Im Fokus der Dissertation stand die Evaluierung molekularer Möglichkeiten zur Findung geeigneter Biomarker für das Prostatakarzinom (PCa). Zunächst wurde die epigenetische Promotormethylierung der Gene GSTP1, RARbeta2, APC und PITX2 im Hinblick eines möglichen Methylierungsfeldeffektes untersucht. Die RARβ2-Promotormethylierung konnte als potentieller Marker zur Tumorvorhersage im histologisch normal erscheinenden Gewebe bestimmt werden. GSTP1 zeigte eine äußerst spezifische Tumormethylierung, was dessen diagnostisches Potenzial unterstreicht. Die Methylierung korrelierte zudem mit pathologischen Parametern. Ein Screening im Array-Format identifizierte weitere Gene, deren Promotormethylierung diagnostisch interessant sein könnten. Des Weiteren wurden Genexpressionsanalysen angiogenetischer und Endothel-assoziierter Faktoren durchgeführt, deren diagnostische und prognostische Aussagekraft für das PCa ermittelt wurden. Dabei konnte für Caveolin-1 (CAV1) eine signifikante Herunterregulierung der mRNA-Menge im Tumor gezeigt werden. Die Bisulfit-Sequenzierung von sieben CpG-Dinukleotiden im CAV1-Promotor ergab zwischen Tumor- und tumorangrenzendem Gewebe differenzielle Methylierungsmuster, die zu einer verminderten CAV1-Transkription führen könnten. Zudem führte eine 5-Aza-2-desoxycytidin-Behandlung der CAV1-defizienten LNCaP-Zelllinie zur Reexpression. Weiterhin assoziierte CAV1 invers mit pathologischen Parametern und zeigte prognostische und diagnostische Relevanz. Immunhistologisch wurde CAV1 z.T. deutlich verringert in Endothelzellen und Fibroblasten des Tumors nachgewiesen. Ko-Kultivierungsversuche von HUVEC mit konditionierten Zellmedien ergaben z.T. signifikant reduzierte CAV1-Mengen in HUVEC. Die Ergebnisse zeigen, dass epigenetische Veränderungen wertvolle Informationen zur Diagnostik, Prognostik und Progression des PCa liefern. Zudem konnte CAV1 als potentieller Marker des PCa identifiziert werden. / The focus of the thesis was to evaluate molecular possibilities to find suitable biomarkers for prostate cancer (PCa). First, the epigenetic promoter methylation patterns of several genes (GSTP1, RARbeta2, APC and PITX2, respectively) were investigated for a possible methylation field effect. The RARbeta2 promoter methylation could be determined as a possible marker for tumor prediction in histologically normal-appearing tissue. GSTP1 showed a highly specific tumor methylation, underlining its diagnostic potential. The methylation also correlated with pathological parameters. Screening in an array format identified other genes whose promoter hypermethylation could be diagnostically interesting. Furthermore, gene expression analysis of angiogenic and endothelial-associated factors was performed to determine their diagnostic and prognostic potentials for PCa. For CAV1, a significant down-regulation of its mRNA level could be determined in the tumor. Bisulfite sequencing of seven CpG dinucleotides in the CAV1 promoter showed different methylation patterns between tumor and tumor adjacent tissue that could cause a reduced transcription. Furthermore, treatment of the CAV1-deficient LNCaP cell line with 5-aza-2-deoxycytidine led to CAV1 reexpression. Additionally, CAV1 inversely associated with pathological parameters and showed prognostic and diagnostic relevance. Immunohistochemical analysis clearly demonstrated decreases in CAV1 protein expression in endothelial cells and fibroblasts of the tumor. Conditioned media of cultivated tumor cells partly induced downregulation of the CAV1 protein level in HUVEC. The results show that epigenetic and angiogenic processes play crucial roles and provide valuable information for diagnosis, prognosis and progression of PCa. Moreover, CAV1 could be identified as a potential marker of prostate cancer.

At the plasma membrane, both NGF receptors have been shown to localized to lipid rafts, specific subdomains that are enriched in cholesterol, sphingolipids and the presence of caveolin proteins (Cav1 and/or Cav2). The focus of this work is on this membrane microenvironment mediated modulation of NGF signaling which via two receptors: p75NTR and TrkA. In the present work we found that overexpression of Cav-1 in mouse dorsal root ganglia neurons significantly impacted neurite extension. Similarly, overexpression of Cav-1 in PC12 cells strongly inhibits their ability to grow neurites in response to NGF. It inhibits NGF signaling without, impairing transient MAPK pathway activation. Rather, it does so by sequestering NGF receptors in lipid rafts, which correlates with the cell surface localization of downstream effectors, and phosphorylated-Rsk2, resulting in the prevention of the phosphorylation of CREB. By contrast, overexpression of Cav-2 potentiates NGF induced differentiation, which is accompanied by sustained activation of downstream effectors, and standard internalization of the receptors. This differential effect could be due to the different localization of Caveolins, that modifies the microenvironment, thereby affecting NGF signaling. Furthermore, PC12 cells expressing the non-phosphorylatable Cav-1 mutant (S80V), neither TrkA trafficking or CREB phosphorylation are inhibited and the response resembles that observed in Cav-2 expressing PC12 cells. These studies underline the interplay between caveolins and NGF signalling, offering insight into the potential impact of Caveolin-1 and mutations thereof in certain cancers where NGF signaling is involved.

