• search hit 1 of 8
Back to Result List

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-21183

Plasma Proteome Analyses of Experimental Human and Murine Thyroid Disease Models

  • The thyroid as the largest endocrine gland mainly produces and secretes the thyroid hormones (TH): 3,3’,5-triiodo-L-thyronine (T3) and its pro-hormone L-thyroxine (T4). Besides the impact on growth, normal development, bone marrow structure, the cardiovascular system, body weight and thermogenesis, TH play a vivid role in many metabolic regulatory mechanisms in almost all tissues. Thyroid diseases are relatively prevalent and cause, due to the resulting TH imbalances, a broad spectrum of effects. Many of them manifest in pathologically increased or decreased TH levels defined as hyperthyroidism or hypothyroidism, respectively. Routinely, determination of the thyroid state is based on the assessment of the classical markers TSH and free T4. However, this practice has several drawbacks. Moreover, elucidation of the pleiotropic effects of TH on multiple molecular pathways is mostly based on cell culture, tissue and rodent models. Analysis of animal biofluids like serum and urine using metabolomics approaches demonstrated the extensive impact of TH on other body compartments. In contrast, proteome profiling has not been exploited for the comprehensive characterization of the general metabolic effects of TH. Plasma as a large and diverse compartment of the human proteome provides a great opportunity to identify novel protein markers of thyroid function as well as to characterize metabolic effects of TH in humans. Therefore, a study of experimental thyrotoxicosis was performed with 16 male volunteers treated with 0.25 mg/d levothyroxine (L-T4) for 8 weeks to induce a hyperthyroid state. Plasma samples were collected before the L-T4 application started, two times during the treatment and additionally two times after withdrawal. Proteome analysis revealed remarkable alterations including increased levels of two known proteins known to correlate with TH levels (sex hormone-binding globulin and cystatin C). The correlation with free T4 levels revealed 76 out of 437 detected proteins with a Pearson correlation coefficient of r ≥ |0.9|. One prominent signature included 10 coagulation cascade proteins exhibiting significantly increased plasma levels during thyrotoxicosis, thereby revealing a trend towards a hypercoagulative state in hyperthyroidism. To overcome the statistical drawbacks of the Pearson correlation analysis, additionally a mixed-effect linear regression model using serum free T4 concentrations as exposure and protein abundances as outcome while controlling for age, BMI, and batch was implemented. Application of this model resulted in the detection of 63 proteins with significant associations to free T4 levels. Besides the already mentioned augmented coagulation, a significant drop in the amounts of three apolipoproteins (ApoD, ApoB-100 and ApoC3) was observed. Furthermore, an increased abundance of proteins assigned to the complement system was detected. Experimental studies in humans were complemented by corresponding analyses in murine models. In the current work, plasma samples of two murine studies including male C57BL/6 wildtype mice were analyzed to elucidate the impact of thyroid dysfunction on the plasma proteome. The first study was similarly designed as the human model of experimentally induced thyrotoxicosis and assigned the animals to three groups: a control group, a T4 treatment group, and a T4 recovery group, whereupon the latter first received T4 followed by a subsequent TH normalization period. A high proportion of plasma proteins exhibited significantly different protein levels during T4 application (n = 120), where 90 of these also showed a corresponding reverse trend after T4 withdrawal (T4 recovery vs. T4), thereby displaying transient alterations. The molecular pattern of hyperthyroidism in the murine model indicated, as in the human study, a pronounced decrease in apolipoproteins. However, in clear contrast to the human data, the levels of proteins related to the coagulation cascade and complement system were also transiently decreased in mice, while being increased in humans. The second murine analysis focused on the impact of hyper- and hypothyroidism caused by T3 or T4 treatment and MMI/KClO4 application, respectively. In general, compared to the first murine study less clear alterations of protein levels were detected. Proteins related to the complement system revealed fewer changes in the T3 group and only marginal changes after T4 induction. Unexpectedly, the MMI/KClO4-induced hypothyroidism caused a reduction of the levels of several proteins assigned to the complement system, although different components and factors were affected. Generally, rodent studies partially provided a divergent picture of TH action as compared to human studies. However, in spite of inconsistent results in studies regarding the effects of TH that are possibly due to species-specific differences, an important role of TH on several metabolic and other pathways, e.g. in the process of blood coagulation and apolipoprotein regulation, is evident. The results from both murine and human studies presented here provide novel insights into changes in the plasma proteome in the context of thyroid diseases which might contribute to a better understanding of TH action on metabolism and other pathways.
