TY  - THES
A1  - Thumati, Naresh Reddy
T1  - Characterization of new protein kinases of the EVH1 domain containing protein VASP and identification of binding partners for a new EVH1 domain of the Spred2 protein : A case study on protein interactions of EVH1 domain containing proteins
N2  - Protein interactions as mediated by catalytic or non-catalytic protein domains contribute to cellular signal transduction processes by covalent protein modification of or non-covalent binding to interaction partners. Ena/VASP homology 1 (EVH1) domains are found in different signal transduction proteins as N-terminal non-catalytic adaptor modules of ~ 115 amino acids sharing a common fold. By targeting their host proteins to subcellular sites of action they are involved in several signalling cascades which include protein phosphorylation and cytoskeletal reorganisation. In this study, protein interactions of the two EVH1 domain containing proteins VASP and Spred2 were studied according to their involvement in different and non-overlapping signal transduction pathways of the cell. EVH1 domains were first described in the Ena/VASP protein family with the Vasodilator-stimulated phosphoprotein VASP being its founding member. As a cytoskeleton-associated protein VASP not only interacts with different proteins of the actin network but it is also a substrate for cAMP- and cGMP-dependent protein kinases. However the full complement of protein kinases targeting VASP as their substrate is still unknown. Here we used mouse cardiac fibroblast (MCFB) cells in order to study the phosphorylation status of VASP and identify new candidate protein kinases involved after serum stimulation of these cells. Using phosphosite-specific antibodies we found that serum stimulation induces a phosphorylation of VASP at Ser-157 in a time-dependent manner reaching its maximum after 90 min of stimulation. We developed an interaction graph model of possible candidate protein kinases involved. Using a pharmacological perturbation analysis with different combinations of specific protein kinase inhibitors and activators we excluded any contribution of cGMP-dependent protein kinase and Rho kinases to this process and identified a combined action of classical isoforms of PKCs and PKA in serum-stimulated VASP phosphorylation at Ser-157 positioning PKC upstream of PKA in this signalling pathway. We hypothesise that PKC receives an external stimulatory signal upon serum stimulation of MCFB cells which is passed either directly or indirectly to PKA which finally phosphorylates VASP at Ser-157. A new EVH1 domain has been described recently in the Spred proteins (Sprouty related proteins containing an EVH1 domain) which are inhibitors of the Ras/Raf/MAP kinase pathway. Our laboratory has been involved in the elucidation of the atomic structure of the human Spred2 EVH1 domain by protein NMR spectroscopy (PDB 2JP2; 2007). A positively charged binding interface of this EVH1 domain suggests an interaction with negatively charged ligands; however no interaction partners of this domain have been described so far. In the second part of this study, we used different genetic and biochemical screening methods to search for ligands of the Spred2 EVH1 domain. A bacterial two-hybrid system was established using a physically well characterized interaction of the VASP EVH1 domain with a panel of its ActA binding peptides as positive controls to screen a human brain cDNA expression library at different stringencies for candidate Spred2 EVH1 interaction partners. However none of the clones isolated could be genetically and physically validated to support Spred2 EVH1 specific interactions. An in-vitro screening of a 9-mer phage display peptide library using purified GST-Spred2 EVH1 fusion protein was performed together with a Fyn-SH3 fusion protein as a positive control. In contrast to the Fyn-SH3 domain the majority of phages isolated with the Spred2 EVH1 domain either carried no inserts or inserts with stop codons suggesting a highly non-specific interaction of the phage coat protein with the latter domain but neither the Fyn-SH3 domain nor the GST moiety. Isolation of a 13-mer proline-rich sequence was particularly surprising in this context. In order to address possible interactions of the Spred2 EVH1 domain with non-peptidergic ligands protein-lipid interaction assays were performed. Quantitative binding studies to purified Spred2 EVH1 using a liposome sedimentation assay however excluded any interaction of candidate phospholipids of the phosphatidyl inositol phosphate class with the Spred2 EVH1 domain. A natively folded and thus binding-competent conformation of the purified proteins used was assessed independently by 1H protein NMR spectroscopy. In summary the cumulative evidence of our genetic and biochemical screening experiments suggests that the still elusive Spred2 EVH1 ligand(s) may be formed of hydrophobic peptide epitopes larger than nine amino acids in size and carrying negative charge(s). A phosphorylation of Spred2 EVH1 binding epitopes by a post-translational modification should be seriously considered in future experiments.