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Neisseria gonorrhoeae verursacht die sexuell übertragbare Krankheit Gonorrhoe und ist ein Typ-IV-Pili (Tfp) exprimierendes Bakterium, das den Urogenitaltrakt besiedelt. Frühe Infektionsstadien piliierter N. gonorrhoeae (P+GC) sind durch die Tfp-vermittelte Adhärenz an Wirtszellen gekennzeichnet, dann erfolgt die Bildung von Mikrokolonien auf Wirtszellepithelien. Hier wird gezeigt, dass die Wirtszellen an der effizienten Bildung der extrazellulären Mikrokolonien beteiligt sind. P+GC die fixierte Wirtszellen infizieren weisen eine verzögerte Mikrokoloniebildung gegenüber einer Infektion lebender Wirtszellen auf. Kortikales Aktin wird zusammen mit Signalproteinen innerhalb der Wirtszellen zu den adhärierten Bakterien rekrutiert, darunter das Hauptstrukturprotein von Caveolae-Membrandomänen, Caveolin-1 (Cav1). Eine Reduzierung der Expression von Cav1 führt zu einer verstärkten Aufnahme von P+GC in die Wirtszellen, wohingegen die Expression von Cav1 in Cav1-negativen Zellen eine Internalisierung verhindert. Internalisierte Bakterien weisen dabei geringere Überlebensraten auf je länger sie in den Wirtszellen verbleiben. Die Rekrutierung von Cav1 ist eine unmittelbare und kontinuierliche zelluläre Antwort auf eine Infektion mit P+GC, welche die Phosphorylierung von Cav1 an Tyrosin 14 bedingt. Zusätzlich erforderte die Cav1-vermittelte Blockierung der Internalisierung der Bakterien und die Verankerung von Cav1 mit dem Zytoskelett eine Tyrosinphosphorylierung von Cav1. Eine Analyse möglicher Interaktionspartner von phosphoryliertem Cav1 zeigte eine direkte Interaktion mit Vav2. Sowohl Vav2 als auch sein Substrat, die kleine GTPase RhoA, blockieren die Aufnahme von Bakterien in die in Wirtszellen. Die Aktivierung von RhoA nach P+GC Infektion erfordert die Expression von Cav1, was auf einen Cav1-Vav2-RhoA Signalweg hindeutet. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit sechs neue, eine SH2-Domäne-beinhaltende Interaktionspartner von phosphoryliertem Cav1 identifiziert. / Neisseria gonorrhoeae causes the sexually transmitted disease gonorrhea and colonizes mucosal epithelia of the human urogenital tract. The early stages of infection with piliated N. gonorrhoeae (P+GC) are characterized by Tfp-mediated adherence to host cells, followed by formation of bacterial microcolonies on the surface of host cells. This study provides evidence that host cell participation is required for the efficient formation of extracellular microcolonies during Neisseria infection. P+GC infecting fixed host cells demonstrate altered motility and delayed microcolony formation compared to infecting living host cells. Cortical actin and various signal transducing proteins are recruited to the site of bacterial attachment within host cells, one of them being the major structural protein of plasma membrane caveolae, Caveolin-1 (Cav1). Down-regulation of Cav1 results in increased uptake of P+GC into host cells whereas expression of the protein in Cav1-negative cells blocks bacterial internalization. Host cell entry results in decreased viability of internalized bacteria over time. Cav1 recruitment is demonstrated to be an immediate and continuous cellular response to P+GC infection that involves Cav1 phosphorylation on its tyrosine 14 residue. Prevention of bacterial uptake mediated by Cav1 as well as tight association of Cav1 with the cytoskeleton also requires tyrosine phosphorylation. A broad analysis of interaction partners of phosphorylated Cav1 revealed a direct interaction with the Rho-family guanine nucleotide exchange factor Vav2. Both Vav2 and its substrate, the small GTPase RhoA, are involved in preventing bacterial uptake and RhoA activation after P+GC infection requires Cav1 expression, thus providing evidence for a Cav1-Vav2-RhoA signaling cascade. Moreover, six novel SH2-domain containing interaction partners of tyrosine phosphorylated Cav1 have been identified, all of which have been implicated in modulating the cytoskeleton.

