Der Monocarboxylattransporter 8 (Mct8) ist ein spezifischer Schilddrüsenhormon (SDH)-Transporter. MCT8-Mutationen führen zu einer psychomotorischen Retardierung in Kombination mit abnormalen SDH-Serumkonzentrationen. Das konstitutiv Mct8-defiziente Mausmodell repliziert den endokrinologischen, jedoch nicht den humanen neurologischen Phänotyp. Um die Hypothese eines stark beeinträchtigten T3-Transportes speziell in Neuronen als Ursache zu untersuchen, wurde das Neuron-spezifische Mct8-defiziente Mausmodell (CamK-Cre;Mct8fl/fl) generiert. Neben einer funktionalen, Mct8-exprimierenden Blut-Hirn-Schranke liegt eine funktionale Hypophysen-Hypothalamus-Schilddrüsen Achse vor. NMR-Analysen des zerebralen Energiestoffwechsels von CamK-Cre;Mct8fl/fl-Mäusen zeigen nach [1-13C] Glukoseinfusion verringerte Laktatintensitäten sowie eine reduzierte Laktatdehydrogenase-Aktivität. Zudem sind Astrozyten-spezifische Transporter und Enzyme des Neurotransmitterstoffwechsels und deren Biosynthese in ihrer Genexpression reduziert. Somit führt der neuronale Mct8-Verlust zu einem verlangsamten zerebralen Metabolismus sowie einer reduzierten neuronalen Aktivität. Die Rolle von Mct8 im Energiestoffwechsel wurde außerdem in primären Mct8-defizienten Astrozyten- und Neuronkulturen mittels Seahorse Flux Analyzer untersucht. In Mct8-defizienten Neuronen kommt es zu einer verringerten SDH-Aufnahme, was in einer verringerten Expression von OXPHOS-relevanten Proteinen sowie in einer verringerten Sauerstoffverbrauchsrate resultiert. Somit stützen die in vitro Daten die des CamK-Cre;Mct8fl/fl-Mausmodelles bezüglich einer reduzierten neuronalen Aktivität sowie eines verlangsamten zerebralen Stoffwechsels. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass grundlegende Mechanismen des zerebralen Stoffwechsels bei neuronaler Mct8-Defizienz beeinträchtigt sind und die Rolle von Mct8 mit Hilfe weiterer konditioneller Mausmodelle (Astrozyten-spezifisch) und primären Ko-Kulturmodellen untersucht werden muss. / The monocarboxylate transporter 8 (Mct8) is the most specific thyroid hormone (TH) transporter. Mutations lead to a severe form of psychomotor retardation in combination with abnormal TH concentrations in sera. The global Mct8-deficient mouse model was intensively studied and it replicates the endocrine, but not the human neurological phenotype. To test the hypothesis, that a disturbed uptake of T3 especially into neurons is responsible for the phenotype, we generated a neuron-specific Mct8-deficient mouse model (CamK-Cre;Mct8fl/fl). CamK-Cre;Mct8fl/fl mice exhibit a functional Mct8-expressing blood-brain-barrier and a functional hypothalamus pituitary thyroid axis. NMR analyses of the cerebral energy metabolism of CamK-Cre;Mct8fl/fl mice after [1-13C] glucose injection revealed less enrichment of lactate and a reduced lactate dehydrogenase activity. Moreover, especially astrocyte-specific expressed transporter and enzymes of neurotransmitter metabolism and their biosynthesis are significantly reduced in comparison to control mice. These results point to a decelerated cerebral metabolism as well as a reduced neuronal activity caused by the neuronal loss of Mct8. In addition, we studied the impact of Mct8 on the energy metabolism in primary wildtype and Mct8-deficient astrocyte and neuron cultures by use of the Seahorse Flux Analyzer. Mct8-deficient neurons show a reduced uptake of TH, which results in a reduced expression of OXPHOS relevant proteins as well as a reduced oxygen consumption rate. Therefore, the in vitro raised data provide the observed changes of the CamK-Cre;Mct8fl/fl mice regarding a reduced synaptic activity as well as a reduced cerebral metabolism. Taken together, the data clearly shows that basic mechanisms of the cerebral metabolism are hampered in neuronal Mct8 deficiency. The role of Mct8 in this context needs further analyses with the help of conditional mouse models (astrocyte-specific) and primary co-culture models.

