25(OH)2D3 war in allen Konstrukten mit einem Promotor in korrekter Orientierung eine mindestens dreifache Steigerung der Luziferaseaktivität zu messen. Sowohl Abwesenheit als auch in Anwesenheit von 1,25(OH)2D3 wird die Aktivität des Promotors des CYP24-Gens durch die Allele +A und +2A signifikant (p<0,001) gesteigert. Demzufolge könnte der Polymorphismus auch unter physiologischen Bedingungen Einfluss auf die Transkriptionsrate des CYP24-Gens haben. Da die CYP24-Aktivität vor allem über die Transkription reguliert wird, müsste durch den beschriebenen Polymorphismus die Aktivität des Enzyms in vivo gesteigert werden. In Folge könnte es lokal oder systemisch zu niedrigeren 1,25(OH)2D3- oder erhöhten 24,25(OH)2D3-Spiegeln kommen. Potentielle Bedeutung hat dieser Befund in der Pathogenese von Osteoporose, dem Prostatakarzinom oder anderen Erkrankungen die mit veränderten 1,25(OH)2D3 Aktivitäten einhergehen. Gegenwärtig wird bereits nach SNPs gefahndet die mit dem beschriebenen Polymorphismus assoziiert sind, um Untersuchungen von größeren Kollektiven auf diesen Polymorphismus hin zu erleichtern. Bell et al. konnten Veränderungen von CYP24-aktivitäten in Fibroblastenkulturen in Abhängigkeit von ethnischer Herkunft zeigen. Möglicherweise könnte das CYP24-Gen eines von zahlreichen Kandidatengenen sein, die bei der Entstehung von Osteoporose von Relevanz sind, und in ein System zur Risikoanalyse mit einfließen. Es könnten zum Beispiel über den Einsatz von zu entwickelnden „Single Nucleotid Polymorphims Gen-Chips“ solche Risikoprofile relativ einfach erstellt werden. In Folge könnten sowohl in der Prophylaxe als auch in der Therapie von Osteoporose neue Möglichkeiten geschaffen und neue Perspektiven eröffnen werden. / Functional analysis of the polymorphism in the promotor of the 24-Hydroxylase gene Aim: A functional characterisation of the Polymorphism in the promotor of the 24-hydroxylase (CYP24) gene. The enzyme CYP24 initiates the degradation of the active vitamin D metabolite 1,25(OH)D3 as well as catalysing the production of 24,25(OH)D3, an active metabolite bone metabolism. If the polymorphism influenced the activity of CYP24, local or systemic levels of vitamin D could be altered or bone metabolism disturbed by varying 24,25(OH)D3 levels. The polymorphism could a factor in the pathogenesis of osteoporosis or other diseases of the skeletal system. Methods: Four different alleles of the polymorphism in the promotor of the CYP24 gene (WT, +A, +2A and +C5AC) as well as controls were amplified using PCR and cloned into a luciferase assay vector (pgl3-basic). Using electroporation the vector was transfected into two different cell systems, h-fob cells (human Osteoblasts) and T/C28a2 cells (human Chondrocytes). The cells were cultivated with and without the influence of vitamin D. The promotor activity was quantified using the luciferase assay. Results: By comparison with the controls a specific promotor activity could be demonstrated. For the allele +A a two fold increase and for the allele +2A a three fold increase in promotor activity compared to the wild type promotor was measured (p<0,001). The allele +C5AC showed no significant influence on the promotor activity. Under influence of vitamin D promotor activity was increase at least three times as high as in the basic setting. Discussion: Since the activity of the enzyme CYP24 is controlled mainly by the rate of transcription, the polymorphism in the promotor of the gene could influence CYP24 activity in vivo. The result could be a local or systemic decrease of 1,25(OH)D3 levels or increase of 24,25(OH)D3 levels. The polymorphism might therefore be relevant in the pathogenesis of osteoporosis, prostate cancer or other diseases associated with decreased levels of vitamin D.