Le NGF est reconnu, et le signal qu’il véhicule est donc médié, par deux récepteurs membranaires : p75NTR et TrkA. Il a été démontré qu’au niveau de la membrane, p75NTR et TrkA sont localisées dans les radeaux membranaires, des microdomaines caractérisés par la présence de protéines cavéolines (Cav-1 et/ou Cav-2). Dans le présent travail, nous avons constaté que la surexpression de Cav-1 dans les neurones des ganglions de la racine dorsale diminue l’extension des neurites. De la même manière, la surexpression de Cav-1 dans les cellules PC12 inhibe les réponses cellulaires déclenchées par l’exposition au NGF. L’activation des effecteurs situés en aval de TrkA n’est pas inhibée. L’expression de Cav-1 provoque une inhibition de la sortie du récepteur des radeaux accompagné par la rétention au niveau de la surface cellulaire, des effecteurs situés en aval incluant Rsk2 phosphorylé. Dans le même temps, la présence de formes phosphorylées de CREB n’est plus détectable. En revanche, la surexpression de Cav-2 potentialise la différenciation des cellules induite par le NGF, ce qui est associé à une activation prolongée des effecteurs situés en aval et à une internalisation des récepteurs. Ces différents effets pourraient être dû à la localisation des cavéolines, qui résulte en une perturbation du microenvironnement des cellules et donc de la signalisation du NGF. En outre, l’expression d’une Cav-1 mutée sur la sérine 80 (S80V) dans des cellules PC12, ne gêne ni le trafic ni la signalisation de TrkA. Au contraire elles se comportent de façon semblable à des cellules Cav-2. Ces études soulignent également le rôle potentiel de Cav-1 et ses mutations dans des cancers NGF-dépendantes. / At the plasma membrane, both NGF receptors have been shown to localized to lipid rafts, specific subdomains that are enriched in cholesterol, sphingolipids and the presence of caveolin proteins (Cav1 and/or Cav2). The focus of this work is on this membrane microenvironment mediated modulation of NGF signaling which via two receptors: p75NTR and TrkA. In the present work we found that overexpression of Cav-1 in mouse dorsal root ganglia neurons significantly impacted neurite extension. Similarly, overexpression of Cav-1 in PC12 cells strongly inhibits their ability to grow neurites in response to NGF. It inhibits NGF signaling without, impairing transient MAPK pathway activation. Rather, it does so by sequestering NGF receptors in lipid rafts, which correlates with the cell surface localization of downstream effectors, and phosphorylated-Rsk2, resulting in the prevention of the phosphorylation of CREB. By contrast, overexpression of Cav-2 potentiates NGF induced differentiation, which is accompanied by sustained activation of downstream effectors, and standard internalization of the receptors. This differential effect could be due to the different localization of Caveolins, that modifies the microenvironment, thereby affecting NGF signaling. Furthermore, PC12 cells expressing the non-phosphorylatable Cav-1 mutant (S80V), neither TrkA trafficking or CREB phosphorylation are inhibited and the response resembles that observed in Cav-2 expressing PC12 cells. These studies underline the interplay between caveolins and NGF signalling, offering insight into the potential impact of Caveolin-1 and mutations thereof in certain cancers where NGF signaling is involved.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die purinergen Rezeptoren P2X4R und P2X7R. Die P2XR werden durch ATP aktiviert und stellen unselektive Kationenkanäle dar, die auch für Ca2+ durchlässig sind. Beiden P2XR-Subtypen werden in den Alveolarepithel Typ I (AT I)-Zellen der Lunge exprimiert und aufgrund ihrer Kanalaktivitäten in Zusammenhang mit der alveolären Flüssigkeitshomöostase gebracht. Bei bisherigen Untersuchungen wurde jedoch die mögliche Assoziation und Modulation der P2XR durch Mikrodomänen der Zellmembran außer Acht gelassen. Ein Modell von Garcia-Marcos zeigt, dass P2X7R in Zellen der Glandula submandibularis zum Teil mit Mikrodomänen assoziiert ist. Die funktionellen Eigenschaften von P2X7R sind dabei von der Lokalisation in der Zellmembran abhängig (Garcia-Marcos et al., 2006). Die Caveolen sind eine spezielle Form von Mikrodomänen, die in der Zellmembran der AT I-Zellen auftreten. Das Hauptstrukturprotein der Caveolen im Lungenepithel ist Caveolin-1 (Cav-1). Über die Verteilung von P2X4R und P2X7R in den AT I-Zellen war bislang sehr wenig bekannt. Unsere Arbeitsgruppe identifizierte bei einer Sequenzanalyse potentielle Cav-1-Bindemotive in der Aminosäureabfolge beider P2XR (Couet et al., 1997). Die Assoziation mit den Caveolen würde die P2XR in die räumliche Nähe verschiedener Signalmoleküle bringen und die Beteiligung an downstream Events ermöglichen. Für die folgenden Analysen wurde die Alveolarepithelzelllinie E10 genutzt, da die E10-Zellen AT I-typische Eigenschaften besitzen und P2X4R, P2X7R sowie die Caveoline Cav-1 und Cav-2 aufweisen. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen der Zellmembran sowie die wechselseitige Beziehung der P2XR. Besonders wurde dabei auf die Assoziation der P2XR mit Cav-1 eingegangen. Zusätzlich wurde in vitro die Interaktion der C-terminalen Bereiche der beiden P2XR mit Membranlipiden untersucht. Einige Membranlipide sind eng mit weiteren Signalmolekülen verknüpft. Aus diesem Grund wurde die Auswirkungen der Reduzierung von P2X4R und P2X7R auf den Proteingehalt der Ca2+-aktivierbaren downstream-Effektoren PKCβI und CaM analysiert. Die Auswertungen der Ergebnisse ergaben Folgendes: P2X4R und P2X7R sind Subtyp-spezifisch in den Mikrodomänen der Zellmembran von E10-Zellen verteilt. Mit Hilfe von biochemischen und immunfluoreszenz-mikroskopischen Methoden konnte die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen nachgewiesen werden. P2X7R ist zum Teil mit Cav-1 assoziiert, wobei Förster Resonanz Energie Transfer (FRET)-Analysen ergaben, dass beide Proteine partiell einen Abstand von kleiner als 10 nm zueinander aufweisen. Durch die Subtyp-spezifische Verteilung könnte die Funktionalität der P2XR-Subtypen spezifisch durch die Bestandteile der Mikrodomänen moduliert und reguliert werden (Martens et al., 2001). P2X4R und P2X7R sind in hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert. Die Ausbildung von hochmolekularen Proteinkomplexen wird in Zusammenhang mit der Assoziation von Proteinen mit Mikrodomänen diskutiert (Zurzolo et al., 2003). Die Untersuchung der molekularen Organisation von P2X4R und P2X7R in E10-Zellen mittels blue native- und high resolution clear native-PAGE zeigte, dass beide P2XR mit hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert sind. P2X7R konnte in drei Komplexen nachgewiesen werden. Im ersten Komplex von ~760 kDa liegt P2X7R mit Cav-1 assoziiert vor, während der dominant auftretende, zweite P2X7R-Subkomplex von ~580 kDa vermutlich nicht mit dem co-migrierten Cav-1/Cav-2-Komplex in Verbindung steht. Der dritte P2X7R-assoziierte Komplex war zusammen mit P2X4R bei ~430 kDa nachweisbar und Immunpräzipitationen bestätigten, dass P2X4R und P2X7R in einem Komplex miteinander assoziiert sind (Weinhold et al., 2010). P2X4R und P2X7R stehen in Wechselbeziehung zueinander. Diese Ergebnisse der siRNA-induzierte Herabregulation von P2X4R und P2X7R lassen vermuten, dass die beiden Rezeptoren direkt oder indirekt miteinander verbunden sind. So führte die Reduzierung von P2X4R zur Erhöhung des P2X7R-Proteingehaltes. Dabei nimmt P2X7R in der Zellmembran zu und verändert seine Verteilung nicht. Umgekehrt nimmt der Proteingehalt von P2X4R in den E10-Zellen zu, wenn P2X7R herabreguliert wird. Die Zunahme von P2X4R in der Zellmembran konnte zwar durch die Biotinylierung der Oberflächenproteine nachgewiesen werden, aber die Verteilung von P2X4R verschob sich zugunsten des intrazellulären P2X4R-Anteils. Vermutlich führt die Reduzierung von P2X7R zu Störungen im exo-/endozytotischen System. Die wechselseitige Zunahme der P2XR in den Mikrodomänen weist zudem auf einen kompensatorischen Mechanismus hin. Negativ geladene Phospholipide interagieren direkt mit den C-terminalen Abschnitten der P2XR. Mit den in vitro Bindetests konnte gezeigt werden, dass die C-terminalen Enden von P2X4R und P2X7R direkt mit den negativ geladenen Phosphoinositiden PI(4)P, PI(4,5)P2, PI(3,4,5)P3 sowie mit Phosphatidsäure, Phosphatidylserin, Phosphatidylglycerol, Cardiolipin und 3 Sulfogalactosylceramid interagieren können. Die Regulation der P2XR durch diese Phospholipide, vor allem PI(4,5)P2, und die Beteiligung der P2XR an Lipid-vermittelten Signalwegen in Epithelzellen, stellen einen möglichen Link zu weiteren downstream-Signalen dar. Die Reduzierung von P2X7R beeinflusst den Proteingehalt der downstream-Effektoren PKCβI und CaM. Sowohl im Lungengewebe von P2rx7(-/-) Mäusen als auch nach der Reduzierung von P2X7R in den E10-Zellen zeigte sich, dass der Proteingehalt der Signalmoleküle PKCβI und CaM vermindert war. Reduzierung von P2X4R hatte dagegen kaum Einfluss auf PKCβI und führte zur Erhöhung des CaM-Proteingehaltes, vermutlich hervorgerufen durch die Zunahme von P2X7R. Beide downstream-Effektoren sind in Mikrodomänen (Caveolen) der Zellmembran lokalisiert und können sowohl durch Lipid-vermittelte Signale als auch durch einen Kanal-vermittelten Ca2+-Einstrom aktiviert und reguliert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigten, dass P2X4R und P2X7R in AT I-Zellen der Lunge nicht nur Kanaleigenschaften besitzen, sondern durch die Assoziation mit unterschiedlichen