PPARa: master regulator of lipid metabolism im mouse and human : identification of hepatic PPARa target genes by expression profiling

The peroxisome proliferator activated receptor alpha (PPARα) is a ligand activated tran- scription factor involved in the regulation of a variety of processes, ranging from inflam- mation and immunity to nutrient metabolism and energy homeostasis. PPARα serves as a molecular target for hypolipidemic fibrates drugs which bind the receptor with high affinity. Furthermore, PPARα binds and is activated by numerous fatty acids and fatty acid derived compounds. PPARα governs biological processes by altering the expression of large number of target genes. Although the role of PPARα as a gene regulator in liver has been well estab- lished, a comprehensive overview of its target genes has been missing so far. Additionally, it is not very clear whether PPARα has a similar role in mice and humans and to what extent target genes are shared between the two species. The aim of the research presented in this thesis was to identify PPARα-regulated genes in mouse and human liver and thereby further elucidate hepatic PPARα function. The applied nutrigenomics approaches are mainly expression microarrays combined with knockout mouse models and in vitro cell culture systems. By combining several independent nutrigenomics studies, we generated a comprehensive overview of PPARα-regulated genes in liver with the focus on lipid metabolism. We identi- fied a large number of PPARα target genes involved in different aspects of lipid metabolism. Furthermore, a major role of PPARα in lipogenesis was detected. Our data pointed to several novel putative PPARα target genes. Next, we compared PPARα-regulated genes in primary mouse and human hepatocytes treated with the PPARα agonist Wy14643 and generated an overview of overlapping and species specific PPARα target genes. A large number of genes were found to be regulated by PPARα activation in human primary hepatocytes, which iden- tified a major role for PPARα in human liver. Interestingly, we could characterize mannose binding lectin 2 (Mbl2) as a novel human specific PPARα target gene. Plasma Mbl2 levels were found to be changed in subjects receiving fenofibrate treatment or upon fasting. Regula- tion of Mbl2 by PPARα suggests that it may play a role in regulation of energy metabolism, although additional research is needed. We also compared the PPARα-induced transcriptome in HepG2 cells versus primary human hepatocytes to investigate the suitability of HepG2 cells in PPARα research. The results re- vealed that the HepG2 cell line poorly reflects the established PPARα target genes and func- tion, specifically with respect to lipid metabolism. Finally, we characterized the transcription factors Klf10 and Klf11 as novel PPARα target genes. Our preliminary findings using in vitro transfection assays and in vivo tail vein injection of plasmid DNA suggested a potential metabolic role of Klf10 and Klf11 in liver. In conclusion, this thesis has extended our understanding of PPARα-regulated genes and function in liver, and has specifically highlightened a major role of PPARα in human hepa- tocytes. This research has also given birth to a possible biomarker of hepatic PPARα activity which is of great interest for future studies. Considering the need for proper biomarkers in the field of nutrigenomics and beyond, the properties of Mbl2 as a biomarker should be further investigated. The identification of other novel putative PPARα target genes offers ample op- portunities for continued research

Tumor Suppressor Genes

Functional evidence obtained from somatic cell fusion studies indicated that a group of genes from normal cells might replace or correct a defective function of cancer cells. Tumorigenesis that could be initiated by two mutations was established by the analysis of hereditary retinoblastoma, which led to the eventual cloning of RB1 gene. The two-hit hypothesis helped isolate many tumor suppressor genes (TSG) since then. More recently, the roles of haploinsufficiency, epigenetic control, and gene dosage effects in some TSGs, such as P53, P16 and PTEN, have been studied extensively. It is now widely recognized that deregulation of growth control is one of the major hallmarks of cancer biological capabilities, and TSGs play critical roles in many cellular activities through signaling transduction networks. This book is an excellent review of current understanding of TSGs, and indicates that the accumulated TSG knowledge has opened a new frontier for cancer therapies

Interactions between anthocyanins, cholesterol metabolism and PON-1 in relation to HDL quality and CVD risk