Bei Dialysepatienten sind vermehrte Genomschäden bekannt, sie unterliegen auch einer erhöhten Karzinominzidenz. Erhöhte Genomschäden können in vivo durch die Substitution von Folsäure reduziert werden, unter Gabe von Vitamin B12 sinkt die Empfindlichkeit gegenüber genotoxischen Agentien. 27 Dialysepatienten nahmen an dieser Studie teil. Die 9 Patienten der Substitutions-gruppe Folsäure erhielten dreimal wöchentlich 15 mg Folsäure intravenös, den 10 Patienten der Substitutionsgruppe Folsäure + Vitamin B12 wurde zusätzlich einmal wöchentlich 1000 µg Vitamin B12 intravenös verabreicht. 8 Dialysepatienten und 7 nicht dialysepflichtige Probanden dienten als Kontrolle. Zu drei Zeitpunkten vor und drei Zeitpunkten nach Substitutionsbeginn wurden die Mikrokernfrequenzen in peripheren, doppelkernigen Lymphozyten bestimmt. Mikro-kerne dienen als Marker für Genomschäden, die Methode ist gut erprobt und es ist ein Zusammenhang zwischen erhöhten Mikrokernfrequenzen und einer prospektiv erhöhten Karzinominzidenz beschrieben. Weiterhin wurden die Homocystein-Plasmaspiegel vor und nach Substitutionsbeginn gemessen. Homocystein zählt zu den Urämietoxinen, in vitro steigt bei erhöhten Homocysteinwerten dosisabhängig der Genomschaden in Form von Mikrokernen an. Vor Substitutionsbeginn wiesen die Dialysepatienten um ein mehrfaches gegenüber den Referenzwerten erhöhte Mikrokernfrequenzen auf, wobei die Mikrokernfrequenzen der Frauen deutlich über denen der Männer lagen. Mit zunehmender Dialysedauer kam es zu einer Reduktion der Mikrokernfrequenz, wobei diese immer noch gegenüber den Referenzwerten erhöht blieb. Unter Gabe von Folsäure + Vitamin B12 kam es zu einem signifikant stärkeren Rückgang der Mikrokernfrequenz als unter alleiniger Folsäuregabe. Dieser Rückgang unter Vitaminsubstitution nahm mit zunehmendem Dialysealter zunächst zu, bei einer Dialysedauer von länger als 10 Jahren nahm er wieder ab. Die Homocysteinspiegel waren vor Substitutionsbeginn deutlich erhöht. Unter kombinierter Gabe von Folsäure und Vitamin B12 kam es zu einer signifikanten Reduktion der Homocysteinwerte, so dass diese sogar unterhalb der im Normbereich liegenden Homocysteinwerte der nicht dialysepflichtigen Kontrollgruppe lagen. Ob die in der Studie vielversprechende kombinierte Substitution von Folsäure und Vitamin B12 tatsächlich das Krebsrisiko von Dialysepatienten beeinflussen kann, wird nur durch prospektive Langzeitstudien zu klären sein. Ebenfalls werden weitere Studien nötig sein, um die optimale Dosis, welche möglicherweise in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht, Dialysedauer und Grunderkrankung variieren kann, zu ermitteln. Weitere Vorteile einer therapeutischen Gabe von Folsäure und Vitamin B12 liegen sicherlich einerseits in den vergleichsweise geringen Kosten und andererseits in der guten Verträglichkeit, welche für die Compliance der Patienten von großer Bedeutung ist. / A reduction of genomic damage in PBL can be achieved in dialysis patients by supplementation with folic acid and vitamin b12. This may be mediated by a combination of homocsteine reduction and enhancement of plasma antioxidant capacity.

Im Jahre 2004 wurden in unserem Labor zwei Gene einer neuen Proteinfamilie kloniert, deren Charakterisierung seither im Gange ist. Das eine Protein, VKORC1, konnte durch Mutationsanalysen und biochemische Untersuchungen als eine zentrale Komponente des so genannten Vitamin K-Zyklus identifiziert werden. Vitamin K wird für die &#947;-Carboxylierung der Vitamin K-abhängigen Proteine wie z.B. der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X als Cofaktor der &#947;-Glutamyl-Carboxylase benötigt. Da Vitamin K essentiell ist, wird seine Epoxidform vom Organismus wieder in eine physiologisch aktive Hydrochinon-Form überführt. Für diese Reaktion wird die Vitamin K-Epoxid-Reduktase (VKORC1) benötigt. Mutationen in VKORC1 führen einerseits zu einem erblich bedingten Mangel an Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren vom Typ 2 (VKCFD2) mit starken Blutungen durch eine nicht oder nur unvollständig ablaufende Blutgerinnung. Das VKORC1 ist andererseits auch das Ziel von Medikamenten der Coumaringruppe, der sog. Vitamin K-Antagonisten, die zur Verhinderung einer unzeitigen Gerinnung eingesetzt werden. In höheren Dosen wird diese Substanzklasse als Rattenbekämpfungsmittel eingesetzt. Bei manchen Rattenpopulationen, aber auch bei einigen Patienten, ist die Wirksamkeit der Coumarine durch bestimmte Mutationen im VKORC1-Protein, welche eine Warfarinresistenz hervorrufen, erheblich eingeschränkt. Zu diesem VKORC1 existiert ein paraloges Protein, das Vitamin K-Epoxid-Reduktase Komplex 1-like 1 Protein (VKORC1L1), dessen Funktion bislang unbekannt ist und welches Gegenstand der vorliegenden Arbeit war. Es wurden unterschiedliche Methoden angewandt, um das VKORC1L1-Protein zu charakterisieren und seine mögliche Funktion(en) aufzuklären. Zum einen sollte die Herstellung einer Knockout-Maus dazu dienen, durch den erhaltenen Phänotyp Hinweise auf die mögliche physiologische Aufgabe zu erhalten. Allerdings gelangten die Versuche nur bis zur