Le neuroblastome (NB) est la tumeur extra-crânienne la plus fréquente du jeune enfant. Malgré une thérapie multimodale très agressive, 40% des patients atteints de NB à haut risque rechutent. Le traitement de ces patients consiste à éliminer la tumeur par chirurgie, radiothérapie et chimiothérapie, à reconstituer la moelle osseuse par une greffe de cellules souches autologues et enfin à éliminer la maladie résiduelle (MRD) par une immunothérapie visant l’antigène GD2 exprimé par les neuroblastes. Notre étude préclinique a examiné l’efficacité de deux stratégies de traitements qui visent à potentialiser les thérapies actuelles et réduire leur toxicité. La première consiste à réduire la masse tumorale par la radiothérapie ciblée combinée à des radiosensibilisants. La deuxième approche est basée sur l’activation des cellules natural killer (NK) pour potentialiser l’effet de l’immunothérapie anti-GD2 et éliminer la MRD. L’autophagie est un processus catabolique qui élimine les protéines et organelles endommagées par différents stress incluant les irradiations. Par conséquent, inhiber l’autophagie pourrait sensibiliser les neuroblastes aux irradiations. Or, nous avons montré qu’étant très radiosensibles, les neuroblastes ne sont pas davantage éliminés par les irradiations quand ils sont traités avec un inhibiteur de l’autophagie. De plus, l’absence d’un inhibiteur efficace de l’autophagie à usage thérapeutique ne permet pas actuellement d’adopter cette approche. Notre étude a également permis de révéler une nouvelle approche de stimulation des cellules NK par les cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDC) activées par un ligand du récepteur Toll-like, capable d’éradiquer la MRD et prévenir les rechutes de NB. Nos résultats ont permis, d’une part, d’élucider les mécanismes impliqués dans la lyse des cellules NK activées par les pDC contre les neuroblastes et, d’une autre part, de démontrer que l’axe pDC-NK chez le patient est fonctionnel, augmente l’efficacité de l’anti-GD2 et élimine efficacement les neuroblastes. Ainsi, l’immunothérapie par les cellules NK est une stratégie très prometteuse pour traiter le NB. Cette étude préclinique servira de base à l’élaboration d’un essai clinique pour traiter les enfants atteints de NB au CHU Sainte Justine. / Neuroblastoma (NB) is the most common extracranial solid tumor in childhood. Despite aggressive multimodal therapy, 40% of patients with high-risk NB relapse. The current therapy comprises an induction treatment with chemotherapy and surgery, a consolidation treatment including radiotherapy and high-dose chemotherapy followed by bone marrow rescue with autologous hematopoietic stem cell transplantation and finally anti-GD2 immunotherapy targeting the disialoganglioside (GD2) antigen expressed by neuroblasts to treat minimal residual disease (MRD). Our preclinical study proposes two treatment strategies to potentiate current therapies and reduced toxicities. The first aim to reduce tumor mass by targeted radiotherapy combined with radiosensitizers. The second approach is based on the activation of natural killer (NK) cells to potentiate the effect of anti-GD2 therapy and eliminate MRD. Autophagy is a catabolic process that recycle damaged proteins and organelles, induced under various conditions of cellular stress including irradiation. Therefore, inhibiting autophagy could sensitize neuroblasts to irradiation. However, our study showed that neuroblasts were highly sensitive to irradiation and autophagy inhibitor failed to increase neuroblasts sensitization to irradiation. In addition, the absence of a potent autophagy inhibitor for therapeutic use does not allow this approach to be adopted. Our preclinical study demonstrated a novel approach based on NK cell stimulation with Toll-like activated plasmacytoid dendritic cells (pDC) that enhances the efficacy of anti-GD2 immunotherapy and prevent NB relapse. We elucidated the mechanisms involved in pDC-activated NK cells killing of neuroblasts. We further demonstrated that neuroblasts were efficiently killed by patient’s NK cells after stimulation by activated pDC. This is further increased by the addition of anti-GD2 antibody. Altogether, our study demonstrates that NK cell-based immunotherapy has a real potential to enhance anti-GD2 immunotherapy effect and prevent NB relapse. This preclinical study will serve as a basis for the development of a clinical trial to treat children with NB at CHU Sainte Justine.

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La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par la dégénérescence des neurones dopaminergiques du mésencéphale. Elle est notamment causée par des évènements délétères tels le stress oxydatif et la neuro-inflammation, et ceux-ci mènent à la destruction des neurones par divers types de mort cellulaire. Dans ce contexte, le Pituitary Adenylate Cyclase-activating Polypeptide (PACAP), avec ses propriétés antiapoptotiques, anti-inflammatoires et antioxydantes et son aptitude à traverser la barrière hémoencéphalique (BHE), est capable d’exercer une puissante activité neuroprotectrice dans divers modèles de la MP. Par conséquent, cette molécule est prometteuse pour le développement d’une thérapie médicamenteuse. Toutefois, ses profils pharmacologiques (actions non sélectives) et pharmacocinétiques (faible stabilité métabolique) limitent son utilisation clinique. Ainsi, dans une perspective de mise au point d’une approche thérapeutique, nous avons conçu l’Ac-[Phe(pI)6, Nle17]PACAP(1-27), un analogue du PACAP possédant des profils pharmacologiques et métaboliques améliorés, et avons testé son effet sur des modèles in vitro et in vivo de la MP. In vitro (neuroblastomes humains SH-SY5Y), l’analogue stimule efficacement la production d'AMPc et réduit l’altération de l’activité mitochondriale provoquée par un agent neurotoxique (MPP+; 1-méthyl-4-phénylpyridinium). In vivo (souris traitées avec le 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine, un précurseur métabolique du MPP+), le PACAP et son dérivé synthétique restaurent l’expression de la tyrosine hydoxylase dans la substance noire et modulent la réponse inflammatoire. Bien que des baisses de la pression artérielle soient observées avec les deux peptides, l'intensité de la chute ainsi que sa durée sont significativement moins élevées avec l'analogue. Nos caractérisations biologiques ont donc montré que la mort neuronale causée par l’agent neurotoxique est considérablement atténuée par l’analogue peptidique. Elles ont également établi que cet effet est peut-être lié à une activité antiapoptotique soutenue. Dans un deuxième temps, nous avons exploré l’effet du PACAP sur le processus autophagique observé dans ces mêmes modèles de la MP. Nous avons ainsi démontré que le PACAP réduit significativement l’activité autophagique, comme évaluée par la production du complexe LC3-II, le rétablissement des niveaux protéiques de la p62, et la diminution de la formation des vacuoles autophagiques. La capacité du PACAP à inhiber l'autophagie a égalementété observée in vitro, et ce, en inhibant l'activité de p62 induite par la rapamycine, uninducteur de l'autophagie. Ainsi, nos travaux ont conduit à la description d’une molécule dérivée du PACAP, métaboliquement stable, qui s’avère aussi puissante que le peptide natif au niveau de la neuroprotection. Ils ont aussi révélé que le PACAP possède des propriétés antiautophagiques dans des modèles de la MP. / Parkinson's disease (PD) is characterized by the degeneration of mesencephalic dopaminergic neurons. In particular, it is caused by deleterious events such as oxidative stress and neuro-inflammation, which lead to the destruction of neurons by several types of cell death. In this context, the Pituitary Adenylate Cyclase-Activating Polypeptide (PACAP), with its antiapoptotic, anti-inflammatory and antioxidant properties, as well as its ability to cross the blood-brain barrier (BBB), is able to exert a potent neuroprotective activity in various PD models. Therefore, this molecule is promising for the development of a PACAP-based drug therapy. However, its pharmacological (non-selective) and pharmacokinetic (low metabolic stability) profiles limit its clinical use. Thus, from the perspective of developing a therapeutic approach, we designed the analog Ac-[Phe(pI)6, Nle17]PACAP(1-27), a PACAP derivative with improved pharmacological and metabolic profiles, and tested its effects in in vitro and in vivo PD models. In vitro (SH-SY5Y human neuroblastoma cells), the analog effectively stimulates the production of cAMP and reduces the alteration of mitochondrial activity caused by a neurotoxic agent (MPP+; 1- methyl-4-phenylpyridinium). In vivo (mice treated with 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, a metabolic precursor of MPP+), PACAP and its synthetic derivative restore tyrosine hydroxylase expression in the substantia nigra and modulate the inflammatory response. Although decreases in blood pressure were observed with both peptides, the intensity of the fall and its duration were significantly lower with the analog. Our biological characterizations have thus shown that the neuronal death caused by the neurotoxic agent is considerably attenuated by the peptide analog. They also established that this effect may be related to sustained antiapoptotic activity. In a second step, we explored the effect of PACAP on the autophagic process observed in these same PD models. Thus, we have demonstrated that PACAP significantly reduces autophagic activity, as assessed by the production of the LC3-II complex, the restoration of the p62 protein levels, and the decreased formation of autophagic vacuoles. The ability of PACAP to impede autophagy was also observed in vitro, by the inhibition of the p62 activity produced by rapamycin, an inducer of autophagy. In summary, our work led to the description of a PACAP-derived molecule, metabolically stable, that proved to be in neuroprotection as potent as the native peptide. Our studies also revealed that PACAP possesses antiautophagic properties in PD models.

