Das Aktin-Zytoskelett ist für viele zelluläre Funktionen unerlässlich, dazu gehören der strukturelle Aufbau von Zellen, die Zellwanderung und Vesikeltransportprozesse. Die funktionelle Vielfalt der Aktinstrukturen spiegelt sich in einer Vielzahl verschiedener molekularer Mechanismen wieder, welche die Polymerisierung von Aktinfilamenten regulieren. Die sponante Aktinpolymerisierung wird jedoch verhindert aufgrund der Instabilität von kleinen Aktin Oligomeren und durch Aktin Monomer bindende Proteine, welche die Bildung solcher Oligomere unterbinden. Aktinnukleationsfaktoren helfen diese kinetische Barriere der Filamentbildung zu überwinden und sind wesentlich für die Erzeugung von neuen Aktinfilamenten an bestimmten subzellulären Kompartimenten. Spir Proteine sind die ersten beschriebenen Mitglieder der neuen Klasse von WH2 Domänen Aktinnukleationsfaktoren. Sie leiten die Polymerisierung von Aktin ein, indem sie Aktinmonomere an die vier WH2 Domänen im Zentrum des Proteins binden. Trotz ihrer Eigenschaft Aktinpolymerisation in vitro selber zu nukleieren, bilden Spir Proteine einen regulatorischen Komplex mit anderen Aktinnukleatoren der formin Untergruppe von forminen. Spir hat eine Funktion bei der Regulierung von vesikulär erzeugten filamentösen Aktinstrukturen, Vesikeltransportprozessen und der Bildung der Teilungsfurche während der asymmetrischen meiotischen Zellteilung. Das Säugetiergenom kodiert zwei spir Gene, spir-1 und spir-2. Die entsprechenden Proteine haben einen identischen strukturellen Aufbau und sind zu einem großen Teil homolog zueinander. Um die Spir Funktion im sich entwickelnden und adulten Nervensystem zu untersuchen, wurde die bisher unbekannte Expression des Maus spir-2 Gens analysiert. Real-time PCR Analysen haben ergeben, dass spir-2 in adulten Mäusen in Oozyten, dem Gehirn, im Gastrointestinaltrakt, den Hoden und der Niere exprimiert wird. In situ Hybridisierungen wurden durchgeführt um die zelluläre Natur der spir Expression nachzuweisen. Während der Embryogenese haben in situ Hybridisierungen gezeigt, dass spir-2 im sich entwickelnden Nervensytem und Darmtrakt exprimiert wird. In adulten Mausgeweben, wurde die höchste Expression von spir-2 in Epithelzellen des Verdauungstraktes, in neuronalen Zellen des Nervensystems und in Spermatocyten gefunden. Im Gegensatz zur eher begrenzten Expression des Maus spir-1 Gens, welches überwiegend im Nervensystem, den Oozyten und Hoden zu finden ist, zeigen die hier aufgeführten Daten ein breiteres Expressionsmuster des spir-2 Gens und unterstützen damit eine allgemeinere zellbiologische Funktion der neuen Aktinnukleatoren. Um die Funktion des Spir Proteins im sich entwickelnden und adulten Nervensystem zu untersuchen, wurden Spir-1 defiziente Mäuse mit Hilfe der gene trap Methode generiert. Spir-1 defiziente Mäuse sind lebensfähig und eignen sich daher perfekt um die Neurobiologie des Spir-1 Aktinnukleators zu untersuchen. Die Analyse von primären kortikalen Neuronen von Spir-1 defizienten Mäusen zeigte eine Reduktion dendritischer Verzweigungen und ist die erste Beschreibung einer neuronalen Funktion von Spir-1. Desweiteren wurde eine transgene Mauslinie (thy1-GFP-M) eingesetzt, die das grüne Fluoreszenzprotein (GFP) unter der Kontrolle von Neuronen-spezifischen Elementen des thy1 Promoters exprimiert. GFP ist dabei nur in einer Teilmenge von Neuronen exprimiert, färbt diese Neuronen jedoch in ihrer Gesamtheit an. Spir-1 defiziente Mäuse, die das GFP Transgen exprimieren wurden generiert und analysiert. Es wurde herausgefunden, dass Spir-1 defiziente Mäuse eine reduzierte Anzahl an dendritischen Dornen im entorhinalen Kortex im Vergleich zu Wildtyp- Geschwistertieren aufweisen. Zusammengefasst gibt diese Studie neue Erkenntnisse über die zellbiologische Funktion von Spir und liefert Einsichten wie das neuronale Netzwerk sturkturiert wird. / The actin cytoskeleton is essential for many cellular functions, such as the regulation of cell morphology, cell migration and vesicle transport processes. The functional diversity of actin structures is reflected in a variety of distinct molecular mechanisms regulating the polymerization of actin filaments. The spontaneous polymerization of actin however is inhibited, by both the instability of small actin oligomers and by actin monomer binding proteins, which prevent