Generierung der Chimären, so dass dieses Teilprojekt nicht zum Abschluss gebracht werden konnte. Die biochemische Charakterisierung des Proteins zeigte eine Expression des VKORC1L1-Gens in allen untersuchten Geweben, wobei keine starke Expression für ein bestimmtes Gewebe ermittelt werden konnte. Es konnte gezeigt werden, dass das Protein Vitamin K-Epoxid auf gleiche Weise wie das VKORC1 recyceln kann und durch Warfarin gehemmt wird. Einige der in eingeführten VKORC1L1 Mutationen vermitteln darüber hinaus eine Warfarinresistenz. Des Weiteren wurden Enzymkinetiken für die Spezies Maus und Ratte sowie für die Stachelmaus erstellt. Die erhaltenen Werte für die Michaelis-Menten-Konstante und die Maximalgeschwindigkeit sind untereinander sehr ähnlich und sprechen für eine Oxido-Reduktase-Aktivität des VKORC1L1-Proteins. Bioinformatische Analysen konzentrierten sich auf die Aufklärung von konservierten Aminosäureresten im VKORC1L1. Dadurch konnten funktionell wichtige Positionen des Proteins ermittelt werden. Ein evolutiver Stammbaum konnte weiterhin zeigen, dass die paralogen Proteine VKORC1 und VKORC1L1 sehr wahrscheinlich aus einem gemeinsamen Vorläuferprotein bei der Entwicklung der Wirbeltiere aus einer Duplikation entstanden sind und nach der Entstehung der Landwirbeltiere ihre spezifischen Funktionen ausgebildet haben. Ein Homologievergleich zwischen den humanen Chromosomen 7 und 16 und den jeweiligen Chromosomen verschiedener Spezies zeigte, dass sich nach der Duplikation die Gene für das VKORC1 und das VKORC1L1 bei fast allen betrachteten Spezies unabhängig voneinander auf verschiedenen Chromosomen evolutiv entwickelt haben. Dies ist ein weiteres Indiz dafür, dass die Duplikation schon sehr lange zurück liegt. / In 2004 two genes of a new protein family were cloned in our institute. Since then the characterization of this protein family is in progress. Through mutation and biochemical analyses one protein, VKORC1, could be identified as a central component of the so-called vitamin K cycle. Vitamin K is required as a cofactor of the &#947;-glutamyl carboxylase for the &#947;-carboxylation of the vitamin K-dependent proteins such as the coagulation factors II, VII, IX and X. As vitamin K is essential, the epoxide form is again transferred by the organism into a physiologically active hydrochinone form. For this reaction vitamin K epoxide reductase (VKORC1) is necessary. On the one hand mutations in VKORC1 lead to a hereditary combined deficiency of vitamin K-dependent clotting factors of type 2 (VKCFD2) with heavy bleedings because of missing or insufficient blood coagulation. On the other hand VKORC1 is also the target of medical treatment with the coumarin derivative group, the so-called vitamin K antagonists, which are used for preventing untimely coagulation. In higher doses this class of substances is used as rodenticides. In some rat populations as well as in case of some human patients the efficiency of the coumarins is considerably reduced through specific mutations in the VKORC1 protein leading to a warfarin resistance. There is a paralogue protein to VKORC1, the vitamin K epoxide reductase complex 1-like 1 protein (VKORC1L1), the function of which is not known so far and which is the subject of this study. Different methods have been applied in order to characterize the VKORC1L1-protein and to explain its potential functions. One the one hand, the creation of a knockout mouse was to give information on potential physiological tasks through its specific phenotype. The experiments, however, were only successful as far as the creation of chimeras was concerned. Thus, this part of the project could not be completed totally. The biochemical characterization showed an expression of the VKORC1L1-gene in all tissues examined. It was, however, not possible to find a strong expression for a specific tissue. We were able to show that the protein can recycle vitamin K epoxide in the same way as VKORC1 and that it is inhibited by warfarin. Some of the mutations within the VKORC1L1 lead to a warfarin resistance. Moreover, enzyme kinetics were applied for the mouse, rat and acomys species. The calculated values of the Michaelis-Menten constant and of the maximal speed Vmax are very similar to each other and support an oxido-reductase activity for the VKORC1L1-protein. Bioinformatic analyses were focused on the explanation of the conserved amino acids within VKORC1L1. So, functionally important positions could be determined. Moreover, an evolutionary life tree showed that the paralogue proteins VKORC1 and VKORC1L1 have probably been arisen from a common precursor protein by duplication when vertebrates developed and formed its specific functions after the tetrapod vertebrates came into being. A homological comparison between the human chromosomes 7 and 16 and the corresponding chromosomes of different species showed that the duplication of the genes for VKORC1 and VKORC1L1 evolved independently of each other on different chromosomes within all species examined. This is a further indication that the duplication took place a long time ago.