Schilddrüsenhormone benötigen als geladene Proteine Transporter um Zellmembranen zu durchqueren. Ein sehr spezifisches Transportprotein ist der Monocarboxylattransporter 8 (Mct8). Mutationen in MCT8 führen beim Menschen zu einer schweren X-gekoppelten mentalen Retardierung, die mit sehr speziellen Veränderungen der Schilddrüsenhormonwerte im Serum einher geht. Zur genaueren Untersuchung der Funktion von Mct8 sowie Mechanismen der Erkrankung wurde ein Knock-out Mausmodell für Mct8 generiert und mit dem menschlichen Phänotyp verglichen. Mct8-defiziente Mäuse replizieren den humanen Phänotyp in Hinsicht auf veränderte Schilddrüsenhormonparameter im Serum. Dennoch weisen diese Mäuse keine morphologischen Veränderungen des Gehirns auf. Ein in dieser Arbeit erstmalig nachgewiesenes ähnlich einer Hyperthyreose verändertes Angstverhalten sowie ein ähnlich einer Hypothyreose verändertes Putzverhalten führte zu der Hypothese, dass es andere Transporter gibt, die den Verlust von Mct8 kompensieren. Ein Kandidat mit einem ähnlichen Expressionsmuster in verschiedenen Geweben und auch in Zelltypen des Gehirns ist der L-Typ Aminosäuretransporter 2 (Lat2). Mct8 ist bei der Maus und beim Menschen während der Entwicklung stark in Neuronen und anderen Zelltypen des Gehirns exprimiert. LAT2 ist jedoch anders als bei der Maus beim Menschen während der Entwicklung in Neuronen nicht nachweisbar. Lat2 könnte also bei der Maus, jedoch nicht beim Menschen den Verlust von Mct8 während der Gehirnentwicklung kompensieren und somit den Unterschied zwischen beiden Phänotypen erklären. Die Untersuchung von Mct8-defizienten Mäusen konnte jedoch auch einen neuen Phänotyp aufdecken: das Fehlen von Mct8 führt bei Mäusen mit zunehmendem Alter zu Hyperplasien der Schilddrüse, die als papilläre Schilddrüsenkarzinome klassifiziert wurden. Bei einem Patienten mit Allan-Herndon-Dudley-Syndrom konnten hierauf ebenfalls hyperplastische Veränderungen der Schilddrüse gefunden werden. / Thyroid hormones are charged molecules and therefore need transporters to cross the cell membrane. One very specific transport protein is the monocarboxylatetransporter 8 (Mct8). Mutations in MCT8 lead to a severe form of X-linked mental retardation in humans in combination with very specific changes in thyroid hormone serum parameters. A mouse model of Mct8-deficiency was generated and compared to the human phenotype to be able to precisely analyze functions of Mct8 and mechanisms of the disease. Mct8-deficient mice do replicate the human phenotype concerning changes of thyroid hormones in serum. However, these mice did not show any morphological changes in the brain. This work could show for the first time changes in anxiety-related behaviour indicative of hyperthyroidism as well as changes in grooming behaviour indicative of hypothyroidism. This led to the hypothesis that other transporters exist that can compensate for the loss of Mct8. One candidate that has a similar expression pattern in different tissues and cell types of the brain is the L-type amino acid transporter 2 (Lat2). Mct8 is highly expressed in neurons and other cell types of mice and humans during development. LAT2 is in contrast to the mouse not detectable in human developing neurons. Therefore, Lat2 could compensate in the mouse but not in the human for the loss of Mct8 during brain development. This could explain the differences between both phenotypes. Nevertheless, the analysis of Mct8-deficient mice could also disclose a new phenotype: the loss of Mct8 leads to thyroid hyperplasia in mice that increases with age and could be classified as papillary thyroid carcinoma. Thereupon, hyperplastic changes of the thyroid could also be detected in a patient with Allan-Herndon-Dudley syndrome.

