title: Protein expression and localization of Pigment Epithelium Derived Factor in the central nervous system of the rat during postnatal development
Creators: name: Van Wagenen, Stefanie
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2007
Subjects: subject: Wistar-Ratte , Netzhaut , Makuladegeneration , Glykosylierung , Pigmentepithel , Postnatale Entwicklung , Genexpression , Wachstumsfaktor , Ratte , Long Evans Ratte , Vaskularisierung , Immunohistochemie , Pigment Epithelium Derived Factor , age related macular degeneration
subject: 610 Medizin

description: Pigment Epithelium Derived Factor (PEDF) is a 46-50 kDa monomeric glycoprotein. The protein has a unique combination of functions and to date has been described to have antiangiogenic, neuroprotective and antivasopermeability properties, as well as differentiating activity for certain neuronal and tumor cells. Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and PEDF share many similar activities. Both growth factors are neurotrophic and neuroprotective, and control vascular permeability and angiogenesis in opposite ways. In the healthy adult eye, no new vessels are being formed due to a finely tuned balance of pro- and antiangiogenic factors. It has been shown that in conditions such as ischemia and oncogenesis the balance of VEGF to PEDF is disturbed and leads to neovascularisation. PEDF has been shown to induce the maturation and pigmentation of RPE cells of albino Wistar rats in vitro, and old Wistar eyes show signs of retinal degeneration that resemble those of age related macular degeneration in humans. To investigate if PEDF is associated with the pigmentation status, as well as retinal degeneration of albino Wistar rats, Wistar and pigmented Long Evans rat eyes were compared regarding their PEDF protein content and localization in the first part of this work. Since so far, very little is known about the expression and localization of both factors in the rat eye during physiological and pathological conditions, the protein content and localization of PEDF and VEGF were compared during postnatal development from birth until high age. Immunohistochemical and Western blot results indicate that there was no significant difference in between albino and pigmented eyes regarding the localization of PEDF within the retina, as well as the PEDF content of complete eyes that could be associated with the lack of pigmentation in Wistar rats. In the complete eye, PEDF levels decreased with increasing age in both stains, which was a natural phenomenon independent of pathological conditions. The data of this study support the idea that declining PEDF levels in organs at old age could easily tip the balance between angiogenic stimulators and inhibitors, so that the lack of PEDF as a differentiating factor and angiogenic inhibitor could contribute to the increase in cancer rates in the elderly. A decrease of PEDF production at old age within the albino retina in comparison to the Long Evans retina, suggests that PEDF might contribute to the observed retinal degeneration at high age. Furthermore, a shift in the VEGF expressing cells within the retina from neurons to glia cells at old age caused an uncoupling of PEDF and VEGF protein expression compared to physiological conditions, and might be related to pathological neovascularisation. In vitro experiments have shown that in the brain PEDF has primarily neuroprotective, but also differentiating effects on neuronal cells. So far, there is very little evidence which cell types produce or bind PEDF in the brain. The second part of this work investigates whether PEDF can be located in the adult rat brain by immunohistochemical means and if age affects the PEDF protein production and localization of PEDF within the brain. This study demonstrates for the first time that with increasing maturity of the brain, PEDF is localized in neurons of most brain areas. PEDF staining persisted until old age, suggesting a neuroprotective role for PEDF even at high age. Interestingly, PEDF was located in two different neurogenic zones of the brain, suggesting that PEDF might be able to also modulate neurogenesis. Furthermore, PEDF immunohistochemical staining could be demonstrated for all endothelial cells, as well as additional cell types that were not of astrocytic and oligodendrocytic origin. Since overall PEDF levels decreased with increasing age in both eye and brain, the prominent role of PEDF in the CNS may be during embryogenesis and early postnatal development. It has been shown that depending on the type of posttranslational modification of the protein, the function of PEDF can change. The third topic of this work addresses whether age affects the glycosylation status of PEDF in the eye, and whether the glycosylation status of PEDF is cell specific. Data show that glycosylation patterns of PEDF changed during postnatal development of the eye, which suggests a changing function of PEDF with age. Furthermore, there were differences in the posttranslational modifications of PEDF between certain cell types, which suggest that depending on the cell type the protein is produced in, PEDF may have different functions.