INTRODUCTION: In this study, we identified the association of Vitamin D with orthodontic tooth movement and the impact of Vitamin D 1,25OHD and 25OHD forms on osteoblast function. MATERIALS AND METHODS: This study is comprised of two parts; a clinical and a laboratory part. In part I, saliva samples were collected from orthodontic patients each month for the first six months of orthodontic treatment along with casts at the beginning and the end of the study period. The samples were measured for Vitamin D binding protein (VitDBP) and alkaline phosphatase (ALP) and correlated with clinical tooth movement using absolute change in irregularity index (II). In part II, osteoblasts were collected from the calvaria of 3-5 day old healthy wild-type mice and cultured with differing concentrations of 1,25OHD (1, 10 and 100nmol) and 25OHD (100, 200, 400 nmol). ALP, OPG, and RANKL were measured as outcomes of Vitamin D treatment of osteoblasts. Intracellular signaling in response to Vitamin D was assessed by identifying the phosphorylation of ERK 1/2, p38 and NLK in primary osteoblasts. RESULTS: Measurement of salivary Vitamin D binding protein (VitDBP) showed that both low (<2.75 ng/ml) and high (>6.48 ng/ml) logVitDBP were associated with reduced tooth movement. There was no significant correlation between ALP levels and orthodontic treatment. Significant seasonal changes in VitDBP using a two-season year model were found with lower levels noticed in the summer (Mar-Sept) than in the winter (Oct-Feb) at p<0.05. A decrease in OPG production with higher concentrations of 1,25OHD and 25OHD with a corresponding increase in RANKL levels in primary osteoblast cultures was found. Similar to the clinical findings, ALP levels were not significantly affected by increasing concentrations of both 1,25OHD and 25OHD. The ERK 1/2 showed upregulation in response to treatment with 1,25OHD and downregulation in response to treatment with 25OHD concentrations. Meanwhile, p38 and NLK were affected by 1,25OHD and not by 25OHD. CONCLUSIONS: Clinical outcomes of orthodontic treatment are associated with a range of optimal Vitamin D binding protein (VitDBP) as detected in saliva. Different forms of Vitamin D affect osteoblast response and signaling differently.

Das Secosterid Vitamin D3 wird durch die Nahrung aufgenommen oder im Organismus synthetisiert, wobei eine Reaktion in der Haut durch einen photochemischen Prozess katalysiert wird.Durch zwei Hydroxylierungsschritte in Leber und Niere wird Vitamin D3 über 25(OH) Vitamin D3 zum aktiven 1,25(OH)2 Vitamin D3-Hormon. 1,25(OH)2 Vitamin D3 hat eine wichtige Funktion im Knochenstoffwechsel, es reguliert die Ca2+-Resorption im Dünndarm. Die 1,25(OH)2 Vitamin D3-Synthese in der Niere wird durch Parathormon (PTH) kontrolliert. Ist die Serum Ca2+-Konzentration niedrig, wird PTH ausgeschüttet und die 1a-Hydroxylase, das 25(OH) Vitamin D3-aktivierende Enzym, stimuliert. Das Prinzip der (Seco)steroid-Aktivierung und -Inaktivierung in glandulären Organen, wie Leber und Niere mit anschließender Freisetzung der aktiven Hormone und Transport zu den jeweiligen Zielgeweben gilt heute nicht mehr uneingeschränkt. Auch Einzelzellen sind in der Lage Steroid-modifizierende Enzyme, die Hydroxylasen und Dehydrogenasen, zu exprimieren. Monozytäre Zellen exprimieren das 1,25(OH)2 Vitamin D3-aktivierende und das -inaktivierende Enzym, die 1a-Hydroxylase und die 24-Hydroxylase. Sie sind somit in der Lage, 1,25(OH)2 Vitamin D3 zu sezernieren, welches parakrin auf Nachbarzellen wirken kann. In diesem Zusammenhang wurde die Expression und Regulation der 1a-Hydroxylase in peripheren Blutmonozyten (PBM) und monozytären THP1-Zellen untersucht. Durch Supplementation der Zellen mit dem Substrat 25(OH) Vitamin D3 konnte die Produktion an aktivem 1,25(OH)2 Vitamin D3-Hormon in PBM signifikant gesteigert werden. In PBM konnte im Gegensatz zum systemischen Ca2+-Stoffwechsel nur ein geringer Einfluss auf die 1a-Hydroxylase-Aktivität beobachtet werden. Durch RT-PCR-Amplifikation konnte eine Expression des PTH Rezeptors Typ 1 (PTHR1) in PBM und Dendritischen Zellen nachgewiesen werden. Ein weiterer Ligand des PTHR1 ist PTH related Protein (PTHrP), ein Faktor der die Tumorhyperkalzämie propagiert. Durch Markierungsexperimente mit fluoreszenz-markiertem PTHrP konnte gezeigt werden, dass PTHrP an die Zellmembran von PBM und Dendritischen Zellen bindet und in den Zellkern von Dendritischen Zellen transportiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Expression 1,25(OH)2 Vitamin D3-responsive Gene in Monozyten/Makrophagen untersucht. Die Expression der 24-Hydroxylase wird innerhalb der Differenzierung von myeloischen THP1-Zellen zu Makrophagen- bzw. Osteoklasten-ähnlichen Zellen transient induziert. Als weiteres 1,25(OH)2 Vitamin D3-responsives Gen wurde die Expression von Osteopontin (OPN) untersucht. OPN ist ein vor allem in Knochen vorkommendes Matrixprotein, das wesentlich an der Zelladhäsion beteiligt ist. OPN wird in THP1-Zellen im Zuge der Differenzierung