Mitochondriale Dysfunktionen bilden die pathophysiologische Grundlage einer äußerst heterogenen Gruppe verschiedener Krankheitsbilder und werden oftmals durch Defekte in der mitochondrialen Atmungskette verursacht. Der häufigste klinische Phänotyp ist das Leigh Syndrom, eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die durch den Untergang spezifischer Hirnareale (Basalganglien, Putamen, Thalamus, Mesenzephalon und Hirnstamm) charakterisiert ist. Aus biochemischer Sicht liegt dem Leigh Syndrom meist ein isolierter Komplex I-Mangel (NADH-Ubiquinon-Oxidoreduktase) zu Grunde. Die Ursache der Regionenspezifität dieser Veränderungen ist bislang ungeklärt. In meiner Arbeit habe ich daher die Fragestellung untersucht, ob ein solch charakteristisches Muster spezifisch betroffener Hirnregionen durch den gewebsspezifischen zeitlichen Verlauf der Genexpression wichtiger funktioneller Komponenten der Atmungskette während der embryonal-fetalen Entwicklung erklärt werden kann. Mittels ISH habe ich die relative Expression der 33 nukleär-kodierten Untereinheiten des Komplexes I in verschiedenen Hirnregionen der Maus zu den Zeitpunkten E11.5, E17.5, P1, P11, P28 und adult (zwölf Wochen) untersucht. Ich konnte zeigen, dass die relativen Expressionsintensitäten der Komplex I-Untereinheiten während des Entwicklungsverlaufs in Abhängigkeit der untersuchten Hirnregion starke Veränderungen erfahren. Hohe durchschnittliche Expressionsintensitäten konnte ich in Zeiten intensiver Neurogenese nachweisen. In den Purkinjezellen des Kleinhirns und in den hippokampalen CA1 und CA3 Pyramidenneuronen konnte ich ein weiteres Expressionsmaximum während der Synaptogenese und Neuronenreifung nachweisen. Die Bedeutung dieser Strukturen für die Komplex I-Aktivität während der Synaptogenese deckt sich mit neueren Forschungsergebnissen, dass Gamma-Oszillationen, die mit höheren kognitiven Funktionen des Säugergehirns assoziiert sind, stark von der Komplex I-Aktivität abhängig sind. Mit Ausnahme des Mesenzephalons lagen die Expressionsintensitäten des Striatums und der Basalganglien allerdings nur im Durchschnitt und können demnach keine Erklärung für die deutliche Anfälligkeit dieser Strukturen gegenüber mitochondrialen Erkrankungen liefern. Ein weiteres Ziel meiner Arbeit war die Generierung eines konditionellen Mausmodells für einen gewebsspezifischen Komplex I-Mangel zur in vivo Untersuchung der Pathogenese von Atmungskettendefekten. Über die Methode des recombineering habe ich das Exon 5 des Ndufv1-Gens mit zwei loxP-Stellen flankiert („gefloxtes Allel“) und eine Neomyzin-Selektionskassette eingeführt. Bei denjenigen Mausmutanten, die das „gefloxte Allel“ in die Keimbahn aufgenommen hatten, wurde die Selektionskassette durch Verpaarung mit FLPe-deleter-Mäusen entfernt. Die Exzision des Exons 5 kann bei diesen „gefloxten“ Mäusen nun nachfolgend mittels gewebsspezifisch exprimierter Cre-Rekombinase erfolgen, die entweder in den Neuronen des Großhirns und Hippokampus unter dem Promotor des Nex-Gens exprimiert wird oder muskelspezifisch unter dem Promotor des Myf5-Gens. Durch das Ausschalten des Exons 5 im Mausmodell wird die FMN-Bindestelle des Ndufv1-Proteins vollständig entfernt. Außerdem verschiebt sich das Leseraster, so dass als Folge des knockouts von einem vollständigen Funktionsverlust der Ndufv1-Untereinheit ausgegangen werden kann.
Dysfunction of the mitochondria is the pathophysiological basis of a heterogeneous group of different diseases, most of them caused by malfunction of the respiratory chain. The most frequent clinical phenotype is Leigh syndrome, a progressive, neurodegenerative disorder, characterized by bilateral symmetric brain lesions, particularly in the basal ganglia, putamen, thalamus, mesencephalon and brainstem. The most common biochemical defect leading to Leigh syndrome is isolated complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase) deficiency. Little is known about the cause of this region specificity. This work is about the question whether such characteristic lesional patterns could be explained by the tissue specific time course of gene expression for important functional components of the respiratory chain during the embryonic-fetal period. Using ISH I investigated the relative expression of 33 nuclear encoded complex I subunits in different brain regions in mice at E11.5, E17.5, P1, P11, P28 and adult (12 weeks). With respect to timing and relative intensity of complex I gene expression I found a highly variant pattern in different regions during development. High average expression levels were detected in periods of intense neurogenesis. In cerebellar Purkinje and in hippocampal CA1 and CA3 pyramidal neurons I found a second expression peak during the period of synaptogenesis and maturation. The dependence of these structures on the complex I gene expression during synaptogenesis is in accord with recent findings that gamma oscillations, known to be associated with higher cognitive functions of the mammalian brain, strongly depend on complex I activity. Except of the mesencephalon the expression intensities of the striatum and the basal ganglia were only average, so they cannot explain the vulnerability of these structures in mitochondrial diseases. Another aim of this work was the generation of a conditional mouse model for tissue specific inactivation of the Ndufv1-gene to study the pathogenesis of complex I deficiency in vivo. By recombineering I generate a construct by flanking exon 5 of the Ndufv1-gene with two loxP sites (“floxed” allele) and inserting a neomycin cassette. Mouse mutants which inserted the construct by germline transmission were mated with FLPe-deleter mice to remove the selection cassette. In order to obtain tissue specific excision of exon 5 the Ndufv1-flox5 mice will be crossed with transgenic mice which express the Cre recombinase either in the neurons of the telencephalon and the hippocampus under the promotor of the Nex-gene or in muscle under the promotor of the Myf5-gene. The knockout of exon 5 in the mouse model leads to a frame shift and the total removal of the FMN binding site of the Ndufv1-protein. Thus I can assume a complete loss of function of the Ndufv1-subunit.