Untersuchung transgener Tiermodelle für die Xenotransplantation

Die Generierung genetisch modifizierter Organspendertiere stellt eine Möglichkeit dar, die Überlebenszeit eines porcinen Xenotransplantats in einem humanen Empfänger zu verlängern. So könnte durch Transgenexpression von TGF-b1 oder TRAIL auf dem Xenotransplantat möglicherweise die zelluläre Abstoßungsreaktion inhibiert werden. Grundlagen zur Untersuchung dieser Strategien in-vivo wurden durch die hier analysierten Tiermodelle in Maus und Schwein geschaffen. In Mäusen wurde ein Modell eines Mifepristone-induzierbaren Genregulatorsystems etabliert, das die gewebespezifische und zeitlich kontrollierte Expression von konstitutiv aktivem TGF-b1 ermöglichen sollte. In diesem System sollte der chimäre Transaktivator GLVPc nur im Herzen exprimiert werden, und dieser sollte in doppelt-transgenen (dtg) Mäusen erst nach Verabreichung des Induktors Mifepristone eine auf das Herz beschränkte, zeitlich kontrollierbare Expression von konstitutiv aktivem TGF-b1 induzieren. Eine herzspezifische Expression sollte durch den murinen alpha myosin heavy chain (aMyHC)-Promotor erreicht werden. Schon die Analyse der einfach-transgenen Mauslinien ergab jedoch eine ubiquitäre Expression von mRNA des Transaktivators bzw. des konstitutiv aktiven TGF-b1 in allen untersuchten Organen. Außerdem wurde im Herzen von dtg Mäusen eine von der Mifepristone-Gabe unabhängige hohe Transgenexpression von TGF-b1 nachgewiesen und eine Expressionssteigerung von TGF-b1 nach Mifepristone-Gabe war nicht reproduzierbar. Auffällig war überdies die hohe Letalität dtg Mäuse innerhalb der ersten vier Lebenswochen. Somit wurde durch das verwendete Genregulationssystem keine auf das Herz beschränkte, zeitlich kontrollierbare Transgenexpression von TGF-b1 erreicht. Da jedoch konstitutiv aktives TGF-b1 im Myokard dtg Mäuse synthetisiert wurde, könnten diese Herzen dennoch für Transplantationsversuche verwendet werden. Dadurch wäre zumindest die Untersuchung der Wirkung von TGF-b1 auf das Transplantatüberleben möglich. Sollten transgene Schweine für die Expression von konstitutiv aktivem TGF-b1 erstellt werden, so wäre allerdings ein anderes bzw. modifiziertes Genregulationssystem zu verwenden, welches eine sichere zeitliche und gewebespezifische Kontrolle der TGF-b1-Expression gewährleistet. Des Weiteren dürfte der bei den Mäusen verwendete aMyHC-Promotor für eine hohe Transgenexpression im Schweineherzen nicht geeignet sein. Das untersuchte porcine Tiermodell umfasste verschiedene transgene Schweinelinien, die ein Expressionskonstrukt für humanen TRAIL unter der Kontrolle des murinen H-2Kb-Promotors integriert haben. Transgenexpression wurde in zahlreichen Organen mit höchsten Expressionsniveaus in Milz und Lunge detektiert, was auf eine gewebespezifische Expression des Transgens durch den murinen Promotor hinwies. Des Weiteren wurde humanes TRAIL-Protein nur in der Zellmembranfraktion von Gewebelysaten detektiert und sollte daher für eine Interaktion mit Rezeptoren zugänglich sein. Überdies war eine Regulation der humanen TRAIL-Expression durch den murinen Promotor in aktivierten transgenen Lymphozyten zu beobachten, welche erhöhte Expressionsniveaus gegenüber nicht stimulierten Lymphozyten aufwiesen. Daher kann vermutet werden, dass die humane TRAIL-Expression bei Auftreten von Entzündungsreaktionen erhöht sein dürfte. Die biologische Wirksamkeit des Transgens wurde durch einen TRAIL-spezifischen Apoptose-induzierenden Effekt von transgenen Lymphoblasten auf Jurkat-Zellen gezeigt. All dies sind Voraussetzungen für einen möglichen protektiven Effekt von humanem TRAIL zur Verhinderung einer Zell-vermittelten Xenotransplantatabstoßung. Die Selektion von bisher nicht oder wenig untersuchten Linien erfolgte durch Analyse der Transgenexpression auf peripheren Blutlymphozyten. Dies stellte einen Kompromiss dar, um kosten- und zeitsparend gut exprimierende transgene Schweine für die Zucht von homozygoten und/oder multitransgenen Tieren zu selektionieren. Nicht nur das Expressionsmuster von humanem TRAIL und die Regulation durch den H-2Kb-Promotor in transgenen Schweinen, sondern auch die Analyse der Sequenz und der Expression des endogenen porcinen TRAIL sind in Bezug auf ihren möglichen Einfluss auf des Überleben des Xenotransplantats von Interesse. Die Aminosäuresequenz von porcinem TRAIL hat 86 % Ähnlichkeit mit der von humanem TRAIL. Eine mögliche Interaktion von porcinem TRAIL mit humanen Rezeptoren ist anzunehmen. Außerdem wurde eine gewebespezifische und entwicklungsabhängige Expression von porcinem TRAIL in zahlreichen Organen nachgewiesen. Dies dürfte mit den verschiedenen Funktionen von porcinem TRAIL in Zusammenhang stehen

