Institut für Klinische Biochemie und Pathobiochemie
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Members of the enabled/vasodilator-stimulated phosphoprotein (Ena/VASP) family are important regulators of the actin cytoskeleton dynamics. VASP functions as well as its interactions with other proteins are regulated by phosphorylation at three sites - serine157 (S157), serine239 (S239), and threonine278 (T278) in humans. cAMP- and cGMP- dependent protein kinases phosphorylate S157 and S239, respectively. In contrast, the kinase responsible for T278 was as yet unknown and identified in the first part of this thesis. In a screen for T278 phosphorylating kinases using a phospho-specific antibody against phosphorylated T278 AMP-activated protein kinase (AMPK) was identified in endothelial cells. Mutants of AMPK with altered kinase-activity modulate T278-phosphorylation levels in cells. AMPK-driven T278-phosphorylation impaired stress fiber formation and changed cell morphology in living cells. AMPK is a fundamental sensor of cellular and whole body energy homeostasis. Zucker Diabetic Fatty (ZDF) rats, which are an animal model for type II diabetes mellitus, were used to analyze the impact of phosphorylated T278 in vivo. AMPK-activity and T278-phosphorylation were substantially reduced in arterial vessel walls of ZDF rats in comparison to control animals. These findings demonstrate that VASP is a new AMPK substrate, that VASP phosphorylation mediates the effects of metabolic regulation on actin cytoskeleton rearrangements, and that this signaling system becomes down-regulated in diabetic vessel disorders in rats. In the second part of this thesis, a functional analysis of differential VASP phosphorylations was performed. To systematically address VASP phosphorylation patterns, a set of VASP phosphomimetic mutants was cloned. These mutants enable the mimicking of defined phosphorylation patterns and the specific analysis of single kinase-mediated phosphorylations. VASP localization to the cell periphery was increased by S157- phosphorylation and modulated by phosphorylation at S239 and T278. Latter phosphorylations synergistically reduced actin polymerization. In contrast, S157- phosphorylation had no effect on actin-dynamics. Taken together, the results of the second part show that phosphorylation of VASP serves as a fine regulator of localization and actin polymerization activity. In summary, this study revealed the functions of VASP phosphorylations and established novel links between signaling pathways and actin cytoskeleton rearrangement.
Infektionen mit Streptokokken der Gruppe B (GBS) sind immer noch die häufigste Ursache für early-onset Erkrankungen des Neugeborenen in den Industrieländern, die zu erhöhter neonataler Mortalität und Morbidität führen. Bereits bekannt ist, dass neben verschiedenen anderen Bakterien GBS durch die direkte Interaktion mit Thrombozyten eine Aggregation verursachen können. In dieser Arbeit wurde das Verhalten von septischen und kolonisierenden GBS-Stämmen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass alle GBS-Stämme eine thrombozytäre Formänderung veranlassen; jedoch führen nur von septischen Patienten isolierte Stämme zur Thrombozytenaggregation sowie zur P-Selektinexpression. Septische GBS-Stämme binden Fibrinogen auf ihrer Oberfläche und induzieren die thrombozytäre Thromboxansynthese und Granulasekretion, während kolonisierende GBS-Stämme dies nicht können. p38-mitogen-aktivierte Proteinkinase (p38-MAPK) wurde bevorzugt durch aus septischen Patienten isolierte GBS-Stämme aktiviert, ebenfalls scheint Proteinkinase C (PKC) durch diese aktiviert zu werden. Alle GBS-Stämme aktivierten Phospholipase CgammaII (PLCgammaII), Calzium-Calmodulin-abhängige Kinase II (CaMKII) und bewirken Myosinleichtketten (MLC)-Phosphorylierung über Fcgamma-Rezeptor IIA abhängige Signalwege. Es gibt weder einen Unterschied noch einen additiven Effekt zwischen der Aggregation induziert durch GBS und der Aggregation durch GBS und einer geringen Menge Adenosindiphosphat (ADP). Diese Kenntnisse der molekularen Mechanismen von GBS-induzierten Signalwegen in menschlichen Thrombozyten werden zu einem besseren Verständnis von Bakterieneffekten auf die Thrombozytenaktivierung beitragen und können deshalb neue molekulare Ziele für die pharmakologische Behandlung von GBS sein.