zunehmend exprimiert. Durch immunhistochemische Untersuchungen konnte OPN in Granulomen von Morbus Crohn- und Leberschnitten detektiert werden. Es spielt hier eine wesentliche Rolle bei der Granulomentstehung. Die Thioredoxin Reduktase 1 (TR1) ist ein Selenoenzym, welches maßgeblich an der Reduktion von Disulfidbindungen in Proteinen beteiligt ist. Es moduliert Protein/Protein- und Protein/DNA-Interaktionen wie die Bindung der Transkriptionsfaktoren AP1 und NFkB an DNA-responsive Elemente. Die Expression der TR1 wird in THP1-Zellen im Rahmen der Differenzierung induziert und ist in differenzierten Zellen maximal. Aktivitätsmessungen deckten sich mit dieser Beobachtung. In peripheren Blutmonozyten steigt die TR-Aktivität alleine durch Adhäsion der Zellen an das Kulturgefäß und nach Behandlung mit 1,25(OH)2 Vitamin D3. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigten eine Abhängigkeit der TR-Aktivität vom Differenzierungsgrad der Zellen und der Supplementation des Mediums mit dem Spurenelement Selen. Die Expression weiterer Selenoproteine in monozytären Zellen wurde nachgewiesen. So konnten durch 75Selenit-Markierungsexperimente neun Selenoproteine in THP1-Zellen detektiert werden, von denen fünf sezerniert werden. Ein weiteres, in monozytären Zellen charakterisiertes Selenoprotein ist die zelluläre Glutathionperoxidase. Ihre Aktivität konnte in Selenit-supplementierten Zellen um das 70fache gesteigert werden. Die Kultivierung monozytärer Zellen unter Selenit-Supplementation beeinflusst die Funktion dieser Zellen wesentlich. So konnte beobachtet werden, dass die Anzahl an phagozytierenden, zu Makrophagen differenzierten THP1-Zellen nach Selenit-Supplementation abnahm, während die Phagozytoserate der einzelnen Zellen anstieg. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass monozytäre Zellen mit Komponenten des 1,25(OH)2 Vitamin D3 Stoffwechsels ausgestattet sind und aktives 1,25(OH)2 Vitamin D3-Hormon produzieren, sezernieren und inaktivieren können. Die lokale Kontrolle der 1,25(OH)2 Vitamin D3 Stoffwechsels ausgestattet sind und aktives 1,25(OH)2 Vitamin D3-responsiver Gene, wie die Expression des Selenoproteins TR1, das einen direkten Einfluss auf den Redoxstatus und den Abbau reaktiver Sauerstoffverbindungen in diesen und Nachbarzellen ausübt. / The secosteroid 1,25(OH)2 vitamin D3 is either taken up by our daily diet or it is formed by a photochemical prosess in the skin. In liver and kidney vitamin D3 is hydroxylated in two steps to 25(OH) vitamin D3 and the active hormone 1,25(OH)2 vitamin D3. 1,25(OH)2 vitamin D3 plays an important role in bone metabolism. It is a key regulatorof the resorption of Ca2+ in the intestine. In the kidney 1,25(OH)2 vitamin D3 synthesis is controlled by parathyroid hormone (PTH). When the concentration of serum Ca2+ is low, PTH is secreted and 1a-hydroxylase, the 25(OH) vitamin D3 activating enzyme is induced in kidney. The picture of (seco)steroid activation and inactivation in glandular organs, like the liver and kidney, and the release and transport of the activated hormone to the target tissues has been modified recently. Single cells are also able to express steroid-modifying enzymes like hydroxylases and dehydrogenases. Monocytes express the 1,25(OH)2 vitamin D3-activating and the inactivating enzyme, i.e. the 1a-hydroxylase and the 24-hydroxylase. Thus they are able to build and secrete 1,25(OH)2 vitamin D3 which can act on neighbouring cells in a paracrine way. In this context the expression and regulation of the 1a-hydroxylase in peripheral blood monocytes (PBM) and THP1 cells was investigated. By supplementation of cells with the substrate 25(OH) vitamin D3 the production of active 1,25(OH)2 vitamin D3 hormone could be enhanced significantly in PBM. In PBM only a slight influence of PTH on 1a-hydroxylase activity could be observed, in contrast to the regulation in systemic Ca2+-metabolism. An expression of PTH receptor type 1 (PTHR1) could be verified by RT-PCR from whole RNA isolated from PBM and dendritic cells. A further ligand of PTHR1 is PTH related protein (PTHrP), a factor which propagates the humoral hypercalcemia of malignancy. Labeling experiments with a fluorescently marked PTHrP showed clustered membrane staining of PBM and dendritic cells and a transport to the nucleus of dendritic cells. The expression of 1,25(OH)2 vitamin D3-responsive genes in monocytes/macrophages was investigated. 