N2  - Proteininteraktionen, wie sie durch katalytisch oder nicht-katalytisch wirksame Proteindomänen vermittelt werden können, spielen eine wesentliche Rolle in zellulären Signaltransduktionsprozessen durch die kovalente Modifikation oder nicht-kovalente Bindung von Interaktionspartnern. Ena/VASP Homologie 1 (EVH1) Domänen finden sich als N-terminale, nicht-katalytische, etwa 115 Aminosäuren große und konserviert gefaltete Adaptormodule in vielen verschiedenen Signaltransduktionsproteinen. Indem sie ihre jeweiligen Wirtsproteine an deren subzellulärem Wirkort verankern helfen, sind sie an vielen verschiedenen Signalkaskaden wie z.B. Proteinphosphorylierungen oder Umbauprozessen des Zytoskeletts beteiligt. In dieser Arbeiten wurden Proteininteraktionen der beiden EVH1 domänen-haltigen Proteine VASP and Spred2 untersucht, die in nicht überlappenden Signaltransduktionswegen der Zelle vorkommen. EVH1 Domänen wurden zuerst innerhalb der Ena/VASP-Proteinfamilie beschrieben, deren Gründungsmitglied das Vasodilator-stimulierte Phosphoprotein VASP ist. Als zytoskelett-assoziiertes Protein wechselwirkt VASP nicht nur mit verschiedenen Aktin-bindenden Proteinen, sondern ist auch ein Substrat der cAMP- und cGMP-abhängigen Proteinkinasen. Der vollständige Satz jener Proteinkinasen, die VASP als eines ihrer Substrate aufweisen, ist immer noch unbekannt. Hier haben wir kardiale Mausfibroblasten (MCFB) Zellen verwendet, um nach Serum-Stimulation dieser Zellen den Phosphorylierungsstatus von VASP zu bestimmen und daran beteiligte, neue Kandidaten-Proteinkinasen zu identifizieren. Mit Hilfe von Phosphorylierungsstellen-spezifischen Antikörpern konnten wir zeigen, dass eine Serum-Stimulation eine zeitabhängige Phosphorylierung von VASP an Serin 157 induziert, die ein Maximum 90 min nach Stimulation erreicht. Wir entwickelten ein Interaktionsgraphen-Modell möglicher Kandidaten-Proteinkinasen, die an diesem Prozess beteiligt sein könnten. Mit Hilfe pharmakologischer Perturbationsexperimente auf der Grundlage spezifischer Proteinkinase-Inhibitoren und Aktivatoren konnten wir einerseits eine Beteiligung der löslichen cGMP-abhängigen Proteinkinase und von Rho-Kinasen an diesem Prozess ausschliessen und anderseits die gemeinsame Beteiligung der klassischen Proteinkinase C Isoform(en) und der cAMP-abhängigen Proteinkinase nachweisen. In diesem Signalweg liegt dabei die Proteinkinase C stromaufwärts vor letzterer. Nach unserer Interpretation der Daten wird die PKC nach Serum-Stimulation der MCFB-Zellen aktiviert und aktiviert ihrerseits direkt oder indirekt die cAMP-abhängige Proteinkinase, die schliesslich VASP als proximales Substrat am Serin 157 phosphoryliert. Eine neue EVH1 Domäne wurde kürzlich in den Spred Proteinen (Sprouty related proteins containing an EVH1 domain) beschrieben, die neue Inhibitoren im Ras/Raf/MAP-Kinase-Signalweg darstellen. Unser Labor war an der NMR-gestützten Aufklärung der atomaren Struktur der Spred2 EVH1 Domäne beteiligt (PDB 2JP2; 2007). Die positiv geladene Bindungsfurche dieser EVH1 Domäne legt eine Interaktion mit anionischen Liganden nahe. Interaktionspartner für diese Domäne sind bisher jedoch nicht beschrieben worden. Im zweiten Teil dieser Arbeit verwendeten wir verschiedene genetische und biochemische Suchverfahren zur Identifizierung möglicher Spred2 EVH1 Liganden. Ein bakterielles Two-Hybrid-System mit der Spred2 EVH1 Domäne als Köderprotein wurde dazu etabliert unter Verwendung der physikalisch gut charakterisierten Wechselwirkung der VASP EVH1 Domäne mit ihren ActA Bindungspeptiden als eines positiven Kontroll-Interaktionspaars und zum