Mikrodomänen an verschiedene Signalwege gekoppelt sind. Trotzdem ist bisher wenig über die Funktionen der P2XR in AT I-Zellen hinsichtlich der Beteiligung an apoptotischen Prozessen, der Proliferation, der Differenzierung oder Migration und Wundheilung bekannt (Barth and Kasper, 2009). Aufgrund der komplexen Funktion, vor allem durch die Assoziation mit Cav-1 und der Wechselbeziehung mit dem P2X4R, wird der P2X7R für zukünftige Forschungen im alveolären Lungenepithel von Bedeutung sein. Barth K, Kasper M (2009) Membrane compartments and purinergic signalling: occurrence and function of P2X receptors in lung. FEBS J 276:341-353. Couet J, Li S, Okamoto T, Ikezu T, Lisanti MP (1997) Identification of peptide and protein ligands for the caveolin-scaffolding domain. Implications for the interaction of caveolin with caveolae-associated proteins. J Biol Chem 272:6525-6533. Garcia-Marcos M, Perez-Andres E, Tandel S, Fontanils U, Kumps A, Kabre E, Gomez-Munoz A, Marino A, Dehaye JP, Pochet S (2006) Coupling of two pools of P2X7 receptors to distinct intracellular signaling pathways in rat submandibular gland. J Lipid Res 47:705-714. Martens JR, Sakamoto N, Sullivan SA, Grobaski TD, Tamkun MM (2001) Isoform-specific localization of voltage-gated K+ channels to distinct lipid raft populations. Targeting of Kv1.5 to caveolae. J Biol Chem 276:8409-8414. Weinhold K, Krause-Buchholz U, Rödel G, Kasper M, Barth K (2010) Interaction and interrelation of P2X7 and P2X4 receptor complexes in mouse lung epithelial cells. Cell Mol Life Sci 67:2631-2642. Zurzolo C, van Meer G, Mayor S (2003) The order of rafts. Conference on microdomains, lipid rafts and caveolae. EMBO Rep 4:1117-1121.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die purinergen Rezeptoren P2X4R und P2X7R. Die P2XR werden durch ATP aktiviert und stellen unselektive Kationenkanäle dar, die auch für Ca2+ durchlässig sind. Beiden P2XR-Subtypen werden in den Alveolarepithel Typ I (AT I)-Zellen der Lunge exprimiert und aufgrund ihrer Kanalaktivitäten in Zusammenhang mit der alveolären Flüssigkeitshomöostase gebracht. Bei bisherigen Untersuchungen wurde jedoch die mögliche Assoziation und Modulation der P2XR durch Mikrodomänen der Zellmembran außer Acht gelassen. Ein Modell von Garcia-Marcos zeigt, dass P2X7R in Zellen der Glandula submandibularis zum Teil mit Mikrodomänen assoziiert ist. Die funktionellen Eigenschaften von P2X7R sind dabei von der Lokalisation in der Zellmembran abhängig (Garcia-Marcos et al., 2006). Die Caveolen sind eine spezielle Form von Mikrodomänen, die in der Zellmembran der AT I-Zellen auftreten. Das Hauptstrukturprotein der Caveolen im Lungenepithel ist Caveolin-1 (Cav-1). Über die Verteilung von P2X4R und P2X7R in den AT I-Zellen war bislang sehr wenig bekannt. Unsere Arbeitsgruppe identifizierte bei einer Sequenzanalyse potentielle Cav-1-Bindemotive in der Aminosäureabfolge beider P2XR (Couet et al., 1997). Die Assoziation mit den Caveolen würde die P2XR in die räumliche Nähe verschiedener Signalmoleküle bringen und die Beteiligung an downstream Events ermöglichen. Für die folgenden Analysen wurde die Alveolarepithelzelllinie E10 genutzt, da die E10-Zellen AT I-typische Eigenschaften besitzen und P2X4R, P2X7R sowie die Caveoline Cav-1 und Cav-2 aufweisen. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen der Zellmembran sowie die wechselseitige Beziehung der P2XR. Besonders wurde dabei auf die Assoziation der P2XR mit Cav-1 eingegangen. Zusätzlich wurde in vitro die Interaktion der C-terminalen Bereiche der beiden P2XR mit Membranlipiden untersucht. Einige Membranlipide sind eng mit weiteren Signalmolekülen verknüpft. Aus diesem Grund wurde die Auswirkungen der Reduzierung von P2X4R und P2X7R auf den Proteingehalt der Ca2+-aktivierbaren downstream-Effektoren PKCβI und CaM analysiert. Die Auswertungen der Ergebnisse ergaben Folgendes: P2X4R und P2X7R sind Subtyp-spezifisch in den Mikrodomänen der Zellmembran von E10-Zellen verteilt. Mit Hilfe von biochemischen und immunfluoreszenz-mikroskopischen Methoden konnte die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen nachgewiesen werden. P2X7R ist zum Teil mit Cav-1 assoziiert, wobei Förster Resonanz Energie Transfer (FRET)-Analysen ergaben, dass beide Proteine partiell einen Abstand von kleiner als 10 nm zueinander aufweisen. Durch die Subtyp-spezifische Verteilung könnte die Funktionalität der P2XR-Subtypen spezifisch durch die Bestandteile der Mikrodomänen moduliert und reguliert werden (Martens et al., 2001). P2X4R und P2X7R sind in hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert. Die Ausbildung von hochmolekularen Proteinkomplexen wird in Zusammenhang mit der Assoziation von Proteinen mit Mikrodomänen diskutiert (Zurzolo et al., 2003). Die