3-Jodthyronamin (3-T1AM) und Thyronamin (T0AM) sind endogene Signalmoleküle, die eine große strukturelle Ähnlichkeit zu Schilddrüsenhormonen aufweisen, allerdings die klassischen Wirkungen des aktiven Schilddrüsenhormons 3,5,3’-Trijodthyronin (T3) antagonisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob Thyronamine (TAMs) Substrate von Dejodasen (Dio1, Dio2, Dio3) sind. Die TAMs wurden mit isozymspezifischen Dio-Präparationen inkubiert. Die Dejodierungsprodukte wurden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS) analysiert. Mit Präparationen der Dio1 wurden Dejodierungen von 3,3’,5’-Trijodthyronamin, 3’,5’- und 3,3’-Dijodthyronamin am phenolischen Ring sowie Dejodierungen von 3,5,3’-Trijodthyronamin und 3,5-Dijodthyronamin am Tyrosylring beobachtet. Dio2 haltige Präparationen katalysierten ebenfalls Dejodierungen von 3,3’,5’-Trijodthyronamin und 3’,5’-Dijodthyronamin am phenolischen Ring. Mit Dio3 haltigen Präparationen wurden alle TAMs mit jodiertem Tyrosylring dejodiert. In Kompetitionsversuchen inhibierten ausschließlich die TAMs, die als Substrate von Dio Isozymen identifizierten wurden, eine etablierte Dejodierungsreaktion eines bekannten Substrats. Im Gegensatz dazu interferierten TAMs, die in den LC-MS/MS Experimenten als Substrate der Dio Isozyme ausgeschlossen wurden, nicht mit der genannten etablierten Dejodierungsreaktion. Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass TAMs Substrate aller drei Dio Isozyme sind und jedes Isozym eine eigene Substratspezifität aufweist. Diese Befunde weisen darauf hin, dass Dio Isozyme an der Biosynthese von TAMs beteiligt sein könnten. Ferner wurden die Biosynthesewege für 3-T1AM und T0AM eingegrenzt. Desweiteren gestatten die Ergebnisse neue Einblicke in die generellen strukturellen Voraussetzungen für Dio Substrate, da TAMs die bisher einzigen endogenen Dio Substrate darstellen, deren Seitenkette am Tyrosylring eine positive Ladung aufweist. / 3-iodothyronamine (3-T1AM) and thyronamine (T0AM) are novel endogenous signaling molecules that exhibit great structural similarity to thyroid hormones but apparently antagonize classical thyroid hormone (T3) actions. The present study investigated whether thyronamines (TAMs) are substrates of three Dio isozymes (Dio1, Dio2 and Dio3). TAMs were incubated with isozyme specific Dio preparations. Deiodination products were analyzed using a newly established method applying liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Phenolic ring deiodinations of 3,3’,5’-triiodothyronamine, 3’,5’- and 3,3’-diiodothyronamine as well as tyrosyl ring deiodinations of 3,5,3’-triiodothyronamine and 3,5-diiodothyronamine were observed with preparations containing Dio1. Preparations of Dio2 also deiodinated 3,3’,5’-triiodothyronamine and 3’,5’-diiodothyronamine at the phenolic rings. All TAMs with tyrosyl ring iodine atoms were deiodinated by Dio3 containing preparations. In functional competition assays, the newly identified TAM substrates inhibited an established iodothyronine deiodination reaction. By contrast, TAMs which had been excluded as Dio substrates in LC-MS/MS experiments, failed to show any effect in the competition assays, thus verifying the former results. In summary, all three Dio isozymes catalyzed TAM deiodination reactions with each isozyme exhibiting a unique substrate specificity. These data support a role for Dio isozymes in TAM biosynthesis and contribute to confining the biosynthetic pathways of 3-T1AM and T0AM. Furthermore, they provide new insights into the structural requirements for Dio substrates in general since TAMs represent the only endogenous Dio substrates described, so far, which possess a positively charged tyrosyl ring side chain.