L’ischémie/reperfusion (I/R) occurrente à toutes transplantations d’organe solide, constitue un stimulus pro-autophagique/pro-apoptotique pour les cellules endothéliales. Nous avons récemment démontré que les cellules endothéliales apoptotiques (CEapo) sécrètent des vésicules apoptotiques exosome like (ApoExo) qui induisent une réponse auto-immune et accélèrent le rejet vasculaire dans un modèle de greffe aortique chez la souris. Ces ApoExo qui diffèrent des corps apoptotiques classiques par leur structure et leur contenu protéique contiennent le fragment C-terminal du perlécan, LG3. Le LG3, un auto-antigène d’importance en transplantation, favorise le remodelage vasculaire et est augmenté en circulation chez les patients greffés rénaux atteints d’un rejet vasculaire. De plus, la présence d’anticorps anti-LG3 avant la transplantation est associée à un risque plus élevé de développer un rejet vasculaire chez des patients greffés du rein et à la perte du greffon à long terme. Il est connu que la génération du fragment LG3 implique la protéolyse du perlécan par la cathepsine L, une protéase lysosomiale, mais le mécanisme de transport de ce fragment au sein des ApoExo est encore inconnu. Nous avons émis l’hypothèse que l’activité lysosomiale et l’autophagie jouent un rôle important dans la maturation et le chargement du LG3 dans les vésicules ApoExo sécrétées par les CEapo. Une étude longitudinale de microscopie électronique chez les cellules endothéliales humaines carencées en sérum pendant 1h, 2h et 3h, nous a révélé la présence du perlécan / fragment LG3 au sein de compartiments autophagiques (autophagosomes et autophagolysosomes) à différentes étapes du processus autophagique. Après 3 heures de carence en sérum, nous avons identifié le fragment LG3 dans des vésicules membranaires situées au sein de grands réseaux vacuolaires s’apparentant à des autophagolysosomes. L’inhibition de la cathepsine L, de l’acidification du lysosome et de l’autophagie diminuent la présence du fragment LG3 dans les vésicules ApoExo sans affecter la sécrétion de vésicules démontrant donc le rôle de l’autophagie dans l’intégration du fragment LG3 au sein des ApoExo. Toutefois, l’injection de vésicules ApoExo LG3-, provenant de cellules murines aortiques traitées à la bafilomycine, dans un modèle murin de greffe aortique induit une réponse auto-immune anti-LG3 ainsi qu’un remodelage vasculaire à des niveaux similaires aux souris ayant reçu des ApoExo véhicule. Une analyse protéomique de ces vésicules ApoExo LG3-, nous a révélé que la bafilomycine modifie le contenu protéique des ApoExo en induisant une augmentation de la présence de protéines lysosomiales et de la matrice extracellulaire dont le perlécan. Ceci suggère que la présence du motif LG3 au sein du perlécan natif non clivé dans les ApoExo LG3- pourrait être responsable de la mise en place de la réponse anti-LG3 observées chez les souris. Les travaux de ce doctorat ont permis de mettre en évidence que l’autophagie dans les cellules endothéliales productrices d’ApoExo ne régule pas l’immunogénicité des ApoExo. Cependant, elle régule au sein des cellules endothéliales apoptotiques le transport et le clivage du perlécan qui lui est immunogène. En effet, l’autophagie module les différentes formes de perlécan natif et clivé sécrétées dans les ApoExo. L’étude chez la souris greffée nous a donc permis de considérer non plus l’implication du fragment LG3 mais l’implication du motif LG3 présent au sein du perlécan natif non clivé et de ses différentes formes intermédiaires dans la réponse auto-immune anti-LG3 et le rejet vasculaire. La modulation de la sécrétion du perlécan et du LG3 dans les ApoExo constitue une cible thérapeutique potentielle afin de diminuer la réponse auto-immune pouvant augmenter le dommage vasculaire après la greffe / Ischemia/reperfusion (I/R) occurring in all solid organ transplantation, constitute a proautophagic / pro-apoptotic stimulus on endothelial cells. We recently demonstrated that apoptotic endothelial cells (CEapo) secrete apoptotic exosome-like vesicles (ApoExo) that induce autoimmune response and accelerate vascular rejection in a mouse aortic transplant model. These ApoExo, that differ from classical apoptotic bodies in structure and protein content, contain the C-terminal fragment of perlecan, LG3. LG3, an autoantigen of importance in transplantation, promotes vascular remodeling and is increased in circulation in renal transplant patients undergoing vascular rejection. In addition, the presence of anti-LG3 antibodies prior to transplantation is associated with a higher risk of developing vascular rejection in kidney transplant patients and long-term graft loss. It is known that the generation of LG3 fragment involves the proteolysis of perlecan by cathepsin-L, a lysosomal protease, but the mechanism of export of this fragment within ApoExo is still unknown. We hypothesized that lysosomal activity and autophagy play an important role in the maturation and the secretion of LG3 in ApoExo vesicles secreted by CEapo. Longitudinal electron microscopy study after 1h, 2h and 3h in serum starved endothelial human cells revealed the presence of perlecan / LG3 fragment within autophagic compartments (autophagosomes and autophagolysosomes) at different stages of the autophagic process. After 3 hours of serum starvation, we identified LG3 fragment in membrane vesicles located within large vacuolar networks reminiscent of autophagolysosomes. Inhibition of cathepsin-L, of lysosomal acidification and of autophagy decrease the presence of LG3 fragment in ApoExo vesicles without affecting vesicle secretion thus demonstrating the role of autophagy in the secretion of LG3 fragment within ApoExo. However, Injection of ApoExo LG3- vesicles from bafilomycin-treated aortic murine cells into a murine aortic transplant model induces autoimmune anti-LG3 response and vascular remodeling at levels similar to the ApoExo vehicle mice control group. Proteomic analysis of ApoExo from bafilomycin-treated aortic murine cells has demonstrated that bafilomycin modifies ApoExo protein content by inducing an increase of the presence of lysosomal proteins and the extracellular matrix, including perlecan. This suggests that the presence of LG3 motif in uncleaved native perlecan in ApoExo LG3- could be responsible for the establishment of the anti-LG3 response as well as the vascular remodeling observed in mice. Collectively, these results demonstrate that autophagy in endothelial cells producing ApoExo does not regulate the immuogenicity of ApoExo. However, it regulates within apoptotic endothelial cells the processing and cleavage of perlecan who is immunogenic. Indeed, autophagy modulates the different forms of native and cleaved perlecan secreted in ApoExo. Grafted mice study thus allowed us to consider neither the involvement of the LG3 fragment but the implication of the LG3 motif present in the uncleaved native perlecan and its intermediate forms in the anti-LG3 autoimmune response and vascular rejection. Modulating perlecan and LG3 secretion in ApoExo vesicles is a potential therapeutic target to reduce the autoimmune response that can increase vascular damage after transplantation.