the formation of such oligomers. Actin nucleation factors help to overcome this kinetic barrier of filament initiation and are essential for the generation of novel actin filaments at specified subcellular compartments. Spir proteins are the founding members of the novel class of WH2 domain containing actin nucleation factors. They initiate actin polymerization by binding of actin monomers to four WH2 domains in the central part of the protein. Despite their ability to nucleate actin polymerization in vitro by themselves, Spir proteins form a regulatory complex with the distinct actin nucleators of the formin subgroup of formins. Spir functions in the regulation of vesicular originated filamentous actin structures, vesicle transport processes and the assembly of the cleavage furrow during asymmetric meiotic cell divisions. The mammalian genome encodes two spir genes, spir-1 and spir-2. The corresponding proteins have an identical structural array and share a high degree of homology. In order to elucidate the Spir function in developing and adult mouse tissues, the yet unknown expression of the mouse spir-2 gene was addressed. Real-time PCR analysis revealed highest expression of spir-2 in oocytes, the brain, throughout the gastrointestinal tract, testis and kidney of adult mice. In situ hybridizations were performed to substantiate the cellular nature of spir gene expression. During embryogenesis in situ hybridizations show spir-2 to be expressed in the developing nervous system and intestine. In adult mouse tissues highest expression of spir-2 was detected in the epithelial cells of the digestive tract, in neuronal cells of the nervous system and in spermatocytes. In contrast to the more restricted expression of the mouse spir-1 gene, which is mainly found in the nervous system, oocytes and testis, the data presented here show a distinct and broader expression pattern of the spir-2 gene and by this support a more general cell biological function of the novel actin nucleators. In order to address the function of Spir proteins in the developing and adult nervous system, Spir-1 deficient mice were generated by a gene trap method. Spir-1 deficient mice are viable and provide a perfect tool to address the neurobiological function of the Spir-1 protein. Analyses of primary cortical neurons from Spir-1 deficient mice revealed a specific reduction of dendritic branchpoints and are the first description of a neuronal Spir-1 function. Further, a transgenic mouse line (thy1-GFP-M) was employed that expresses the green fluorescent protein (GFP) under the control of neuron specific elements from the thy1 promoter. GFP is thereby expressed in only a subset of neurons and labels the neurons in their entirety. Spir-1 deficient mice carrying the GFP transgene were generated and analyzed. It was found that Spir-1 deficient mice exhibit a reduced number of dendritic spines in the entorhinal cortex compared to wildtype littermates. All together this study gives novel information about the cell biological function of Spir and provides insights how cytoskeletal functions structure the mammalian neuronal network.

Pemphigus vulgaris (PV) ist eine blasenbildende Autoimmunerkrankung der Haut. Ein wesentliches Charakteristikum der Erkrankung sind Autoantikörper, welche gegen die humanen Zell-Adhäsionsmoleküle Desmoglein (Dsg) 3 und 1 gerichtet sind und zu zunehmender Zell-Dissoziation der Keratinozyten führen (Akantholyse). Neben der Dsg3-Reorganisation sind zytoskelettale Veränderungen in Form einer ZK-Retraktion und einer Reorganisation des Actin-Zytoskeletts als ein wichtiges Merkmal akantholytischer Zellen beschrieben worden. Dennoch ist der zeitliche Verlauf und die funktionelle Relevanz dieser zytoskelettalen Veränderungen im Vergleich zu anderen Prozessen, wie der Dsg3-Reorganisation oder der Zell-Dissoziation, unklar. In dieser Arbeit wurde daher die Rolle der ZK-Filamente und der Actinfilamente für die PV-Pathogenese untersucht. Inkubation von kultivierten Keratinozyten mit PV-IgG resultierte in einer ZK-Retraktion, welche eng mit dem Beginn der Dsg3-Reorganisation und der Zell-Dissoziation korrelierte. Weiterhin fand sich eine Abhängigkeit der PV-IgG-induzierten ZK-Retraktion und der Zell-Dissoziation von der p38MAPK-Signalkaskade, während die Beteiligung der p38MAPK an der Dsg3-Reorganisation