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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-11088
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2003/1108/


Differentielle Genexpression bei der dilatativen Kardiomyopathie des Menschen

Differential gene expression in human dilated cardiomyopathy

Donay, Andrea Maria


pdf-Format: Dokument 1.pdf (6.124 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): dilatative Kardiomyopathie , Genexpression , Array Analyse
Freie Schlagwörter (Englisch): dilated cardiomyopathy , gene expression , array analysis
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max-Planck-Institut für physiologische und klinische Forschung, W.G. Kerckhoff-Institut, Abteilung für Experimentelle Kardiologie, Bad Nauheim; Institut für Veterinär-Anatomie, -Histologie und -Embryologie der Justus-Liebig-Universität Giessen
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.05.2003
Erstellungsjahr: 2003
Publikationsdatum: 04.06.2003
Kurzfassung auf Deutsch: Millionen Patienten sind von der DCM betroffen, die durch ein Zusammenwirken verschiedener Faktoren entsteht. Das Herz reagiert darauf mit einer morphologischen Umstrukturierung, die initial kompensatorisch ist, schließlich unkontrolliert wird und im Herzversagen endet. In früheren Studien konnten einige der molekularen Prozesse, die diesem Geschehen zu Grunde liegen, aufgeklärt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde mittels Gen Arrays, Northern und Western Blot Analysen humanes DCM Gewebe mit gesunden Herzen verglichen, um neue Erkenntnisse über die Pathophysiologie dieser Erkrankung zu gewinnen.

Als Vorbedingung für die Western Blot Untersuchung wurde die Eignung von GAPDH als interner Standard, durch den Nachweis der konstitutiven Expression, demonstriert.

Insgesamt wurden 25 differentiell exprimierte Gene identifiziert:

1. Entzündungsreaktion

Die verminderte Expression entzündlicher Gene (LFA1, Rantes, PLA2R), sowie die vermehrte Expression des anti-inflammatorischen Proteins Annexin I, sprechen dafür, dass bei den hier untersuchten Proben entweder eine nicht-entzündliche Form der DCM vorlag oder eine Inflammation durch antagonisiert wurde.

2. Remodeling

Die Nachweise der gestörten N-Cadherin Expression, sowie der reduzierten Plakoglobin-Produktion, ergänzen andere Arbeiten, die ein Remodeling der Glanzstreifen beschreiben und lassen darauf schließen, dass die Kraftübertragung zwischen den Kardiomyozyten sowie ihr Zusammenhalt beeinträchtigt ist.

Die Detektion der erhöhten Integrin beta mRNA und Protein Expression in dieser Arbeit lässt vermuten, dass Integrin b eine Schlüsselrolle in einem Signalweg, über den mechanischer Stress den Umbau des Zytoskeletts und der EM induziert, spielt.

Die erhöhte Expression Aktin-depolymerisierender Gene (Cofilin 2, Thymosin b4) spricht für einen neuen Weg, auf dem es zu der reduzierten Kontraktionskraft in der DCM kommen könnte und repräsentiert eine Reexpression fetaler Gene.

3. Reaktivierung fetaler Progamme

Die Reaktivierung fetaler Programme ist ein charakteristisches Merkmal der DCM. Für dieses Geschehen wurden sowohl bekannte (ANF, Carp) als auch bisher unbekannte (Cofilin 2, Thymosin beta 4) Belege gefunden.

4. Gestörte Kalziumhomöostase

Die Inhibition der SERCA trägt wesentlich zu dem gestörten Kalziumgleichgewicht in der DCM bei. Mit dem Nachweis der verminderten S100 A1 Expression konnte ein neuer Faktor, der wahrscheinlich für die reduzierte SERCA Aktivität in der DCM mitverantwortlich ist, identifiziert werden.

5. Protektive und pathologische Signalwege

In der kompensatorischen Phase der DCM findet ein Balance protektiver und pathologischer Signalwege statt. Die Störung dieses Gleichgewichts ist vermutlich für den Übergang zum Herzversagen verantwortlich. Es konnte bestätigt werden, dass im Endstadium der DCM eine verminderte Expression anti-apoptotischer Gene (NF-ATc, TERT) sowie eine erhöhte Produktion des pro-apoptotischen Proteins Id3 stattfindet. Die hier detektierten Gene stellen bisher nicht beschriebene Signalwege der Apoptose in der DCM dar. Weiterhin deutet die verminderte Kallistatin Expression einen Widerstreit pro- und anti-fibrotischer Signale in der DCM an.

6. Identifizierung potentieller neuer Therapieansätze

TERT, S100A1 und Annexin I, deren differentielle Expression in dieser Arbeit detektiert wurde, stellen möglicherweise Kandidaten für neue therapeutische Ansätze dar, da ihre Substitution beziehungsweise Überexpression bei anderen Erkrankungen oder in Zellkulturstudien positive Resultate zeigte.

7. Detektion eines potentiellen diagnostischen Markers

Die erhöhte FABP4 mRNA Expression lässt zusammen mit Studien bei anderen Herzschäden vermuten, dass das korrespondierende Protein auch in der DCM im Blut erhöht sein und einen neuen diagnostischen Marker darstellen könnte.

Diese Ergebnisse belegen, dass mit der vorliegenden Arbeit neue Erkenntnisse über die molekularen Grundlagen der DCM gewonnen werden konnten. Einigen der hier detektierten Gene könnte eine diagnostische oder therapeutische Bedeutung zukommen. Um die protektive beziehungsweise pathologische Funktion sowie die diagnostische oder therapeutische Eignung der differentiell exprimierten Gene nachzuweisen, sind weiterführende Studien in Zellkulturen oder an Tiermodellen sowie serologische Untersuchungen von DCM-Patienten notwendig.
Kurzfassung auf Englisch: Millions of patients are affected by DCM, a disease caused by complex interactions of genetic factors, lifestyle and environment. Upon this stimuli the heart reacts with a morphological remodeling. Being initially compensatory, this mechanism finally becomes uncontrollable, leading to insufficiency and resulting in heart failure. Earlier studies enlightened some of the molecular changes underlying this process.

Gene arrays as well as Northern and Western blot analysis were used in this study to compare tissue from patients suffering from DCM with healthy tissue in order to get new insights into the pathophysiology of the disease.

As a pre-requisite for the Western blot analysis, the constitutive expression of GAPDH was demonstrated, proofing its suitability as an internal control.

In total, 25 differentially expressed genes belonging to several functional groups and mostly represententing new aspects in the pathophysiology of DCM, could be identified.

1. Inflammation

The downregulation of inflammatory genes (LFA1, Rantes, PLA2R) and the upregulation of the anti-inflammatory protein annexin I indicate, that the studied samples either were affected by a non-inflammtory form of DCM or that an inflammtion was antagonised.

2. Remodeling

This study revealed new insights into the remodeling of the myocard, a characteristic feature of DCM:

The detection of the modified N-cadherin expression and the reduced plakoglobin production add to other studies, describing a remodeling of the intercalated disc and indicate, that the force transduction between myocytes and their connection with each other is affected.

The upregulation of integrin beta 1 mRNA and protein show, that integrin b1 seems to have a key function in a signaling pathway by which mechanical stress induces the remodeling of the cytoskeleton and the extracellular matrix.

The observation of the increased expression of actin-depolymerising genes (cofilin 2, thymosin b4) point at a new mechanism by which the diminished contractility in DCM could be caused and represents a reexpression of genes mainly active during fetal development.

3. Reactivation of fetal programs

The reactivation of fetal programs is a characteristic symptom of DCM. Some genes previously described to be involved in this process (ANF, Carp) as well as genes not known to participate (cofilin 2, thymosin beta 4) have been identified.

4. Disturbed calciumhomeostasis
The inhibition of the SERCA contributes mainly to the disturbed calciumhomeostasis in DCM. By the detection of the S100A1 downregulation, a new factor responsible for the reduced SERCA activity in DCM, might have been identified.

5. Protective and pathological pathways

In the compensatory stage of DCM protective and pathological pathways are in a delicate balance. Disturbances of this equilibrium are possibly responsible for the initiation of heart failure. In this study a downregulation of anti-apoptotic genes (NF-ATc, TERT) and an upregulation of a pro-apoptotic protein (Id3) could be testified. These genes illustrate as yet unpublished pathways of apoptosis in DCM. The reduced expression of Kallistatin indicates a balance of pro-and anti-fibrotic signals in DCM.

6. Identification of potentially new therapeutic strategies

TERT, S100A1 and annexin I, which are differentially expressed in DCM, might be candidates for new therapeutic strategies, as their substitiution or overexpression gained positive results in other diseases or in cell culture studies.

7. Detection of a potentially new diagnostic marker

The upregulation of FABP4 mRNA indicates together with other studies that the corresponding protein could be increased in the blood of DCM patients and may represent a new diagnostic marker.

These results demonstrate that new insights into the molecular processes underlying DCM could be gained by this study. They point at new pathomechanisms and signal transduction pathways. Some of the detected genes could be of diagnostic of therapeutic function. In order to prove the protective or pathological effect or the the diagnostic respectively therapeutic suitability of the differentially expressed gene, ongoing studies in cell culture or animal models as well as in sera of DCM patients will be necessary.