Untersuchung der molekularen Organisation von P2X4R und P2X7R in E10-Zellen mittels blue native- und high resolution clear native-PAGE zeigte, dass beide P2XR mit hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert sind. P2X7R konnte in drei Komplexen nachgewiesen werden. Im ersten Komplex von ~760 kDa liegt P2X7R mit Cav-1 assoziiert vor, während der dominant auftretende, zweite P2X7R-Subkomplex von ~580 kDa vermutlich nicht mit dem co-migrierten Cav-1/Cav-2-Komplex in Verbindung steht. Der dritte P2X7R-assoziierte Komplex war zusammen mit P2X4R bei ~430 kDa nachweisbar und Immunpräzipitationen bestätigten, dass P2X4R und P2X7R in einem Komplex miteinander assoziiert sind (Weinhold et al., 2010). P2X4R und P2X7R stehen in Wechselbeziehung zueinander. Diese Ergebnisse der siRNA-induzierte Herabregulation von P2X4R und P2X7R lassen vermuten, dass die beiden Rezeptoren direkt oder indirekt miteinander verbunden sind. So führte die Reduzierung von P2X4R zur Erhöhung des P2X7R-Proteingehaltes. Dabei nimmt P2X7R in der Zellmembran zu und verändert seine Verteilung nicht. Umgekehrt nimmt der Proteingehalt von P2X4R in den E10-Zellen zu, wenn P2X7R herabreguliert wird. Die Zunahme von P2X4R in der Zellmembran konnte zwar durch die Biotinylierung der Oberflächenproteine nachgewiesen werden, aber die Verteilung von P2X4R verschob sich zugunsten des intrazellulären P2X4R-Anteils. Vermutlich führt die Reduzierung von P2X7R zu Störungen im exo-/endozytotischen System. Die wechselseitige Zunahme der P2XR in den Mikrodomänen weist zudem auf einen kompensatorischen Mechanismus hin. Negativ geladene Phospholipide interagieren direkt mit den C-terminalen Abschnitten der P2XR. Mit den in vitro Bindetests konnte gezeigt werden, dass die C-terminalen Enden von P2X4R und P2X7R direkt mit den negativ geladenen Phosphoinositiden PI(4)P, PI(4,5)P2, PI(3,4,5)P3 sowie mit Phosphatidsäure, Phosphatidylserin, Phosphatidylglycerol, Cardiolipin und 3 Sulfogalactosylceramid interagieren können. Die Regulation der P2XR durch diese Phospholipide, vor allem PI(4,5)P2, und die Beteiligung der P2XR an Lipid-vermittelten Signalwegen in Epithelzellen, stellen einen möglichen Link zu weiteren downstream-Signalen dar. Die Reduzierung von P2X7R beeinflusst den Proteingehalt der downstream-Effektoren PKCβI und CaM. Sowohl im Lungengewebe von P2rx7(-/-) Mäusen als auch nach der Reduzierung von P2X7R in den E10-Zellen zeigte sich, dass der Proteingehalt der Signalmoleküle PKCβI und CaM vermindert war. Reduzierung von P2X4R hatte dagegen kaum Einfluss auf PKCβI und führte zur Erhöhung des CaM-Proteingehaltes, vermutlich hervorgerufen durch die Zunahme von P2X7R. Beide downstream-Effektoren sind in Mikrodomänen (Caveolen) der Zellmembran lokalisiert und können sowohl durch Lipid-vermittelte Signale als auch durch einen Kanal-vermittelten Ca2+-Einstrom aktiviert und reguliert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigten, dass P2X4R und P2X7R in AT I-Zellen der Lunge nicht nur Kanaleigenschaften besitzen, sondern durch die Assoziation mit unterschiedlichen Mikrodomänen an verschiedene Signalwege gekoppelt sind. Trotzdem ist bisher wenig über die Funktionen der P2XR in AT I-Zellen hinsichtlich der Beteiligung an apoptotischen Prozessen, der Proliferation, der Differenzierung oder Migration und Wundheilung bekannt (Barth and Kasper, 2009). Aufgrund der komplexen Funktion, vor allem durch die Assoziation mit Cav-1 und der Wechselbeziehung mit dem P2X4R, wird der P2X7R für zukünftige Forschungen im alveolären Lungenepithel von Bedeutung sein. Barth K, Kasper M (2009) Membrane compartments and purinergic signalling: occurrence and function of P2X receptors in lung. FEBS J 276:341-353. Couet J, Li S, Okamoto T, Ikezu T, Lisanti MP (1997) Identification of peptide and protein ligands for the caveolin-scaffolding domain. Implications for the interaction of caveolin with caveolae-associated proteins. J Biol Chem 272:6525-6533. Garcia-Marcos M, Perez-Andres E, Tandel S, Fontanils U, Kumps A, Kabre E, Gomez-Munoz A, Marino A, Dehaye JP, Pochet S (2006) Coupling of two pools of P2X7 receptors to distinct intracellular signaling pathways in rat submandibular gland. J Lipid Res 47:705-714. Martens JR, Sakamoto N, Sullivan SA, Grobaski TD, Tamkun MM (2001) Isoform-specific localization of voltage-gated K+ channels to distinct lipid raft populations. Targeting of Kv1.5 to caveolae. J Biol Chem 276:8409-8414. Weinhold K, Krause-Buchholz U, Rödel G, Kasper M, Barth K (2010) Interaction and interrelation of P2X7 and P2X4 receptor complexes in mouse lung epithelial cells. Cell Mol Life Sci 67:2631-2642. Zurzolo C, van Meer G, Mayor S (2003) The order of rafts. Conference on microdomains, lipid rafts and caveolae. EMBO Rep 4:1117-1121.