24-hydroxylase is induced transiently during the differentiation of myeloid THP1 cells to macrophages and osteoclast-like cells, respectively. Next, the expression of osteopontin (OPN), a further 1,25(OH)2 vitamin D3 responsive gene was studied. OPN is a matrix protein that is mainly found in bone, it carries a RGD-motive in its aminoacid sequence which can bind to integrins and is involved in cell adhesion. The expression of OPN is increased during differentiation of THP1 cells. By immunohistochemistry OPN could be detected in Crohn's disease and liver granulomas where it also plays an important role in granuloma formation. The thioredoxin reductase 1 (TR1) is a selenoenzyme that is mainly involved in the reduction of disulfide bonds of proteins. It modulates protein/protein and protein/DNA interactions like the binding of the transkription factors AP1 and NFkB to DNA-responsive elements. The expression of TR1 mRNA is induced during differentiation and is maximal in differentiated cells. Activity measurments parallel these observations. In PBM TR-activity is increased by the event of adhesion of cells to the culture dish and after treatment with 1,25(OH)2 vitamin D3. A dependence of TR-activity on the degree of differentiation of cells and the supplementation of the medium with the trace element selenium was observed. The expression of further selenoproteins in monocytic cells was investigated. In THP1 cells nine selenoproteins could be detected By labeling experiments with 75selenite. Five were found as secreted proteins in the culture supernatant. In monocytes cellular glutathione peroxidase (cGPx) is a well characterized selenoprotein. Activity could be increased 70fold by selenit supplementation. Under selenite supplementation the number of differentiated THP1 cells capable of phagocytosis was diminished while the rate of phagocytosis of single cells was enhanced. Taken together, the experiments clearly indicate that monocytic cells are equipped with the components of 1,25(OH)2 vitamin D3 metabolism and thus are capable of 1,25(OH)2 vitamin D3 hormone synthesis, secretion and turnover. Moreover, local control of 1,25(OH)2 vitamin D3 synthesis and inactivation directly regulates the expression of 1,25(OH)2 vitamin D3-responsive genes like the selenoprotein TR and thus even impacts on the cellular redox-status and defense against reactive oxygen species in these and neighbouring cells.

Vitamin K ist ein essentieller Cofaktor für die posttranslationale Gamma-Carboxylierung von sog. Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren, Knochenproteinen, Zellwachstum-regulierenden und weiteren Proteinen mit noch unbekannter Funktion. Defekte im Vitamin K-Stoffwechsel führen einerseits zu zwei verschiedenen Formen des familiären Mangels aller Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren (VKCFD1 und 2) und andererseits zur Resistenz oder Hypersensitivität gegenüber Cumarinderivaten, wie Warfarin, die als Vitamin K-Antagonisten zur Antikoagulationstherapie bei thromboembolischen Erkrankungen, aber auch zur Bekämpfung von Ratten und Mäusen eingesetzt werden. Die Aufklärung und Charakterisierung der molekularen Ursachen dieser Erkrankungen wird in dieser Doktorarbeit anhand von Veröffentlichungen dokumentiert. Ausgehend von der Charakterisierung zweier Familien mit dem VKCFD2-Phänotyp, wird die Kartierung des VKCFD2-Locus auf dem kurzen Arm von Chromosom 16 beschrieben. Durch eine systematische Mutationssuche in der ca. 130 Gene umfassenden Kandidatenregion von Chromosom 16 konnte das für diese Erkrankung und die Warfarinresistenz ursächliche Gen ausfindig gemacht werden. Dabei handelt es sich um das Gen für die entscheidende Komponente der Vitamin K-Epoxid-Reduktase (VKORC1), die den Recycling-Prozess von Vitamin K im sog. Vitamin K-Zyklus katalysiert. Die Charakterisierung des VKORC1-Proteins umfasst dessen subzelluläre Lokalisation, den Vergleich orthologer Proteine in verschiedenen Species und die funktionelle Charakterisierung von rekombinant exprimiertem VKORC1. Durch positionsspezifische Mutagenesen und anschließende Expression in humanen Nierenzellen konnten mehrere für die Funktion der VKORC1 relevante Aminosäuren identifiziert werden. Die posttranslationale Modifikation der Vitamin K-abhängigen Proteine wird von der Gamma-Glutamyl-Carboxylase (GGCX) katalysiert. Defekte in diesem Enzym wurden von zwei verschiedenen Arbeitsgruppen als Ursache für die erste Form der VKCFD-Erkrankung nachgewiesen. In dieser Doktorarbeit werden drei weitere, von unserer Arbeitsgruppe identifizierte Mutationen im GGCX-Gen beschrieben, unter denen sich ein nachgewiesener Founder-Effekt an Position 485 des Proteins befindet. Die Arg485Pro-Variante wurde rekombinant in Insektenzellen exprimiert und konnte mittels kinetischer Studien als VKCFD1-verursachende Mutation verifiziert werden. / Vitamin K is an essential cofactor for the posttranslational gamma-carboxylation of the so-called vitamin K-dependent coagulation factors, bone proteins, cell growth regulating proteins and others of unknown function. Defects in vitamin K metabolism cause two different forms of combined deficiency of vitamin K-dependent coagulation factors (VKCFD type 1 and type 2) as well as resistance or hypersensitivity to coumarin derivates, such as warfarin, which act as vitamin K antagonists. Coumarins are used for anticoagulation therapy of thromboembolic diseases and in higher dosis also for rodent pest control. The aim of this thesis is to characterize the molecular basis of these diseases. This work has led to six publications. The VKCFD type 2 phenotype as