Differentielle Expressionsanalyse CbfA-regulierter Proteine während des Übergangs vom Wachstum zur Entwicklung in Dictyostelium discoideum

Beim Übergang vom Wachstum zur Entwicklung entsteht in Dictyostelium discoideum aus einzelnen vegetativ wachsenden Zellen ein multizellulärer Organismus, der in der Lage ist ausdauernde Sporen zu bilden. Während der im multizellulären Verband stattfindenden morphologischen Veränderungen und Zelldifferenzierung nimmt die Proteinkinase A (PKA) eine Schlüsselfunktion ein. Der C-Modul bindende Faktor A (CbfA), ursprünglich aufgrund seiner spezifischen Bindung an eine regulatorische DNA-Sequenz des Non-LTR Retrotransposons TRE5-A.1 in D. discoideum entdeckt, ist für den Übergang vom Wachstum zur Differenzierungsphase essentiell. Zellen der CbfA-Mangelmutante JH.D2 weisen im Vergleich zu denen des Wildtyp-Stamms AX2 ein verlangsamtes Wachstum und eine verzögerte Einleitung der Aggregation und der Entwicklung auf. Charakteristisch für diese CbfA-Mutante ist die Unterexpression der mRNA für die katalytische Untereinheit der Proteinkinase A (PkaC). Da die Expression der PkaC sowohl auf der Transkriptions- als auch auf der Translationsebene reguliert ist, wurde in dieser Arbeit ein monoklonaler Antikörper gegen die katalytische Untereinheit hergestellt, um den Proteingehalt an PkaC in Zellen der CbfA-Mutante zu untersuchen. Dabei konnte eine starke Unterexpression der PkaC in den CbfA-depletierten Zellen nachgewiesen werden. Demnach scheint es einen mittelbaren Zusammenhang zwischen der Menge an CbfA und dem sich selbst verstärkenden cAMP-abhängigen Signaltransduktionssystem der Zellen zu geben, da ein Mangel an cAMP eine fehlende Aktivierung der sich selbst induzierenden PKA nach sich zieht. Für D. discoideum konnte erstmals eine reproduzierbare 2D-gelelektrophoretische Trennmethode etabliert werden, mit der es gelang, differentiell exprimierte Proteine im Stadium der frühen Entwicklung zwischen den untersuchten D. discoideum-Stämmen AX2 und JH.D2 aufzufinden. Die Anwendung der DIGE-Technologie ermöglichte dabei die Detektion von ca. 30-40 differentiell exprimierten Proteinen. Durch die massenspektrometrische Untersuchung dieser Proteine unter Verwendung der MALDI-TOF Methode in Kombination mit dem Peptid-Massen-Fingerabdruck konnten insgesamt ca. 30% der differentiell exprimierten Proteine identifiziert werden. Dabei stellte sich heraus, daß vor allem Proteine mit essentiellen Funktionen im zellulären Stoffwechsel in der CbfA-Mangelmutante JH.D2 auf geringerem Niveau exprimiert wurden als im Wildtyp-Stamm AX2. Dies könnte eine Erklärung für die letalen Auswirkungen eines vollständigen knockouts von CbfA in D. discoideum liefern. Zusätzlich wurde mit Hilfe der DIGE-Technologie die Funktion der C-terminalen Domäne des CbfA-Proteins untersucht. Für diese Experimente wurde eine CbfA-Mutante verwendet, die den C-Terminus konstitutiv überexprimiert. Die daraus resultierenden Proteinmuster haben gezeigt, daß die C-terminale Domäne unabhängig vom Rest des Proteins sowohl induzierenden als auch reprimierenden Einfluß auf die Proteinexpression nimmt. Diese Ergebnisse zeigen eine unerwartet komplexe Funktion des Proteins CbfA in der Regulation von Genen während der untersuchten Lebensphasen von D. discoideum

Nerve Injury Evoked Loss of Latexin Expression in Spinal Cord Neurons Contributes to the Development of Neuropathic Pain

Nerve injury leads to sensitization mechanisms in the peripheral and central nervous system which involve transcriptional and post-transcriptional modifications in sensory nerves. To assess protein regulations in the spinal cord after injury of the sciatic nerve in the Spared Nerve Injury model (SNI) we performed a proteomic analysis using 2D-difference gel electrophoresis (DIGE) technology. Among approximately 2300 protein spots separated on each gel we detected 55 significantly regulated proteins after SNI whereof 41 were successfully identified by MALDI-TOF MS. Out of the proteins which were regulated in the DIGE analyses after SNI we focused on the carboxypeptidase A inhibitor latexin because protease dysfunctions contribute to the development of neuropathic pain. Latexin protein expression was reduced after SNI which could be confirmed by Western Blot analysis, quantitative RT-PCR and in-situ hybridisation. The decrease of latexin was associated with an increase of the activity of carboxypeptidase A indicating that the balance between latexin and carboxypeptidase A was impaired in the spinal cord after peripheral nerve injury due to a loss of latexin expression in spinal cord neurons. This may contribute to the development of cold allodynia because normalization of neuronal latexin expression in the spinal cord by AAV-mediated latexin transduction or administration of a small molecule carboxypeptidase A inhibitor significantly reduced acetone-evoked nociceptive behavior after SNI. Our results show the usefulness of proteomics as a screening tool to identify novel mechanisms of nerve injury evoked hypernociception and suggest that carboxypeptidase A inhibition might be useful to reduce cold allodynia

CbfA, the C-Module DNA-Binding Factor, Plays an Essential Role in the Initiation of Dictyostelium discoideum Development

We recently isolated from Dictyostelium discoideum cells a DNA-binding protein, CbfA, that interacts in vitro with a regulatory element in retrotransposon TRE5-A. We have generated a mutant strain that expresses CbfA at <5% of the wild-type level to characterize the consequences for D. discoideum cell physiology. We found that the multicellular development program leading to fruiting body formation is highly compromised in the mutant. The cells cannot aggregate and stay as a monolayer almost indefinitely. The cells respond properly to prestarvation conditions by expressing discoidin in a cell density-dependent manner. A genomewide microarray-assisted expression analysis combined with Northern blot analyses revealed a failure of CbfA-depleted cells to induce the gene encoding aggregation-specific adenylyl cyclase ACA and other genes required for cyclic AMP (cAMP) signal relay, which is necessary for aggregation and subsequent multicellular development. However, the cbfA mutant aggregated efficiently when mixed with as few as 5% wild-type cells. Moreover, pulsing cbfA mutant cells developing in suspension with nanomolar levels of cAMP resulted in induction of acaA and other early developmental genes. Although the response was less efficient and slower than in wild-type cells, it showed that cells depleted of CbfA are able to initiate development if given exogenous cAMP signals. Ectopic expression of the gene encoding the catalytic subunit of protein kinase A restored multicellular development of the mutant. We conclude that sensing of cell density and starvation are independent of CbfA, whereas CbfA is essential for the pattern of gene expression which establishes the genetic network leading to aggregation and multicellular development of D. discoideum