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est l’une des principales causes de la perte de vision chez les personnes âgées. Dans la DMLA de forme sèche, le stress oxydatif, l’inflammation et la dysfonction lipidique causent la perte des cellules de l’épithélium pigmentaire rétinien (RPE) qui sont essentielles au maintien des photorécepteurs. Nous avons précédemment démontré qu’un ligand sélectif du CD36 permet de préserver la fonction rétinienne dans un modèle murin de la DMLA. Cependant, l’effet des ligands synthétiques du CD36 dans la protection du RPE n’a jamais été vérifié. L’objectif de cette étude était de caractériser l’effet cytoprotecteur du ligand du CD36 MPE-001 sur le RPE contre le stress oxydatif. Le stress oxydatif a été induit chez la lignée humaine hTERT RPE-1 par le NaIO3. Il a été observé que le MPE-001 diminue la production de superoxydes mitochondriaux et l’apoptose des cellules du RPE sans toutefois affecter le système antioxydant au niveau transcriptionnel. Des essais par immunobuvardage et par immunocytochimie ont montré que le NaIO3 perturbe le flux autophagique, alors que le MPE-001 le rétablit. L’effet protecteur du MPE-001 était complètement aboli par les inhibiteurs de l’autophagie wortmannin et bafilomycine A1. En conclusion, nous avons démontré pour la première fois qu’un ligand du CD36 protège les cellules du RPE contre le stress oxydatif de façon autophagie-dépendante. Nous proposons la modulation du stress oxydatif chez le RPE par l’activation du CD36 comme stratégie potentielle pour traiter la DMLA de forme sèche. / Age-related macular degeneration (AMD) is a leading cause of irreversible blindness in the elderly population. The retinal pigment epithelium (RPE) is a monolayer of epithelial cells that are critical in maintaining retinal neurons. Oxidative stress, inflammation and defects in lipid clearance are thought to cause damages to the RPE and the eventual loss of photoreceptors in the dry form of AMD. CD36 is a scavenger receptor that plays an important role in inflammation and lipid homeostasis. We have previously shown that stimulation of CD36 by a selective ligand preserves photoreceptor function in high fat high cholesterol diet-fed Apoe-/- mice, a mouse model of AMD. The effect of CD36 ligands on RPE cells protection from oxidative insults, however, had yet to be investigated. In this study, we aimed to study the cytoprotective effect of the CD36 ligand MPE-001 in RPE cells exposed to oxidative stress. Oxidative stress was induced in the human RPE cell line hTERT RPE-1 using NaIO3. MPE-001 was observed to decrease NaIO3-induced mitochondrial superoxide production and apoptosis, with no transcriptional effect on antioxidant enzymes. Immunoblotting and immunostaining showed that NaIO3 disrupts autophagic flux while MPE-001 co-treatment restores it. The protective effect of MPE-001 was completely abolished by the autophagy inhibitors wortmannin and bafilomycin A1. In conclusion, we report for the first time that a CD36 ligand confers protection to RPE cells under oxidative stress through the improvement of autophagic process. We therefore propose modulation of oxidative stress by CD36 ligands as a potential strategy to treat dry AMD.

L'autophagie maintient l'homéostasie cellulaire en dégradant les composants cellulaires. Chez l'humain, les protéines LC3 jouent un rôle central dans l'autophagie en interagissant avec d'autres facteurs contenant des régions d'interaction LC3 (LIR). Cette thèse porte sur le rôle de différents facteurs contenant des LIR, tels que le facteur nucléaire DOR et la protéine NSs du virus de la fièvre de la vallée du Rift (VFVR). Les protéines LC3 sont principalement présentes dans le noyau des cellules au repos normales, et leur passage au cytosol en réponse au stress nécessite une interaction avec DOR. Récemment, il a été démontré que cette interaction entre DOR et LC3B dépend de la désacétylation de deux résidus lysine conservés (K49/K51 de LC3A et K46/K48 de GABARAP). Cependant, les détails mécanistiques du rôle des résidus lysine individuels dans le transfert d'autres protéines LC3 demeurent inconnus. De plus, la caractérisation de l'interaction NSs-LC3 ainsi que son impact sur l'autophagie lors de l'infection par le RVFV demeurent évasives. Par conséquent, l'objectif de ces études est d'investiguer les différences structurelles et fonctionnelles des protéines humaines LC3 à différents stades de l'autophagie via leur interaction avec DOR et NSs. Nos études biophysiques et structurales ont permis d’identifier des éléments clés déterminant la spécificité de la région d'interaction LC3 de DOR (DORLIR) pour GABARAP. Nos études structurales ont défini une conformation en feuillet  chez DORLIR lorsqu'elle est en complexe avec GABARAP, ce qui joue un rôle important dans l'établissement de cette spécificité. Les études structurales ont également montré que l'acétylation de la deuxième Lys de GABARAP ou LC3A perturbe des interactions clés du W35 de DORLIR, ce qui conduit à une diminution de l'affinité qui est cohérente avec nos résultats ITC. Ces résultats ont été confirmés grâce à des expériences cellulaires en utilisant des substitutions K-en-Q pour imiter l'acétylation des Lys. En cellules, les substitutions K-en-Q à la deuxième Lys ont entravé le transfert cytoplasmique de GABARAP et de LC3A, ainsi que leur colocalisation avec DOR, tandis que les substitutions K-en-Q à la première Lys se comportent comme des protéines de type sauvage. Dans l'ensemble, la désacétylation de la deuxième Lys conservée est cruciale pour le transfert cytoplasmique de GABARAP et LC3A lors de l'autophagie, ce qui diffère de ce qui a été observé auparavant avec LC3B, où la désacétylation des deux Lys était nécessaire. Cette étude fournit également des informations sur les interactions entre la protéine NSs du VFVR et les protéines LC3, ainsi que l'impact de NSs sur l'autophagie lors de l'infection par le VFVR. Nous avons identifié quatre motifs potentiels d'interaction LC3 (NSs1-4) dans la protéine NSs, et des études d’ITC ont démontré que NSs4 interagit avec une affinité sous micromolaire-micromolaire avec les protéines LC3 humaines. De plus, nous avons confirmé que les protéines LC3 interagissent avec NSs dans les cellules, et que chez les cellules infectées par le RVFV, LC3A colocalise avec NSs. Dans l'ensemble, les résultats indiquent que la protéine NSs joue un rôle clé dans la modification de l'autophagie lors des infections par le VFVR. / Autophagy maintains cellular homeostasis through catabolism of cellular components including organelles, proteins, and pathogens. In humans, the six LC3 (Microtubule-associated protein 1 light chain 3) protein (LC3A, LC3B, LC3C, GABARAP, GABARAPL1 and GABARAPL2) play a pivotal role in autophagy through interactions with other factors that contain LC3-interacting regions (LIRs). This study focuses on the role of different factors that contain LIRs such as the nuclear factor DOR and the NSs protein from the RVFV. LC3 proteins are predominantly present in the nucleus of normal resting cells and their shuttling to the cytosol in response to stress requires interaction with DOR. Recently, this interaction between DOR and LC3B was shown to depend on the deacetylation of two conserved Lys residues (K49/K51in LC3 subfamily proteins and K46/K48 in