Untersuchung transgener Tiermodelle für die Xenotransplantation

Die Generierung genetisch modifizierter Organspendertiere stellt eine Möglichkeit dar, die Überlebenszeit eines porcinen Xenotransplantats in einem humanen Empfänger zu verlängern. So könnte durch Transgenexpression von TGF-b1 oder TRAIL auf dem Xenotransplantat möglicherweise die zelluläre Abstoßungsreaktion inhibiert werden. Grundlagen zur Untersuchung dieser Strategien in-vivo wurden durch die hier analysierten Tiermodelle in Maus und Schwein geschaffen. In Mäusen wurde ein Modell eines Mifepristone-induzierbaren Genregulatorsystems etabliert, das die gewebespezifische und zeitlich kontrollierte Expression von konstitutiv aktivem TGF-b1 ermöglichen sollte. In diesem System sollte der chimäre Transaktivator GLVPc nur im Herzen exprimiert werden, und dieser sollte in doppelt-transgenen (dtg) Mäusen erst nach Verabreichung des Induktors Mifepristone eine auf das Herz beschränkte, zeitlich kontrollierbare Expression von konstitutiv aktivem TGF-b1 induzieren. Eine herzspezifische Expression sollte durch den murinen alpha myosin heavy chain (aMyHC)-Promotor erreicht werden. Schon die Analyse der einfach-transgenen Mauslinien ergab jedoch eine ubiquitäre Expression von mRNA des Transaktivators bzw. des konstitutiv aktiven TGF-b1 in allen untersuchten Organen. Außerdem wurde im Herzen von dtg Mäusen eine von der Mifepristone-Gabe unabhängige hohe Transgenexpression von TGF-b1 nachgewiesen und eine Expressionssteigerung von TGF-b1 nach Mifepristone-Gabe war nicht reproduzierbar. Auffällig war überdies die hohe Letalität dtg Mäuse innerhalb der ersten vier Lebenswochen. Somit wurde durch das verwendete Genregulationssystem keine auf das Herz beschränkte, zeitlich kontrollierbare Transgenexpression von TGF-b1 erreicht. Da jedoch konstitutiv aktives TGF-b1 im Myokard dtg Mäuse synthetisiert wurde, könnten diese Herzen dennoch für Transplantationsversuche verwendet werden. Dadurch wäre zumindest die Untersuchung der Wirkung von TGF-b1 auf das Transplantatüberleben möglich. Sollten transgene Schweine für die Expression von konstitutiv aktivem TGF-b1 erstellt werden, so wäre allerdings ein anderes bzw. modifiziertes Genregulationssystem zu verwenden, welches eine sichere zeitliche und gewebespezifische Kontrolle der TGF-b1-Expression gewährleistet. Des Weiteren dürfte der bei den Mäusen verwendete aMyHC-Promotor für eine hohe Transgenexpression im Schweineherzen nicht geeignet sein. Das untersuchte porcine Tiermodell umfasste verschiedene transgene Schweinelinien, die ein Expressionskonstrukt für humanen TRAIL unter der Kontrolle des murinen H-2Kb-Promotors integriert haben. Transgenexpression wurde in zahlreichen Organen mit höchsten Expressionsniveaus in Milz und Lunge detektiert, was auf eine gewebespezifische Expression des Transgens durch den murinen Promotor hinwies. Des Weiteren wurde humanes TRAIL-Protein nur in der Zellmembranfraktion von Gewebelysaten detektiert und sollte daher für eine Interaktion mit Rezeptoren zugänglich sein. Überdies war eine Regulation der humanen TRAIL-Expression durch den murinen Promotor in aktivierten transgenen Lymphozyten zu beobachten, welche erhöhte Expressionsniveaus gegenüber nicht stimulierten Lymphozyten aufwiesen. Daher kann vermutet werden, dass die humane TRAIL-Expression bei Auftreten von Entzündungsreaktionen erhöht sein dürfte. Die biologische Wirksamkeit des Transgens wurde durch einen TRAIL-spezifischen Apoptose-induzierenden Effekt von transgenen Lymphoblasten auf Jurkat-Zellen gezeigt. All dies sind Voraussetzungen für einen möglichen protektiven Effekt von humanem TRAIL zur Verhinderung einer Zell-vermittelten Xenotransplantatabstoßung. Die Selektion von bisher nicht oder wenig untersuchten Linien erfolgte durch Analyse der Transgenexpression auf peripheren Blutlymphozyten. Dies stellte einen Kompromiss dar, um kosten- und zeitsparend gut exprimierende transgene Schweine für die Zucht von homozygoten und/oder multitransgenen Tieren zu selektionieren. Nicht nur das Expressionsmuster von humanem TRAIL und die Regulation durch den H-2Kb-Promotor in transgenen Schweinen, sondern auch die Analyse der Sequenz und der Expression des endogenen porcinen TRAIL sind in Bezug auf ihren möglichen Einfluss auf des Überleben des Xenotransplantats von Interesse. Die Aminosäuresequenz von porcinem TRAIL hat 86 % Ähnlichkeit mit der von humanem TRAIL. Eine mögliche Interaktion von porcinem TRAIL mit humanen Rezeptoren ist anzunehmen. Außerdem wurde eine gewebespezifische und entwicklungsabhängige Expression von porcinem TRAIL in zahlreichen Organen nachgewiesen. Dies dürfte mit den verschiedenen Funktionen von porcinem TRAIL in Zusammenhang stehen