description: Pigment Epithelium Derived Factor (PEDF) ist ein monomerisches, 46-50 kDa großes Glycoprotein und hat eine einmalige Kombination von Eigenschaften. So hat PEDF antiangiogenetische, neuroprotektive und Antivasopermeabilitätsfunktion, und induziert die Differenzierung bestimmter Neurone und Tumorzellen. Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und PEDF haben viele Gemeinsamkeiten: beide Wachstumsfaktoren sind neurotroph und neuroprotektiv und haben gegensätzlichen Einfluss auf die Gefäßpermeabilität und Angiogenese. Im gesunden adulten Auge wachsen keine neuen Blutgefässe aufgrund eines Gleichgewichts von pro- und antiangiogenetischen Faktoren. Bei Ischämie und Krebs kommt dagegen die Balance von VEGF und PEDF aus dem Gleichgewicht, was zum Wachstum neuer Gefäße führt. Frühere in vitro Experimente zeigten, dass PEDF die Differenzierung und Pigmentierung retinaler Pigmentepithelzellen von albino Wistar Ratten induziert. Alte Wistar Augen weisen retinale Degenerationserscheinungen auf, die der altersbedingten Makuladegeneration beim Menschen ähneln. Um herauszufinden ob es eine Korrelation zwischen PEDF und der Pigmentierung, sowie der Degeneration der Retina gibt, wurden albino Wistar und pigmentierte Long-Evans-Ratten bezüglich des PEDF-Proteingehalts und der Lokalisierung verglichen. Da sehr wenig über die Expression und Lokalisierung von PEDF und VEGF im physiologischen, sowie pathogenen Zustand des Auges bekannt ist, wurde der Proteingehalt und die Lokalisierung der beiden Faktoren während der postnatalen Entwicklung des Rattenauges von Geburt bis ins hohe Alter verglichen. Immunohistochemische und Western Blot Ergebnisse lassen daraus schließen, dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen albino und pigmentierten Augen gibt bezüglich der Lokalisierung von PEDF in der Retina, sowie des PEDF-Gehalts im gesamten Auge, der mit der fehlenden Pigmentierung der Wistar Augen assoziiert werden könnte. Im gesamten Auge verringerte sich der PEDF-Gehalt mit zunehmendem Alter in beiden Rassen. Dies war ein natürliches Phänomen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstützen die Hypothese, dass sinkende PEDF-Konzentrationen mit zunehmendem Alter das Gleichgewicht angiogenetischer Stimulatoren und Inhibitoren in den Organen kippen könnten, so dass zu geringe Konzentrationen von PEDF zu einer erhöhten Krebsrate bei älteren Menschen beitragen könnten. Eine verringerte PEDF-Produktion der Wistar- Retina im Vergleich zur Long Evans-Retina deuten darauf hin, dass PEDF zur retinalen Degeneration im hohen Alter beitragen könnte. Des weiteren wurde in der alten Wistar-Retina eine Verschiebung der VEGF-positiven Zellen von Neuronen hin zu Gliazellen beobachtet. Dies hatte zur Folge dass die PEDF- und VEGF-Expression nicht mehr, wie im physiologischen Zustand kolokalisiert war, und könnte mit einer pathologischen Neovaskularisierung in Zusammenhang stehen. Frühere in vitro Experimente zeigen, dass PEDF im Gehirn hauptsächlich neuroprotektive und differenzierende Wirkung auf Nervenzellen hat. Bisher gibt es sehr wenige Beweise, welche Zellenarten im Gehirn PEDF produzieren oder binden. Daher untersucht der zweite Teil dieser Arbeit ob PEDF im Rattengehirn immunohistochemisch nachgewiesen werden kann, und ob die PEDF-Protein-Produktion und -Lokalisierung im Gehirn altersabhängig ist. Die Studie zeigt zum ersten Mal, dass PEDF mit zunehmender Gehirnreife in den Nervenzellen der meisten Gehirnbereiche lokalisiert ist. Die PEDF-Färbung hielt bis ins hohe Alter an, was auf eine neuroprotektive Rolle von PEDF selbst im hohen Alter hindeutet. Interessanterweise konnte PEDF in zwei neurogenen Gehirnbereichen nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass PEDF die Neurogenese modulieren könnte. Außerdem waren alle Endothelzellen PEDF-positiv, sowie weitere Zellen, die nicht astrozytären oder oligodendrozytischen Ursprungs waren. Die Tatsache, dass PEDF-Konzentrationen mit zunehmendem Alter im Auge und im Gehirn abnahmen, unterstützt die Annahme, dass die hauptsächliche Funktion von PEDF im zentralen Nervensystem während der Embryogenese und in der frühen postnatalen Entwicklung wirkt. Es ist bekannt dass manche posttranslationale Modifikationen die Funktion von PEDF ändern. Der dritte Teil der Arbeit untersucht, ob die Glykosylierung von PEDF zellspezifisch und vom Alter des Tieres abhängig ist. Die Ergebnisse zeigen, dass sich im Auge das Glykosylierungsmuster während der postnatalen Entwicklung verändert, was auf eine altersabhängige Funktionsänderung von PEDF hindeutet. Unterschiede in der posttranslationalen Modifikation von PEDF zwischen verschiedenen Zelltypen deuten darauf hin, dass PEDF unterschiedliche Funktion haben könnte, je nachdem von welchem Zelltyp es produziert wurde.