Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Barbara Beate Rosa Raddatz

Influence of a dietary-induced hypercholesterolemia

on the pathogenesis of Theiler´s murine

encephalomyelitis with special emphasis on

transcriptional changes

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108395

title (ger.)

Einfluss einer Diät-induzierten Hypercholesterolämie auf die Pathogenese der chronisch-demyelinisierenden Theilervirus-Enzephalomyelitis unter Berücksichtigung der Transkriptom-Analyse

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/raddatzb_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Die multiple Sklerose (MS) stellt eine demyelinisierende Erkrankung des zentralen Nervensystems (CNS) dar. Der Krankheitsverlauf ist gekennzeichnet durch eine immunvermittelte Entzündungsreaktionen mit progressiver Zerstörung von Myelinscheiden und Axonen. Inadäquate Regenerationsprozesse, insbesondere das Versagen von Remyelinisierungsvorgängen führen zur progressiven Schädigung von Axonen mit fortschreitender Verschlechterung der neurologischen Symptome des Patienten. Aus diesem Grund ist die Untersuchung der molekularen Mechanismen, die zum Versagen der Remyelinisierung führen und einer damit verbundenen Identifizierung möglicher, zukünftiger, therapeutischer Ansätze zur Stimulation der Remyelinisierung eines der Hauptziele der derzeitigen Forschung auf dem Gebiet der multiplen Sklerose.

Die microarraybasierte Transkriptionsanalyse hat sich zu einer der wichtigsten Methoden in der orientierenden, hypothesengenerierenden Forschung etabliert und ermöglichte viele wichtige Erkenntnisse in der Erforschung der komplexen Pathomechanismen von demyelinisierenden Erkrankungen. Die Ergebnisse verschiedener Transkriptionsanalysen deuten auf eine mögliche Beteilung des Cholesterolstoffwechsels an den unzureichenden Remyelinisierungsvorgängen in progressiv-demyelinisierenden Erkrankungen hin. Daher richtet sich der erste Teil dieser Studie an die Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung zwischen der murinen Theiler-Enzephalomyelitis (TME) und einer Veränderungen des Cholesterolstoffwechsels. TME stellt eine experimentelle, virusinduzierte, entzündlich-demyelinisierende Erkrankung des Rückenmarks von empfänglichen Mäusestämmen dar. Mittels histologischen, immunhistologischen, klinisch-chemischen, gaschromatographischen und transkriptionellen Methoden wurde der klinische und pathomorphologische Verlauf der Erkrankung, die Genexpression von am Cholesterolstoffwechsel beteiligter Genen, die Lipidzusammensetzung der wichtigsten am Cholesterolstoffwechsel mitwirkender Organe sowie die Auswirkung einer durch Paigen-Diät induzierten Hypercholesterolämie auf den Krankheitsverlauf der TME-Virus (TMEV) Infektion untersucht. TMEV infizierte Mäuse zeigten einen fortschreitenden Verlust ihrer Motorleistung aufgrund einer progressiven demyelinisierenden Leukomyelitis. Die Genexpression aller am Cholesterolstoffwechsel beteiligter Gene war im Rückenmark von TMEV-infizierten Tieren herabreguliert. Am Tag 196 nach TMEV-Infektion konnte eine Reduktion von Galaktocerebrosid und Sphingomyelin im Rückenmark festgestellt werden. Paigen-Diät Fütterung führte zu einer Hypercholesterinämie und hepatischen Lipidose der Tiere. Dennoch war kein signifikanter Einfluss auf den klinischen Verlauf, die Entzündungsreaktion, die Astrozytose oder die Ausprägung der Demyelinisierung und Remyelinisierung in TMEV-infizierten Tieren zu erkennen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Herabregulierung der Cholesterolbiosynthese als transkriptioneller Marker für eine Demyelinisierung herangezogen werden kann. Darüber hinaus ist anzunehmen, dass quantitative Verluste von myelinspezifischen Lipiden, nicht aber von Cholesterol erst im späten Krankheitsstadium auftreten. Ein signifikanter Einfluss einer Hypercholesterolämie auf die TMEV-Infektion konnte nicht nachgewiesen werden.

Wie die Ergebnisse des ersten Teils dieser Arbeit zeigen, ermöglichen es Gen-Expressions- analysen neue Beziehungen und Interaktionen in komplexen Krankheiten zu entdecken. Die großen Datenmengen, die durch diese Technologie generiert werden, helfen Signalwege und pathomechanistische Prozesse in verschiedenen Zelltypen und Geweben unter verschiedenen äußeren und inneren Bedingungen zu verstehen. Da sich die Microarraytechnologie in den letzen Jahren zu einer sensitiven, zuverlässigen und robusten Methode entwickelt hat, wurde eine große Menge an Datensätzen produziert, die den Wissenschaftlern in öffentlichen Datenbanken zur Verfügung stehen. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten der Re-Analyse oder Kombination der frei zugänglichen Information. Um das Potential dieser öffentlich zugänglichen Daten voll ausschöpfen zu können, sind Grundkenntnisse über die Verfahren und Anwendungsmöglichkeiten der Datenanalyse eine entscheidende Voraussetzung. Daher ist der zweite Teil dieser These einer anwendungsorientierten Einführung in microarraybasierte Datenanalysetechniken für Anwender ohne detailliertes bioinformatisches Wissen aus der Sichtweise eines Veterinärpathologen gewidmet. Die hier dargestellte Übersicht soll Hilfestellung bezüglich der Auswahl der, für eine bestimmte Fragestellung geeigneten Analysemethoden bieten. Darüber hinaus liegt ein Fokus dieser Übersicht auf der Darstellung der verschiedenen Transformationsalgorithmen, die helfen, große Datenmengen in biologisch relevantes Wissen zu überführen. Die häufigsten Probleme der Datenanalyse werden an eigenen, repräsentativen Originaldaten illustriert.