GABARAP subfamily proteins). However, the mechanistic details of the role of the individual Lys residues in the shuttling other LC3 proteins is unknown. In addition, the characterization of NSs-LC3 interaction as well as its impact on RVFV (Rift Valley fever virus) infection on autophagy remains elusive. Therefore, the goal of these studies is to investigate the structural and the functional differences of the six human LC3 proteins in different stages of autophagy through their interaction with DOR and NSs. Our biophysical and structural studies identified key elements determining the specificity of the LIR from DOR (DORLIR) for the GABARAP subfamily. Our structural studies defined a -sheet conformation in DORLIR when complexed with GABARAP, which is important role for establishing this specificity. ITC studies with acetylated versions of LC3A and GABARAP demonstrated that acetylation of the second Lys significantly decreases binding to the DORLIR whereas acetylation at the first Lys has little to no effect. Our structural studies also demonstrate that acetylation at the second Lys of either GABARAP or LC3A disrupts key interactions between W35 of the DORLIR, which leads to the decreased affinity. The in vitro results were verified in cellular experiments using K-to-Q substitutions to mimic Lys acetylation. In cells, K-to-Q substitutions at the second Lys impaired the cytoplasmic shuttling of both GABARAP and LC3A from the nucleus as well as their colocalization with DOR, whereas K-to-Q substitutions at the first Lys behaved like wild-type proteins. Taken together, the deacetylation of the second conserved Lys is critical for the cytoplasmic shuttling of GABARAP and LC3A during autophagy, which is in contrast to what was observed with LC3B where deacetylation of both Lys was required. This study also provides insights into interactions between the NSs protein of RVFV and LC3 proteins and the impact of NSs on autophagy during RVFV infection. We identified four potential LIR motifs (NSs1-4) in the NSs protein and ITC studies demonstrated that NSs4 interacts with submicromolar-micromolar affinity with the human LC3 proteins. In addition, we confirmed that LC3 proteins interact with NSs in cells and that in RVFV infected cell LC3A colocalizes with NSs. Taken together, the results indicate that the NSs protein plays a key role in altering autophagy during RVFV infections.

Hintergrund Die Strahlentherapie ist neben der radikalen Prostatektomie eine Standardtherapie zur Behandlung von Prostatatumoren und führt zu sehr guten Ergebnissen für die lokale Tumorkontrolle und für das Überleben. Allerdings ist, wie bei der Operation auch, dabei das Risiko eines Rezidivs für fortgeschrittene Tumoren im Gegensatz zu Tumoren in früheren Stadien relativ hoch. Daher besteht eine hohe Dringlichkeit zur Verbesserung der Strahlentherapie vor allem bei fortgeschrittenen Tumoren. Ein Ansatz hierfür ist die Kombination der Bestrahlung mit molekularen Therapien. Ziel dabei ist es, bestimmte Zielproteine zu blockieren, um die Strahlensensibilität der Prostatakarzinomzellen zu erhöhen. Ein potentielles Target könnte hierbei die Blockade des VEGF-C/NRP-2/Akt-Signalwegs (VEGF-C – vascular endothelial growth factor C; NRP-2 – Neuropilin 2; Akt – Proteinkinase B) sein. Im Prostatakarzinom sind die Konzentrationen von VEGF-C und NRP-2 im Vergleich zu normalen Prostatazellen erhöht. Aus Untersuchungen ist bekannt, dass beide Proteine eine progressive Wirkung auf die Tumorgenese haben. In Vorarbeiten zeigen Muders et al. (2009) zudem eine Aktivierung von Akt über die VEGF-C/NRP-2-Achse und eine darüber vermittelte Resistenz gegenüber oxidativem Stress durch H2O2. Akt wirkt in verschiedenen Tumorentitäten außerdem protektiv gegenüber Bestrahlung. Es besteht die Annahme, dass dies auch für Prostatakarzinomzellen gilt. Zielstellung Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob und über welchen Mechanismus VEGF-C, NRP-2 und Akt die Strahlenresistenz in Prostatakarzinomzelllinien beeinflussen. Methoden Es wurden in vitro- und in vivo-Experimente in den humanen Prostatakarzinomzelllinen PC-3, DU145, LNCaP sowie in PC-3-Xenografts durchgeführt. Der Einfluss von VEGF-C und NRP-2 auf die Strahlenresistenz wurde in vitro nach Herunterregulierung der entsprechenden Gene mittels siRNA beziehungsweise nach Supplementierung mit humanem rekombinanten VEGF-C in Koloniebildungsassays untersucht. Zur Ermittlung des Einflusses von VEGF-C und von NRP-2 auf mögliche Zellüberlebensmechanismen wurden der autophagische Flux nach Blockade der Autophagie mit Bafilomycin A1 mittels Western Blot, die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur mittels Quantifizierung der γH2AX Foci sowie die Zellzyklusverteilung mittels Durchflusszytometrie untersucht. Die Signalweiterleitung von VEGF-C über Akt sowie, als weitere Möglichkeit, die Signalweiterleitung über ERK1/2 wurden nach siRNA-Transfektion mit und ohne Bestrahlung mittels Western Blot geprüft. Weitere Versuche zu Akt erfolgten in vitro und in vivo mit dem PI3K/Akt-Inhibitor Nelfinavir in PC-3-Zellen. Der in vitro Effekt von Nelfinavir auf die Strahlenresistenz wurde dabei mithilfe eines Koloniebildungsassays nach Behandlung der Zellen mit 10 µM Nelfinavir getestet. In vivo wurde die Wirkung von Nelfinavir ohne sowie in Kombination mit Bestrahlung in PC-3-Xenografts in Nacktmäusen untersucht. Für die Bestimmung der Tumorwachstumszeit wurden die Mäuse mit 80 mg Nelfinavir/kg Körpergewicht 30 mal innerhalb von 6 Wochen behandelt. In einem weiteren Versuch wurde die lokale Tumorkontrolle bei gleichzeitiger fraktionierter Bestrahlung mit Gesamtdosen von 30 bis 120 Gy und einer Nachbeobachtungszeit von 180 Tagen bestimmt. Ergebnisse Die Untersuchungen zur Strahlenresistenz über den VEGF-C/NRP-2/Akt-Signalweg haben ergeben, dass in den drei Prostatakarzinomzelllinien PC-3, DU145 und LNCaP VEGF-C signifikant Strahlenresistenz vermittelt. Für NRP-2 hingegen wurde festgestellt, dass es in Abhängigkeit von der Zelllinie entweder zur Strahlenresistenz (DU145) oder zur Strahlensensibilisierung (PC-3) führt. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass durch VEGF-C in PC-3 und DU145 weder über Akt noch über ERK1/2 Strahlenresistenz vermittelt wird. Die Versuche zu Strahlenresistenz vermittelnden Mechanismen ergaben, dass VEGF-C in unbestrahlten PC-3-Zellen die Autophagie fördert, NRP-2 jedoch nicht. Unter Bestrahlung war ein Effekt von VEGF-C und NRP-2 auf die Autophagie nicht reproduzierbar nachweisbar. Ein weiterer Versuch hat gezeigt, dass in PC-3 Autophagie keinen Einfluss auf das klonogene Überleben nach Bestrahlung hat. Außerdem wurde festgestellt, dass VEGF-C in PC-3 die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur nicht beeinflusst. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass eine Verminderung des VEGF-C-Gehalts in PC-3 zum G2/M-Arrest führt. In DU145 konnte jedoch kein Effekt beobachtet werden. In den Untersuchungen zum Einfluss von Akt auf die Strahlenresistenz unabhängig von VEGF-C und NRP-2 wirkte Nelfinavir inhibierend auf die Akt-Phosphorylierung am Ser473 und beeinflusste das klonogene Überleben von PC-3-Zellen minimal. In PC-3-Xenografts führte Nelfinavir zu keiner Tumorwachstumsverzögerung und wirkte in vitro und in vivo nicht strahlensensibilisierend. Schlussfolgerung In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass VEGF-C in Prostatakarzinomzellen Strahlenresistenz vermittelt. Diese Erkenntnis könnte als ein Forschungsansatz zur Entwicklung einer kombinierten Therapie aus VEGF-C-Blockade und Bestrahlung dienen. Ein potentieller Mechanismus, über den VEGF-C die Strahlenresistenz vermittelt, ist, in Abhängigkeit von der Zelllinie, die Aufhebung des G2/M-Arrests. NRP-2 wirkt in der Vermittlung von Strahlenresistenz beziehungsweise sensibilität je nach Zelllinie unterschiedlich. Hierzu sollten weitere Untersuchungen bezüglich möglicher Interaktionen innerhalb anderer Signalwege mit strahlensensibilisierendem Einfluss erfolgen. Innerhalb des untersuchten Signalwegs konnte weiterhin festgestellt werden, dass VEGF-C Strahlenresistenz nicht über Akt vermittelt. Die vorliegende Arbeit enthält die erste Studie sowohl zur Untersuchung des Einflusses von Nelfinavir in Kombination mit Bestrahlung auf das Überleben von Prostatakarzinomzellen in vitro als auch auf die Tumorwachstumszeit und die lokale Tumorkontrolle in vivo. Hierin konnte keine strahlensensibilisierende Wirkung von Nelfinavir nachgewiesen werden. Da Nelfinavir in Zellen anderer Tumorentitäten strahlensensibilisierend wirkt und außerdem bekannt ist, dass es in eine Reihe von Signalwegen eingreift, die das Zellüberleben fördern oder hemmen, sollte weiter geklärt werden, ob Tumorzellen mit einem bestimmten genetischen Profil besser auf die Behandlung mit Nelfinavir ansprechen. / Background In addition to radical prostatectomy, radiotherapy is a standard therapy for the treatment of prostate tumours and leads to good results for local tumour control and survival. However, as with the resection, the risk of recurrence for advanced tumours is relatively high compared to tumours in earlier stages. Therefore, there is a high urgency to improve radiotherapy especially for advanced stages. One approach is the combination of irradiation with molecular therapies. The aim is to block certain target proteins to increase the radiosensitivity of the prostate carcinoma cells. A potential target could be the blockade of the VEGF-C/NRP-2/Akt signalling pathway (VEGF-C – vascular endothelial growth factor C; NRP-2 – neuropilin 2; Akt – protein kinase B). In prostate cancer the concentrations of VEGF-C and NRP-2 are increased compared to normal prostate cells. Studies have shown that both proteins have a progressive effect on tumourigenesis. In preliminary work Muders et al. (2009) also showed the activation of Akt via the VEGF-C/NRP-2 axis and a resistance to H2O2 induced oxidative stress. Akt also has a protective effect against irradiation in various tumour entities. It is assumed that this also applies to prostate carcinoma cells. Aim of the study Within the framework of this thesis, it was investigated whether and via which mechanism VEGF-C, NRP-2, and Akt affect the radioresistance in prostate carcinoma cell lines. Methods In vitro and in vivo experiments were performed in the human prostate carcinoma cell lines PC-3, DU145, LNCaP, as well as in PC-3 xenografts. The influence of VEGF-C and NRP-2 on the radioresistance was examined in vitro after knock down of the corresponding genes using siRNA or after supplementation with human recombinant VEGF-C in colony formation assays. In order to determine the influence of VEGF-C and NRP-2 on possible cell survival mechanisms, the autophagic flux was examined after the blockade of autophagy with bafilomycin A1 using western blot, the DNA double strand break repair by quantification of the γH2AX foci, and the cell cycle distribution by flow cytometry. The signal transduction of VEGF-C via Akt as well as, as a further possibility, the signal transduction via ERK1/2 were tested after siRNA transfection with and without irradiation using western blot. Further experiments on Akt were performed in vitro and in vivo with the PI3K/Akt inhibitor nelfinavir in PC-3 cells. The in vitro effect of nelfinavir on radioresistance was tested using a colony formation assay after treatment of the cells with 10 μM nelfinavir. In vivo, the effect of nelfinavir without and in combination with irradiation in PC-3 xenografts was investigated in nude mice. For the determination of the tumour growth time, the mice were treated with 80 mg nelfinavir/kg body weight 30 times within 6 weeks. In a further experiment, the local tumour control was determined with simultaneous fractionated irradiation with total doses of 30 to 120 Gy and a follow-up time of 180 days. Results The investigations on radioresistance via the VEGF-C/NRP-2/Akt signalling pathway showed that in the three prostate carcinoma cell lines PC-3, DU145, and LNCaP VEGF-C significantly mediates radioresistance. For NRP-2 however, it was found that, depending on the cell line, it either leads to radioresistance (DU145) or radiosensitization (PC-3). Further, it was shown that in PC-3 and DU145 VEGF-C does not mediate radioresistance via Akt or ERK1/2. The experiments on radioresistance mediating mechanisms revealed that VEGF-C promotes autophagy in untreated PC-3 cells, but NRP-2 does not. Under irradiation, an effect of VEGF-C and NRP-2 on autophagy could not be detected reproducibly. A further experiment has shown that in PC-3 autophagy has no influence on the clonogenic survival after irradiation. In addition, it was found that VEGF-C does not affect the DNA double strand break repair in PC-3. Furthermore, it was shown that a reduction in the VEGF-C content leads to a G2/M arrest in PC-3. However, no effect could be observed in DU145. In studies regarding the influence of Akt on radioresistance independent of VEGF-C and NRP-2, nelfinavir inhibited Akt phosphorylation at Ser473 and minimally affected the clonogenic survival of PC-3 cells. In PC-3 xenografts, nelfinavir did not lead to any tumour growth delay and did not have a radiosensitizing effect in vitro or in vivo. Conclusion In the experiments, it was shown that VEGF-C mediates radioresistance in prostate cancer cells. This finding could serve as a research approach for the development of a combined therapy of a VEGF-C blockade and irradiation. A potential mechanism by which VEGF-C mediates radioresistance is the reverse of the G2/M arrest, depending on the cell line. NRP-2 acts differently in the mediation of radioresistance or radiosensitivity, depending on the cell line. On this, further investigations should be carried out with regard to possible interactions within other signalling pathways with a radiosensitizing influence. Within the investigated signalling pathway, it was further shown that VEGF-C does not mediate radioresistance via Akt. The present work contains the first study examining the effect of nelfinavir in combination with irradiation on prostate cancer cell survival in vitro as well as on growth time and local tumour control in vivo. Herein no radiosensitizing effects of nelfinavir could be detected. Since nelfinavir radiosensitizes cells of other tumour entities and is also known to interfere with a series of signalling pathways that promote or inhibit cell survival, it should be clarified whether tumour cells with a particular genetic profile are more responsive to treatment with nelfinavir.