von untergeordneter Rolle zu sein scheint. Übereinstimmend dazu führte eine Überexpression von E-Cadherin zu einer Hemmung der p38MAPK-Aktivierung, der ZK-Retraktion und der Zell-Dissoziation, so dass den Cadherinen eine übergeordnete Rolle in der Vermittlung der PV-Pathogenese zuzukommen scheint. Neben einer ZK-Retraktion zeigten die Zellen als Reaktion auf eine Inkubation mit PV-IgG auch wesentliche Reorganisationen der Actinfilamente, welche ebenfalls eng mit der Dsg3-Reorganisation und der Zell-Dissoziation korrelierten. Darüber hinaus interferierte die pharmakologische Modulation des Actin-Zytoskeletts mit den PV-IgG-Effekten. So führte eine Stabilisierung der Actinfilamente zu einer Reduktion sowohl der Dsg3-Reorganisation als auch der Zell-Dissoziation, während eine Zerstörung der Filamente die Effekte verstärkte. Zur Unterstützung dieser Ergebnisse wurde die Rolle des Actins für die durch Rho-GTPasen vermittelte Hemmung von PV-IgG-Effekten untersucht. Eine Aktivierung der Rho-GTPasen führte neben einer Hemmung PV-IgG-vermittelter Effekte auch zu einer Verstärkung des kortikalen Actin-Rings, während eine Hemmung der Actin-Polymerisation die protektiven Effekte der Rho-GTPasen-Aktivierung aufheben konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit eine übergeordnete Rolle sowohl der desmosomalen als auch der klassischen Cadherine für die PV-Pathogenese zeigen. Daneben scheint auch der Actin-Reorganisation eine wesentliche Position zuzukommen. Die ZK-Retraktion hingegen scheint, zumindest im Bezug auf die Dsg3-Reorganisation, sekundär zu sein, trägt aber möglicherweise im Anschluss an eine p38MAPK-Aktivierung wesentlich zum Verlust der Zell-Zell-Adhäsion bei. / In human autoimmune blistering skin disease pemphigus vulgaris (PV) autoantibodies are mainly directed against keratinocyte cell adhesion molecules desmoglein (Dsg) 3 and 1 and cause keratinocyte cell dissociation (acantholysis). Early ultrastructural work revealed cytokeratin (CK) retraction to be a characteristic hallmark of acantholytic keratinocytes and recent studies reported profound alterations of the actin cytoskeleton. Nevertheless, the temporal sequence and relevance of these cytoskeletal phenomena in pemphigus pathogenesis compared to other events such as Dsg3 reorganisation or keratinocyte dissociation are only poorly understood. We examined roles of CK and actin filaments in PV-IgG-mediated keratinocyte dissociation. Incubation of cells with PV-IgG resulted in a CK retraction which closely correlated with the onset of cell dissociation and Dsg3 reorganisation. Both, PV-IgG-induced CK retraction and cell dissociation were found to be p38MAPK-dependent whereas the contribution of p38MAPK activation for Dsg3 reorganisation seemed to be secondary. According to this, overexpression of E-cadherin prevented PV-IgG-induced p38MAPK activation, cell dissociation and CK retraction. Therefore cadherins seem to have a primary role for PV pathogenesis. Parallel to CK retraction, PV-IgG treatment resulted in striking changes in actin cytoskeleton organization which also closely correlated with cell dissociation and Dsg3 reorganisation.Therefore, we investigated whether pharmacologic manipulation of actin polymerization modulates pathogenic effects of PV-IgG. Pharmacological stabilization of actin filaments significantly blocked cell dissociation and Dsg3 fragmentation whereas actin depolymerisation strongly enhanced pathogenic effects of PV-IgG. To substantiate these findings, we studied whether the protective effects of Rho GTPases, which are potent regulators of the actin cytoskeleton and were shown to be involved in pemphigus pathogenesis, were dependent on modulation of actin dynamics. Activation of Rho-GTPases enhanced the cortical junction-associated actin belt and blunted PV-IgG-induced cell dissociation. However, when actin polymerization was blocked under these conditions the protective effects of Rho-GTPase activation were abrogated. Taken together, these experiments indicate a primary role of both desmosomal and classical cadherins for PV pathogenesis. Furthermore actin reorganization seems to be critical for PV-IgG-induced acantholysis. CK retraction may contribute to p38MAPK-dependent keratinocyte dissociation in pemphigus but appears to be secondary, at least to Dsg3 reorganisation.