Background: Data from epidemiological studies demonstrate an inverse association between high intakes of anthocyanins and risk of cardiovascular disease. The human and animal dietary intervention studies also showed that consumption of anthocyaninrich extracts and foods causes beneficial changes in lipid profiles. However, the potential mechanisms of action are yet to be fully elucidated; in particular, is it the anthocyanins per se or their metabolites that cause the changes, and what are the gene/protein targets in the lipoprotein metabolic pathways? Therefore, the aim of this research was to develop a mechanistic understanding of how anthocyanins and/or their metabolites alter lipid/lipoprotein metabolism and improve HDL function. Approaches: Using cultured macrophages, the effects of the two main dietary anthocyanins and a large number of their metabolites on the expression of key genes involved in reverse cholesterol transport (RCT), and on the expression and enzyme activities of paraoxonase-1 (PON1) (marker of HDL function) were tested at physiologically relevant concentrations. The effects of anthocyanin consumption on cholesterol efflux transporters was investigated by quantifying the expression of ABCA1 and ABCG1 in aortic and liver tissues from ApoE-/- mice that had consumed diets supplemented with anthocyanin-expressing tomatoes compared to mice that had consumed diets supplemented with anthocyanin-free (control) red tomatoes. The broader effects of three major anthocyanin metabolites was assessed using RNA seq to study genome-wide changes in gene expression in cultured human macrophages. A randomized placebo-controlled crossover human intervention study was conducted using purified anthocyanin extracts to investigate the effects of consuming anthocyanins on lipid/lipoprotein profiles and biomarkers of HDL function and interactions with PON1 genotype. Results: None of the tested anthocyanins or their metabolites significantly altered the expression of cholesterol transporter (ABCA1, ABCG1) or scavenger receptor (MSR1, SCARB1 and CD36) genes (the key genes involved in RCT), nor did they affect the expression of the PON1 gene or the activities of the enzyme. In addition, RNA seq analysis revealed that treatment with the three major anthocyanin metabolites did not cause any significant changes in the expression of macrophage genes or affect pathways related with atherosclerosis. In the human dietary intervention with high doses of isolated anthocyanins, no significant changes in lipid profiles, ApoA1, ApoB1, HDL subfractions and biomarkers of glycemic control were observed compared to the placebo after 4 weeks of intervention. The human intervention also showed no significant interaction between the consumption of anthocyanin, biomarkers of HDL function, PON1 activities and PON1 genotype. Conclusion: In conclusion, the data in this thesis do not support the notion that anthocyanins or their metabolites improve lipid/lipoprotein profiles and biomarkers of HDL function

Tumor Suppressor Genes

Functional evidence obtained from somatic cell fusion studies indicated that a group of genes from normal cells might replace or correct a defective function of cancer cells. Tumorigenesis that could be initiated by two mutations was established by the analysis of hereditary retinoblastoma, which led to the eventual cloning of RB1 gene. The two-hit hypothesis helped isolate many tumor suppressor genes (TSG) since then. More recently, the roles of haploinsufficiency, epigenetic control, and gene dosage effects in some TSGs, such as P53, P16 and PTEN, have been studied extensively. It is now widely recognized that deregulation of growth control is one of the major hallmarks of cancer biological capabilities, and TSGs play critical roles in many cellular activities through signaling transduction networks. This book is an excellent review of current understanding of TSGs, and indicates that the accumulated TSG knowledge has opened a new frontier for cancer therapies.published_or_final_versio