Platelets play a central role in thrombosis, hemostasis, and inflammation. Here, we show that activated platelets release inorganic polyphosphate (polyP), a polymer of 60- 100 phosphate residues that directly bound to and activated the plasma protease factor XII. PolyP-driven factor XII-activation triggered release of the inflammatory mediator bradykinin by plasma kallikrein-mediated kininogen processing. PolyP increased vascular permeability and induced fluid extravasation in skin microvessels of mice. Mice deficient in factor XII or bradykinin receptors were resistant to polyP-induced leakage. PolyP initiated clotting of plasma via the contact pathway. Ablation of intrinsic coagulation pathway proteases factor XII and factor XI protected mice from polyPtriggered lethal pulmonary embolism. Targeting polyP with phosphatases interfered with procoagulant activity of activated platelets and blocked platelet-induced thrombosis in mice. Infusion of polyP restored defective plasma clotting of Hermansky- Pudlak Syndrome patients, which lack platelet polyP. The data identify polyP as a new class of mediator having fundamental roles in platelet-driven proinflammatory and procoagulant disorders.
In dieser Arbeit wurde in humanen CD34-positiven Stammzellen die PK-G, PK-A sowie ihr Substratprotein VASP nachgewiesen. Dabei liegt VASP in unstimulierten Zellen in nicht-phosphorylierter Form vor. Die VASP-Phosphorylierung kann durch die aus anderen Zellsystemen bekannten cAMP- und cGMP- abhängigen Signalkaskaden auch im Zellkultursystem von humanen CD34-positiven Stammzellen reguliert werden. Ein weiterer Teilaspekt war der Einfluss des cGMP-erhöhenden Stickstoffmonoxyd-Donors DEA/NO auf das Proliferations,- und Differenzierungsverhalten humaner CD34-positiver Stammzellen. Hierbei fand sich ein dualer konzentrationsabhängiger Effekt von cGMP: niedrige Konzentrationen zeigten einen hemmenden Einfluss auf die Proliferation undgleichzeitig einen aktivierenden Effekt auf die Differenzierung der hämatopeotischen Zellen zu CD41-positiven Megakaryozyten. Die höhere Konzentration von DEA/NO beinflusst zwar das Zellwachstum positiv, die Differenzierung der CD34-positiven Zellen hingegen wird gehemmt. Eine Zelldifferenzierung von humanen CD34-positiven Stammzellen zu CD15-positiven Granulozyten /Monozyten unter DEA/NO war nicht zu beobachten. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Signalwege, die über zyklische Nukleotide reguliert werden, eine wichtige Rolle in Proliferations- und Differenzierungsvorgängen humaner hämatopoetischer Progenitorzellen spielen. Damit stehen diese Signalwege prinzipiell als Grundlage für neue pharmakologische Therapieoptionen zu Verfügung.
Bestimmung der Substrat- und Inhibitorspezifität von Phosphodiesterasen mittels Mikrokaloriemetrie
(2009)
Neben den cAMP- und cGMP-abhängigen Proteinkinasen (PKA bzw. PKG) sind als zyklonukleotid-regulierte Effektorproteine die Ionenkanäle CNG1-4, der "guanine nucleotide exhange factor“ Epac sowie die zyklonukleotid-spaltende Familie der Phosphodiesterasen (PDEs) von Bedeutung. Industriell synthetisierte cGMP- und cAMP-Analoga besitzen zwar meist eine hohe Affinität für ihr Zielprotein, über ihre Hydrolysestabilität gegenüber PDEs in der Zelle ist jedoch wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden die kinetischen Konstanten von elf der am häufigsten genutzten cAMP-und cGMP-Analoga an verschiedenen Vertretern der PDE-Familien mittels Mikrokaloriemetrie bestimmt. Zudem konnte in den Messungen der inhibitorisch Effekt hydrolysestabiler Derivate auf die PDEs qualitativ und quantitativ ermittelt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Phosphodiesterasen in der Lage sind, auch chemisch modifizierte Analogsubstanzen der Cyclonukleotide cAMP und cGMP zu hydrolysieren. Hydrolysestabile Derivate dagegen entwickeln häufig inhibitorische Wirkung auf die PDEs und verursachen dadurch Veränderungen der intrazellulären cAMP und cGMP Konzentrationen. So vermag z. B. die Epac-spezifische Substanz Sp-8-pCPT-2’-O-Me-cAMPS in den in vitro Experimenten die PDEs mit ki-Werten im einstelligen mikromolaren Bereich zu inhibieren. In mit Sp-8-pCPT-2’-O-Me-cAMPS stimulierten Thrombozyten steigt als Folge dieser PDE-Hemmung die cGMP Konzentration in der Zelle an und man beobachtet eine als Folge eine PKG-vermittelte Phosphorylierung des Substratproteins VASP – eine unerwünschte Nebenreaktion. Die erhobenen Daten lassen außerdem Rückschlüsse auf den Inhibitionsmechanismus zu. Einige Analoga inhibieren die cGMP-bindenden GAF-Domänen in den PDEs 2A, 5A, 6cone und 10A sowie die PDE 4D3 nach dem linear-mixed-Typ und beeinflussen daher, neben der katalytischen Aktivität, vermutlich auch regulatorische Zentren dieser Enzyme. Zusammenfassend erleichtern die erhobenen Daten Wissenschaftlern die Auswahl des für ihre Fragestellung am besten geeigneten Derivates.
