dc.contributor.author
Mastrototaro, Lucia
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:17:07Z
dc.date.available
2017-04-10T08:57:55.230Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4857
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9056
dc.description.abstract
It is well known that magnesium deficiency or altered IMH can trigger many
pathophysiological conditions, thus a correct functioning of Mg2+ transporters
and channels is essential for normal cellular physiology. Mutations in many
MRG induce hypomagnesemia which often represents one of the complications of
many human ailments. Based on previous data which have characterized SLC41A1
as a plasma membrane Na+/Mg2+ exchanger (4, 5) and as being overexpressed in
preeclamptic women (6), the present thesis aimed at a further characterization
of SLC41A1 and Mg2+ efflux in some pathophysiological conditions. It further
aimed at the molecular characterization of two others MRGs, CNNM2 and SLC41A3,
in order to achieve a better understanding of Mg2+ homeostasis and to link the
mechanisms of Mg2+ mobilization across the plasma membrane or between
intracellular compartments with mitochondrial dysfunction and disease states
(e.g.: Parkinson’s disease (PD), diabetes, etc). Proceeding from previous
results of Kolisek et al (4, 5), describing SLC41A1 as the major Mg2+ efflux
system of the cell, the first study examined the complex-forming ability of
SLC41A1 in vivo and identified EBP and other members of the SLC superfamily as
potential binding partners. Further experiments evaluated the transport
activity of the PD-associated SLC41A1 variant pA350V and defined it as a
“gain-of-function” mutation enhancing Mg2+ efflux compared with the wild-type
protein. A next question was whether SLC41A1 transport activity could be
influenced and regulated by insulin in order to explain the molecular basis of
hypomagnesaemia often observed in diabetes patients. The present study shows
that insulin reduces the SLC41A1-mediated Mg2+ efflux and, most importantly,
it seems to have an effect on intracellular Mg2+ stores, since an earlier
onset of Mg2+ release from intracellular stores was observed. In the second
part of this thesis, experiments were conducted on stably transfected HEK293
cells overexpressing SLC41A3 in order to uncover the function of SLC41A3 with
regard to its ability to transport Mg2+, its mode of Mg2+ transport and its
role in cellular Mg2+ homeostasis. To assess the role of SLC41A3 for cellular
Mg2+ homeostasis and gain insight into the regulation of transport activity
and/or membrane insertion, knowledge about the precise cellular localization
and the identification of the binding partners are essential. The present data
reveal a specific mitochondrial localization for SLC41A3 and its function as
mitochondrial Mg2+ efflux system. They further suggest that the effect of
insulin on intracellular Mg2+ stores is most likely mediated via SLC41A3.
Given that mitochondria serve as intracellular Mg2+ stores, a mitochondrial
dysfunction might affect cellular Mg2+ homeostasis and this could be one
reason for intracellular Mg2+ deficiency observed in diseases such as
diabetes, PD and hypertension. The last part of the project focused on the
physiological characterization of two isoforms of another Mg2+ responsive
gene, CNNM2, because a mutation in this gene has been recently associated with
severe familial hypomagnesaemia. A previous study showed that CNNM2 is
overexpressed in diabetic patients (114) but its expression does not correlate
with Mg2+ plasma levels. However, the present study shows an overexpression of
CNNM2 in Jurkat and JVM-13 cells after Mg2+ starvation. The protein has an
extensive localization in the cells, including the mitochondrial membrane, and
its putative interactors include proteins involved in the regulation of
mitochondrial homeostasis (mitophagy, clearance of ROS). A further question
was whether the two isoforms (I1 and I2) of CNNM2 are able to transport Mg2+,
but the data presented herein clearly indicate that CNNM2 transports Mg2+
neither in electrogenic nor in electroneutral mode in transgenic HEK293 cells
overexpressing I1 or I2. This strongly suggests that CNNM2 might represent the
first magnesium homeostatic factor without being a Mg2+ transporter per se.
Instead CNNM2 can be postulated to sense the changes in extracellular and/or
intracellular Mg2+ concentration and consequently activates other proteins
responsible for Mg2+ mobilization in the cell. From these data a role of CNNM2
in intracellular Mg2+ homeostasis can be assessed and it can be speculated
that the two SLC41 proteins act cooperatively with CNNM2-mediated Mg2+ sensing
in controlling the cellular magnesium homeostasis.