Mitochondrial Dysregulation Secondary to Endoplasmic Reticulum Stress in Autosomal Dominant Tubulointerstitial Kidney Disease - UMOD (ADTKD-UMOD)

'Autosomal dominant tubulointerstitial kidney disease - UMOD' (ADTKD-UMOD) is caused by impaired maturation and secretion of mutant uromodulin (UMOD) in thick ascending limb of Henle loop (TAL) cells, resulting in endoplasmic reticulum (ER) stress and unfolded protein response (UPR). To gain insight into pathophysiology, we analysed proteome profiles of TAL-enriched outer renal medulla samples from ADTKD-UMOD and control mice by quantitative LC-MS/MS. In total, 212 differentially abundant proteins were identified. Numerous ER proteins, including BiP (HSPA5), phosphorylated eIF2 alpha (EIF2S1), ATF4, ATF6 and CHOP (DDIT3), were increased abundant, consistent with UPR. The abundance of hypoxia-inducible proteins with stress survival functions, i.e. HYOU1, TXNDC5 and ERO1L, was also increased. TAL cells in ADTKD-UMOD showed a decreased proportion of mitochondria and reduced abundance of multiple mitochondrial proteins, associated with disturbed post-translational processing and activation of the mitochondrial transcription factor NRF1. Impaired fission of organelles, as suggested by reduced abundance of FIS1, may be another reason for disturbed biogenesis of mitochondria and peroxisomes. Reduced amounts of numerous proteins of the OXPHOS and citrate cycle pathways, and activation of the LKB1-AMPK-pathway, a sensor pathway of cellular energy deficits, suggest impaired energy homeostasis. In conclusion, our study revealed secondary mitochondrial dysfunction in ADTKD-UMOD

Missense Mutation of POU Domain Class 3 Transcription Factor 3 in Pou3f3(L423P) Mice Causes Reduced Nephron Number and Impaired Development of the Thick Ascending Limb of the Loop of Henle

During nephrogenesis, POU domain class 3 transcription factor 3 (POU3F3 aka BRN1) is critically involved in development of distinct nephron segments, including the thick ascending limb of the loop of Henle (TAL). Deficiency of POU3F3 in knock-out mice leads to underdevelopment of the TAL, lack of differentiation of TAL cells, and perinatal death due to renal failure. Pou3f3(L423P) mutant mice, which were established in the Munich ENU Mouse Mutagenesis Project, carry a recessive point mutation in the homeobox domain of POU3F3. Homozygous Pou3f3(L423P) mutants are viable and fertile. The present study used functional, as well as qualitative and quantitative morphological analyses to characterize the renal phenotype of juvenile (12 days) and aged (60 weeks) homo-and heterozygous Pou3f3(L423P) mutant mice and age-matched wild-type controls. In both age groups, homozygous mutants vs. control mice displayed significantly smaller kidney volumes, decreased nephron numbers and mean glomerular volumes, smaller TAL volumes, as well as lower volume densities of the TAL in the kidney. No histological or ultrastructural lesions of TAL cells or glomerular cells were observed in homozygous mutant mice. Aged homozygous mutants displayed increased serum urea concentrations and reduced specific urine gravity, but no evidence of glomerular dysfunction. These results confirm the role of POU3F3 in development and function of the TAL and provide new evidence for its involvement in regulation of the nephron number in the kidney. Therefore, Pou3f3(L423P) mutant mice represent a valuable research model for further analyses of POU3F3 functions, or for nephrological studies examining the role of congenital low nephron numbers

Glycocalyx dynamics and the inflammatory response of genetically modified porcine endothelial cells.