Individualisierte Medizin und Gesundheitssystem. Zukunftsreport

Für eine wachsende Einbindung von Patientinnen und Patienten in die Gesundheitsversorgung besteht bereits heute medizinischer Bedarf, der sich zukünftig wahrscheinlich verstärken wird. Technikvisionen deuten darauf hin, dass aus der Zusammenführung dieses Trends mit Erkenntnissen der Lebenswissenschaften in etwa zwanzig Jahren eine »individualisierte Gesundheitsversorgung« entstehen könnte: Medizinischen Leistungen, die spezifischer als bisher an das Individuum angepasst werden können, wird ein Potenzial zugeschrieben, sodass anspruchsvollere Qualitäts- und Kostenziele in der Gesundheitsversorgung erreichbar wären. Eine solche individualisierte Medizin könnte alle Stufen der Leistungserbringung – von der Prävention über (Früh-)Diagnostik bis zu Therapie und Nachsorgemonitoring – durchdringen. Sie stützt sich auf so unterschiedliche wissenschaftlich-technische Entwicklungen wie Genomanalysen, Nanomedizin, autologe Zelltherapien, molekulares Imaging, Nutrigenomik oder die Ermittlung patientenspezifischer Proteinexpressionsmuster. Gegenstand und Ziel der Untersuchung Der Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung hat einen Zukunftsreport zur noch ganz überwiegend im Stadium der Forschung und Entwicklung befindlichen Thematik in Auftrag gegeben. Bereits in der Frühphase der forschungs- und gesundheitspolitischen Diskussion über die Zukunftsoption sollte analysiert werden, - welche Entwicklungslinien in den Lebenswissenschaften zu einer individualisierten Medizin beitragen können, - wie der aktuelle Stand von Wissenschaft und Technik und die möglichen künftigen Entwicklungen einzuschätzen sind, - welche Implikationen sich für die Technikentwicklung und die Einbettung dieser Techniken in das zukünftige Gesundheitssystem ergeben, wenn sie einen Beitrag zu einer individualisierten Medizin leisten sollen und - welche Implikationen sich aus einer individualisierten Medizin für die medizinische Versorgung, für Unternehmen und Krankenversicherung ergeben könnten. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 7 I. EINLEITUNG 35 II. TREIBER, VISIONEN UND POTENZIALE 39 1. Treiber medizinischer Bedarf 39 2. Treiber in Wissenschaft und technologischer Entwicklung 42 3. Treiber Patientenorientierung 43 4. Visionen 46 5. Potenziale 48 III. WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE ENTWICKLUNGSLINIEN IN DER INDIVIDUALISIERTEN MEDIZIN 49 1. Individuell angefertigte therapeutische Interventionen 49 1.1 Individuell mittels »Rapid Prototyping« gefertigte Prothesen und Implantate 49 1.2 Individuell hergestellte Pharmazeutika und Nahrungskomponenten 51 1.3 Autologe Zelltherapien 52 1.4 Fazit 69 2. Biomarkerbasierte individualisierte Medizin 71 2.1 Definition und Arten von Biomarkern 72 2.2 Technologieplattformen zur Messung von Biomarkern 74 3. Roadmaps 106 3.1 Roadmap »Biomarkerbasierte individualisierte Medizin« 106 3.2 Roadmap »Individuell angefertigte therapeutische Interventionen« 123 4. Individualisierungskonzepte 129 4.1 Individualisierung durch biomarkerbasierte Stratifizierung (Gruppierung) 130 4.2 Individualisierung durch genombasierte Informationen über gesundheitsbezogene Merkmale 132 4.3 Individualisierung durch Ermittlung individueller Erkrankungsrisiken 133 4.4 Individualisierung durch differenzielle Interventionsangebote 135 4.5 Individualisierung durch therapeutische Unikate 136 IV. INDIVIDUALISIERTE MEDIZIN AM BEISPIEL DIABETES 137 1. Ziel der Fallstudie und Auswahl der Krankheit Diabetes mellitus 137 2. Grunddaten zu Diabetes mellitus 140 3. Risikoermittlung 141 4. Prävention 145 5. Früherkennung – Diagnose 151 6. Therapie 154 7. Monitoring 166 8. Infrastrukturelle Maßnahmen 168 9. Fazit 171 V. ARZNEIMITTELTHERAPIE VON KINDERN UND ÄLTEREN MENSCHEN 173 1. Ursachen, Kategorien und Mechanismen 173 2. Häufigkeit von Arzneimittelnebenwirkungen 176 3. Verringerung des Risikos 177 3.1 Organisatorische Einbettung 177 3.2 Software zur Detektierung von Arzneimittelwechselwirkungen 178 3.3 Spezifische Darreichungsformen von Medikamenten 179 3.4 Pharmakogenetik 