  • Die Schilddrüse als größte endokrine Drüse produziert und sekretiert die Schilddrüsenhormone (SD-Hormone) 3,3’,5-Triiod-L-thyronin (T3) und dessen Pro-Hormon L-Thyroxin (T4). Neben dem Einfluss auf das Wachstum, die normale Entwicklung, die Knochenmarkstruktur, das kardiovaskuläre System, das Körpergewicht und die Thermogenese, spielen SD-Hormone eine wichtige Rolle in nahezu allen Geweben und vielen metabolischen Regulationsmechanismen. Schilddrüsenerkrankungen sind relativ weit verbreitet und verursachen durch das resultierende hormonelle Ungleichgewicht ein breites Spektrum von Effekten. Viele manifestieren sich in pathologisch erhöhten oder verringerten Hormonspiegeln und werden entsprechend als Hyperthyreose (Schilddrüsenüberfunktion) oder Hypothyreose (Schilddrüsenunterfunktion) bezeichnet. Die routinemäßige Ermittlung des Schilddrüsenstatus basiert auf der Bestimmung der klassichen Marker TSH und freiem T4. Diese Methode hat allerdings mehrere Nachteile. Darüber hinaus basiert die Aufklärung der pleiotropen Effekte von SD-Hormonen auf verschiedene molekulare Stoffwechselwege weitgehend auf Zellkulturen sowie Gewebe- und Nagetiermodellen. Die Analyse von tierischen Bioflüssigkeiten wie Serum und Urin unter Verwendung von Metabolomics beweist den umfangreichen Einfluss von SD-Hormonen auf andere Kompartiments des Körpers. Im Gegensatz dazu wurde ein Proteomprofiling noch kaum für die umfassende Charakterisierung von allgemeinen metabolischen Effekten von SD-Hormonen genutzt. Dabei stellt Plasma als vielseitiges humanes Proteom eine vielversprechende Möglichkeit dar, um neue Proteinmarker von Schilddrüsenfunktionen zu identifizieren. Daneben können auch die metabolischen Auswirkungen von SD-Hormonen in Menschen charakterisiert werden. Durchgeführt wurde dafür eine Studie mit 16 männlichen Probanden, die mit 0,25 mg/d Levothyroxin (L-T4) für acht Wochen behandelt wurden, um einen hyperthyreoten Zustand zu induzieren. Plasma wurden for L-T4-Gabe, zwei Mal während der Behandlung und zusätzlich zwei Mal nach Absetzung des Medikaments entnommen. Die Proteomanalyse zeigte beachtliche Veränderungen, einschließlich erhöhter Level von zwei Proteinen, bei denen eine Korrelation mit SD-Hormonspiegeln bekannt ist (Sexualhormon-bindendes Globulin und Cystatin C). Die Korrelation mit den freien T4-Level offenbarte für 76 von 437 detektierten Proteinen einen Pearson Korrelationskoeffizienten von r ≥ |0,9|. Eine auffällige Signatur schließt 10 Proteine der Koagulation ein, die signifikant erhöhte Plasmaspiegel während der Thyreotoxikose aufwiesen. Damit offenbart sich eine Tendenz zu einem hyperkoagulativen Zustand bei Schilddrüsenüberfunktionen. Um statistische Nachteile der Pearsonkorrelation zu bewältigen, wurde eine gemischtes lineares Regressionsmodell implementiert. Unter Verwendung dieses Modells wurden 63 Proteinen mit signifikanter Assoziation zu freien T4-Spiegeln detektiert. Neben der bereits erwähnten vermehrten Koagulation wurde eine signifikante Verringerung in der Menge von drei Apolipoproteinen (ApoD, ApoB-100 und ApoC3) beobachtet. Desweiteren zeigten sich erhöhte Abundanzen von Proteinen, die zum Komplementsystem gehören. Experimentelle Studien in Menschen wurden durch korrespondierende Analysen in murinen Modellen komplementiert. In