Xenotransplantation is a promising approach to reduce organ shortage, while genetic modification of donor pigs has significantly decreased the immunogenic burden of xenotransplants, organ rejection is still a hurdle. Genetically modified pig organs are used in xenotransplantation research, and the first clinical pig-to-human heart transplantation was performed in 2022. However, the impact of genetic modification has not been investigated on a cellular level yet. Endothelial cells (EC) and their sugar-rich surface known as the glycocalyx are the first barrier encountering the recipient's immune system, making them a target for rejection. We have previously shown that wild type venous but not arterial EC were protected against heparan sulfate (HS) shedding after activation with human serum or human tumor necrosis factor alpha (TN

Establishment and Characterization of a Novel Human Induced Pluripotent Stem Cell Line Stably Expressing the iRFP720 Reporter

Stem cell therapy has great potential for replacing beta-cell loss in diabetic patients. However, a key obstacle to cell therapy’s success is to preserve viability and function of the engrafted cells. While several strategies have been developed to improve engrafted beta-cell survival, tools to evaluate the efficacy within the body by imaging are limited. Traditional labeling tools, such as GFP-like fluorescent proteins, have limited penetration depths in vivo due to tissue scattering and absorption. To circumvent this limitation, a near-infrared fluorescent mutant version of the DrBphP bacteriophytochrome, iRFP720, has been developed for in vivo imaging and stem/progenitor cell tracking. Here, we present the generation and characterization of an iRFP720 expressing human induced pluripotent stem cell (iPSC) line, which can be used for real-time imaging in various biological applications. To generate the transgenic cells, the CRISPR/Cas9 technology was applied. A puromycin resistance gene was inserted into the AAVS1 locus, driven by the endogenous PPP1R12C promoter, along with the CAG-iRFP720 reporter cassette, which was flanked by insulator elements. Proper integration of the transgene into the targeted genomic region was assessed by comprehensive genetic analysis, verifying precise genome editing. Stable expression of iRFP720 in the cells was confirmed and imaged by their near-infrared fluorescence. We demonstrated that the reporter iPSCs exhibit normal stem cell characteristics and can be efficiently differentiated towards the pancreatic lineage. As the genetically modified reporter cells show retained pluripotency and multilineage differentiation potential, they hold great potential as a cellular model in a variety of biological and pharmacological applications

Standardized, systemic phenotypic analysis reveals kidney dysfunction as main alteration of Kctd1 I27N mutant mice

Background: Increased levels of blood plasma urea were used as phenotypic parameter for establishing novel mouse models for kidney diseases on the genetic background of C3H inbred mice in the phenotype-driven Munich ENU mouse mutagenesis project. The phenotypically dominant mutant line HST014 was established and further analyzed. Methods: Analysis of the causative mutation as well as the standardized, systemic phenotypic analysis of the mutant line was carried out. Results: The causative mutation was detected in the potassium channel tetramerization domain containing 1 (Kctd1) gene which leads to the amino acid exchange Kctd1 I27N thereby affecting the functional BTB domain of the protein. This line is the first mouse model harboring a Kctd1 mutation. Kctd1 I27N homozygous mutant mice die perinatally. Standardized, systemic phenotypic analysis of Kctd1 I27N heterozygous mutants was carried out in the German Mouse Clinic (GMC). Systematic morphological investigation of the external physical appearance did not detect the specific alterations that are described in KCTD1 mutant human patients affected by the scalp-ear-nipple (SEN) syndrome. The main pathological phenotype of the Kctd1 I27N heterozygous mutant mice consists of kidney dysfunction and secondary effects thereof, without gross additional primary alterations in the other phenotypic parameters analyzed. Genome-wide transcriptome profiling analysis at the age of 4 months revealed about 100 differentially expressed genes (DEGs) in kidneys of Kctd1 I27N heterozygous mutants as compared to wild-type controls. Conclusions: In summary, the main alteration of the Kctd1 I27N heterozygous mutants consists in kidney dysfunction. Additional analyses in 9–21 week-old heterozygous mutants revealed only few minor effects