verschieden stringenten Durchmustern einer humanen cDNA Expressionsgenbank aus Gehirn eingesetzt. Keiner der isolierten Klone ließ sich jedoch genetisch oder nach Sequenzierung in Hinblick auf eine Spred2 EVH1 spezifische Wechselwirkung validieren. Mittels gereinigtem GST-Spred2 EVH1 Protein wurde daher eine 9-mer Peptid-Genbank im Phage-Display-Verfahren durchgemustert unter Verwendung eines Fyn-SH3 Fusionsproteins als positiver Kontrolle. Im Gegensatz zu den Ergebnissen mit letzterer trugen die mit der Spred2 EVH1 Domäne isolierten Phagen überwiegend keine Inserts oder solche mit Stop-Codons, was eine unspezifische Wechselwirkung mit den Phagen-Hüllenproteinen dieser Domäne nicht jedoch der Fyn-SH3 Domäne oder des GST-Partners nahelegt. Die Isolierung einer 13-mer großen prolin-reichen Bindesequenz war in diesem Zusammenhang besonders überraschend. Um eine mögliche Wechselwirkung von Spred2 EVH1 mit nicht-peptidergen Liganden zu untersuchen, wurden Protein-Phospholipid-Interaktionsassays durchgeführt. Mittels quantitativer Bindungsstudien unter Verwendung der isolierten Domäne konnte eine Interaktion mit Kandidaten-Phospholipiden aus der Klasse der Phosphatidylinositolphosphate in einem Liposomen-Sedimentationsassay ausgeschlossen werden. Eine native Faltung und damit prinzipiell bindungskompetente Konformation(en) der gereinigten Proteine konnten mittels 1H Protein-NMR-Spektroskopie sichergestellt werden. Zusammengenommen lassen unsere Experimente vermuten, dass es sich bei den noch immer nicht dingfest gemachten Spred2 EVH1 Liganden um hydrophobe, negative geladene, mehr als neun Aminosäuren umfassende Peptidepitope handeln könnte. Bei deren Identifizierung in zukünftigen Experimenten sollte mit ihrer Phosphorylierung durch post-translationale Modifikationen gerechnet werden.
KW  - VASP
KW  - Spred
KW  - EVH1 domains
KW  - Protein interactions
KW  - VASP
KW  - Spred
KW  - EVH1 domains
KW  - Protein interactions
KW  - VASP
KW  - Spred
KW  - EVH1 domains
KW  - Protein interactions
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26617
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bundschu, Karin
T1  - Generation and characterization of spred-2 knockout mice
T1  - Generierung und Charakterisierung von Spred-2 Knockout Mäusen
N2  - Spreds are a new Sprouty-related family of membrane-associated proteins inhibiting the MAPK signaling pathway by interacting with Ras and Raf-1. Different studies have already demonstrated the inhibitory function of Spreds in cell culture systems, but the in vivo function of Spreds in the whole organism was still unclear. Therefore, Spred-2 knockout mice were generated using a gene trap approach. The Spred-2 deficiency was verified on RNA and protein levels and the lack of functional Spred-2 protein in mice caused a dwarf phenotype similar to achondroplasia, the most common form of human dwarfism. Spred-2-/- mice showed reduced growth and body weight, they had a shorter tibia length and showed narrower growth plates as compared to wildtype mice. Spred-2 promoter activity and protein expression were detected in chondrocytes, suggesting an important function of Spred-2 in chondrocytes and bone development. Furthermore, stimulation of chondrocytes with different FGF concentrations showed earlier and augmented ERK phosphorylation in Spred-2-/- chondrocytes as compared to Spred-2+/+ chondrocytes. These observations suggest a model, in which loss of Spred-2 inhibits bone growth by inhibiting chondrocyte differentiation through upregulation of the MAPK signaling pathway. An additional observation of Spred-2-/- mice was an