Das Schilddrüsenhormon Triiodthyronin (T3) ist ein essenzieller Regulator physiologischer Prozesse der Entwicklung, des Wachstums und im Intermediärstoffwechsel. Täglich werden zahlreiche natürliche und synthetische Stoffe aufgenommen, die mit dem endokrinen System interferieren und deshalb als Endokrine Disruptoren (ED) bezeichnet werden. Zur Untersuchung einer direkten Interferenz von ED mit den Schilddrüsenhormonrezeptoren (TR) und ihrer transkriptionellen Aktivität wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Luziferase-basiertes T3 Reportergensystem mit TRalpha1-transfizierten humanen Leberzellen aufgebaut. Durch Validierung mit dem synthetischen TR-Agonisten GC-1 und dem Antagonisten NH-3 konnte nachgewiesen werden, dass dieser Assay ein hoch-sensitives System zur Analyse von agonistischen sowie antagonistischen Effekten von Testsubtanzen darstellt. Zur Bestimmung der endokrinen Aktivitäten einiger humanrelevanter Vertreter aus den Stoffkategorien der Nahrungsmittel, Kosmetika, Pestizide und Industriechemikalien wurden Dosis-Wirkungskurven in Aktivierungs- und T3-Kompetitionsexperimenten ermittelt. In mikromolaren Konzentrationen wirkten von insgesamt 21 Testsubstanzen einige als reine Agonisten oder Antagonisten während andere gemischt agonistische/antagonistische Effekte hatten. Aufgrund ihrer hier beobachteten Effekte und der gegebenen Humanexposition wird eine eingehendere Analyse von 4-Methylbenzyliden Campher, 4-Nonylphenol, Acetochlor, Benzophenon 2, Benzophenon 3, Bisphenol A, Genistein, Octylmethoxycinnamat, Tetrabromobisphenol A und Xanthohumol empfohlen. Außerdem erwiesen sich einige Metaboliten von Schilddrüsenhormonen als potente Agonisten im T3-Reportergenassay und bedürfen weiterer Aufmerksamkeit. Für die molekulare Charakterisierung der Einflüsse solcher Substanzen auf die T3-regulierte Transaktivierung konnte mit dem hier etablierten Bioassay ein zuverlässiges neues Testsystem für reproduzierbare Screeningserien geschaffen werden. / Triiodothyronine (T3) is a crucial regulator of many physiological processes during development, growth and metabolism. A variety of natural and synthetic substances, which are collectively termed endocrine disrupters (ED) due to their interference with the endocrine system, is taken up on a daily base. A novel luciferase-based T3-responsive reporter gene system employing a human liver cell line transfected with thyroid hormone receptor (TR) alpha1 was established in this work to elucidate the potential molecular interference of certain ED with TR and their transcriptional activity. This assay was validated to be a highly sensitive and reliable tool for analyzing agonistic and antagonistic effects of test compounds using the synthetic TR agonist GC-1 and the antagonist NH-3. Dose-response data of test compounds contained in food, cosmetics, pesticides, plasticizers and other industrial chemicals were obtained after applying the substances alone in activation assays or in combination with T3 in competition assays. In total 21 test compounds were screened of which some acted as pure agonists or antagonists while others were mixed agonists/antagonists in the micromolar concentration range and only one was without effect. Follow-up studies are recommended for some of these substances with regard to their effects as determined in this bioassay and in light of information known on human exposure, i.e., 4-methylbenzyliden camphor, 4-nonylphenol, acetochlor, benzophenone 2, benzophenone 3, bisphenol A, genistein, octylmethoxycinnamate, tetrabromobisphenol A and xanthohumol. In addition some endogenous metabolites of thyroid hormones were surprisingly potent agonists in the T3 reporter gene assay and merit further attention. The novel bioassay established here represents a reliable tool for the screening and molecular characterization of substances interfering with T3-mediated transactivation of gene expression.

Schilddrüsenhormone (TH) regulieren Metabolismus und Energiestoffwechsel. Der TH‐Metabolit (THM) 3,5‐T2 (3,5‐Diiod‐L‐Thyronin) aktiviert Fett‐Oxidation und mitochondriale Atmung. Der THM 3‐Iodothyronamin (3‐T1AM) beeinflusst zusätzlich glukoregulatorische Prozesse. THM können zur Reduktion von Körperfett beitragen. Um 3,5‐T2 im humanen Serum nachzuweisen sollte ein Immunoassay aufgebaut, validiert und angewendet werden. In intakten hepatozellulären (HepG2) sowie pankreatischen ß‐Zellen (MIN6) sollte untersucht werden ob THM durch Modulation der mitochondrialen Aktivität die zelluläre Substratverstoffwechslung (3,5‐T2) und Insulinsekretion (3‐T1AM) regulieren können. Der Immunoassay ist sensitiv, spezifisch und misst zuverlässig 3,5‐T2 im humanen Serum. Hyper‐ und Hypothyreose zeigen vergleichbare 3,5‐T2 Konzentrationen, jedoch akkumuliert 3,5‐T2 bei sekundären Erkrankungen der Schilddrüse und athyreoten Patienten unter Thyroxin‐Supplementation. In HepG2‐Zellen konnte die Aktivierung der mitochondrialen Atmung durch 3,3‘,5‐Triiod‐L‐Thyronin (T3), jedoch nicht durch 3,5‐T2 stimuliert werden. Die Expression von TH‐transporters (THT) war gering verglichen mit Maus‐Hepatozyten. MIN6 exprimiert THT vergleichbar mit Langerhansschen Inselzellen der Maus. 3‐T1AM wird in die Zelle aufgenommen, zu 3‐Iodothyroessigsäure (TA1) metabolisiert, und wieder exportiert. Nach 3‐T1AM Gabe ist die mitochondriale ATP‐Produktion sowie die Glukose‐stimulierte Insulinsekretion (GSIS) vermindert. 3,5‐T2 zirkuliert in euthyreoten Individuen, ist nicht an der zentralen Regulation der TH‐Achse beteiligt, wird extrathyroidal gebildet und niedrige T3‐Werte können durch erhöhtes 3,5‐T2 erklärt werden. HepG2 erwies sich als ungeeignetes Zellmodell, da wenige THT vorhanden sind, 3,5‐T2 die Plasmamembran wahrscheinlich nicht passieren kann und damit die Aktivierung der Mitochondrien aus bleibt. In MIN6 wurde gezeigt, dass die GSIS nicht ausschließlich an der Plasmamembran durch 3‐T1AM reguliert wird. / Thyroid hormones (TH) regulate metabolism and energy metabolism. The TH‐metabolite (THM) 3,5‐T2 (3,5‐diiodo‐L‐thyronine) activates fat oxidation and mitochondrial respiration. The THM 3‐T1AM (3‐iodothyronamine) influences in addition glucoregulatory processes. THM may support reduction in body fat mass. It was the idea to establish, validate and apply an immunoassay to determine 3,5‐T2 in human serum. Using intact hepatocellular (HepG2) as well as pancreatic ß‐cells (MIN6) it should be tested if THM can modulate mitochondrial activity, resulting in increased cellular substrate usage (3,5‐T2) as well as decreased insulin secreation (3‐T1AM). The established immunoassay is sensitive, specific and detects precisely 3,5‐T2 in human serum. Hyper‐ and hypothyroidism shows similar 3,5‐T2 concentrations, although 3,5‐T2 accumulates in secondary thyroidal illness as well as in athyreotic patients under thyroxine‐supplementation. Using HepG2 cells, mitochondrial respiration was stimulated by 3,3‘,5‐triiodo‐L‐thyronine (T3), but 3,5‐T2 had no effect. Expression of TH‐transporters (THT) was low compared to murine hepatocytes. In contrast, MIN6 express THT comparable to murine Langerhans islets. 3‐T1AM is taken up by the cell, metabolized to 3‐iodothyroacetic acid (TA1) and following export. After 3‐T1AM application mitochondrial ATP‐production as well as glucose‐stimulated insulin secretion (GSIS) was reduced. 3,5‐T2 circulates in euthyroid individuals, is not involved in central regulation of TH‐axis, is produced extrathyroidally and low T3 values can be explained by increased 3,5‐T2. HepG2 was shown to be an inappropriate cellmodel, because THT are merely expressed, suggesting that 3,5‐T2 is not able to pass the plasma membrane, thereby preventing mitochondrial activation. In addition, it was shown in MIN6 cells, that GSIS is not exclusively regulated at the plasma membrane level via 3‐T1AM.

Thyronamine (TAM) sind eine neue Molekülklasse, die endokrinologische und metabolische Prozesse miteinander vereinen. Der biologisch aktive Metabolit 3-Iod-L-Thyronamin (3-T1AM) wird durch eine kombinierte Deiodierung und Decarboxylierung von Schilddrüsenhormonen (TH) gebildet. Existierende Methoden zum Nachweis und zur Quantifizierung von 3-T1AM im menschlichen Serum sind immer noch umstritten. Auch die an der Biosynthese vermutlich beteiligte TH-Decarboxylase konnte noch nicht identifiziert werden. Für die Identifizierung und Quantifizierung von TH und TAM Profilen wurde die Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) verwendet. In der bisherigen präanalytischen Aufarbeitung liefern weder Flüssig-Flüssig- noch Festphasenextraktionen reproduzierbare Ergebnisse des 3-T1AM-Gehalts im Serum. Mit der Entwicklung eines spezifischen Extraktionsverfahrens und nachfolgender Detektion mittels LC-MS/MS gelang der gleichzeitige Nachweis der häufigsten TH im humanen Serum. Parallel dazu wurden monoklonale Antikörper gegen 3-T1AM entwickelt, auf deren Basis ein quantitativer 3-T1AM Chemilumineszenz-Immunoassay entstand. Ergebnisse aus klinischen Kollektiven zeigen, dass 3-T1AM im Serum im nM Konzentrationsbereich vorkommt und dass 3-T1AM bei Patienten außerhalb der Schilddrüse produziert wird. Viele Forscher gehen davon aus, dass die aromatische L-Aminosäure Decarboxylase (AADC) die Synthese von TAM über Decarboxylierung von TH katalysiert. Diese Hypothese wurde durch Inkubation von rekombinanter humaner AADC mit TH getestet. In keinem der Experimente konnte AADC die Decarboxylierung von TH katalysieren. Zusammenfassend ist die Bestimmung von 3-T1AM im Serum mittels LC-MS/MS aufgrund der nicht reproduzierbaren präanalytischen Probenaufbereitung problematisch. In dieser Arbeit wird der erste MAb-basierte 3-T1AM assay vorgestellt, der 3-T1AM zuverlässig in humanem Serum quantifiziert. Die AADC ist wahrscheinlich nicht an der Biosynthese von TAM beteiligt. / Thyronamines (TAM) are a new class of molecules linking endocrinology and metabolism. Combined deiodination and decarboxylation of thyroid hormones (TH) generates a biologically active ‘cooling’ metabolite, 3-iodo-L-thyronamine (3-T1AM).. It remains controversial, which methods are able or not to reliably detect 3-T1AM in human serum, and the presumed TH decarboxylase is still elusive. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was used for the simultane-ous identification and quantification of TH and TAM profiles in biological samples. Several preanalytical methods were tested for complete extraction of 3-T1AM in human serum. Thus far, neither liquid-liquid nor solid-phase extraction methods allowed reproducible extraction of 3-T1AM from human serum samples in the preanalytical sample workup. Nevertheless, a rapid and sensitive extraction procedure was developed for detection of the major TH by LC-MS/MS in a single human serum sample. In parallel, monoclonal antibodies (MAb) targeting 3-T1AM were developed and characterized, and a highly specific quantitative 3-T1AM MAb-based chemiluminescence immunoassay was developed. Studies in clinical cohorts provide evidence that 3-T1AM is present in human serum in the nM concentration range and that 3-T1AM is produced extrathyroidally. Many researchers have reasoned that the aromatic L-amino acid decarboxylase (AADC) mediates TAM synthesis via decarboxylation of TH. This hypothesis was tested by incubating recombinant human AADC with several TH. In all tested conditions, AADC failed to catalyze the decarboxylation of TH. These in vitro observations are supported by the finding that 3-T1AM is also present in plasma samples of patients with AADC deficiency. In summary, 3-T1AM detection in serum using LC-MS/MS encounters preanalytical problems. The first MAb-based 3-T1AM CLIA is presented, which reliably quantifies 3-T1AM in human serum. AADC is likely not involved in TAM biosynthesis.