L’autophagie est une voie catabolique durant laquelle des constituants cytoplasmiques sont engloutis dans des vésicules à double membrane nommées autophagosomes. Elle sert à éliminer les protéines mal repliées ou les agrégats protéiques, à détruire les organites défectueux comme les mitochondries, le réticulum endoplasmique et les peroxysomes mais aussi des pathogènes intracellulaires. Le matériel séquestré dans les autophagosomes est ensuite envoyé, pour dégradation, vers le lysosome. La dégradation du matériel séquestré génère des nucléotides, des acides aminés et des acides gras qui seront recyclés en vue de la synthèse de macromolécules et de la génération d’ATP.Dans cette étude nous explorons l’aspect cellulaire et fonctionnel de la voie de l’autophagie chez Caenorhabditis elegans. Nous montrons que le génome du nématode contient deux homologues du gène autophagique de levure Atg8. Ces homologues codent pour les protéines LGG-1 et LGG-2 qui sont des protéines des membranes des autophagosomes. Ces protéines agissent de façon synergique dans les processus physiologiques impliquant l’autophagie, en l’occurrence, la longévité et la formation des larves dauer.Nous montrons également que l’autophagie est impliquée dans le maintien de l’homéostasie cellulaire chez les mutants ESCRT. Les complexes ESCRT sont impliqués dans l’adressage des protéines ubiquitinées vers les corps multi vésiculaires pour les dégrader. Les mutants ESCRT se caractérisent par des altérations cellulaires et développementales. Nos résultats indiquent que l’inactivation des ESCRT cause une augmentation du flux autophagique. L’inactivation de l’autophagie dans ces mutants exacerbe les défauts cellulaires alors que son induction protège de la dégradation. / Macroautophgagy is a catabolic process involved in the clearance of cellular components in the lysosome when cells face starvation conditions. This eukaryotic process requires the formation of double membrane vesicles named autophagosomes. Autophagy is implicated in the elimination of misfolded proteins, protein aggregates and long-lived or damaged organelles such as mitochondria, endoplasmic reticulum and peroxysomes. It is alos required for the clearance of intracellular pathogens. The material enclosed inside autophagososmes in degraded in the lysosome: nucleotides, amino-acids and fatty-acids are generated and reused for neosynthesis of macromolecules and ATP.In the present study, we are exploring the cellular and functional aspects of the autophagic pathway in Caenorhabditis elegans. We show that the genome of the worm contain two homologues of the Yeast autophagic gene, Atg8. These homlogues encode for two proteins namely, LGG-1 and LGG-2, which localize to the autophagosomal membranes. We have shown that this two proteins act synergistically in dauer formation and longevity.We have also shown that autophagy play an important role in maintaining cell homeostasis in endosomal maturation mutans. These latter mutants show defects in the ESCRT coplexes (Endosomal Sorting Complex Required for Transport). ESCRT complexes are required the recycling of cell surface receptors and for the sorting of ubiquitinated prtoteins into the multivesicular bodies. Mutations in the ESCRTs cause cellular et developmental defects. In our study, we show that autophagy is induced in these mutants and play a beneficial role in correcting cellular defects.

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Hintergrund Die Strahlentherapie ist neben der radikalen Prostatektomie eine Standardtherapie zur Behandlung von Prostatatumoren und führt zu sehr guten Ergebnissen für die lokale Tumorkontrolle und für das Überleben. Allerdings ist, wie bei der Operation auch, dabei das Risiko eines Rezidivs für fortgeschrittene Tumoren im Gegensatz zu Tumoren in früheren Stadien relativ hoch. Daher besteht eine hohe Dringlichkeit zur Verbesserung der Strahlentherapie vor allem bei fortgeschrittenen Tumoren. Ein Ansatz hierfür ist die Kombination der Bestrahlung mit molekularen Therapien. Ziel dabei ist es, bestimmte Zielproteine zu blockieren, um die Strahlensensibilität der Prostatakarzinomzellen zu erhöhen. Ein potentielles Target könnte hierbei die Blockade des VEGF-C/NRP-2/Akt-Signalwegs (VEGF-C – vascular endothelial growth factor C; NRP-2 – Neuropilin 2; Akt – Proteinkinase B) sein. Im Prostatakarzinom sind die Konzentrationen von VEGF-C und NRP-2 im Vergleich zu normalen Prostatazellen erhöht. Aus Untersuchungen ist bekannt, dass beide Proteine eine progressive Wirkung auf die Tumorgenese haben. In Vorarbeiten zeigen Muders et al. (2009) zudem eine Aktivierung von Akt über die VEGF-C/NRP-2-Achse und eine darüber vermittelte Resistenz gegenüber oxidativem Stress durch H2O2. Akt wirkt in verschiedenen Tumorentitäten außerdem protektiv gegenüber Bestrahlung. Es besteht die Annahme, dass dies auch für Prostatakarzinomzellen gilt. Zielstellung Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob und über welchen Mechanismus VEGF-C, NRP-2 und Akt die Strahlenresistenz in Prostatakarzinomzelllinien beeinflussen. Methoden Es wurden in vitro- und in vivo-Experimente in den humanen Prostatakarzinomzelllinen PC-3, DU145, LNCaP sowie in PC-3-Xenografts durchgeführt. Der Einfluss von VEGF-C und NRP-2 auf die Strahlenresistenz wurde in vitro nach Herunterregulierung der entsprechenden Gene mittels siRNA beziehungsweise nach Supplementierung mit humanem rekombinanten VEGF-C in Koloniebildungsassays untersucht. Zur Ermittlung des Einflusses von VEGF-C und von NRP-2 auf mögliche Zellüberlebensmechanismen wurden der autophagische Flux nach Blockade der Autophagie mit Bafilomycin A1 mittels Western Blot, die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur mittels Quantifizierung der γH2AX Foci sowie die Zellzyklusverteilung mittels Durchflusszytometrie untersucht. Die Signalweiterleitung von VEGF-C über Akt sowie, als weitere Möglichkeit, die Signalweiterleitung über ERK1/2 wurden nach siRNA-Transfektion mit und ohne Bestrahlung mittels Western Blot geprüft. Weitere Versuche zu Akt erfolgten in vitro und in vivo mit dem PI3K/Akt-Inhibitor Nelfinavir in PC-3-Zellen. Der in vitro Effekt von Nelfinavir auf die Strahlenresistenz wurde dabei mithilfe eines Koloniebildungsassays nach Behandlung der Zellen mit 10 µM Nelfinavir getestet. In vivo wurde die Wirkung von Nelfinavir ohne sowie in Kombination mit Bestrahlung in PC-3-Xenografts in Nacktmäusen untersucht. Für die Bestimmung der Tumorwachstumszeit wurden die Mäuse mit 80 mg Nelfinavir/kg Körpergewicht 30 mal innerhalb von 6 Wochen behandelt. In einem weiteren Versuch wurde die lokale Tumorkontrolle bei gleichzeitiger fraktionierter Bestrahlung mit Gesamtdosen von 30 bis 120 Gy und einer Nachbeobachtungszeit von 180 Tagen bestimmt. Ergebnisse Die Untersuchungen zur Strahlenresistenz über den VEGF-C/NRP-2/Akt-Signalweg haben ergeben, dass in den drei Prostatakarzinomzelllinien PC-3, DU145 und LNCaP VEGF-C signifikant Strahlenresistenz vermittelt. Für NRP-2 hingegen wurde festgestellt, dass es in Abhängigkeit von der Zelllinie entweder zur Strahlenresistenz (DU145) oder zur Strahlensensibilisierung (PC-3) führt. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass durch VEGF-C in PC-3 und DU145 weder über Akt noch über ERK1/2 Strahlenresistenz vermittelt wird. Die Versuche zu Strahlenresistenz vermittelnden Mechanismen ergaben, dass VEGF-C in unbestrahlten PC-3-Zellen die Autophagie fördert, NRP-2 jedoch nicht. Unter Bestrahlung war ein Effekt von VEGF-C und NRP-2 auf die Autophagie nicht reproduzierbar nachweisbar. Ein weiterer Versuch hat gezeigt, dass in PC-3 Autophagie keinen Einfluss auf das klonogene Überleben nach Bestrahlung hat. Außerdem wurde festgestellt, dass VEGF-C in PC-3 die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur nicht beeinflusst. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass eine Verminderung des VEGF-C-Gehalts in PC-3 zum G2/M-Arrest führt. In DU145 konnte jedoch kein Effekt beobachtet werden. In den Untersuchungen zum Einfluss von Akt auf die Strahlenresistenz unabhängig von VEGF-C und NRP-2 wirkte Nelfinavir inhibierend auf die Akt-Phosphorylierung am Ser473 und beeinflusste das klonogene Überleben von PC-3-Zellen minimal. In PC-3-Xenografts führte Nelfinavir zu keiner Tumorwachstumsverzögerung und wirkte in vitro und in vivo nicht strahlensensibilisierend. Schlussfolgerung In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass VEGF-C in Prostatakarzinomzellen Strahlenresistenz vermittelt. Diese Erkenntnis könnte als ein Forschungsansatz zur Entwicklung einer kombinierten Therapie aus VEGF-C-Blockade und Bestrahlung dienen. Ein potentieller Mechanismus, über den VEGF-C die Strahlenresistenz vermittelt, ist, in Abhängigkeit von der Zelllinie, die Aufhebung des G2/M-Arrests. NRP-2 wirkt in der Vermittlung von Strahlenresistenz beziehungsweise sensibilität je nach Zelllinie unterschiedlich. Hierzu sollten weitere Untersuchungen bezüglich möglicher Interaktionen innerhalb anderer Signalwege mit strahlensensibilisierendem Einfluss erfolgen. Innerhalb des untersuchten Signalwegs konnte weiterhin festgestellt werden, dass VEGF-C Strahlenresistenz nicht über Akt vermittelt. Die vorliegende Arbeit enthält die erste Studie sowohl zur Untersuchung des Einflusses von Nelfinavir in Kombination mit Bestrahlung auf das Überleben von Prostatakarzinomzellen in vitro als auch auf die Tumorwachstumszeit und die lokale Tumorkontrolle in vivo. Hierin konnte keine strahlensensibilisierende Wirkung von Nelfinavir nachgewiesen werden. Da Nelfinavir in Zellen anderer Tumorentitäten strahlensensibilisierend wirkt und außerdem bekannt ist, dass es in eine Reihe von Signalwegen eingreift, die das Zellüberleben fördern oder hemmen, sollte weiter geklärt werden, ob Tumorzellen mit einem bestimmten genetischen Profil besser auf die Behandlung mit Nelfinavir ansprechen.:Abkürzungsverzeichnis VIII 1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Zelluläre Auswirkungen der Bestrahlung 3 2.2 Überlebensfördernde Signalwege 6 2.3 Zellüberlebensstrategien 9 2.3.1 Autophagie 10 2.3.2 DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur 12 2.3.3 Zellzyklusarrest 13 2.4 Reaktionen von Tumoren auf Bestrahlung 14 2.5 Nelfinavir als Akt-Inhibitor 15 3 Material und Methoden 17 3.1 Material 17 3.1.1 Zelllinien 17 3.1.2 Reagenzien und Substanzen 17 3.1.3 Kits 19 3.1.4 Primäre Antikörper 19 3.1.5 Sekundäre Antikörper 20 3.1.6 siRNA 20 3.1.7 Primer 20 3.1.8 Materialien und Hilfsmittel 20 3.1.9 Geräte 21 3.1.10 Software 22 3.2 Methoden 22 3.2.1 Zellkultur 22 3.2.2 siRNA-Transfektion 23 3.2.3 Bestrahlung 24 3.2.4 Koloniebildungsassay 24 3.2.5 Autophagischer Flux 26 3.2.6 Semiquantitative Proteinbestimmung 27 3.2.7 mRNA-Quantifizierung 29 3.2.8 γH2AX Foci-Assay 31 3.2.9 Zellzyklusanalyse 33 3.2.10 Tierversuch 34 3.2.11 Statistische Auswertung 37 4 Ergebnisse 39 4.1 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Strahlenresistenz 39 4.1.1 Betrachtung der VEGF C- und NRP 2-Gehalte in den Zelllinien PC 3, DU145 und LNCaP 39 4.1.2 Etablierung der VEGF C- und NRP 2-siRNA-Transfektionen 39 4.1.3 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Klonogenität bestrahlter Zellen 40 4.2 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf überlebensfördernde Signalwege unter Bestrahlung 42 4.2.1 Aktivierung des Akt-Signalwegs 43 4.2.2 Aktivierung des ERK1/2-Signalwegs 45 4.3 Untersuchungen zum Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Strahlenresistenz beeinflussende zelluläre und molekulare Prozesse 46 4.3.1 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Autophagie und deren Bedeutung für die Strahlenresistenz 46 4.3.2 Einfluss von VEGF C auf die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen 48 4.3.3 Der Einfluss von VEGF C auf den Zellzyklus 50 4.4 Inhibierung der Aktivierung von Akt durch Nelfinavir 52 4.4.1 Einfluss von Nelfinavir auf die Klonogenität in vitro 53 4.4.2 Tumorwachstumsverzögerung 54 4.4.3 Lokale Tumorkontrolle 56 5 Diskussion 59 5.1 VEGF C- und NRP 2-Expression und -Herunterregulierung 59 5.2 Der Einfluss von VEGF-C auf die Strahlenresistenz 59 5.3 Die Funktion von NRP-2 als Co-Rezeptor für VEGF-C bei der Vermittlung von Strahlenresistenz 60 5.4 VEGF C-abhängige Akt- und ERK1/2-Regulierung unter Bestrahlung 62 5.5 Der Einfluss der Autophagie auf die Strahlenresistenz 62 5.6 Der Einfluss von VEGF C auf die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur 63 5.7 Der Einfluss von VEGF C auf den Zellzyklus 64 5.8 Der Einfluss von Nelfinavir auf das Wachstum und auf die Strahlenresistenz von PC 3-Zellen in vitro und in vivo 65 5.9 Schlussfolgerung und Ausblick 67 6 Zusammenfassung 69 7 Abstract 72 8 Literaturverzeichnis 75 9 Abbildungsverzeichnis 89 10 Tabellenverzeichnis 90 Danksagung 92 Anhang 93 Anlage 1 94 Anlage 2 96 / Background In addition to radical prostatectomy, radiotherapy is a standard therapy for the treatment of prostate tumours and leads to good results for local tumour control and survival. However, as with the resection, the risk of recurrence for advanced tumours is relatively high compared to tumours in earlier stages. Therefore, there is a high urgency to improve radiotherapy especially for advanced stages. One approach is the combination of irradiation with molecular therapies. The aim is to block certain target proteins to increase the radiosensitivity of the prostate carcinoma cells. A potential target could be the blockade of the VEGF-C/NRP-2/Akt signalling pathway (VEGF-C – vascular endothelial growth factor C; NRP-2 – neuropilin 2; Akt – protein kinase B). In prostate cancer the concentrations of VEGF-C and NRP-2 are increased compared to normal prostate cells. Studies have shown that both proteins have a progressive effect on tumourigenesis. In preliminary work Muders et al. (2009) also showed the activation of Akt via the VEGF-C/NRP-2 axis and a resistance to H2O2 induced oxidative stress. Akt also has a protective effect against irradiation in various tumour entities. It is assumed that this also applies to prostate carcinoma cells. Aim of the study Within the framework of this thesis, it was investigated whether and via which mechanism VEGF-C, NRP-2, and Akt affect the radioresistance in prostate carcinoma cell lines. Methods In vitro and in vivo experiments were performed