Der genetische Hintergrund von Calciumsignalen: Eine bioinformatische und experimentelle Studie

Abstract

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheKalzium, genauer gesagt das Kalzium Ion Ca2+, stellt eines der grundlegendsten Signale innerhalb einer einzelnen Zelle aber auch zwischen mehreren benachbarten Zellen dar, dabei fungiert der Kalziumspiegel als Informationsträger. Die erste Zellteilung, die Kontraktion von Muskelfasern, die Speicherung von Erinnerung und der programmierte Zelltod, all das sind nur einige Beispiele der unzähligen Vorgänge in einem Organismus, die durch den Kalziumgehalt in Zellen gesteuert werden. Trotz dieser zentralen Rolle, ist wenig über den genetische Hintergrund des Kalziumsignalfunktionen bekannt, insbesondere in Hinsicht auf Krankheiten. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen, die die Verbindung zwischen Genen und Kalziumsignalen aus zwei verschiedenen Richtungen betrachtet. Im ersten Teil wurden ein bioinformatischer Ansatz gewählt um alle Gene, die mit Kalziumsignalen verknüpft sein könnten, als auch die mit ihnen verbundenen Krankheiten zu bestimmen. Die daraus entstandene Datenbank CaGeDB stellt dabei den ersten Versuch dar, eine Datenbank zu erstellen, die Gene, die mit Kalziumsignalen in Verbindung gebracht werden, sowie den mit diesen Genen in Verbindung gebrachten Krankheiten, zu sammeln. Dazu wurden zuerst für Kalziumsignale relevante Begriffe, die in Gendatenbanken verwendet werden um die Genfunktion zu beschreiben, ausgewählt. Anhand dieser wurden dann zwei Gendatenbanken abgefragt und die daraus resultierenden Ergebnisse miteinander abgeglichen. Anschließend wurde eine weitere Datenbank verwendet um Krankheiten, die mit diesen Genen in Verbindung gebracht werden, zu finden. Um diese Krankheiten besser handhaben zu können, wurde eine zusätzliche Datenbank benutzt, mittels derer die Krankheitsbegriffe gruppiert werden konnten. Insgesamt umfasst die resultierende Datenbank, CaGeDB, 1597 Gene und 1409 verschiedene Krankheiten und ist unter uhlenlab.org/cagedb erreichbar. Im zweiten Teil der Arbeit wurden experimentelle Mittel gewählt um eine mögliche Verbindung zwischen dem Gen SNCA und Kalziumsignalen genauer zu untersuchen. Das Gen SNCA stellt das Rezept für das Protein a-Synuclein dar, welches eine Rolle bei der Parkinson Krankheit spielt. Die genaue Funktion dieses Proteins ist noch unbekannt, es gibt jedoch Indizien die darauf hinweisen, dass es eine Rolle in der Regulierung das Kalziumspiegels innerhalb der Mitochondrien spielt. Dieser Aspekt wurde in dieser Arbeit genauer untersucht, dabei wurde ausgenutzt, dass die Mitochondrien nicht nur Energie für die Zellen produzieren, sondern auch den programmierten Zelltod einleiten. Dazu wurden zuerst sogenannte HeLa Zellen, eine sehr robuste Zellkultur menschlichen Ursprungs, gezüchtet und anschließend Genmaterial eingeschleust, welches die korrekte Auslese des Gens SNCA unterdrückt. Danach wurde per Fluoreszenzmikroskop untersucht, wie sich diese Veränderung auf den durch Kalziumüberschuss eingeleiteten Zelltods auswirkt. Hierbei zeigte sich, dass jene Zellen bei denen SNCA unterdrückt wurde, signifikant häufiger den programmierten Zelltod einleiten. Nachdem dies auf eine gestörte Regulation des Kalziumspiegels zurückgeführt werden kann, stellt dieses Resultat ein weiteres Indiz dafür da, dass a-Synuclein an der Kontrolle des Kalziumhaushalts beteiligt ist.The calcium ion (Ca2+) is one of the key components of intercellular and intracellular signaling. From the first cell division, to the contraction of muscle fibres, to the formation of memories, to cell death, all these processes are governed by changing amounts of intracellular Ca2+. Despite the central function of this ion, little is known about the genetic background of the Ca2+ signaling toolkit, especially its link to human diseases. This thesis, separated into two parts, approaches genes connected to Ca2+ signaling from two different stand points. In the first part, a bioinformatic approach was chosen, to determine all genes with a possible connection to Ca2+ signaling, as well as diseases associated with these genes. Here we present the Calcium Gene Database (CaGeDB), the first attempt to establish a comprehensive database linking genes to Ca2+ signaling and their associated diseases. Initially, possible gene database annotation terms were selected. These were then used to query two genome databases. After merging the resulting genes, a database mapping genes to diseases was queried. To improve the handling of the data, another database which provides a hierarchical structure for diseases was used. All data is acquired automatically by scripts written for this thesis. CaGeDB contains 1597 genes which are connected to 1409 different diseases and disease categories and is available at uhlenlab.org/cagedb. For the second part, an experimental approach using cell lines to examine the relation between the gene SNCA, which is involved in Parkinson's Disease and Ca2+ signaling was chosen. Here we show that cells with a suppressed SNCA expression had a significantly higher rate of Ca2+ induced cell death compared to normal cells. In order to show this, HeLa cells were cultured and then transfected with DNA to suppress the expression of SNCA. Afterwards the effects of this suppression with respect to Ca2+ signals and especially Ca2+ induced cell death were tested using wide field fluorescence microscopy. Because the concentration of Ca2+ in the mitochondria is a key component in the initiation of cell death, the results strengthen the hypothesis that a-synuclein is involved in the mitochondrial Ca2+ homeostasis. Both parts, the first one as a general discovery tool and the second one providing further knowledge about a specific gene and its role in Ca2+ signaling shed new light on the role genes play with respect to Ca2+ signals.4