Untersuchungen zum Einfluss von Selen und Vitamin E auf differentielle Genexpression, antioxidative Schutzmechanismen und Zellschädigungen bei der Ratte

Abstract

Ziel und Gegenstand der Untersuchung Selen und Vitamin E spielen eine bedeutende Rolle bei zahlreichen biologischen Prozessen, einschließlich antioxidativem Zellschutz,Modulation redox-sensitiver Enzymkaskaden und Zellwachstum. Über die molekularen Mechanismen, die diesen beobachteten Effektenzugrunde liegen, ist hingegen wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel, den Einfluss eines alimentären Selen- und/oderVitamin E-Mangels bei der Ratte auf differentielle Genexpression mit Hilfe eines cDNA Arrays in der Leber zu untersuchen. Darüber hinaussollten der Selen- und Vitamin E-Status sowie verschiedene Zellschädigungsparameter bestimmt werden. Ergebnisse Ein Selen- und Vitamin E-Mangel führte nach sieben Wochen zu einer signifikanten Reduktion der Lebendmasse und der Futterverwertung bei wachsenden Ratten. Ein alleiniger Vitamin E-Mangel führte in der Leber zu keiner signifikanten Änderung der Expression der untersuchten Gene. In der Leber der Selen-depletierten Ratten wurden insgesamt neun Gene differentiell exprimiert. Der alleinige Selen-Mangel führte zu einer Repression der zellulären Glutathionperoxidase (cGPx) und zu einer Induktion von Genen, welche an hepatischen Entgiftungsreaktionen beteiligt sind. In der Leber der Doppelmangelgruppe zeigten insgesamt 22 Gene eine differentielle Expression. Es kam zu einer weiteren Abnahme der cGPx-mRNA im Vergleich zum alleinigen Selen-Mangel und zu einer Induktion von Genen mit antioxidativen Eigenschaften. Der Doppelmangel war ferner durch eine signifikante Induktion von Genen charakterisiert, welche für Inflammation- und Apoptose-assoziierte Proteine codieren. Die Glutathion-Konzentration wurde durch den Vitamin E- und/oder Selen-Mangel in der Leber nicht signifikant beeinflusst. Darüber hinaus kam es zu einer erhöhten Aktivität der Glutathionreduktase im Selen-Mangel und zu einer Abnahme der Vitamin C-Konzentrationen. Der Vitamin E-Mangel führte zu einer signifikanten Lipidperoxidation in der Leber. Mit Hilfe des Comet Assays wurden keine signifikanten Unterschiede in der DNA-Schädigung zwischen den verschiedenen Behandlungsgruppen aufgezeigt. Ein Abfall der Aktivität der g-Glutaminsynthetase als ein Parameter einer Proteinschädigung wurde in der vorliegenden Untersuchung nicht beobachtet. Stattdessen kam es zu einem Anstieg der Aktivität in der Doppelmangel-Gruppe, was auf eine Stress-bedingte Induktion schließen lässt. Gemessen an dem Anstieg der Metallothionein-Konzentration und der Aktivität der Lactatdehydrogenase zeigte sich im Doppelmangel eine erhöhte inflammatorische Stoffwechsellage. Es kam darüber hinaus zu einer Abnahme der Blutparameter Hämoglobin und Hämatokrit. Die Vitamin E-Zulage führte im Selen-Mangel zu einer signifkanten Steigerung der Selen-Konzentration, der cGPx-mRNA sowie der cGPx-Aktivität in der Leber. Damit konnten mit Hilfe der Microarray-Technologie in Abhängigkeit eines Selen- und/oder Vitamin E-Mangels differentiell exprimierte Gene in der Leber wachsender Ratten nachgewiesen werden. Änderungen auf Expressionsebene führten bei ausgewählten Parametern ebenfalls zu einer Änderung auf Proteinebene. Die vorliegende Studie bestätigt somit auch auf molekularer Ebene die lange bekannten synergistischen Effekte zwischen Vitamin E und Selen. Subject and aim of the investigation Selenium and vitamin E play a central role in various biological processes, including antioxidative protection, modulation of redox-sensitiveenzymcascades and cell grow. About the molecular mechanisms however, which underlies these effects, is less known. Therefore the aimof the investigation was to analyse the effects of selenium and/or vitamin E deficiency on differential gene expression using cDNA arraytechnology in the liver of growing rats. Moreover, the selenium and vitamin E status as well as several parameters of cell damage ought tobe investigated. Results A selenium and vitamin E deficiency led after seven weeks to a significant reduction in live weight gain and food conversion of the growing rats. A vitamin E deficiency alone did not significantly change the expression of the genes investigated. In the liver of selenium depleted rats, nine genes were differentially expressed. A selenium deficiency alone led to a depression ofcellular glutathione peroxidase (cGPx) and to an induction of genes, knowing to be involved in hepatic detoxification processes. In the liver of double deficient animals 22 genes showed a differential expression. The expression of the cGPx gene was further reduced compared to the single selenium deficiency and genes with an antioxidant function were induced. In addition, the doubledeficiency was characterised through a significant induction of genes, that encode for proteins involved in inflammation and apoptosis. The concentration of glutathione was not affected by the selenium and/or vitamin E deficiency in the liver. Furthermore selenium deficiency enhanced activity of glutathione reductase and decreased vitamin C concentrations. A vitamin E deficiency led to a significant lipidperoxidation in the liver. Using the Comet assay, no significant differences in DNA damage between the different groups could be detected. A decrease in the activity of g-glutamine synthetase as a parameter of protein damage could not be observed. Instead the increase in activity in the double deficient group could be the consequence of a stress dependent induction. Due to the increase in metallothionein concentration and activity of lactate dehydrogenase, the double deficient group showed an inflammatoric response. Furthermore the blood parameters hemoglobin and hematocrit were decreased in double deficiency. The vitamin E supplementation in selenium deficiency led to a significant increase in selenium concentration, cGPx mRNA and cGPx activity in the liver. In conclusion, by using cDNA array technology, several genes differently expressed in the liver of growing rats depending on the selenium and/or vitamin E status in the liver could be detected. Changes in the expression level of selected parameters led likewise to changes in protein level. The study approve the known synergistic mechanisms of selenium and vitamin E also on the molecular level.