Ein schwerer Zinkmangel geht sowohl im Tiermodell als auch beim Menschen mit ausgeprägten phänotypischen Veränderungen im Stoffwechsel einher. Die auffällige Symptomatik eines Zinkmangels ließ starke Veränderungen auch auf Ebene des Transkriptoms und Proteoms erwarten, doch gab es dazu bisher keine umfassenden Analysen. Ziel der Untersuchung war es, zink-sensitive Gene als Biomarker für die Beurteilung der Zinkversorgung eines Organismus zu identifizieren und Ansätze zur Erklärung der Pathophysiologie eines Zinkmangels auf molekularer Grundlage zu geben. Zur Identifizierung des „Zinkregulons“ wurde das Transkriptom von Leber- und Hirngewebe im experimentellen Zinkmangel der Ratte mittels DNA-Array-Technologie untersucht. Hierfür wurde einerseits ein von der Firma Nanogen für die SNP-Analyse entwickeltes elektronisch adressierbares Array-System mit entsprechenden Modifikationen eingesetzt, sowie zwei kommerziell erhältliche DNA-Array-Formate angewendet. Ein Screening von Veränderungen des Proteoms unter Einsatz von 2D-Elektrophorese und MALDI-TOF-MS-Analyse ergänzte die Untersuchung der Veränderungen des Lebergewebes im Zinkmangel. Mittels Array-Technologie wurden ca. 66 % der 6200 untersuchten Zielsequenzen sowohl in Leber als auch in Hirngewebe als exprimiert nachgewiesen. Im Lebergewebe wiesen 268 Transkripte, im Hirngewebe dagegen nur 36 signifikante Veränderungen der mRNA-Spiegel im Zinkmangel auf. Dabei überwog in beiden Geweben die Zahl vermindert exprimierter Transkripte. Die im Lebergewebe auffällig stark betroffenen Transkriptgruppen ließen sich den Bereichen der Wachstums-regulation, des Lipidmetabolismus, des Fremdstoffstoffwechsel und der Stressant-wort sowie der Signaltransduktion und des intrazellulären Trafficking zuordnen. Die größten Gencluster umfassten dabei 43 bzw. 37 Transkripte, die vor allem für Proteine der hepatischen Stressantwort und des Lipidstoffwechsels kodieren. Die sich an die globale Expressionsanalyse der Leber anschließende Analyse der Expressionsänderung ausgewählter Gene mittels Northern Blot in Niere, Gehirn, Darm und Muskel belegte die ausgeprägte Organspezifität der Antwort des Organismus auf den Zinkmangel, wobei die Reaktion des Nierengewebes der des Lebergewebes am ähnlichsten war. Mittels 2D-Elektrophorese wurden darüber hinaus für insgesamt 158 Proteine im Lebergewebe veränderte Spiegel im Zinkmangel nachgewiesen, wovon 36 Proteine mittels MALDI-TOF-MS Analyse identifiziert werden konnten. Eine Korrelationsanalyse der Befunde der Proteom- und Transkriptom-Analyse ließ aber bemerkenswerter Weise kaum einen Zusammenhang erkennen. Die Veränderungen der mRNA-Spiegel einer Vielzahl von Proteinen des hepatischen Fettstoffwechsels ließ vermuten, dass daraus eine verminderte Fettsäureverwertung und eine vermehrte Fettspeicherung bzw. Fettinfiltration der Leber resultiert. So konnten tatsächlich auch biochemisch erhöhte Triglyceridgehalte und Verände-rungen im Fettsäurenmuster des Lebergewebes von Zinkmangeltieren nachge-wiesen werden. Diese Befunde belegen, dass die eingesetzten Screening-Methoden netzwerkartige Zusammenhänge mit entsprechenden metabolischen Konsequenzen aufdecken können. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl neuer Zielgene eines experimentellen Zinkmangels identifiziert, die für weitere Studien als Marker dienen können.     «

Ein schwerer Zinkmangel geht sowohl im Tiermodell als auch beim Menschen mit ausgeprägten phänotypischen Veränderungen im Stoffwechsel einher. Die auffällige Symptomatik eines Zinkmangels ließ starke Veränderungen auch auf Ebene des Transkriptoms und Proteoms erwarten, doch gab es dazu bisher keine umfassenden Analysen. Ziel der Untersuchung war es, zink-sensitive Gene als Biomarker für die Beurteilung der Zinkversorgung eines Organismus zu identifizieren und Ansätze zur Erklärung der Pathophysi...     »

Zinc deficiency is accompanied by severe phenotypical changes in animal models as well as in humans. The remarkable symptomatology caused by a zinc-deficiency suggested major changes in the transcriptome that should also allow to identify zinc-responsive genes. However, such a molecular analysis of zinc-deficiency in a mammalian system was lacking. The goal of the investigations presented here was therefore, to identify zinc-sensitive genes as putative biomarkers for the assessment of the zinc status as well as to try to explain the pathophysiology of zinc deficiency on basis of the changes of the transcriptome. For identification of a “zinc-regulon”, transcriptome analysis of liver and brain tissues of control and zinc-deficient rats was performed by DNA array technology. For this purpose the Nanogen Inc. array system, originally built for SNP analyses, was used after suitable protocol modifications. In addition, two other commercially available DNA-array formats were employed. An additional screening of liver tissue for changes in the protein levels based on 2D electrophoresis and MALDI-TOF-MS analysis was conducted. Around 66% of the 6200 target sequences were found to be expressed in liver as well as brain tissue by means of array technology. The expression level of 268 transcripts changed significantly in the liver as a result of zinc deficiency whereas in brain tissue only 36 transcript levels showed changes. In general, zinc deficiency caused mainly a reduction in the steady state levels of transcripts in both tissues. This was confirmed by independent methods such as Northern Blot analysis and Real time RT PCR. Groups of transcripts strongly affected by zinc deficiency could be associated with growth regulation, lipid metabolism, xenobiotic metabolism and stress response as well as signal transduction and intracellular trafficking. The largest clusters identified comprised 43 resp. 37 transcripts, mainly encoding proteins involved in the hepatic stress response and lipid metabolism. Following global expression analysis of the liver tissue, selected genes were also analyzed by Northern Blot in kidney, brain, intestine and muscle tissue showing the organ specific response to zinc deficiency with kidney tissue resembling most closely the changes in liver. 2D electrophoresis revealed 158 proteins with altered expression level in zinc deficiency from which 36 proteins could be identified by MALDI-TOF-MS analysis. However, very weak correlation between proteome and transcriptome data could be observed. Based on the transcriptome analysis major changes in hepatic fat metabolism including reduced fatty acid oxidation and increased lipid accumulation could be predicted. A biochemical analysis indeed confirmed this by demonstrating increased hepatic triglyceride levels and substantial changes in the fatty acid pattern. The changes in mRNA-levels of gene-clusters identified by the screening methods therefore predicted fairly well the concomitant metabolic consequences. In summary, the methods employed here proved suitable to identify an impressive number of newly identified “zinc-sensitive” genes involved in a variety of metabolic pathways and may help to design further studies to unravel the molecular changes occurring during zinc deficiency.     «

Zinc deficiency is accompanied by severe phenotypical changes in animal models as well as in humans. The remarkable symptomatology caused by a zinc-deficiency suggested major changes in the transcriptome that should also allow to identify zinc-responsive genes. However, such a molecular analysis of zinc-deficiency in a mammalian system was lacking. The goal of the investigations presented here was therefore, to identify zinc-sensitive genes as putative biomarkers for the assessment of the zinc s...     »