der aktuellen Arbeit wurden Plasmaproben männlicher C57BL/6 Wildtyp-mäuse in zwei murinen Studien analysiert, um den Einfluss einer Schilddrüsenfehlfunktion auf das Plasmaproteom zu untersuchen. Die erste Studie wurde ähnlich zum humanen Modell der experimentell induzierten Thyreotoxikose konzipiert. Die Tiere wurden dabei in drei Gruppen eingeteilt: eine Kontrollgruppe, eine Gruppe, die mit T4 behandelt wurde sowie eine Gruppe, bei der sich nach der T4-Gabe eine Ausschleichphase anschloss (T4 recovery). Ein großer Anteil von 120 Plasmaproteinen wies eine signifikant veränderte Proteinabundanz nach T4-Gabe auf. 90 davon zeigten einen korrespondierenden reversen Trend nach T4-Absetzung (T4 recovery vs. T4), was transiente Änderungen aufzeigt. Das molekulare Proteinmuster während der Hyperthyreose im Mausmodell weist auf einen ausgeprägten Anstieg der Apolipoproteine hin. Dies ist auch in der humanen Studie zu beobachten. Im klaren Kontrast dazu stehen die in verringerten Abundanzen von Proteine, die dem Komplementsystem und der Koagulation zuzuordnen sind. Diese wiesen in Menschen erhöhte Abundanzen auf. Die zweite murine Analyse fokussierte sich auf den Einfluss von Hyper- und Hypothyreose hervorgerufen durch jeweils T3- oder T4-Gabe bzw. MMI/ KClO4-Gabe. Im Allgemeinen wurden verglichen mit der ersten Mausstudie weniger klare Änderungen der Proteinlevel detektiert. Zum Komplementsystem gehörige Proteine zeigten weniger Veränderungen in der T3-Gruppe und nur marginale Veränderungen nach T4-Induktion. Unerwarteterweise verursachte die MMI/KClO4-induzierte Hypothyreose eine Reduktion der Abundanzen mehrerer Proteine des Komplementsystems, wobei allerdings andere Komponenten und Faktoren als in der vorherigen Studie betroffen waren. Im Vergleich mit den humanen Studien boten die murinen Studien ein partiell entgegengesetzes Bild der SD-Hormonwirkung. Trotz inkonsistenter Ergebnisse in den Studien bezüglich der Wirkungen von SD-Hormonen, die auch auf art-spezifische Unterschiede zurückzuführen sind, ist die wichtige Rolle von SD-Hormonen auf verschiedene metabolische Wege offensichtlich. Hierzu zählen der Prozess der Blutgerinnung und die Regulation der Apolipoproteine. Die hier vorgestellten Ergebnisse aus humanen und murine Studien liefern neue Einblicke in die Veränderungen des Plasmaproteoms im Zusammenhang mit Schilddrüsenerkrankungen. Dies kann zu einem besseren Verständnis der Wirkung von SD-Hormonen auf den Stoffwechsel beitragen.

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Beatrice Engelmann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-21183
Title Additional (German):Plasmaproteomanalysen experimenteller humaner und muriner Modelle von Schilddrüsenerkrankungen
Referee:Prof. Dr. Uwe Völker, Prof. Dr. Klaudia Brix
Advisor:Prof. Dr. Uwe Völker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Date of first Publication:2018/04/05
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2018/02/12
Release Date:2018/04/05
Tag:Plasma proteomics, gel-free mass spectrometry, hyperthyroidism, label-free quantification
GND Keyword:Plasma, Proteomics, Schilddrüse
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Interfakultäres Institut für Genetik und Funktionelle Genomforschung
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie