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Die Beteiligung des "small leucine-rich" Proteoglykans Osteoglycin an der Arteriogenese

The small leucine-rich proteoglycan osteglycin is involved in arteriogenesis

Kampmann, Andreas


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Osteoglycin , Mimecan , Kollateralen , Arteriogenese , Genexpression
Freie Schlagwörter (Englisch): osteoglycin , mimecan, arteriogenesis , gene-expression
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max-Plank Institut für Physiologische und Klinische Forschung, W.G. Kerckhoff-Institut, Abt. für Experimentelle Kardiologie, Bad Nauheim; eingereicht über Institut für Genetik
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.08.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 13.09.2004
Kurzfassung auf Deutsch: Der menschliche Organismus ist auf einen ständigen und ungehinderten Fluss des Bluts angewiesen. Wird dieser unterbrochen, kommt es zu ernsten Erkrankungen wie z.B. Schlaganfällen, Infarkten oder einem Absterben des Gewebes durch Sauerstoffunterversorgung. Diese Erkrankungen des kardiovaskulären Systems gehören zu den häufigsten Todesursachen in der westlichen Welt. Unter günstigen Umständen, d.h. einer langsamen Entwicklung einer Stenose, ist der Körper aber durchaus in der Lage, diese zu kompensieren. Dabei kommt es zu einer Umgestaltung von präexistenten, arteriolären Verbindungen, die in einem positiven 'Remodelling' zu Kollateralarterien reifen. Diese Kollateralen können dann die Aufgabe der verschlossenen Arterie übernehmen. In dieser Arbeit wurde der Fragestellung nachgegangen, welche Gene während des Wachstums von Kollateralarterien (Arteriogenese) eine differentielle Expression zeigen.

Zur Beantwortung dieser Frage wurde die Entwicklung von Kollateralen durch operativen Verschluss der Arteria femoralis induziert (Tiermodell: Oryctolagus cuniculus). Aus Kollateralen, die drei Tage, bzw. drei Wochen nach Verschluss der Femoralarterie isoliert wurden, wurde RNA gewonnen und aus dieser durch 'Differential Display Polymerase Chain Reaction' Gene mit differentieller Expression identifiziert. Bei dieser Suche wurde das Gen für das Protein 'Osteoglycin' als an der Arteriogenese beteiligt gefunden. Dieses Protein gehört zur Familie der 'small leucine-rich' Proteoglykane, einer Gruppe von Proteinen, die durch das Auftreten von Sequenzwiederholungen, die reich an Leucin sind, charakterisiert ist. In wachsenden Kollateralen wurde die mRNA für Osteoglycin deutlich vermindert exprimiert. Als Ort der Genexpression wurden die glatten Muskelzellen der Gefäßwand identifiziert, Endothelzellen zeigten keine Expression. Osteoglycin war neben den Blutgefäßen auch noch in weiteren Organen, wie z.B. der Lunge, dem Herz und dem Uterus nachweisbar. Das entsprechende Protein war ebenfalls in den Kollateralen lokalisiert, sowohl in ruhenden als auch in wachsenden und, nach Verschluss der Femoralarterie, deutlich vermindert exprimiert. Der Nachweis der verringerten Expression konnte im Western-Blot und auch direkt im Gewebeschnitt mit immunhistochemischen Methoden geführt werden. Die Stimulation von glatten Muskelzellen, die aus der Aorta von Oryctolagus cuniculus isoliert wurden, mit den Wachstumsfaktoren FGF-2 und TGF-beta1, führte ebenfalls zu einer verminderten Expression von Osteoglycin. Eine Beteiligung dieser Faktoren an der Arteriogenese ist aus anderen Untersuchungen bekannt. Untersuchungen an Tieren (Mus musculus) denen das Gen für Osteoglycin fehlt zeigten, dass diese ein deutlich schnelleres Kollateralwachstum aufweisen.

Ähnlich den anderen Mitgliedern der Familie der 'small leucine-rich' Proteoglykane ist auch Osteoglycin an der Regulation der Biosynthese der Kollagenfasern in der extrazellulären Matrix beteiligt. Hauptaufgabe des Proteins Osteoglycin ist demnach die Regulation der Biosynthese der Kollagenfaser und damit ist es letztendlich ein wichtiger Faktor für die Stabilität der Blutgefäße. Es beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Blutgefäße und damit auch den Ablauf des Kollateralwachstums. Aber Osteoglycin kann auch regulierend auf die Proliferation von glatten Muskelzellen wirken, indem es Bestandteil des Substrats ist, auf und in dem die Zellen liegen, aber auch durch die Beeinflussung der Aktivität von Wachstumsfaktoren.
Kurzfassung auf Englisch: Diseases of the cardiovascular system are the main cause of death in the western hemisphere. Often these problems arise from the occlusion of a main artery, leading to a decrease in blood supply in areas downstream of the occlusion. If the stenosis of a large feeding artery proceeds slowly enough (e.g. in weeks or month), the human body is able to compensate for the effects of these occlusions. The most effective mechanism of which is the growth of collateral arteries (arteriogenesis). These collateral arteries are muscular arteries, which developed from preexisting anastomoses. As a consequence of their growth a natural bypass develops, bridging the occluded artery. Aim of this study was the identification of genes involved in the growth of collateral arteries.

In order to identify these genes, collateral growth was induced in the rabbit by femoral artery occlusion. Growing collaterals were excised three days and three weeks after occlusion of the femoral artery and RNA was isolated. Differential gene expression was analyzed by means of Differential Display Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction. One of the genes identified had homology to the human osteoinductive factor/osteoglycin, recently renamed mimecan. Osteoglycin belongs to the family of small leucine-rich proteoglycans, a group of currently eleven proteins, characterized by leucine-rich repeats in their central domain. Our study in the rabbit model showed that osteoglycin was downregulated on the mRNA and protein level after femoral artery occlusion. The osteoglycin mRNA was expressed by smooth muscle cells of the vascular wall, endothelial cells showed no expression. Osteoglycin expression was not restricted to blood vessels, but could also be detected in additional tissue, e.g. lung, heart and uterus. The protein was localized in the adventitia of growing and resting collaterals and significantly downregulated after femoral artery occlusion. Stimulation of cultured smooth muscle cells (rabbit) revealed that osteoglycin was downregulated by FGF-2 and TGF-beta1, two factors which stimulate collateral growth. Osteoglycin knock out mice showed a enhanced collateral growth compared to the wildtype.

As other members of the family of small leucine-rich proteoglycans, osteoglycin regulates the synthesis of collagen fibers in the extracellular matrix, influencing their diameter and mechanical properties. Osteoglycin is therefore important for the stability of the blood vessel. In addition it regulates the proliferation of smooth muscle cells, because it is part of the surrounding matrix and by its ability to modulate the activity of growth factors.