in the human prostate carcinoma cell lines PC-3, DU145, LNCaP, as well as in PC-3 xenografts. The influence of VEGF-C and NRP-2 on the radioresistance was examined in vitro after knock down of the corresponding genes using siRNA or after supplementation with human recombinant VEGF-C in colony formation assays. In order to determine the influence of VEGF-C and NRP-2 on possible cell survival mechanisms, the autophagic flux was examined after the blockade of autophagy with bafilomycin A1 using western blot, the DNA double strand break repair by quantification of the γH2AX foci, and the cell cycle distribution by flow cytometry. The signal transduction of VEGF-C via Akt as well as, as a further possibility, the signal transduction via ERK1/2 were tested after siRNA transfection with and without irradiation using western blot. Further experiments on Akt were performed in vitro and in vivo with the PI3K/Akt inhibitor nelfinavir in PC-3 cells. The in vitro effect of nelfinavir on radioresistance was tested using a colony formation assay after treatment of the cells with 10 μM nelfinavir. In vivo, the effect of nelfinavir without and in combination with irradiation in PC-3 xenografts was investigated in nude mice. For the determination of the tumour growth time, the mice were treated with 80 mg nelfinavir/kg body weight 30 times within 6 weeks. In a further experiment, the local tumour control was determined with simultaneous fractionated irradiation with total doses of 30 to 120 Gy and a follow-up time of 180 days. Results The investigations on radioresistance via the VEGF-C/NRP-2/Akt signalling pathway showed that in the three prostate carcinoma cell lines PC-3, DU145, and LNCaP VEGF-C significantly mediates radioresistance. For NRP-2 however, it was found that, depending on the cell line, it either leads to radioresistance (DU145) or radiosensitization (PC-3). Further, it was shown that in PC-3 and DU145 VEGF-C does not mediate radioresistance via Akt or ERK1/2. The experiments on radioresistance mediating mechanisms revealed that VEGF-C promotes autophagy in untreated PC-3 cells, but NRP-2 does not. Under irradiation, an effect of VEGF-C and NRP-2 on autophagy could not be detected reproducibly. A further experiment has shown that in PC-3 autophagy has no influence on the clonogenic survival after irradiation. In addition, it was found that VEGF-C does not affect the DNA double strand break repair in PC-3. Furthermore, it was shown that a reduction in the VEGF-C content leads to a G2/M arrest in PC-3. However, no effect could be observed in DU145. In studies regarding the influence of Akt on radioresistance independent of VEGF-C and NRP-2, nelfinavir inhibited Akt phosphorylation at Ser473 and minimally affected the clonogenic survival of PC-3 cells. In PC-3 xenografts, nelfinavir did not lead to any tumour growth delay and did not have a radiosensitizing effect in vitro or in vivo. Conclusion In the experiments, it was shown that VEGF-C mediates radioresistance in prostate cancer cells. This finding could serve as a research approach for the development of a combined therapy of a VEGF-C blockade and irradiation. A potential mechanism by which VEGF-C mediates radioresistance is the reverse of the G2/M arrest, depending on the cell line. NRP-2 acts differently in the mediation of radioresistance or radiosensitivity, depending on the cell line. On this, further investigations should be carried out with regard to possible interactions within other signalling pathways with a radiosensitizing influence. Within the investigated signalling pathway, it was further shown that VEGF-C does not mediate radioresistance via Akt. The present work contains the first study examining the effect of nelfinavir in combination with irradiation on prostate cancer cell survival in vitro as well as on growth time and local tumour control in vivo. Herein no radiosensitizing effects of nelfinavir could be detected. Since nelfinavir radiosensitizes cells of other tumour entities and is also known to interfere with a series of signalling pathways that promote or inhibit cell survival, it should be clarified whether tumour cells with a particular genetic profile are more responsive to treatment with nelfinavir.:Abkürzungsverzeichnis VIII 1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Zelluläre Auswirkungen der Bestrahlung 3 2.2 Überlebensfördernde Signalwege 6 2.3 Zellüberlebensstrategien 9 2.3.1 Autophagie 10 2.3.2 DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur 12 2.3.3 Zellzyklusarrest 13 2.4 Reaktionen von Tumoren auf Bestrahlung 14 2.5 Nelfinavir als Akt-Inhibitor 15 3 Material und Methoden 17 3.1 Material 17 3.1.1 Zelllinien 17 3.1.2 Reagenzien und Substanzen 17 3.1.3 Kits 19 3.1.4 Primäre Antikörper 19 3.1.5 Sekundäre Antikörper 20 3.1.6 siRNA 20 3.1.7 Primer 20 3.1.8 Materialien und Hilfsmittel 20 3.1.9 Geräte 21 3.1.10 Software 22 3.2 Methoden 22 3.2.1 Zellkultur 22 3.2.2 siRNA-Transfektion 23 3.2.3 Bestrahlung 24 3.2.4 Koloniebildungsassay 24 3.2.5 Autophagischer Flux 26 3.2.6 Semiquantitative Proteinbestimmung 27 3.2.7 mRNA-Quantifizierung 29 3.2.8 γH2AX Foci-Assay 31 3.2.9 Zellzyklusanalyse 33 3.2.10 Tierversuch 34 3.2.11 Statistische Auswertung 37 4 Ergebnisse 39 4.1 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Strahlenresistenz 39 4.1.1 Betrachtung der VEGF C- und NRP 2-Gehalte in den Zelllinien PC 3, DU145 und LNCaP 39 4.1.2 Etablierung der VEGF C- und NRP 2-siRNA-Transfektionen 39 4.1.3 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Klonogenität bestrahlter Zellen 40 4.2 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf überlebensfördernde Signalwege unter Bestrahlung 42 4.2.1 Aktivierung des Akt-Signalwegs 43 4.2.2 Aktivierung des ERK1/2-Signalwegs 45 4.3 Untersuchungen zum Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Strahlenresistenz beeinflussende zelluläre und molekulare Prozesse 46 4.3.1 Einfluss von VEGF C und NRP 2 auf die Autophagie und deren Bedeutung für die Strahlenresistenz 46 4.3.2 Einfluss von VEGF C auf die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen 48 4.3.3 Der Einfluss von VEGF C auf den Zellzyklus 50 4.4 Inhibierung der Aktivierung von Akt durch Nelfinavir 52 4.4.1 Einfluss von Nelfinavir auf die Klonogenität in vitro 53 4.4.2 Tumorwachstumsverzögerung 54 4.4.3 Lokale Tumorkontrolle 56 5 Diskussion 59 5.1 VEGF C- und NRP 2-Expression und -Herunterregulierung 59 5.2 Der Einfluss von VEGF-C auf die Strahlenresistenz 59 5.3 Die Funktion von NRP-2 als Co-Rezeptor für VEGF-C bei der Vermittlung von Strahlenresistenz 60 5.4 VEGF C-abhängige Akt- und ERK1/2-Regulierung unter Bestrahlung 62 5.5 Der Einfluss der Autophagie auf die Strahlenresistenz 62 5.6 Der Einfluss von VEGF C auf die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur 63 5.7 Der Einfluss von VEGF C auf den Zellzyklus 64 5.8 Der Einfluss von Nelfinavir auf das Wachstum und auf die Strahlenresistenz von PC 3-Zellen in vitro und in vivo 65 5.9 Schlussfolgerung und Ausblick 67 6 Zusammenfassung 69 7 Abstract 72 8 Literaturverzeichnis 75 9 Abbildungsverzeichnis 89 10 Tabellenverzeichnis 90 Danksagung 92 Anhang 93 Anlage 1 94 Anlage 2 96