Zur Lokalisation der Arginase im Gehirn der Ratte

Abstract

Polyamine, insbesondere Spermidin und Spermin, sind wichtige Regulatoren grundlegender Zellfunktionen, die darüber hinaus spezifische Funktionen im Gehirn von Säugetieren erfüllen. Dementsprechend sind Polyamine sowie deren Synthese- und Abbauenzyme in Neuronen und Gliazellen in den jeweiligen Gehirnarealen unterschiedlich verteilt. Der Vorläufer für die Spermidin /Spermin-Synthese, das Diamin Putrescin, kann über zwei unterschiedliche Reaktionswege synthetisiert werden: den „klassischen“ und den „alternativen“ Polyaminstoffwechselweg. Während auf dem klassischen Weg Putrescin durch Abspaltung von Harnstoff und Kohlendioxid, katalysiert durch Arginase und Ornithindecarboxylase, entsteht, kann der Vorläufer der Spermidin/Spermin- Synthese auf dem alternativen Weg, nach Abspaltung von zunächst CO2 durch Arginindecarboxylase und nachfolgend Harnstoff durch Agmatinase, gebildet werden. Um das Expressionsmuster von Arginase im Gehirn der Ratte zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein polyklonaler, monospezifischer Antikörper durch Aufreinigung eines gegen Arginase 1 gerichteten Rohserums charakterisiert. Mit Hilfe des gereinigten Antikörpers wurde dann die Expression der Arginase im Cortex cerebri, Hippocampus, Thalamus, Hypothalamus, Mesencephalon, Metencephalon und in den Basalganglien auf zellulärer und subzellulärer Ebene analysiert. Im Gegensatz zu anderen Enzymen des Polyaminstoffwechsels, wie z.B. der nachgeschalteten Enzyme Agmatinase und Spermidinsynthase, sind die vorgeschalteten Enzyme Arginase und Arginindecarboxylase in den Neuronen des Rattenhirns deutlich weiter verbreitet. Um Rückschlüsse auf die Bedeutung der verschiedenen Wege der Polyaminsynthese im Gehirn der Ratte ziehen zu können, wurden die Verteilungsmuster der Arginase mit denen von Agmatinase, Spermidinsynthase und Arginindecarboxylase verglichen. Die beobachteten Verteilungsmuster deuten darauf hin, dass der alternative Syntheseweg wahrscheinlich primär der Bildung von Agmatin und nicht Putrescin dient. Dagegen dürfte die Synthese von Spermidin/Spermin vermutlich hauptsächlich über den klassischen Weg erfolgen.

Polyamines, namely spermidine and spermine, are important regulators of basic cell functions which are also involved with specific functions in the mammalian brain. Accordingly, polyamines as well as the enzymes for polyamine synthesis and degradation are differentially distributed in neurons and glial cells in the respective brain areas. The precursor of spermidine/spermine synthesis, the diamine putrescine, can be synthesised via two different pathways, refered to as the "classical" and the "alternative" pathway. While in the classical pathway urea and carbon dioxide are removed from the amino acid arginine catalysed by arginase and ornithine decarboxylase, yielding putrescine, the alternative pathway, by first removing carbon dioxide by arginine decarboxlyase and then urea by agmatinase, may also supply the precursor for spermidine/spermine synthesis. To examine the expression pattern of arginase in the rat brain, in this study a polyclonal monospecific antibody was characterized by purification of a raw serum raised against arginase 1. Using the purified antibody, the expression of arginase was analysed in cerebral cortex, hippocampus, thalamus, hypothalamus, mesencephalon, metencephalon and in the basal ganglia at a cellular and subcellular level. In contrast to other polyamine metabolic enzymes, such as the downstream enzymes agmatinase and spermidine synthase, the pathway entry enzymes arginase and arginine decarboxylase are clearly more widely distributed in rat brain neurons. In order to evaluate the significance of either the classical or the alternative pathway for polyamine synthesis in rat brain, the resulting labeling patterns for arginase were compared with those for agmatinase, spermidine synthase and arginine decarboxylase. With regard to the observed distribution patterns, it seems likely that the synthesis of agmatine rather than putrescine may be the main purpose of the alternative pathway of polyamine synthesis. By contrast, spermidine/spermine synthesis may mainly be fueled by the classical pathway.