Titelaufnahme

Titel
Insights into mechanisms of nutrient transport in the developing chicken yolk sac / submitted by Raimund Bauer
Verfasser / VerfasserinBauer, Raimund
Begutachter / BegutachterinWolfgang J. Schneider
Erschienen2013
UmfangXVIII, 119 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
Quelle der Aufnahme
Auch erschienen in: Journal of Biological Chemistry, 2013, 288(2), 1088-98
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Dottersack / Nährstofftransport / Endoderm / Vaskularisierung / Differenzierung / Oberflächenrezeptoren / Endozytose / Lipoproteine
Schlagwörter (EN)Yolk sac / development / lipid metabolism / lipoproteins / Apolipoprotein A-V / chicken / endodermal epithelial cells / vascularization / receptor tricomplex
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-3281 Persistent Identifier (URN)
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Insights into mechanisms of nutrient transport in the developing chicken yolk sac [13.21 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die ausreichende Versorgung des Embryos mit Nährstoffen spielt eine fundamentale Rolle während der Embryonalentwicklung von mehrzelligen, eukaryotischen Organismen. In Säugetieren leistet die Plazenta eine zentrale Funktion im Transport von Bestandteilen des mütterlichen Blutes, die für die Entwicklung und für das Wachstum des Fötus essenziell sind, zum Embryo. Die menschliche Plazenta, ein hochspezialisiertes und komplexes Organ, erlangt ihre volle Funktionalität jedoch erst ungefähr in der fünften Schwangerschaftswoche. Bereits vor diesem Zeitpunkt laufen jedoch äußerst kritische Vorgänge in der frühen Embryogenese ab, darunter die Faltung des Neuralrohres und die Initiation der Organogenese. Während dieser frühen und äußerst wichtigen Phase wird die Nährstoffversorgung des Embryos durch die viszeralen, endodermalen Zellen des Dottersackes reguliert. Defekte in der Faltung und Schließung des Neuralrohres stellen die am häufigst vorkommenden angeborenen Fehlbildungen bei humanen Föten dar. Diese Fehlbildungen sind oft das Resultat von abnormalen genetischen Faktoren und verschiedensten negativen Umwelteinflüssen, darunter auch die inadequate Versorgung des heranwachsenden Embryos mit Nährstoffen.

Der Dottersack der Säugetiere, und vor allem der des Menschen, wurde lange Zeit als evolutionär verkümmertes Organ betrachtet.

Interessanterweise konnten einige aktuelle Studien jedoch Beweise vorlegen, die für eine wichtige Ernährungsfunktion des Dottersackes in der frühen Embryonalentwicklung sprechen. Die Struktur des menschlichen Dottersackes weist große Homologien zu dem von Mäusen auf, wobei die viszeralen endodermalen Zellen eine Vielzahl an Nährstoffen effizient aus dem den Dottersack umgebenden Hohlraum aufnehmen. Darüberhinaus weiß man heute, dass die endodermalen Zellen des Dottersackes der Mäuse an ihrer apikalen Oberfläche hochspezialisierte, endozytose-kompetente Rezeptoren exprimieren, die spezifisch Nährstoffe aufnehmen. Weiters wurde gezeigt, dass Lipoproteine im Dottersack synthetisiert werden, die eine essenzielle Funktion während der Embryonalentwicklung erfüllen.

Allerdings sind viele Aspekte im Zusammenhang mit der Differenzierung und der Erlangung der funktionellen Aktivität der endodermalen Zellen noch unbekannt. In der hier vorgelegten Doktorarbeit verwendete ich den sich entwickelnden Dottersack des Hühnerembryos, der große strukturelle und funktionelle Ähnlichkeiten zum Dottersack der Säugetiere aufweist, um diesen Entwicklungs - und Differenzierungsvorgang mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf Veränderungen des Lipoproteinstoffwechsels während der Entwicklung des Dottersackes.

Dabei konnte ich herausarbeiten, dass die endodermalen Zellen mit der kontinuierlichen Vaskularisierung durch Zellen des Mesoderms ihre Stoffwechseleigenschaften signifikant ändern. Diese Umstellung bewirkt unter anderem die induzierte Produktion der vorher abwesenden endozytisch aktiven Rezeptoren, einen starken Anstieg der Produktion von Apolipoproteinen, und dem damit einhergehenden Beginn der Sekretion von triglyzeridreichen Lipoproteinen. Weiters konnte ich erheben, dass dieser Differenzierungsprozess der endodermalen Zellen, der parallel zur Entstehung des Blutgefäßsystems abläuft, zumindest zum Teil durch Signaltransduktion mittels der sogenannten bone morphogenetic Proteine initiiert wird. Zusammenfassend zeigen die in dieser Studie gewonnenen Daten neue Erkenntnisse zur Regulation der Dottersackfunktion auf, die für die optimale Nährstoffversorgung des Embryos während frühen Entwicklungsphasen essenziell erscheinen.

