Untersuchungen zur Regulation des Gehirn-Selenstoffwechsels und zu Selenoproteinen im ZNS

Abstract

Elementanalytische Untersuchungen zeigten unterschiedliche Selenkonzentrationen in den Geweben der Ratte. Das Hirngewebe fiel dabei durch zwei Aspekte auf: es wies einen relativ geringen Selengehalt auf und es wurde bei ungenügender Selenaufnahme bevorzugt mit dem Element versorgt. Die Ergebnisse zahlreicher Untersuchungen weisen darauf hin, dass das Spurenelement Selen in Form von Selenoproteinen als Radikalfänger und Komponente des Redoxsystems für die physiologischen Prozesse des ZNS von essentieller Bedeutung ist. Die lokalen Wirkorte des Selens im Gehirn sind noch nicht genau bekannt. In dieser Arbeit sollte daher die Verteilung von Selen und die Expression von Selenoproteinen auf regionaler und zellulärer Ebene untersucht werden. Die mit Hilfe der Neutronenaktivierungsanalyse erhaltenen Ergebnisse für die regionale Verteilung von Selen im Gehirn der Ratte zeigten nur geringe Unterschiede innerhalb des Hirngewebes. Bei einer Unterversorgung des Organismus mit Selen wurde der Selengehalt in allen Regionen des Gehirns nur um 30% reduziert, in der Niere und der Leber aber um eine bzw. zwei Größenordnungen. Nach metabolischer Markierung von Ratten mit 75Se und Proteintrennung durch SDS PAGE und 2D Gelelektrophorese wurden in allen Regionen mit Ausnahme des Kleinhirns ähnliche Expressionsmuster der 75Se-haltigen Proteine gefunden. Zur Untersuchung der Expressionsmuster der Selenoproteine in unterschiedlichen Zelltypen des Gehirns wurden mit Zellkulturen von immortalisierten Zellen der Neuronen, Astrocyten, Oligodendrocyten, Mikroglia und cerebralen Endothelzellen gearbeitet. Sie wurden mit 75Se markiert und proteinchemisch analysiert. Die Proteinmuster der Selenoproteine nach elektrophoretischer Trennung ergaben für die Mikroglia und die Endothelzellen Auffälligkeiten gegenüber den übrigen untersuchten Zelltypen. In den Mikroglia wurden erhöhte Expressionen der selenhaltigen Proteine bei den Massen 12, 6, 10 und 9 kDa gefunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modell der Blut Hirnschranke aus primären Astrocyten und einer Zell Linie von cerebralen Endothelzellen rBCEC4 etabliert. Darin wurden durch Markierung mit 75Se die Expressionsmuster der selenhaltigen Proteine untersucht. Es wurden stark erhöhte Expressionsraten von cytosolischen selenhaltigen Proteinen bei der Molekularmasse 15 kDa in den Endothelzellen gefunden, die erst durch die Co-Kultivierung induziert worden waren. Die Ergebnisse der hier durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Verteilung von Selen und die Regulation der Selenaufnahme in den verschiedenen Hirnregionen und auch die Muster der Selenoproteinexpression in den Hirnregionen und Hirnzelltypen sehr ähnlich sind. Für einige Selenoproteine konnten jedoch aus Unterschieden in ihrer Verteilung Hinweise auf spezifische Wirkorte erhalten werden.

Element analytical investigations revealed differences in the selenium concentrations in the tissues of the rats. Here the brain had two distinct features: it had relatively low selenium content and, with insufficient selenium intake, the brain was preferentially supplied with the element. The results of several studies indicate that the trace element selenium in the form of selenoproteins is of essential significance for physiological processes in the CNS. It acts as a scavenger of radicals and is a component of the redox system. The sites of action of selenium in the brain are, however, not yet completely known. The aim of this work was therefore the investigation of the distribution of selenium and of the selenoprotein expression on a regional and cellular level. The results obtained for the distribution of selenium within the rat brain by means of neutron activation analysis showed only slight regional differences. With insufficient selenium supply the selenium content in all regions of the brain was reduced by only 30 %, but in the kidney and liver by one and two orders of magnitude, respectively. After metabolic labeling of rats with 75Se and protein separation by SDS-PAGE and 2-dimensional electrophoresis similar distribution patterns of the 75Se containing proteins were found in all regions except in the cerebellum. The expression patterns of the selenoproteins in the different cell types of the brain were investigated by labeling cultures of immortalized neurons, astrocytes, ligodendrocytes, microglia and cerebral endothelial cells with 75Se and analysis by SDS-PAGE and 2d-electrophoresis. The pattern of the selenoproteins exhibited characteristics in the case of investigated microglia and cerebral endothelial cells. An increased expression of selenium-containing proteins with molecular masses of 12.6, 10 and 9 kDa was found in the microglia. In this work a model of the blood-brain barrier was established consisting of primary astrocytes and a cell line of cerebral endothelial cells rBCEC4. In the investigation of the expression patterns of the 75Se containing proteins it was found that the expression rate of a cytosolic 15 kDa protein was strongly increased in endothelial cells which were grown in the co culture. The same effect was observed when the culture of endothelial cells was grown after adding of the conditioned medium of astrocytes. The results of the investigations carried out in this work showed that the selenium distribution and the regulation of the selenium uptake in the different regions of the brain were very similar. The same was true for the selenoprotein expression patterns in the regions and cell types of the brain. But for some selenoproteins, however, differences in their distribution were observed which provide evidences on specific sites of action and specific functions of these compounds.