Das invasive Potential maligner Gliome beeinflusst maßgeblich die schlechte Prognose dieser Tumorentität. Migration und Invasion von Tumorzellen werden entscheidend durch die Cofilin-vermittelte Umstrukturierung des Aktin-Zytoskeletts geprägt, die durch die Aktivität antagonistischer Cofilin-Kinasen und -Phosphatasen reguliert wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ein progressiver Expressionsverlust der Cofilin-Phosphatase Chronophin mit ansteigendem Malignitätsgrad astrozytärer Gliome aufgezeigt werden, der mit einer Zunahme der Phosphorylierung von Cofilin einhergeht. In den entsprechenden Gewebeproben gelang gleichzeitig der Nachweis einer gesteigerten Expression der Cofilin-Kinase LIMK-2. Genetische und epigenetische Analysen des Chronophin-Locus konnten eine Hypermethylierung im Bereich der Promotorregion der Phosphatase identifizieren, die möglicherweise dem Verlust von Chronophin in Glioblastom-Gewebeproben zugrunde liegt. In Glioblastom-Zelllinien, die unterschiedliche Expressionsmuster von Chronophin aufwiesen, konnten hingegen keine molekularen Alterationen festgestellt werden. Untersuchungen des Einflusses von ROCK- und LIMK-Inhibitoren auf Glioblastomzellen konnten ausgeprägte Veränderungen der Zellmorphologie dokumentieren, wobei erstmals die Induktion eines stellate cell-Phänotyps unter Einfluss des LIMK-Inhibitors BMS-5 beschrieben wird. Während ROCK- und LIMK-Inhibitoren keinen Einfluss auf die 2D-Motilität der Tumorzellen hatten, wiesen die Glioblastomzellen in Abhängigkeit ihrer basalen Cofilin-Aktivität eine verstärkte bzw. verminderte 3D-Invasivität auf. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung des Cofilin-Signalweges für die Migration und Invasion von Gliomzellen, zeigen neue Angriffspunkte in der Therapie maligner Gliome auf und warnen zugleich vor einem unkritischen Einsatz neuer Wirkstoffe. / The invasive potential of malignant gliomas is the main reason for the dismal prognosis of this tumor entity. Migration and invasion of tumor cells is crucially determined by the cofilin dependent reorganization of the actin cytoskeleton regulated by the activity of antagonistic cofilin kinases and phosphatases. This study revealed a progressive loss of expression of the cofilin phosphatase chronophin with increasing malignancy grade of astrocytic glioma, accompanied by an increase of cofilin phosphorylation. Moreover, the analyzed glioma specimens were characterized by a simultaneous increase of expression of the cofilin kinase LIMK-2. Integrated genetic and epigenetic analysis of the chronophin locus identified an aberrant promoter methylation as a possible mechanism leading to chronophin down-regulation in glioblastoma tissue samples. In contrast, molecular alterations of the chronophin locus were undetectable in glioblastoma cell lines characterized by different chronophin expression levels. Analysis of glioblastoma cells demonstrated striking effects of ROCK and LIMK inhibitors on cell morphology, providing first evidence of the induction of a stellate cell-phenotype by the LIMK inhibitor BMS-5. While ROCK and LIMK inhibitors had no detectable effect on the 2D motility of the tumor cells, the inhibitors increased or decreased the 3D-invasiveness of the glioma cells depending on their basal cofilin activity. The findings of this study stress the importance of the cofilin signaling pathway as a key regulator of glioma migration and invasion, indicate novel targets for glioma therapy, but also warn against a noncritical use of new drugs.

In highly polarized cells like neurons, cytoskeleton dynamics play a crucial role in establishing neuronal connections during development and are required for adult plasticity. Actin turnover is particularly important for neurite growth, axon path finding, branching and synaptogenesis. Motoneurons establish several thousand branches that innervate neuromuscular synapses (NMJs). Axonal branching and terminal arborization are fundamental events during the establishment of synapses in motor endplates. Branching process is triggered by the assembly of actin filaments along the axon shaft giving rise to filopodia formation. The unique contribution of the three actin isoforms, α-, β- and γ-actin, in filopodia stability and dynamics during this process is not well characterized. Here, we performed high resolution in situ hybridization and qRT-PCR and showed that in primary mouse motoneurons α-, β- and γ-actin isoforms are expressed and their transcripts are translocated into axons. Using FRAP experiments, we showed that transcripts for α-, β- and γ-actin become locally translated in axonal growth cones and translation hot spots of the axonal branch points. Using live cell imaging, we showed that shRNA depletion of α-actin reduces dynamics of axonal filopodia which correlates with reduced number of collateral branches