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Jakupoglu, Cemile (2003): Charakterisierung der Selenoproteine Thioredoxinreduktase 1 und 2 anhand von Knock-out-Mausmodellen. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Thioredoxin Reductases (TR) are ubiquitously expressed Selenium-containing redox enzymes. By reducing different intracellular substrates they protect cells from oxidative stress. For mus musculus two members of the Thioredoxin Reductase gene family have been characterized so far: TR1 and TR2. Whereas the subcellular localization of TR1 is mainly cytoplasmatic, TR2 was only found in mitochondria. The protein functions of TR1 and TR2 were investigated by examining genetically engineered mice. Here I will present the establishment of a conditional TR1-knockout mouse strain and the phenotypical characterization of TR1- and of TR2-knockout mice, that have been established before. Both knockouts, TR1 and TR2, showed to be embryonically lethal. TR1 deficient mouse embryos died at day 9.5, whereas TR2 deficient mouse embryos died around day 13.0 of embryonic gestation. Total deficiency of TR1 leads to strong developmental retardation and malformations in organogenesis mostly affecting the turning of the embryo, closure of neural tube, formation of head structures and formation of somites. Thereby TR1 deficient embryos maximally reach the developmental stage of normal E8.5 wildtype embryos. Neuronal specific TR1 knockout mice show growth retardation and cerebellar hypoplasia. Starting at the postnatal age of 10-14 days they loose weight and show cerebellar ataxia and tremors. Recent results indicate that mice die at the age of approximately 4 weeks. TR2 deficient embryos can already be recognized at embryonic day E11.5 due to a smaller embryo size and paler colour. Mice are retarded in their status of organ differentiation and show malformations in heart and liver development, possibly leading to fatal heart failure or liver insufficiency. Besides that, TR2 deficient embryos show decreased proliferation rates of hematopoetic progenitor cells in the embryonic liver. Taken together these results indicate that TR1 plays an important role in embryonic growth and organogenesis. Besides, deficiency of TR2 is proposed to disturb primarily the integrity of mitochondria and as a consequence affect processes like cell proliferation and transdifferentiation – leading to embryonic death. The functions of Thioredoxin Reductases 1 and 2 in separate organ systems need to be further analyzed by using conditional ablation strategies.

Abstract

Thioredoxinreduktasen (TR) sind ubiquitär exprimierte, Selen enthaltende Redoxenzyme, die Zellen durch Reduktion intrazellulärer Substrate vor oxidativem Stress schützen. Durch gezielte Inaktivierung der vorwiegend zytoplasmatisch lokalisierten Thioredoxinreduktase 1 (TR1) und der mitochondrialen Thioredoxinreduktase 2 (TR2) im Mausmodell sollten die Funktionen der TR in vivo studiert werden. In dieser Arbeit wurden TR1- defiziente Mäuse in Form eines konditionalen Maus-Knock-out-Modells etabliert. Weiterhin wurden die Phänotypen sowohl des TR1- als auch des bereits zuvor etablierten TR2-defizienten Mausstammes beschrieben. Es stellte sich heraus, dass der Mangel einer funktionellen TR1 ebenso wie der Mangel einer funktionellen TR2 zu pränataler Letalität von Mausembryonen führt. Dabei ist ein Überleben der TR1–defizienten Embryonen nur bis zum Tag E9.5 möglich, während die TR2–defizienten Embryonen etwa am Tag E13.0 der Embryonalentwicklung sterben. TR1–defiziente Embryonen zeigen hochgradige Entwicklungsstörungen in der Organogenese. Die Embryonen erreichen dabei höchstens ein mit Tag E8.5 normal entwickelter Mausembryonen vergleichbares Stadium, wobei die embryonale Drehung nicht vollzogen wird, das Neuralrohr sich nicht vollständig schließt, Kopfstrukturen nicht erkennbar und besonders das Fehlen der Somiten auffällig sind. Die neuronenspezifische Ausschaltung der TR1 führte bei neugeborenen Mäusen zu allgemeiner Wachstumsretardation und Hypoplasie des Kleinhirns mit klinischen Symptomen wie Tremor und Ataxie. Die neuronenspezifisch TR1–defizienten Mäuse erreichten nach bisherigen Untersuchungen höchstens ein Alter von etwa 28 Lebenstagen. TR2–defiziente Embryonen zeigen ebenfalls Rückstände in ihrer Entwicklung. Sie sind ab dem Tag E11.0 der Embryonalentwicklung kleiner und blasser als ihre Wurfgeschwister. Alle Organe sind in ihrer Differenzierung retardiert. Die beobachtete Dysplasien im Bereich des Herzens und der Leber haben möglicherweise fatale Auswirkungen auf die Überlebensfähigkeit der TR2-defizienten Embryonen. Außerdem sind reduzierte Proliferationsraten in der embryonalen Hämatopoese, in Herz- und Lebergewebe beobachtet worden. Zusammengefasst zeigte sich eine wichtige Bedeutung der TR1 für embryonales Wachstum und Organogenese. Weiterhin zeigte sich, dass der Mangel einer funktionellen TR2 möglicherweise primär die mitochondriale Integrität der Zellen schädigt und dadurch sekundär Zellproliferation und Gewebsdifferenzierung beeinträchtigt werden, die ein Überleben der Embryonen unmöglich machen. Bei beiden Knock-out-Maus-Modellen handelt es sich um konditionale Konstrukte, sodass die Funktionen der Thioredoxinreduktasen 1 und 2 zukünftig auch separat in einzelnen Organen studiert werden können.