179 4. Fazit 180 VI. ZELLTHERAPIEN MIT NABELSCHNURBLUT 181 1. Ziel der Fallstudie 181 2. Aktuelle und mögliche künftige Nutzung von Zelltherapien auf der Basis von Nabelschnurblutstammzellen 181 3. Kontroversen 182 4. Gründe und Treiber für die Einlagerung von Nabelschnurblut 184 4.1 Informationsbasis für eine informierte Wahlentscheidung 185 4.2 Motive Schwangerer für eine Inanspruchnahme der privaten Einlagerung 185 4.3 Motive Schwangerer für eine Nabelschnurblutspende 186 5. Fazit 187 VII. IMPLIKATIONEN EINER BIOMARKERBASIERTEN INDIVIDUALISIERTEN MEDIZIN FÜR FORSCHUNG UND MEDIZINISCHE VERSORGUNG 189 1. Überführung von Forschungserkenntnissen in die klinische Anwendung 189 1.1 Mögliche Wirkungen des Einsatzes unzureichend validierter Tests in der medizinischen Versorgung 190 1.2 Vorgehensweisen zur Bewertung von neuen Testverfahren 193 1.3 Forschungsagenda für die Bewertung von neuen Testverfahren 196 1.4 Maßnahmen 202 1.5 Regulatorische Maßnahmen 210 1.6 Fazit 213 2. Individualisierte Medizin in der Gesundheitsversorgung 215 2.1 Zeithorizont und Herausforderungen 215 2.2 Nutzungsverhalten durch medizinisches Personal 216 2.3 Versorgung durch Haus- und Fachärzte 217 2.4 Erforderliche Kompetenzen bei medizinischem Personal 219 2.5 Leistungserbringer und Kooperationsstrukturen 222 2.6 Exkurs: Pränataldiagnostik 224 2.7 Fazit 228 3. Beiträge einer individualisierten biomarkerbasierten Medizin zur Prävention 229 3.1 Gesundheitspolitische Bedeutung von Prävention und Früherkennung 229 3.2 Beiträge genetischen Wissens zur Epidemiologie- und »Public-Health«-Forschung 231 3.3 Potenziale der individualisierten Medizin zur Verbesserung der Prävention 233 3.4 Anforderungen an Screening- und Präventionsmaßnahmen 234 3.5 Identifizierung von Risikogruppen und Risikopersonen 235 3.6 Erhöhte Wirksamkeit durch individuell maßgeschneiderte Interventionen? 237 3.7 Risiken und nichtintendierte Wirkungen 239 3.8 Fazit 240 4. Kompetenzen, Präferenzen und Verhalten von Patientinnen und Patienten bei der Nutzung der individualisierten Medizin 242 4.1 Erforderliche Kompetenzen zur Nutzung der individualisierten Medizin durch Patientinnen und Patienten 242 4.2 Charakterisierung von Aspekten der Gesundheitskompetenz in der Bevölkerung 244 4.3 Unterstützung bei der Krankheitsbewältigung als individualisierte Medizin 247 4.4 Fazit 248 4.5 Präferenzen und Nutzungsverhalten bei genombasierten Suszeptibilitätstests 249 4.6 Forschungsfragen 253 4.7 Bislang durchgeführte empirische Studien 254 4.8 Empirische Ergebnisse 259 4.9 Fazit 261 VIII. IMPLIKATIONEN FÜR DIE GESUNDHEITSWIRTSCHAFT 263 1. Ökonomie der individualisierten Arzneimitteltherapie 263 2. Diagnostika als Gatekeeper für die Einführung neuer Therapeutika 269 3. Dynamik der Akteure 270 4. Fazit 273 IX. IMPLIKATIONEN FÜR DIE KRANKENVERSICHERUNG 275 1. Einleitung 275 2. Individualisierte Medizin und gesetzliche Krankenversicherung 276 2.1 Prinzipien der gesetzlichen Krankenversicherung 276 2.2 Aufnahme von Leistungen der individualisierten Medizin in den Leistungskatalog der gesetzlichen Krankenversicherung 277 2.3 Optionen zur (begrenzten) Integration von Leistungen in das Angebot von gesetzlichen Krankenkassen 279 2.4 Auswirkungen auf die Gesundheitsausgaben zulasten der gesetzlichen Krankenversicherung 280 2.5 Patienteninformation 284 3. Individualisierte Medizin und private Krankenversicherung 285 3.1 Individualisierte Medizin im Leistungsumfang privater Krankenversicherungen 286 3.2 Potenziale und Implikationen prädiktiver Tests für die private Krankenversicherung 287 4. Selbstzahler 290 5. Fazit 291 X. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND HANDLUNGSOPTIONEN 295 1. Schaffung der Wissens- und Technologiebasis für eine biomarkerbasierte individualisierte Medizin 295 2. Überführung in die klinische Anwendung 297 3. Patientenpräferenzen und -verhalten 300 4. Prävention 301 5. Information und Aufklärung 302 6. Genetische und prädiktive Gesundheitsinformationen 304 7. Akzentverschiebungen im gesellschaftlichen Diskurs 305 LITERATUR 307 ANHANG 343 1. Tabellenverzeichnis 343 2. Abbildungsverzeichnis 34