described in two unrelated families was used to perform a homozygosity mapping of the VKCFD2 locus on the short arm of chromosome 16. A systematic mutation screening in the candidate region on chromosome 16 comprising approximately 130 putative genes resulted in the identification of the gene causative for VKCFD2 and the allelic phenotype warfarin resistance. This gene encodes the first identified component of the vitamin K epoxide reductase (VKORC1) which catalyzes the reduction of vitamin K epoxide as an important part of the so-called vitamin K cycle. Characterization of the VKORC1 protein includes its subcellular localization, comparison of orthologous proteins in different species and functional studies of the recombinant VKORC1. Amino acids which are relevant for protein structure or function were identified by site-directed mutagenesis experiments and subsequent expression in human embryonic kidney cells (HEK293). Posttranslational modification of the vitamin K-dependent proteins is catalysed by the gamma-glutamyl carboxylase (GGCX), an enzyme of the endoplasmic reticulum. Mutations in the gene encoding this enzyme were demonstrated to be causative for VKCFD type 1 by two different working groups. Our working group identified three additional mutations in the GGCX gene. Recurrent mutations at position 485 of the protein were shown to result from a founder effect. The Arg485Pro variant was recombinantly expressed in insect cells using the baculovirus system and could be verified as a causative mutation for the VKCFD1 phenotype by kinetic studies.

A research report submitted to the Faculty of Health Sciences, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Medicine in the branch of Anaesthesiology / Background and Objective There has been a recent resurgence of interest in vitamin D and its far-reaching effects in physiology and pathophysiology. Theatre personnel, and all indoor workers, should be cognisant of vitamin D deficiency as a real occupational hazard. Vitamin D deficiency is a global problem that has been studied extensively in colder climates and even been found in warmer climates. No research was identified among medical personnel in South Africa. The primary objective of this study was to describe serum 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D) levels of anaesthetists. The secondary objective was to describe and compare factors influencing vitamin D levels in anaesthetists who are vitamin D insufficient to those who are not. These factors included: ethnicity, gender, body mass index (BMI), multivitamin use, calcium or vitamin D supplementation, sun exposure, vitamin D intake from diet alone, vitamin D intake from diet and supplementation and calcium intake (dairy). Methods Data was collected over a period of one month, in winter (mid-July to mid-August 2013). On the morning of sample collection anaesthetists agreeing to participate signed the informed consent (Appendix 2), prior to enrolment in the study. The anaesthetists then completed the questionnaire (Appendix 5). The following data was obtained from the questionnaire: age, gender, ethnic group, dietary supplementation, sun exposure, sunscreen use, BMI and diet. Each participant had 5 ml of blood collected in a standardised manner into a purple top ethylenediaminetetraacetic acid blood specimen tube. The processing of samples was done by qualified laboratory personnel using standard chemical pathology equipment and procedures. High Performance Liquid Chromatography was performed to determine 25(OH)D levels using a Shimadzu® Nexera X2 Ultra performance liquid chromatography system with a photodiode array detector (Shimadzu®, Japan). Results The median 25(OH)D was 43.8 nmol/l (IQR 26-76), with 51 of 89 (57.30 %) anaesthetists being vitamin D insufficient. There was a statistically significant association between ethnicity and vitamin D status (p<0.001). Twenty-one (80.77 %) Indian anaesthetists and 14 (70.00 %) black anaesthetists were vitamin D insufficient, as compared to only 10 (28.57%) white anaesthetists. There was no significant association between the other secondary objectives-gender (p=0.60), sun exposure (p = 0.93), vitamin D intake from diet alone (p= 0.07), vitamin D intake from diet and supplementation (p=0.05) and calcium intake (p=0.55) and vitamin D status. There was no significant difference between BMI and vitamin D status. When a comparison was made between the two groups of BMI <25 and BMI ≥25, using a Mann-Whitney test the two-tailed P value was 0.6791. There was a significant association between multivitamin use (p=0.01) and vitamin D status. Conclusion Vitamin D should no longer be a forgotten vitamin. The insufficient vitamin D levels of anaesthetist in this study, puts them at risk for pathology far beyond bone health. Adequate vitamin D levels should be seen as essential, rather than optional, even in “sunny” climates. / MT2016