In den letzten Jahren hat sich das gemeinhin gültige Bild von Thrombozyten, in dem die Blutplättchen eine eher passive Rolle als Bestandteil der Koagulations-Kaskade inne hatten, hin zu einem Modell gewandelt, in dem ihnen eine aktive Rolle zugeschrieben wird. Diese ist von besonderer Bedeutung in Hinblick auf die Produktion humoraler Faktoren, die sowohl die Bildung von Blutgerinnseln als auch Entzündungsvorgänge potenzieren. Letzteres ist von besonderer Relevanz bei kardiovaskulären Erkrankungen, wie Myokardinfarkt, Schlaganfall und peripherer arterieller Verschlusskrankheit. Darüber hinaus wurden mittlerweile neue Eigenschaften der Thrombozyten beobachtet, die auf deren Beteiligung bei Krebserkrankungen, Infektionen und Morbus Alzheimer schließen lassen. In der Forschung – und im weitesten Sinne auch in klinischen Anwendungen – werden heute zur näheren Erforschung der Thrombozyten sowohl das Proteom betreffende Analysemethoden, als auch auf PCR basierende Techniken, wie SAGE und qRT-PCR eingesetzt. Für diese Techniken ist die Reinheit der verwendeten Thrombozyten-Präparationen von besonderer Wichtigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit, entwickelte ich eine neue, effektive und effiziente Technik zur Aufreinigung humaner Thrombozyten. Ich erzielte hochreine Thrombozyten- Präparationen mit weniger als 1,5 kontaminierenden Leukozyten pro 108 Blutplättchen. Überdies erwiesen sich die aufgereinigten Thrombozyten-Präparationen als frei von kontaminierenden Erythrozyten und Plasma Proteinen. Zudem konnte die Funktionalität der auf der Oberfläche der hochreinen Blutplättchen vorhandenen Membranrezeptoren (z. B. P2Y12 und PGI2 Rezeptoren) mittels FACS Analyse bestätigt werden (Birschmann*, Mietner* et al. 2008). Zwei verschiedene Anwendungen dieser hochreinen Plättchen wurden im Rahmen dieser Arbeit gezeigt. Zum einen wurden sie in einer Studie zur Aufklärung der unterschiedlichen Beschaffenheit der in Thrombozyten vorkommenden Membrantypen verwendet. Hierzu wurden nach Lyse und Dichtegradienten der Plättchen zwei Fraktionen erhalten, welche anschließend sowohl anhand von Western-Blot- als auch durch Lipid-Analysen („Lipidomics“) charakterisiert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass es sich bei einer Fraktion um Plasmamembranfragmente handelte und bei der anderen Fraktion um eine Anreicherung von Membranen des kanalikulären Systems. In Verbindung mit Genomics und Proteomics werden diese Techniken der Lipidomics dazu beitragen, die Lipidfunktionen in biologischen Systemen besser zu verstehen. Außerdem können sie einflussreiche Werkzeug für die Aufklärung des Mechanismus von lipid-basierenden Erkrankungen, für die Überwachung biologisch relevanter Lipide und für die pharmakologische Therapiekontrolle sein. Eine weitere Anwendung fanden die hochreinen Plättchen in Interaktions-Studien von Thrombozytenproteinen. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Bioinformatik wurde unter Verwendung von Proteom- und SAGE-Daten ein Protein-Interaktom erstellt. Daraus stellten wir ein Subnetzwerk mit dem IPP-Komplex (ILK-PINCHParvin) als Mittelpunkt dar. Dieser ternäre Komplex fungiert über eine Interaktion mit dem Aktin-Zytoskelett als eine Signalplattform für Integrine. Ausgehend von den einzelnen Proteinen ILK und PINCH ist es im Modell möglich, eine vollständige Signalkaskade zu erstellen, die die Aktin-Polymerisation zur Folge hat. Im Labor konnten wichtige Interaktionen in Thrombozyten mittels Immunopräzipitation und anschließender Western-Blot Analyse erstmals nachgewiesen werden. Das erstellte Thrombozyten-Interaktom kann somit effektiv für ein systematisches „target screening“ genutzt werden. Auf diese Weise wäre es möglich neue Rezeptoren, Proteine oder ganze Signalkaskaden zu identifizieren. Somit legt das Interaktom die Basis für die Generierung von komplexeren Modellen durch das Einbeziehen von neuen Daten. Dies ist auch in Zukunft von besonderer Wichtigkeit, wenn man die entscheidende Bedeutung dieser Interaktionen für die Signaltransduktionswege während der Hämostase in Thrombozyten berücksichtigt.