and impairs axon elongation. Depletion of β-actin correlates with reduced dynamics of growth cone filopoida, disturbs axon elongation and impairs presynaptic differentiation. Also, depletion of γ-actin impairs axonal growth and decreases axonal filopodia dynamics. These findings implicate that actin isoforms accomplish unique functions during development of motor axons. Depletions of β- and γ-actin lead to compensatory upregulation of other two isoforms. Consistent with this, total actin levels remain unaltered and F-actin polymerization capacity is preserved. After the knockdown of either α- or γ-actin, the levels of β-actin increase in the G-actin pool indicating that polymerization and stability of β-actin filaments depend on α- or γ-actin. This study provides evidence both for unique and overlapping function of actin isoforms in motoneuron growth and differentiation. In the soma of developing motoneurons, actin isoforms act redundantly and thus could compensate for each other’s loss. In the axon, α-, β- and γ-actin accomplish specific functions, i.e. β-actin regulates axon elongation and plasticity and α- and γ-actin regulate axonal branching. Furthermore, we show that both axonal transport and local translation of α-, β- and γ-actin isoforms are impaired in Smn knockout motoneurons, indicating a role for Smn protein in RNA granule assembly and local translation of these actin isoforms in primary mouse motoneurons. / In stark polaren Zellen wie den Neuronen ist die Etablierung neuronaler Netzwerke ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung des zentralen Nervensystems und spielt für die adulte Plastizität eine wesentliche Rolle. Besonders die Aktindynamik ist wichtig für das Neuritenwachstum, die axonale Wegfindung und Verzweigung, sowie die Synaptogenese. Motoneurone bilden mehrere tausend terminale Verzweigungen aus, um neuromuskuläre Endplatten (NMJ) zu innervieren. Die axonale Verzweigung ist ein fundamentales Ereignis bei Ausbildung synaptischer Verbindungen zwischen Motoneuron und innerviertem Muskel. Die Axonverzweigung geschieht durch die Polymerisierung von Aktin entlang des Axonschafts, was zur Entstehung von Filopodien und Lamellopodien führt. Allerdings ist die genaue Funktion der drei Aktin-Isoformen (α-, β- and γ-Actin), im Zusammenhang mit der Regulation der Filopodienstabilität und deren Dynamik, noch weitestgehend unbekannt. Somit konnten wir in dieser Arbeit mit Hilfe hoch sensitiver in situ Hybridisierungs- und qRT PCR Techniken zeigen, dass in primären Mausmotoneuronen alle drei Aktinisoformen (α-, β- und γ) exprimiert, und deren Transkripte entlang des axonalen Kompartiments transportiert werden. Unsere FRAP Daten weisen darauf hin, dass α-, β- und γ-Aktin sowohl im Wachstumskegel als auch an sogenannten „Translation Hot Spots“ innerhalb axonaler Verzweigungspunkte lokal synthetisiert werden. Anhand von „Live Cell Imaging“ Experimenten konnten wir dann zeigen, dass ein α-Aktin Knockdown die Dynamik axonaler Filopodien stark reduziert, und als Folge, die Anzahl von axonalen Verzweigungen und die Axonlänge verringert ist. Hingegen geht ein β-Aktin Knockdown mit reduzierter Filopodiendynamik im Wachstumskegel und betroffener Differenzierung präsynaptischer Strukturen einher. Veränderungen des axonalen Wachstum und der Filopodiendynamik sind ebenfalls bei einem γ-Aktin Knockdown zu beobachten. Diese Daten weisen darauf hin, dass die drei Aktinisoformen unterschiedliche Funktionen bei der Entwicklung von Motoraxonen haben. Darüber hinaus zeigen unsere Daten, dass die Herunterregulation einer Aktinisoform durch eine erhöhte Expression der beiden anderen Isoformen kompensiert wird. Dieser Kompensationsmechanismus erlaubt es, die gesamte Aktinmenge und somit die F-Aktin-Polymerisation in der Zelle aufrechtzuerhalten. Sehr interessant dabei ist die Beobachtung, dass nach einem α- oder γ-Actin Knockdown das G/F-Verhältnis verändert ist, so dass die Menge an β-Aktin im G-Aktin Pool steigt und im F-Aktin Pool abnimmt. Daher beruhen Polymerisation und Stabilität von β-Aktin auf den α-, und γ-Aktinisoformen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle drei Aktinisoformen übergreifende Funktionen während Wachstum und Differenzierung von Motoneuronen haben. Im Zellkörper von sich entwickelnden Motoneuronen übernehmen sie ähnliche Aufgaben und können sich somit gegenseitig kompensieren. Im Gegensatz dazu sind die Funktionen im axonalen Kompartiment wesentlich spezifischer. Hier reguliert β-Aktin axonales Wachstum und Plastizität, während α- und γ-Aktin eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung axonaler Verzweigungen haben. Unsere Arbeit lässt nun Rückschlüsse über mögliche Funktionen des SMN Proteins beim Aufbau der sogenannten „RNA Granules“ und lokaler Proteinbiosynthese der verschiedenen Aktinisoformen in primären Mausmotoneuronen zu.