increased bleeding phenotype after injuries, whereas the bleeding volume was extremely enlarged and the bleeding time was significantly prolonged. So far, hypertension as cause could be excluded, but to discover the physiological reasons for this phenotype, the different steps of the clotting cascade have to be investigated further. As the Spred-2 promoter activity studies demonstrated a high and specific Spred-2 expression in vascular smooth muscle cells and previous studies showed an interaction of Spreds with RhoA, a key regulator of vascular smooth muscle contraction, the regulation of smooth muscle contractility seems to be a good candidate of this phenomenon. Moreover, Spred-1 and Spred-2 specific antibodies were generated as important tools to study the protein expression patterns in mice. Furthermore, nothing was known about the Spred-2 promoter region and its regulation. Here, a detailed in situ analysis of the physiological promoter activity profile in the gene trapped Spred-2-deficient mouse strain was shown. In these mice, the beta-galactosidase and neomycin fusion gene (β-geo) of the gene trap vector was brought under control of the endogenous Spred-2 promoter, giving the opportunity to monitor Spred-2 promoter activity in practically every organ and their corresponding sub-compartments. X-Gal staining of sections of newborn and adult mice revealed 1) a very high Spred-2 promoter activity in neural tissues and different glands; 2) a high activity in intestinal and uterine smooth muscle cells, and kidney; 3) a low activity in heart, testis, lung, and liver; 4) an almost lacking activity in skeletal muscle and spleen, and 5) very interestingly, a very distinct and strong activity in vascular smooth muscle cells. Moreover, comparison of newborn and adult mouse organs revealed a nearly congruent Spred-2 promoter activity. These detailed data provide valuable information for further studies of the physiological functions of Spred-2 in organs showing strong Spred-2 promoter activity, which are in most of these organs still unclear. Finally, gene targeting vectors for Spred-1 and Spred-2 were cloned, to generate ES cells with a floxed exon 2 of the Spred-1 and Spred-2 gene, respectively. Now, these ES cells are valuable tools to establish conditional knockout mice. This is of major interest to investigate the physiological tissue specific functions of Spred-1 and Spred-2, especially if the double knockout mice are not viable.
N2  - Spreds gehören zu einer neuen Sprouty-verwandten Familie Membran-assoziierter Proteine, welche den MAPK Signalweg hemmen, indem sie mit Ras und Raf-1 interagieren. In Zellkultur-Systemen haben mehrere Studien bereits die hemmende Funktion von Spred gezeigt, aber die in vivo Funktion im Gesamtorganismus blieb bisher noch ungeklärt. In dieser Arbeit wurden deshalb Spred-2 Knockout Mäuse mithilfe eines Gene-trap Ansatzes generiert. Die Spred-2 Eliminierung konnte auf RNA- und Protein-Ebene bestätigt werden, und der Verlust des funktionsfähigen Spred-2 Proteins führte zu einem Achondroplasie-ähnlichen Zwergenwuchs, der häufigsten Form des menschlichen Zwergenwuchses. Die Spred-2-/- Mäuse waren insgesamt kleiner und hatten ein vermindertes Körpergewicht. Im Vergleich zu Wildtyp Mäusen war die Tibia-Länge verkürzt und die Wachstumsfugen verschmälert. In Knorpelzellen wurde sowohl die Aktivität des Spred-2 Promoters, als auch eine Spred-2 Proteinexpression detektiert, was auf eine wichtige Funktion in Knorpelzellen und bei der Knochenentwicklung schließen lässt. Im Vergleich zu Spred-2+/+ Knorpelzellen zeigte die Stimulierung von