Hypothèse : Notre équipe étudie le rôle, mal connu, du trafic membranaire dans le contrôle de l’activation de la voie de signalisation JAK/STAT par les interférons (IFN), une voie clé du contrôle des processus cancéreux. La liaison de l’IFN-a à son récepteur IFNAR active les kinases JAK1 et TYK2 puis des transducteurs de signal comme STAT1, antiprolifératif, ou STAT3, qui a un pouvoir oncogénique. Le laboratoire a démontré récemment que le trafic membranaire d’IFNAR détermine la spécificité du signal des différents IFNs.L’objet de cette thèse est l’étude du rôle des cavéoles dans ce contrôle. Les cavéoles sont des invaginations membranaires enrichies en cholestérol et glycosphingolipides, formées par l’oligomérisation de la cavéoline1 (Cav1). Les cavéoles ou le gène CAV1 ont souvent été associés à la progression tumorale, notamment des cellules mammaires, mais ce rôle reste énigmatique et controversé. Le fait que IFNAR ait été détecté par biochimie dans des fractions de membrane enrichies en cholestérol et positives pour la cavéoline-1 chez la souris et le fait que l’expression du gène CAV1 ait été corrélée à l’action antitumorale de l’IFNa nous ont conduit à étudier le rôle des cavéoles dans l’action antitumorale des IFNs.Résultats: Le rôle putatif des cavéoles sur le contrôle de la voie JAK/STAT a été étudié dans des cellules murines MLEC n’exprimant pas Cav1 et dans des lignées humaines par interférence ARN contre Cav1. Nous avons pu démontrer que la présence de Cav1 régule de manière opposée deux étapes de la voie de signalisation de STAT3 activée par l’IFN-a. Par contre, ni l’activation de STAT1 par l’IFN-a ni celle de STAT3 par les autres IFNs ne nécessitent Cav1. Parallèlement, le laboratoire a montré que les cavéoles jouent un rôle capital dans la réponse cellulaire aux stress mécaniques en se dépliant lors d’un étirement membranaire, ce qui amortit la tension membranaire. Nous montrons qu’un tel stress mécanique par étirement module spécifiquement la signalisation de STAT3 par l’IFN-a d’une manière dépendante de Cav1 dans les cellules MLEC, suggérant pour la première fois un rôle de STAT3 et de l’IFN-a dans la mécanotransduction dépendante des cavéoles. Ce résultat permet aussi de relier les contraintes mécaniques présentes dans la masse tumorale et leur effet sur la progression tumorale. Perspectives : Les IFNs et la voie JAK/STAT sont bien caractérisés pour leur action antiproliférative, mais si l’IFN-a est utilisé en thérapeutique oncologique, les mécanismes de l’effet antitumoral sont mal connus. Nos résultats impliquent pour la première fois les cavéoles dans l’activation sélective du proto-oncogène STAT3 par l’IFN-a et proposent STAT3 comme un des nouveaux acteurs de la mécanotransduction par les cavéoles. Elucider les mécanismes moléculaires mis en jeu dans ces deux fonctions inédites des cavéoles devrait permettre d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques dans la progression tumorale. / Hypothesis: Our team studies the poorly investigated role of membrane trafficking in the control of the activation of the JAK / STAT signaling pathway by interferons (IFN), a key mechanism in the control of tumorigenesis. The binding of the IFN-a to its receptor IFNAR activates the kinases JAK1 and TYK2 and then, signal transducers and activators of transcription including the antiproliferative STAT1 or the oncogenic STAT3. The laboratory demonstrated recently that the trafficking of IFNAR at the plasma membrane determines the signal specificity of the various IFNs.The goal of this thesis was to study the role of caveolae in this control. Caveolae are specialized membrane invaginations enriched in cholesterol and glycosphingolipids, formed by the oligomerization of their main structural protein, caveolin-1 (Cav1). Caveolae or the CAV1 gene have often been associated with tumorigenesis, in particular in mammary cancer cells, but this role remains enigmatic and controversial. The fact that IFNAR was previously found in Cav1-positive lipid microdomains and the fact that the expression of the CAV1 gene had been functionally linked to the antitumoral function of IFN-a led us to investigate the role of caveolae in the antitumoral function of the IFNs.Results: The putative role of caveolae in the control of the JAK / STAT signaling pathway have been studied in murine lung endothelial MLEC cells that do not express Cav1 and in a human lineage by RNA interference against Cav1. We were able to demonstrate that the presence of Cav1 regulates in an opposite manner two stages of the signaling pathway of STAT3 activated by the IFN-a whereas the activation of STAT1 by IFN-a, or STAT3 by the other type I and II IFNs do not require Cav1.At the same time, the laboratory showed that caveolae play a major role in the cellular answer to mechanical stress by flattening during a membrane stretching, thus buffering the membrane tension. We show that mechanical stress by uniaxial cell stretching modulates specifically the signaling pathway of STAT3 activated by the IFN-a in a Cav1-dependant manner in MLEC cells. This result suggests for the first time a role of STAT3 and of IFN-a in caveolae-driven mechanotransduction. This result also allows us to link the mechanical constraints found in the tumoral mass to their effect on tumorigenesis.Prospects:The IFNs and the JAK / STAT signaling pathway protect the cells from tumorigenesis, but although IFN-a is used in oncology, the mechanisms of its antitumoral effect are poorly known. Our results involve for the first time caveolae in the selective activation of the proto-oncogenic STAT3 by the IFN-a and allow us to propose STAT3 and the IFN-a as new actors of the mechanotransduction by caveolae. Clarifying the molecular mechanisms involved in these two new functions of caveolae should allow us to identify new therapeutic targets in tumorigenesis.