Die retrovirale Replikation in der eukaryotischen Zelle erfordert den Export Intron-enthaltender Transkripte aus dem Kern ins Cytoplasma. Bei HIV-1 wird dieser nucleocytoplasmatische Transport durch den viralen Transaktivator Rev vermittelt. Rev ist ein Shuttle-Protein, das sowohl ein Kernimportsignal (NLS) als auch ein Leucin-reiches Kernexportsignal (NES) besitzt. Nach der Bindung von Rev an eine spezifische RNA Sekundärstruktur, das sogenannte Rev Response Element (RRE) interagieren zelluläre Faktoren mit dem NES von Rev, wodurch der Kernexport vermittelt wird. Neben dem generellen Exportrezeptor CRM1 konnte auch der eukaryotische Initiationsfaktore 5A (eIF-5A) als ein Bindungspartner von Rev identifiziert werden. In dieser Arbeit konnte nun gezeigt werden, daß eIF-5A ein essentieller Faktor für den Rev-vermittelten RNA Export ist. Mikroinjektionen von eIF-5A-Antikörpern und der eIF-5A-M14 Mutante in Kerne von Xenopus Oocyten, sowie Bindungsstudien in Lösung haben gezeigt, daß eIF-5A als ein Adapterprotein fungiert, das upstream des generellen Exportrezeptors CRM1 wirkt. eIF-5A bindet dabei an das Rev-NES und vermittelt dadurch eine effiziente Bindung dieses NES an CRM1, wodurch der effiziente Export des Rev/RNA-Komplexes stattfinden kann. Da die zelluläre Funktion von eIF-5A noch unbekannt war, wurden Overlay Blot Assays auf Xenopus Oocytenkernhüllen durchgeführt, um Kernproteine zu finden, die mit eIF-5A interagieren. Dies führte zur Identifikation des Transkriptionsfaktors IIIA als einen Bindungspartner von eIF-5A. TFIIIA ist ein Exportfaktor für die Oocyten-Typ 5S rRNA in Amphibien Oocyten und besitzt wie Rev ein Leucin-reiches NES. Aufgrund einer Analyse dieses RNA Exportweges konnte nun gezeigt werden, daß eIF-5A auch in diesem spezifischen Exportweg als Adapter wirkt, der das NES des TFIIIA mit dem Exportrezeptor CRM1 verbindet und dadurch den Export des TFIIIA/5S rRNA-Komplexes vermittelt. Eine weitere zelluläre Funktion von eIF-5A konnte beim Export der CD83 mRNA in Dendritischen Zellen gefunden werden. Es konnte gezeigt werden, daß der Export der CD83 mRNA durch das RNA-bindende Protein HuR und durch den generellen Exportrezeptor CRM1 vermittelt wird. Durch den HuR Lignaden APRIL, der ein Rev-ähnliches, Leucin-reiches NES besitzt, wird dabei die Bindung an CRM1 vermittelt. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß eIF-5A an diesem RNA Export beteiligt ist. Wie auch beim Rev-vermittelten RRE RNA Export und dem TFIIIA-vermittelten 5S rRNA Export wirkt eIF-5A als ein Adapter, der das NES des HuR-Liganden APRIL mit CRM1 verbindet, wodurch der Export des CD83 mRNA/HuR/APRIL Komplexes stattfinden kann. Neben TFIIIA und verschiedenen Nucleoporinen, konnte Kernaktin als ein weiterer Bindungspartner von eIF-5A identifiziert werden. In dieser Arbeit durchgeführte Mikroinjektionsexperimente mit Antikörpern gegen Aktin sowie verschiedenen Aktin-bindende Drogen konnten zeigen, daß Kernaktin scheinbar generell in Exportprozesse involviert ist. Mit Hilfe verschiedener Aktin-bindender Proteine (Latrunculin B und Swinholide A) konnte gezeigt werden, daß eine lösliche oder oligomere Form, nicht jedoch Aktinfilamente, funktionell an Kernexportprozessen beteiligt sind. Durch die Analyse Kernaktin-bindender Proteine konnten bereits die beiden Nucleoporine CAN/Nup214 und p62, die beide an Exportprozessen beteiligt sind, als Bindungspartner identifiziert werden. Außerdem ergaben sich höchst interessante Hinweise auf die Beteiligung eines, bis jetzt noch nicht identifizierten, Kernproteins auf eine Beteiligung am Aktin-vermittelten Kernexport.

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Cells contain an elaborate cytoskeleton which plays a major role in a variety of cellular functions including: maintenance of cell shape and dimension, providing mechanical strength, cell motility, cytokinesis during mitosis and meiosis and intracellular transport. The cell cytoskeleton is made up of three types of protein filaments: the microtubules, the intermediate filaments and the actin cytoskeleton. These components interact with each other to allow the cell to function correctly. When functioning incorrectly, disruptions to many cellular pathway have been observed with mutations in various cytoskeletal proteins causing an assortment of human disease phenotypes. Characterization of these filament systems in different cell types is essential to the understanding of basic cellular processes and disease causation. The studies in this thesis are concerned with examining specific cytoskeletal tropomyosin-defined actin filament systems in skeletal muscle. The diversity of the actin filament system relies, in part, on the family of actin binding proteins, the tropomyosins (Tms). There are in excess of forty Tm isoforms found in mammals which are derived from four genes: α, β, γ and δTm. The role of the musclespecific Tms in striated muscle is well understood, with sarcomeric Tm isoforms functioning as part of the thin filament where it regulates actin-myosin interactions and hence muscle contraction. However, relatively little known about the roles of the many cytoskeletal Tm isoforms. Cytoskeletal Tms have been shown to compartmentalise to form functionally distinct filaments in a range of cell types including neurons (Bryce et al., 2003), fibroblasts (Percival et al., 2000) and epithelial cells (Dalby-Payne et al., 2003). Recently it has been shown that cytoskeletal Tm, Tm5NM1 defines a cytoskeletal structure in skeletal muscle called the Z-line associated cytoskeleton (Z-LAC) (Kee et al., 2004).The disruption of this structure by over-expression of an exogenous Tm in transgenic mice results in a muscular dystrophy phenotype, indicating that the Z-LAC plays an important role in maintenance of muscle structure (Kee et al., 2004). In this study, specific cytoskeletal Tms are further investigated in the context of skeletal muscle. Here, we examine the expression, localisation and potential function of cytoskeletal Tm isoforms, focussing on Tm4 (derived from the δ- gene) and Tm5NM1 (derived from the γ-gene). By western blotting and immuno-staining mouse skeletal muscle, we show that cytoskeletal Tms are expressed in a range of muscles and define separate populations of filaments. These filaments are found in association with a number of muscle structures including the myotendinous junction, neuromuscular junction, the sarcolemma, the t-tubules and the sarcoplasmic reticulum. Of particular interest, Tm4 and Tm5NM1 define cytoskeletal elements in association with the saroplasmic reticulum and T-tubules, respectively, with a separation of less than 90 nm between distinct filamentous populations. The segregation of Tm isoforms indicates a role for Tms in the specification of actin filament function at these cellular regions. Examination of muscle during development, regeneration and disease revealed that Tm4 defines a novel cytoskeletal filament system that is orientated perpendicular to the sarcomeric apparatus. Tm4 is up-regulated in both muscular dystrophy and nemaline myopathy and also during induced regeneration and focal repair in mouse muscle. Transition of the Tm4-defined filaments from a predominsnatly longitudinal to a predominantly Z-LAC orientation is observed during the course of muscle regeneration. This study shows that Tm4 is a marker of regeneration and repair, in response to disease, injury and stress in skeletal muscle. Analysis of Tm5NM1 over-expressing (Tm5/52) and null (9d89) mice revealed that compensation between Tm genes does not occur in skeletal muscle. We found that the levels of cytoskeletal Tms derived from the δ-gene are not altered to compensate for the loss or gain of Tm5NM1 and that the localisation of Tm4 is unchanged in skeletal muscle of these mice. Also, excess Tm5NM1 is sorted correctly, localising to the ZLAC. This data correlates with evidence from previous investigations which indicates that Tm isoforms are not redundant and are functionally distinct (Gunning et al., 2005). Transgenic and null mice have also allowed the further elucidation of cytoskeletal Tm function in skeletal muscle. Analyses of these mice suggest a role for Tm5NM1 in glucose regulation in both skeletal muscle and adipose tissue. Tm5NM1 is found to colocalise with members of the glucose transport p fibres and analysis of both transgenic and null mice has shown an alteration to glucose uptake in adipose tissue. Taken together these data indicate that Tm5NM1 may play a role in the translocation of the glucose transport molecule GLUT4. In addition to this Tm5NM1 may play a role in adipose tissue regulation, since over-expressing mice found to have increased white adipose tissue and an up-regulation of a transcriptional regulator of fat-cell formation, PPAR-γ. / Doctor of Philosophy (PhD)