Spred-2-/- Knorpelzellen mit verschiedenen FGF-Konzentrationen eine frühere und verstärkte ERK-Phosphorylierung. Diese Beobachtungen deuten auf einen Mechanismus hin, bei dem der Verlust von Spred-2 das Knochenwachstum hemmt, indem die Knorpel-Differenzierung durch eine Hochregulation des MAPK Signalweges gehemmt wird. Spred-2-/- Mäuse zeigten nach Verletzungen eine erhöhte Blutungsneigung, wobei das verlorene Blutvolumen extrem vergrößert und die Blutungszeit signifikant verlängert war. Bislang konnte Bluthochdruck als Ursache ausgeschlossen werden, aber die verschiedenen Stufen der Blutstillung und Gerinnungskaskade müssen noch weiter untersucht werden, um die physiologischen Ursachen dieses Phänotyps ausfindig machen zu können. Untersuchungen der Spred-2 Promotoraktivität zeigten eine starke und spezifische Expression von Spred-2 in glatten Gefäßmuskelzellen. Außerdem zeigten vorhergehende Studien eine Interaktion von Spreds mit RhoA, einem Hauptregulator der Kontraktion glatter Gefäßmuskelzellen. Diesen Beobachtungen zufolge scheint die Regulation der Kontraktilität glatter Gefäßmuskelzellen ein guter Kandidat für dieses Phänomen zu sein. Weiterhin wurden Spred-1 und Spred-2 spezifische Antikörper hergestellt, die als elementares Werkzeug zur Untersuchung der Proteinexpression in der Maus notwendig waren. Bisher gab es noch keine Informationen über die Region und Regulation des Spred-2 Promotors. In dieser Arbeit wurde eine detaillierte in situ Analyse des physiologischen Promotoraktivitätsprofils in der Spred-2 defizienten Mauslinie gezeigt, die mit Hilfe des Gene-trap Vektors generiert wurde. In diesen Mäusen wurde das beta-Galaktosidase/Neomycin-Resistenz Fusionsgen (β-geo) des Gene-trap Vektors unter die Kontrolle des endogenen Spred-2 Promotors gebracht, und lieferte damit die Möglichkeit, die Spred-2 Promotoraktivität in praktisch jedem Organ und den zugehörigen Teilstrukturen beobachten zu können. X-Gal Färbungen von Gewebeschnitten neugeborener und erwachsener Mäuse zeigten 1) eine sehr starke Spred-2 Promotoraktivität in Nervengeweben und verschiedenen Drüsen; 2) eine starke Aktivität in glatten Muskelzellen des Uterus und Verdauungstraktes, sowie der Nieren; 3) eine geringe Aktivität in Herz, Hoden, Lunge und Leber; 4) eine fast fehlende Aktivität in Skelettmuskeln und Milz; und 5) interessanterweise eine starke und eindeutige Aktivität in glatten Gefäßmuskelzellen. Außerdem zeigte der Vergleich zwischen Organen von neugeborenen und erwachsenen Mäusen ein fast identisches Aktivitätsmuster. Diese detaillierten Daten liefern hilfreiche Informationen für weitere Untersuchungen der physiologischen Funktionen von Spred-2 vor allem in Organen mit starker Spred-2 Promotoraktivität, die in den meisten dieser Organe bisher noch immer ungeklärt sind. Zuletzt wurden in dieser Arbeit noch Gene-targeting Vektoren für Spred-1 und Spred-2 kloniert, die zur Generierung von embryonalen Stammzellen mit gefloxtem Exon 2 des Spred-1 bzw. Spred-2 Gens genutzt wurden. Diese embryonalen Stammzellen stehen nun als wertvolle Grundlage zur Etablierung von konditionalen Knockout Mäusen zur Verfügung. Dies ist von großem Interesse, um die physiologischen gewebespezifischen Funktionen von Spred-1 und Spred-2 zu untersuchen, vor allem wenn die Doppel-Knockout Mäuse nicht lebensfähig sein sollten.
KW  - Spred Protein
KW  - Knockout <Molekulargenetik>
KW  - Maus
KW  - Spred
KW  - Knockout Mäuse
KW  - Zwergenwuchs
KW  - EVH-1
KW  - MAP Kinase
KW  - Spred
KW  - knockout mice
KW  - dwarfism
KW  - EVH-1
KW  - MAP kinase
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14333
ER  -