Protamin antagonisiert die antikoagulierende Wirkung von Heparin. Nach intravenöser Protaminapplikation treten als häufige unerwünschte Wirkungen ein systemischer Blutdruckabfall, Herzfrequenzabfall sowie eine Erhöhung des pulmonalarteriellen Widerstandes auf. Die Protamin-assoziierten Nebenwirkungen sind zum Teil lebensbedrohlich. Der ihnen zugrunde liegende Mechanismus wurde in der vorliegenden Arbeit auf Zellkultur- und Gesamttierebene analysiert sowie mögliche Therapieoptionen aufgezeigt. Heparin-Protamin-Komplexe aktivieren auf Endothelzellen den Blutgerinnungsfaktor XII. Aktiver Faktor XII startet über sein Substrat Plasmakallikrein die Freisetzung des Peptidhormons Bradykinin aus hochmolekularem Kininogen. Funktions-inhibierende Antikörper oder pharmakologische Inhibitoren von Plasmakallikrein oder Faktor XII blockierten die Heparin-Protamin induzierte Bradykininbildung auf Zellen. Stickstoffmonoxid-spezifische Fluorophore zeigten, dass Bradykinin-Bindung an Kinin B2 Rezeptoren die endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthase aktiviert. B2 Rezeptorantagonisten blockierten die Heparin-Protamin induzierte Stickstoff-monoxidbildung. Die intravenöse Infusion von Protamin in heparinisierte Wildtypmäuse senkte den systemischen Blutdruck und die Herzfrequenz. Im Gegensatz dazu waren Faktor XII und B2 Rezeptor Gen-defiziente Mäuse oder Tiere, die Faktor XII Inhibitoren oder B2 Rezeptorantagonisten infundiert bekamen, vor Heparin-Protamin-Effekten geschützt. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Heparin-Protamin-Komplikationen durch eine Faktor XII-getriebene Bradykininbildung verursacht werden. Eine Blockade der Bradykininbildung oder -wirkung eröffnet eventuell eine Möglichkeit, die Heparin-Protamin-Nebenwirkungen auch beim Patienten zu therapieren.
Brustkrebs ist, verbunden mit einem Lebenszeitrisiko von 12.5 % daran zu erkranken, die häufigste maligne Erkrankung der Frau in der westlichen Welt. Das LIM- und SH3-Domänen Protein LASP-1 wurde erstmalig 1995 als spezifisch in fokalen Kontakten akkumulierendes Protein in humanen Brustkrebszellen beschrieben. Eine eigene Patientenstudie (n = 83) ergab, dass LASP-1 in 55.4 % der untersuchten invasiven Mammakarzinome eindeutig überexprimiert wird und die LASP-1-Expressionshöhe signifikant positiv mit der Tumorgröße (p < 0.05) und der Wahrscheinlichkeit für Nodalpositivität (p < 0.01) korreliert. Als Actin-bindendes Protein mit ubiquitärer Expression interagiert LASP-1 mittels seiner SH3-Domäne auch mit Zyxin. Zyxin ist ein Signalprotein, das zwischen fokalen Kontakten und dem Zellkern pendelt und an der Regulation von Transcription, Zellzyklus und Zellbewegung beteiligt ist. In dieser Doktorarbeit untersuchte ich die Funktion von LASP-1 in verschiedenen humanen Brustkrebszelllinien und einer humanen Ovarkarzinomzelllinie unter Verwendung der RNA-Interferenz zum sequenzspezifischen knock-down von LASP-1. Die Transfektion der Zellen mit LASP-1-spezifischer small-interfering-RNA (siRNA) senkte die Proteinexpression um ca. 50 - 58 %, was zu einer Arretierung des Zellzyklus in der G2-Phase führte und die Proliferation der Brust- und Eierstockkrebszellen um 30 - 50 % reduzierte. Apoptotische und nekrotische Prozesse wurden dabei durch Caspase-3 Western-blots und Trypan-Blau-Färbungen ausgeschlossen. Außerdem verringerte der knock-down von LASP-1 die Migration der Krebszellen, wohingegen die Überexpression von LASP-1 in PTK2- (Potorous tridactylis kidney) Zellen, welche kein endogenes LASP-1 exprimieren, in einer signifikanten Steigerung der Migration resultierte. Immunfluoreszenzfärbungen zeigten, dass der knock-down von LASP-1 von einer verringerten Konzentration seines Interaktionspartners Zyxin an fokalen Kontakten begleitet wird, ohne dabei das Actin-Zytoskelett oder die Morphologie der fokalen Kontakte zu verändern. Die Transfektion der Brust- und Eierstockkrebszellen mit einer Kontroll-siRNA (scrambled Neuropilin1) beeinflusste hingegen keinen der genannten Parameter. Diese Daten unterstreichen die wichtige Rolle von LASP-1 für die Tumorzellproliferation und -migration. LASP-1 könnte daher in Interaktion mit Zyxin an der molekularen Karzinogenese von Brust- und Eierstockkrebs beteiligt sein und in der Zukunft als viel versprechender Prognosemarker dienen.