Background: The incidence of coronary heart diseases, including atherosclerosis, increases with ageing. The factors which influence arterial function, and which may be changed with ageing, are multiple but effects of perivascular adipose tissue (PVAT) on large arteries have not previously been considered. A key role for nitric oxide (NO) in mediating the anti-contractile capacity of PVAT has been suggested. Caveolin-1 (Cav-1) modulates the production of NO in vivo by tonic inhibition of eNOS. The influence of aortic PVAT and the contribution of NO to vascular reactivity in ageing C57BL/6 mice, atherosclerotic ApoE knockout mice (ApoE-/-), Cav-1 knockout mice (Cav-1-/-) and atheroprotected ApoECav-1 double knockout mice (ApoE-/-Cav-1-/-) is unknown. Hypothesis: The influence of PVAT on vascular function is modulated by ageing and the development of atherosclerosis via NO bioavailability. Methods: Male mice were used in this study. C57BL/6 mice were obtained at 4 weeks of age and maintained on a normal rodent diet (ND) for 8, 16 or 26 weeks. ApoE-/- and Cav-1-/- mice were bred from in-house colonies and ApoE-/-Cav-1-/- mice were generated by interbreeding ApoE-/- and Cav-1-/- mice. Upon weaning, ApoE-/-, Cav-1-/- and ApoE-/-Cav-1-/- mice were maintained on either a ND or Western-type diet (WD) for 8, 16 or 26 weeks. Vascular reactivity studies on isolated aortic ring preparations were performed in the presence or absence of PVAT. The contribution of NO to the vascular reactivity of aortic PVAT was determined using pharmacological inhibition of NO synthase. Aortic PVAT was assessed for evidence of morphological and/or compositional changes associated with ageing or a WD. Results: NO mediated an anti-contractile effect of aortic PVAT in C57BL/6 mice fed a ND up to 16 weeks. The anti-contractile capacity of aortic PVAT was lost after 26 weeks on a ND and preceded endothelial dysfunction. Loss of the PVAT anti-contractile effect was accompanied by alterations in PVAT morphology and composition. Aortic PVAT from ND-fed ApoE-/- mice was dysfunctional and did not exert an anti-contractile effect. Furthermore, a WD did not alter the influence of PVAT on vascular reactivity in ApoE-/- mice and PVAT morphology and composition was unchanged. NOS inhibition did not alter the contractile responses. The aortic PVAT of ND-fed Cav-1-/- mice did not exert an anti-contractile effect and PVAT composition was unchanged with increasing age. However, after 26 weeks on a WD, aortic PVAT from Cav-1-/- mice potentiated contractions to phenylephrine and white adipocyte hypertrophy was observed. NOS inhibition revealed a pro-contractile effect of aortic PVAT from Cav-1-/- mice. Loss of Cav-1-/- conferred significant protection against the development of atherosclerosis in WD-fed ApoE-/-Cav-1-/- mice despite a proatherogenic lipid profile. Aortic PVAT from ND-fed ApoE-/-Cav-1-/- mice did not exhibit an anti-contractile capacity and PVAT morphology was unchanged with ageing. Additionally, a WD did not influence the effect of PVAT on vascular reactivity in ApoE-/-Cav-1-/- mice although white adipocyte hypertrophy was observed after 26 weeks of high fat feeding. NOS inhibition revealed a pro-contractile effect of aortic PVAT in 8-week ND-fed ApoE-/-Cav-1-/- mice. Conclusions: This work has produced novel insights into the influence of aortic PVAT and NO on vascular reactivity and the morphology of aortic PVAT in ageing C57BL/6 mice, atherosclerotic ApoE-/- mice, Cav-1-/- mice and athero-protected ApoE-/-Cav-1-/- double knockout mice. Ageing to pre-middle age in C57BL/6 mice results in a loss of the anti-contractile effect of PVAT prior to endothelial dysfunction. This is associated with altered NO bioavailability and changes to the morphology and composition of PVAT. This may reveal potential therapeutic targets to restore the anti-contractile capacity of PVAT if comparable age-related PVAT dysfunction is observed in humans. Aortic PVAT of ApoE-/- mice does not exert an anti-contractile effect which may be attributed to decreased basal eNOS activity. A WD does not alter the vascular reactivity of PVAT. In addition, aortic PVAT from Cav-1-/- mice does not exhibit an anti-contractile capacity yet it exerts a pro-contractile effect after 26 weeks on a WD. The aortic PVAT of ApoE-/-Cav-1-/- mice does not modulate vascular reactivity and this is unaltered with feeding of a WD although white adipocyte hypertrophy was observed within the PVAT. The critical role of Cav-1 in the initiation and progression of atherosclerosis is reinforced by the atheroprotected phenotype of the ApoE-/-Cav-1-/- mice even though a severely proatherogenic lipid profile is observed in both the ND and WD-fed mice. Therapeutically targeting LDL transcytosis into the arterial wall could potentially prevent or halt the development of atherosclerosis. Aortic PVAT of ND-fed Cav-1-/- and ApoE-/-Cav-1-/- mice may not be dysfunctional but unable to modulate vascular reactivity due to attenuated vasoconstrictor responses of PVAT-denuded aortic rings as a result of excess NO, although this requires further investigation.

There is a large variety of diseases caused by single-gene mutations. Although most of these conditions are rare, together they impose a significant burden to the population. This thesis describes clinical and genetic studies of two single-gene diseases: 1) Adult-onset autosomal dominant leukodystrophy with autonomic symptoms (ADLD) caused by LMNB1 gene duplications, and characterized by autonomic, pyramidal and cerebellar symptoms. Spinal cords of patients with ADLD were studied by MRI and found to be thin, with high signal intensity in white matter. Histopathology showed loss of myelinated fibres with some reactive gliosis. DNA samples from four different families with ADLD were obtained, and the LMNB1 gene was screened for duplications. Single nucleotide polymorphism array revealed LMNB1 duplications in all ADLD families. LMNB1 mRNA and protein levels were assessed in white blood cells using quantitative polymerase chain reaction and Western blot, and increased levels of LMNB1 mRNA and lamin B1 protein could be demonstrated. We concluded that spinal cord atrophy in patients with ADLD is a valuable differential diagnostic sign, and that increased levels of LMNB1 can be detected in peripheral blood. 2) Rippling muscle disease (RMD) is caused by CAV3 gene mutations. Clinical features are percussion-induced muscle mounding, –rapid contractions and undulating muscle contractions (rippling). The CAV3 gene was sequenced in 38 members of a family with RMD. Twenty-two individuals had clinical features of RMD. No muscle weakness was seen. All patients with signs of RMD carried the p.A46T CAV3 mutation, showing that the p.A46T mutation was benign and that the diagnosis can be made clinically. In vitro contracture test results from 10 of the subjects were collected, but no association between pathological test results and RMD was found.