Mycobacterium tuberculosis (MTB) encodes three enzymes that are dependent on vitamin B12–derived cofactors for activity, including a B12-dependent methionine synthase (MetH). Previously, work in the Molecular Mycobacteriology Research Unit (MMRU) demonstrated vitamin B12 auxotrophy in a mutant strain disrupted in the alternative, B12-independent methionine synthase, MetE. This observation established the ability of MTB to transport corrinoids despite the absence of an identifiable B12-specific transporter. In addition, it suggested that MTB does not synthesize vitamin B12 in vitro. Notably, bioinformatic analyses identified PPE2 as the only B12-related transport candidate in MTB, though as a putative B12-regulated cobalt transporter. PPE2 is unusual in possessing directly upstream of its predicted start codon one of only two B12-dependent riboswitches in the MTB genome, and it lies in a putative operon with B12 biosynthetic genes, cobU and cobQ1. In this study, the possibility that PPE2 functions in the transport of vitamin B12 or cobalt was investigated. Transcriptional and phenotypic data suggested that PPE2 was not involved in B12 transport. Instead, it was shown that cobalt can supplement the growth of an MTB metE mutant in liquid medium, strongly supporting the ability of MTB to synthesize B12 de novo. Moreover, the ability to utilise exogenous cobalt was dependent on functional PPE2, thereby establishing a role for a PPE-family member in cobalt assimilation in MTB. Vitamin B12 comprises a central corrin ring co-ordinated to 5,6-dimethylbenzimidazole (DMB) as α-axial ligand. Substituting DMB with adenine yields the alternate form, pseudo-B12. The ability of mycobacteria to utilize pseudo-B12 precursors (cobinamide and adenine) to support full function of B12-dependent metabolic pathways was evaluated. Although the pseudo-B12 precursors appeared to complement chemically the mycobacterial B12 auxotrophs, growth of the mutants on cobinamide alone complicated this interpretation. To address this limitation, DMB synthesis was targeted by disrupting the MTB bluB homologue, Rv0306. Neither site-directed mutagenesis of key Rv0306 residues, nor full-gene deletion was sufficient to eliminate growth on cobinamide. Instead, this observation highlights the need to establish biochemically the nature of the active B12 form synthesized and utilized by MTB under different conditions. In combination, the results presented here support the inferred flexibility of vitamin B12 biosynthesis in MTB, and reinforce the potential role of B12-dependent metabolism in mycobacterial pathogenesis.

O primeiro capítulo desta tese é dedicado aos estudos que visaram à aplicação da biocatálise na síntese de &#947;-butirolactonas quirais. Inicialmente investigou-se a preparação de fenilseleno-&#947;-butirolactonas quirais, através da resolução cinética enzimática dos fenilseleno-&#947;-hidróxi ésteres correspondentes. Através desta estratégia, ambos os enantiômeros da fenilseleno-&#947;-butirolactona foram preparados em excessos enantioméricos razoáveis. Ainda no primeiro capítulo é demonstrado o potencial sintético do (R)-3-(5-oxotetraidro-2-furanil)-propanoato de benzila, obtido através de uma enantiolactonização catalisada por PPL na etapa chave. Este intermediário quiral foi utilizado com sucesso na síntese enantiosseletiva da (R)- e da (S)-y-jasmolactona, aromatizantes de interesse industrial, além de ambos enantiômeros da (7Z)-7,15-hexadecadien-4-oIida, feromônio sexual da \"Yellowish Elongate Chafer, Heptophy/a picea\" . A segunda parte deste trabalho foi efetuada na Universidade da Califórnia, EUA, sob a orientação do professor Bruce H. Lipshutz, durante o período de novembro de 2003 a outubro de 2004. Dois novos reagentes foram desenvolvidos e aplicados com sucesso na preparação estereosseletiva de polienos conjugados com estrutura análoga a da vitamina A . / The first chapter of this thesis is dedicated to the studies on the application of biocatalysis in the synthesis of chiral &#947;-butyrolactones. We started investigating the preparation of phenylselanyl-&#947;-butyrolactones through the kinetic enzymatic resolution of the corresponding phenylselanyl-&#947;-hydroxyesters. By using this strategy both enantiomers of phenylselanyl-&#947;-butyrolactone were prepared in reasonable enantiomeric excesses . In the first chapter is also demonstrated the synthetic potential of benzyl 3[(R)-tetrahydro-5-oxofuran-2-yl] propanoate, obtained through a PPL catalyzed enantiolactonization in the key step. This chiral intermediate was successfully applied in the enantioselective synthesis of (R)- and (S)-&#947;-jasmolactone, flavors that find industrial use, and both enantiomers of (7Z)-7,15-hexadecadien-4-olide, the sex pheromone of Yellowish Elongate Chafer, Heptophy/a picea. The second part of this work was carried out at University of California, USA, between November 2003 and October 2004, under supervision of Professor Bruce H. Lipshutz. Two new reagents were developed and successfully applied in the stereoselective synthesis of conjugated polienes analogs to vitamin A .