We have established the novel interaction between mCHL2, Tsg and BMP-2 for the first time. Tsg binds to VWC1 and VWC3 of mCHL2 in a cooperative waz and plazs a role in strengthening the binding affinity. Furthermore, Tsg/mCHL2/BMP-2 termary complex and Tsg/mCHL2 binary complex have been isolated by gel-filtration chromatography. Therefore mCHL2 can form a ternary complex with Tsg and BMP-2 and this complex makes mCHL2 a better BMP-2 antagnonist.
Unter physiologischen Bedingungen spielen die Thrombozyten oder Blutplättchen eine zentrale Rolle bei der Erhaltung der Hämostase. Indem sie in Blutgefäßen beschädigte Bereiche erkennen und sich dort gezielt anheften können, verhindern sie das Austreten von Blut in subendotheliale Bereiche und halten eine Blutung gering. Intrazelluläre Signalmoleküle kontrollieren das Zusammenspiel der Plättchenagonisten und der dazugehörigen Rezeptoren und regulieren somit die Aktivierung der Blutplättchen. Verschiedene vorangegangene Publikationen demonstrierten sowohl aktivierende als auch inhibierende Effekte des Insulins auf die Aktivierung, Adhäsion und Aggregation der Blutplättchen. Diese durch das Insulin hervorgerufenen Effekte sollen hauptsächlich über den cGMP und cAMP Signalweg sowie über die Aktivierung von eNOS durch Insulin in den Blutplättchen wirken. Unsere Forschungsergebnisse weisen darauf hin, daß ein akuter, durch das Insulin hervorgerufener Effekt auf die Blutplättchen sowohl unter physiologischen wie auch unter pathologischen Glukosekonzentrationen nicht nachweisbar ist. Insulin zeigte keine Wirkung auf die intrazellulären Signalmoleküle PKB, VASP, P38 und ERK, welche in der Aktivierung/Hemmung der Blutplättchen eine wichtige Rolle spielen. Gleichfalls blieb eine Wirkung auf die Aggregation der Blutplättchen und Aktivierung des Oberflächenrezeptors Integrin αIIbβ3 sowie die Expression von P-Selektin auf der Oberfläche der Thrombozyten nach der Stimulation durch Insulin aus. Auch konnte der Insulinrezeptor durch uns auf der Oberfläche der Thrombozyten weder in seiner unphosphorylierten, noch in seiner phosphorylierten Form nach der Stimulation mit Insulin nachgewiesen werden. Zusammen mit dem Fehlen eines direkten, akuten Insulin-abhängigen Effekts auf die Thrombozyten läßt dies auf das Fehlen eines funktionell aktiven Insulinrezeptors auf der Oberfläche der Thrombozyten schließen. Wir konnten zeigen, daß eNOS in den Blutplättchen nicht vorhanden und damit seine in anderen Publikationen beschriebene Aktivierung durch Insulin in den Thrombozyten nicht gegeben ist. Der von uns und in anderen Publikationen verwendete Antikörper gegen phospho-eNOS erkennt vielmehr ein anderes Protein gleicher Größe, wie wir im Kontrollexperiment mit eNOS-/- knockout Mäusen zeigen konnten. Im Flußkammerexperiment konnte ein indirekter insulinabhängiger Effekt auf die Adhäsion der Thrombozyten an das Endothel und ihre Bildung von Aggregaten beobachtet werden. Die Gabe von pathologischen Insulinmengen führte zu einem Anstieg der NO Sekretion durch das Endothel, welches hemmend auf die Adhäsion und Aggregation der Thrombozyten wirkte.