Beide Teile dieser Arbeit unterstreichen das große Potenzial der neuartigen Hochdurchsatztechnologien sowohl für die datengesteuerte Analyse zur Generierung neuer Hypothesen als auch für hypothesengeleitete Ansätze zur Untersuchung spezifischer Signalwege und regulatorischer Interaktionen. Mit Hilfe dieser Methoden wurde eine interessante Wechselwirkung von Cholesterolstoffwechsel und Demyelinisierung erkannt.

 

abstract (englisch)

In multiples sclerosis (MS), an immune-mediated disease of the central nervous system (CNS), inflammation, demyelination and axonal degeneration are responsible for the variety of neurological disabilities. The basis for the disease progression is ongoing myelin destruction and a failure of remyelination resulting in progressive axonal damage with limited capacity to regenerate. Therefore, one of the main objectives in multiples sclerosis research is to identify the molecular mechanisms leading to a failure of remyelination and to identify potential targets for future therapeutic approaches.

Transcriptional profiling has become a powerful tool in exploratory research and led to essential insights in the complex pathomechanisms of demyelinating diseases. Transcriptional analysis in demyelinating diseases suggested an involvement of cholesterol metabolism as a possible cause for inadequate remyelination in progressive demyelinating diseases. Therefore, the first part of this study addresses the possible interaction of dyslipidemia or disturbances of the cholesterol metabolism in Theiler's murine encephalomyelitis (TME), an experimentally, virus-induced, inflammatory, demyelinating disease of the spinal cord in susceptible mouse strains. Consequently, expression of genes associated to cholesterol biosynthesis and metabolism, composition of the body's major lipid repositories and diet-induced, systemic hypercholesterolemia were examined in TME using histology, immunohistochemistry, serum clinical chemistry, microarray analysis and high-performance thin layer chromatography. TME-virus (TMEV)-infected mice showed progressive loss of motor performance and demyelinating leukomyelitis. Gene expression associated with cholesterol biosynthesis was overall down-regulated in the spinal cord of TMEV-infected animals. Spinal cord levels of galactocerebroside and sphingomyelin were reduced on day 196 post TMEV infection. Paigen diet induced serum hypercholesterolemia and hepatic lipidosis. However, high dietary fat and cholesterol intake led to no significant differences in clinical course, inflammatory response, astrocytosis, and the amount of demyelination and remyelination in the spinal cord of TMEV-infected animals. The results suggest that down-regulation of cholesterol biosynthesis is a transcriptional marker for demyelination, quantitative loss of myelin-specific lipids, but not cholesterol occurs late in chronic demyelination, and serum hypercholesterolemia exhibited no significant effect on TMEV infection.

As the results of the first part of this thesis have shown, gene expression profiling using microarray technology represents a potent method to discover novel relationships and interactions in complex diseases. The large-scale data sets generated by microarrays help to understand complex signaling pathways and pathomechanistic processes in different somatic cell types and tissues, under various extrinsic and intrinsic conditions. Because microarray analysis became a sensitive, reliable and robust method during the last few years a vast amount of microarray gene expression data sets were produced and are available through public repositories. New possibilities lay in the re-analysis or combination of the freely and easily accessible information. To explore the potential of this data, a basic knowledge of possible methods and applications is crucial. Therefore, the second part of the study presents an application-oriented introduction to microarray data analysis techniques for users without detailed bioinformatic knowledge from the point of few of a veterinary pathologist. In particular, the present report aims to clarify, which data analysis techniques are available and what are the most appropriate methods for a specific research purpose. A main goal of the second part of the study is to assist the reader in the transformation of the huge amount of information obtained by a single experiment into biological knowledge and to point out important challenges and pitfalls by presenting real representative data that illustrate common problems in data analysis.

Both parts of this thesis highlight the great potential of novel high-throughput technologies in both, data-driven analysis for the generation of new hypothesis, and hypothesis-driven approaches to study particular signaling pathways and regulatory interactions. By means of these methodologies an interesting novel association of cholesterol metabolism and demyelination was found.

 

keywords

Myelinisierung, Demyelinisierung, Transkriptions-Analyse; myelination, demyelination, transcriptional analysis

kb

14.115