de
dc.description.abstract
Es ist allgemein anerkannt, dass ein Magnesiummangel oder eine veränderte
intrazelluläre Mg2+-Homöostase (IMH) viele pathophysiologische Zustände
auslösen kann. Daher ist die einwandfreie Funktion von Mg2+-Transportern und
Mg2+-Kanälen für physiologische Zellfunktionen essenziell. Mutationen in
Mg2+-regulierten Genen (MRG) können eine Hypomagnesiämie induzieren, die bei
vielen Erkrankungen zu Komplikationen führen kann. Basierend auf früheren
Daten, die SLC41A1 als einen Na+/Mg2+-Austauscher in der Plasmamembran
charakterisiert haben und als Gen, das bei Frauen mit Präeklampsie
überexprimiert ist, war das Ziel dieser Arbeit eine weitere Charakterisierung
von SLC41A1 und des durch dieses Protein vermittelten Mg2+-Effluxes unter
pathophysiologischen Zuständen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die
funktionelle Charakterisierung der MRGs CNNM2 und SLC41A3 im Hinblick auf ihre
Bedeutung für die intrazelluläre Mg2+-Homöostase. Insbesondere sollten
mögliche Beziehungen zwischen den Mechanismen des Mg2+-Transportes über die
Plasmamembran bzw. zwischen intrazellulären Kompartimenten mit mitochondrialer
Dysfunktion und bestimmten Krankheitszuständen (z.B.: Morbus Parkinson,
Diabetes, etc.) aufgedeckt werden. Ausgehend von früheren Ergebnissen von
Kolisek et al., die SLC41A1 als den Hauptmechanismus für den Mg2+-Efflux aus
der Zelle beschrieben hatten, untersuchte der erste Teil der Studie die
Fähigkeit von SLC41A1 Proteinkomplexe zu bilden. Emopamil binding protein
(EBP) und andere Vertreter der SLC Superfamilie wurden als potentielle
Bindungspartner identifiziert. In weiteren Experimenten wurde die
Transportaktivität der mit Morbus Parkinson assoziierten SLC41A1 Variante
pA350V evaluiert und gezeigt, dass es sich um eine „gain-offunction“ Mutation
handelt, die im Vergleich zum Wildtyp-Protein einen erhöhten Mg2+-Efflux aus
der Zelle bedingt. Anschließend wurde die Fragestellung untersucht, ob die
Transportaktivität von SLC41A1 durch Insulin beeinflusst werden kann, da bei
Diabetes-Patienten oft eine Hypomagnesiämie beobachtet wird. Die vorliegenden
Ergebnisse zeigen, dass Insulin den SLC41A1-vermittelten Mg2+-Efflux reduziert
und offensichtlich einen Effekt auf intrazelluläre Mg2+-Speicher hat, da ein
früheres Einsetzen der Mg2+-Freisetzung aus intrazellulären Speichern
beobachtet wurde. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine stabil transfizierte,
SLC41A3-überexprimierende HEK293 Zelllinie verwendet, um die Fähigkeit dieses
Proteins, Mg2+ zu transportieren, näher zu untersuchen und seine Rolle in der
zelluläre Mg2+-Homöostase zu charakterisieren. Um die Regulation der
Transportaktivität und die Rolle von SLC41A3 in der zelluläre Mg2+-Homöostase
zu verstehen, war es notwendig die zelluläre Lokalisation und etwaige
Bindungspartner zu identifizieren. Die vorliegenden Daten zeigen eine
spezifische Lokalisation in den Mitochondrien und eine Funktion als
mitochondriales Mg2+-Efflux System. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der
beobachtete Effekt von Insulin auf intrazelluläre Mg2+-Speicher wahrscheinlich
durch SLC41A3 vermittelt wird. Vorausgesetzt, dass Mitochondrien als
intrazelluläre Mg2+-Speicher fungieren, kann eine mitochondriale Dysfunktion
auch die zelluläre Mg2+-Homöostase beeinflussen und ein Grund für die bei
Krankheiten wie Diabetes, Morbus Parkinson oder Bluthochdruck beobachtete
intrazelluläre Mg2+-Defizienz sein. Der letzte Teil der Arbeit konzentrierte
sich auf die physiologische Charakterisierung zweier Isoformen des
Mg2+-regulierten Gens CNNM2 (I1 und I2). Mutationen in diesem Gen sind mit
schwerer, familiärer Hypomagnesiämie assoziiert. Eine vorangegangene Studie
hatte gezeigt, dass CNNM2 in Diabetes-Patienten überexprimiert war, die
Expression aber nicht mit den Mg2+- Spiegel im Plasma korrelierte. In der
vorliegenden Arbeit konnte aber eine Überexpression von CNNM2 in Jurkat und
JVM-13 Zellen nach Mg2+-Depletion gezeigt werden. Das Protein war in der Zelle
weit verbreitet, auch in Mitochondrien, und seine potentiellen
Interaktionspartner umfassen Proteine, die an der Regulation der
Mitochondrien-Homöostase (Mitophagie, Beseitigung reaktiver Sauerstoffspezies)
beteiligt sind. Es wurde auch untersucht, ob die beiden CNNM2-Isoformen in der
Lage sind, Mg2+ zu transportieren. Die hier präsentierten Daten zeigen
eindeutig, dass in HEK293 Zellen, die CNNM2 überexprimieren, das Protein weder
in elektrogener noch in elektroneutraler Weise Mg2+ transportiert. Diese
Ergebnisse legen nahe, dass CNNM2 der erste Mg2+-homöostatische Faktor ist,
der selbst keine Transportaktivität besitzt. Das Protein scheint die
extrazelluläre und/oder intrazelluläre Mg2+-Konzentration zu messen und
darauffolgend andere Proteine, die für die Mg2+-Mobilisierung in der Zelle
verantwortlich sind, zu aktivieren. Diese Daten charakterisieren CNNM2 als
zentralen Faktor für die intrazelluläre Mg2+-Homöostase und es kann angenommen
werden, dass die beiden SLC41 Proteine kooperativ mit dem Mg2+-Sensor CNNM2
die zelluläre Mg2+-Homöostase regulieren.
de
dc.format.extent
IV, 123 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
neurodegeneration
dc.subject
Parkinson’s disease
dc.subject
intracellular magnesium homeostasis
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::630 Landwirtschaft::630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
dc.title
SLC41A1, SLC41A3 and CNNM2: Magnesium responsive genes with potential
involvement in human ailments
dc.contributor.firstReferee
Univ.-Prof. Dr. Jörg Rudolf Aschenbach
dc.contributor.furtherReferee
Univ.-Prof. Dr. Heidrun Gehlen
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Jürgen Vormann
dc.date.accepted
2016-10-05
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000104481-9
dc.title.translated
SLC41A1, SLC41A3 und CNNM2: Magnesium-responsive Genes mit potentieller
Beteiligung an humanen Krankheiten
de
refubium.affiliation
Veterinärmedizin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000104481
refubium.note.author
Mensch und Buch Verlag
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000021270
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access