<p>Lipopolysaccharide (LPS) is a structure of the gram-negative bacteria that protect from chemicals and works as a stabilization component for the membrane. Studies show that LPS also may have a function to avoid immune defense. In this project we investigate two <em>Salmonella enterica</em> variants with different LPS conformation. The wild-type Salmonella got an originally LPS structure and the mutant form had a defect one. The bacteria were transfected with a green fluorescent protein (GFP) to allow measuring of phagocytosis. Monocytes were isolated from human blood and were incubated for several days with cytokines to give dendritic cells. The cells were exposed to each type of <em>Salmonella</em> and incubated for different times. After labeling with phalloidin and studies with fluorescent microscopy, phagocytosis and F-actin were measured. The results show that it is a difference in phagocytosis and F-actin depending on LPS conformation. That means that LPS may have a decisive role for the pathogenicity of <em>Salmonella</em>.</p>

Le cytosquelette dactine est une structure dynamique impliquée dans de nombreux processus biologiques tels que les mouvements cellulaires, la phagocytose ou encore la mitose. En plus de son intervention dans ces différents événements essentiels pour lhoméostasie de la cellule, de nombreuses études ont démontré quil était également capable dinfluer sur des voies de transduction notamment en modulant lactivité de protéines kinases ou de facteurs de transcription. Un facteur de transcription important est le facteur de transcription NF-κB. Ce facteur de transcription joue un rôle majeur dans la régulation de nombreux processus cellulaires tels que les réponses immunitaires innée et adaptative, la réponse inflammatoire, lapoptose et la division cellulaire. Il peut être activé en réponse à de nombreux stimuli tels que les cytokines pro-inflammatoires, les produits bactériens ou viraux ou encore suite à un stress oxydant. Malgré les différentes études démontrant que le cytosquelette dactine est capable de moduler certaines voies de signalisation et que certains stimuli capables dactiver le NF-κB, comme le LPS et le TNFα, sont également associés à des modifications du cytosquelette dactine, peu de travaux ont été réalisés afin de déterminer limpact des perturbations du cytosquelette dactine sur lactivation de cet important facteur de transcription. Ces différents arguments nous ont donc poussé à étudier le rôle des perturbations du cytosquelette dactine dans les voies dactivation du NF-κB. Ainsi, dans une première partie, nous avons étudié leffet de plusieurs agents perturbant le cytosquelette dactine [la Cytochalasine D (CytD), le Jasplakinolide (JP) et la Latrunculine B (Lat B)] sur lactivation du NF-κB. Nous avons pu mettre en évidence que ces différentes substances sont capables dinduire la voie classique dactivation du NF-κB uniquement dans des cellules myélomonocytaires. De plus, nous avons également observé que ces agents sont capables dinduire la production despèces réactives à loxygène (ROS) Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à leffet de la CytD sur lactivation du NF-κB dans des cellules myélomonocytaires induites par le TNFα ou le LPS. Nous avons pu démontrer que la CytD promouvoit la voie classique du NF-κB dans les cellules induites par le LPS. En effet, il semblerait que la CytD agisse notamment sur cette voie en augmentant le temps de résidence du récepteur à cet inducteur, le TLR4, à la surface de la membrane plasmique. Parallèlement à ces observations, nous avons pu mettre en évidence que la CytD augmente la phosphorylation de certains résidus de la sous-unité RelA du NF-κB induite par les deux inducteurs classiques ce qui permet un meilleur recrutement de la RNA polymérase II sur le promoteur endogène de la chémokine IL-8.

Integrins are a family of conserved cell surface receptors found throughout the animal kingdom. They comprise 24 dimers in mammals, and regulate a number of processes including cell survival, differentiation, and migration. These complex cellular responses involve processes such as cell attachment, spreading, and various signaling pathways, which in turn depend on the composition of the extracellular environment, on its mechanical properties, and involved integrin types. This thesis focuses on identifying molecules that signal downstream of integrins and how integrin-induced signals may differ dependent on the type of mechanical stimulus that is given. In Paper I, we show that cell spreading and the activation of AKT is regulated by the catalytic PI3K isoform p110α. An intact β1 integrin cytoplasmic tail and actin polymerization was needed for spreading, whereas the presence of FAK or SRC, or the interaction between p110α and RAS was dispensable. Paper II reports that the RICTOR-mTOR complex (TORC2) acts as the kinase downstream of β1 integrins in order to phosphorylate AKT on Ser473, which was functionally linked to cell survival. β1 integrins activated both AKT1 and AKT2, but seemed to prefer AKT2. The investigation of several receptor types with regard to their requirement of TORC2, PAK, and ILK for AKT Ser473 phosphorylation revealed that different kinds of receptors engage specific enzyme combinations depending on cell type and context. In the third paper, we demonstrate that adhesion- and mechanical stretch-induced integrin signaling lead to divergent protein phosphorylation patterns, and that most signals from cell adhesion were not dependent on intracellular contractility. This indicates that integrin ligand binding and mechanical stretch induce signaling via distinct mechanisms. Reactive oxygen species (ROS) derived from different cellular sources modulated these responses. Stretching primarily induced phosphorylation of ERK1/2, and this signal was markedly increased by a derivative of the antioxidant ascorbate and extracellularly administered catalase. The robust AKT phosphorylation in response to adhesion was almost completely abolished with an inhibitor targeting mitochondrial ROS, whereas phosphorylation levels were only marginally affected in stretch assays. Similar results were obtained with siRNA knock-down of a critical subunit of ROS-producing NADPH oxidases.