Im Zuge dieser Untersuchungen entdeckte ich interessanterweise, dass die endodermalen Zellen des Dottersackes Apolipoprotein A-V, ein in Säugetieren wichtiges Protein in der Regulation des Plasma-Triglyzeridspiegels, synthetisieren. Um potenzielle Funktionen dieses Proteins im Dottersack zu untersuchen, begann ich mit biochemischen Ansätzen, die zur Isolation eines potenziellen Interaktionspartners von Apolipoprotein A-V führten. Bei dem isolierten Protein handelt es sich um einen Transportrezeptor, der im Sekretionsapparat von eukaryotischen Zellen spezifische Cargoproteine zwischen dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi Apparat transportiert. Die Entdeckung dieser Proteininteraktion repräsentiert einen neuen, potenziellen Regulationsmechanismus für das Sekretionsverhalten von Apolipoprotein A-V. Aufgrunddessen könnte diese Interaktion maßgeblich zur fein abgestimmten Regulation der systemischen Triglyzeridhomeostase durch Apolipoprotein A-V beitragen.

Zusammenfassung (Englisch)

One of the most fundamental requirements for normal development of the embryo is the adequate supply with nutrients from maternal sources. During mammalian embryogenesis, the placenta is the prime organ mediating nutrient transfer from the maternal to the embryonic circulation. However, in early stages of embryonic development, and before the mammalian placenta acquires full functionality, the visceral yolk sac provides nutrition for the growing mammalian fetus. Thereby, highly complex and important processes including neural tube closure and organogenesis occur. Some of the most common congenital malformations observed in humans, including neural tube defects such as anencephaly and spina bifida, are known to result from aberrant genetic as well as disadvantageous environmental factors. Among these factors, insufficient periconceptional maternal nutrition has been established as one of the key factors for the occurrence of neural tube defects.

The mammalian, and especially the human, visceral yolk sac has long been considered to represent a vestigial, or superfluous, organ. However, several studies have provided evidence that this may not be the case. In addition to the overall analogous structure, the human and rodent yolk sac's visceral endodermal cells efficiently absorb nutrients from the yolk sac cavity. Furthermore, the endodermal cells of the rodent yolk sac express cell surface receptors at their apical aspect known to be involved in endocytic uptake of various components. Moreover, the rodent yolk sac is an organ of active lipoprotein synthesis, essential for embryonic development. However, the understanding of the molecular mechanisms underlying the acquisition of nutrient transport competence of the yolk sac endodermal cells is still incomplete. Thus, I exploited the developing chicken yolk sac as a model and highly analogous system to the mammalian yolk sac to improve the current knowledge regarding its functional maturation with a major focus on lipoprotein metabolism. By addressing this question, I found that with progressive vascularization by cells of mesodermal origin, the endodermal epithelial cells of the yolk sac change their metabolic status from a storage type to a highly active one. I discovered that this conversion is characterized by the onset of the production of endocytic yolk protein receptors and their accessory proteins, the dramatic increase in apolipoprotein expression, and the concomitant induction of triglyceride-rich lipoprotein secretion. This differentiation process of endodermal cells, which occurs in parallel to the vascularization by mesodermal angioblasts, is in part driven by a signaling cascade initiated by members of the bone morphogenetic protein superfamily.

Together, the data presented in this thesis provide new insights in the regulation of yolk sac function, an organ of exceptional importance during early phases of embryonic development.

In the course of my investigations, I revealed that apolipoprotein A-V, an important factor in determining human plasma triglyceride levels, is expressed in the endodermal cells of the yolk sac. To elucidate potential functions of the protein in this tissue, I performed affinity chromatography experiments with recombinantly expressed apolipoprotein A-V. The isolation of a cargo receptor that shuttles between the endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus as a potential interaction partner of apolipoprotein A-V raises a novel concept for how the intracellular trafficking of apolipoprotein A-V could be modulated.

Thus, this interaction may reflect a mechanism with relevance to the regulation of systemic triglyceride homeostasis by apolipoprotein A-V.