dc.contributor.author
Opialla, Tobias
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:47:48Z
dc.date.available
2017-01-06T09:01:34.311Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10994
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-15192
dc.description.abstract
Muscle represents the means to move. This movement needs energy, which is
generated by the central carbon metabolism. Respective to function, different
types of muscle have developed. Two main categories exist: Red (TI) oxidative
slow twitch muscles optimized for long lasting contractions and white (TII)
glycolytic fast twitch muscles, which are differently affected by aging and
disease. Metabolic profiles are altered in muscle disease, by changed enzyme
levels or regulation. I generated detailed metabolic and proteomic profiles
from different muscle fiber types; Extensor digitorum longus, Tibialis
anterior (both glycolytic), Quadriceps (glycolytic/oxidative) and Soleus
(oxidative) of C57BL/6N mice. I found a distinct molecular make up for each
muscle. While current classification holds expectedly true, my systems biology
approach allows for a more detailed look at the interplay between metabolites
and proteins. Dysferlinopathy, a hereditary muscular dystrophy, manifests in
puberty, when glycolysis becomes prominent. In her thesis S. Keller subjected
a mouse dysferlinopathy model (BLA/J) and human myotubes to MS-based
metabolomics and proteomics and found a metabolic phenotype: Enzyme levels
were mostly unchanged between diseased and control samples. Glycolysis
intermediates including glucose-6-phosphate were reduced, polyol pathway
members sorbitol and fructose were increased. Based on work by M. Pietzke and
Ch. Zasada et al. I established label tracing methods including the glycogen
pool in primary human myotubes. This allowed to demonstrate function loss of
hexokinase II in dysferlinopathy. Label incorporation (LI) was slower in
glycolytic intermediates and glycogen. LI into sorbitol was unchanged.
Glycolysis impairment leads to more oxidative metabolism, causing oxidative
stress, reflected in elevated pentose phosphate pathway poolsizes. In the cell
the membrane repair protein Dysferlin is located in dysferlin vesicles. I
subjected fractions enriched for dysferlin vesicles by S. Kunz [3] to
proteomics and found well established interaction partners, but also
glycolytic enzymes never discussed before in the literature. This further
establishes a metabolic role of dysferlin. The techniques used in these
studies require muscle tissue samples. Together with H. Kuich we performed a
proof of principle study on a single human volunteer during exercise to assess
the reflection of muscle metabolism in easier obtainable blood. 10 µL blood
samples from the fingertip, similar to a diabetics blood glucose test,
sufficed to recapitulate well established knowledge of sports medicine and
find a possible molecular explanation for the phenomenon “Hitting the Wall”.
The samples show relatedness according to “rate of perceived exhaustion”
possibly reflecting energy availability in the muscle. We could attribute the
relations to nine key metabolites. This workflow might lead to easier muscle
disease diagnostics in health care.
de
dc.description.abstract
Muskel ist der Hauptverbraucher von Energie im Körper. Diese Energie wird
mittels des zentralen Kohlenstoff Metabolismus gewonnen. Zwei Hauptkategorien
von Muskeln existieren: oxidative, langsam kontrahierende (Typ 1) und
glykolytische, schnell kontrahierende (Typ 2). Die verschiedenen Fasertypen
zeigen unterschiedliche Anfalligkeiten für Krankheiten und den natürlichen
Alterungsprozess. Dies macht die Unterschiede zwischen Muskeln auf molekularer
Ebene interessant. Ich generierte Metabolom- und Proteomdaten von Muskeln mit
spezifischen Eigenschaften; Extensor digitorum longus, Tibialis anterior
(beide glykolytisch), Quadriceps (gemischt) und Soleus (oxidativ) von Mäusen.
Es zeigte sich, das jeder Muskel eine spezifische molekulare Zusammensetzung
besitzt. Die klassischen Kategorisierungsparameter bleiben bestehen, aber der
systembiologische Ansatz erlaubt einen diffenrenzierteren Blick auf das
Zusammenspiel von Metaboliten und Proteinen. Dysferlinopathie ist eine
Erbkrankheit, die sich wahrend der Pubertät manifestiert, wenn sich der adulte
glykolytische Stoffwechsel einstellt. Meine Vorgängerin S. Keller hatte
Muskeln von BLA/J-Mäusen (ein Dysferlinopathie-Modell) und humane Myotuben
analysiert und einen metabolischen Phanotyp der Krankheit gefunden:
Glykolytische Enzyme waren unverandert, aber Glucose-6-phosphat und
nachfolgende Metabolite waren vermindert, Sorbitol und Fructose erhöht.
Basierend auf Arbeit von Pietzke und Zasada et al. etablierte ich eine Methode
zur Messung der Labelinkorporation inklusive Glycogen in primären humanen
Myotuben und konnte zeigen, dass tatsächlich die Funktion von Hexokinase II
vermindert ist. Verminderte Glykolyseaktivitat führt zu einer Steigerung des
oxidativen Metabolismus und erhöhtem oxidativen Stressniveau, was das
beobachtete erhöhte Niveau an Pentosephosphatweg-Metaboliten zeigt. In der
Zelle liegt das Membranreparaturprotein Dysferlin in Dysferlinvesikeln vor.
Diese Vesikel wurden von S. Kunz isoliert. Im Vesikelproteom konnte ich
etablierte Interaktionspartner und glykolytische Enzyme finden, die zwar z. T.
in der Literatur bekannt sind, aber nie diskutiert wurden. Diese Techniken
basieren alle auf Muskelbiopsien. Gemeinsam mit H. Kuich evaluierte ich im
Rahmen einer Machbarkeitsstudie Blut als leichter erhältliches Probenmaterial,
aus dem Muskelmetabolismus potentiell ablesbar ist. Aus 10 µL großen
Blutproben, ähnlich einem Blutzuckertest, und gesammelt unter körperlicher
Belastung, konnten wir etabliertes Wissen der Sportmedizin nachvollziehen und
eine Erklärung für das Phänomen ”Hitting the Wall“ finden. Insbesondere
zeigten die Proben größte Ähnlichkeit gemäß der selbst empfundenen
Erschöpfung, was potentiell Rückschlüsse auf den Energiezustand des Muskels
zulasst. Wir konnten 9 Schlüsselmetabolite bestimmen, auf denen diese
Verwandtschaft beruht. Diese Analyse-Pipeline könnte eine Translation von
Metabolomics in den klinischen Alltag der Muskeldiagnostik ebnen.
de
dc.format.extent
155 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
dysferlinopathy
dc.subject
personalized medicine
dc.subject
systems biology
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::543 Analytische Chemie
dc.title
Metabolome and Proteome Based Analysis of Muscular Dystrophies
dc.contributor.contact
tobias.opialla@mdc-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Dr. Stefan Kempa
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Simone Spuler
dc.date.accepted
2016-10-12
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103835-5
dc.title.translated
Metabolom und Proteom basierte Analyse von Muskeldystrophien
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103835
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020738
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access