Cancer is an ongoing problem all over the world. To find a cure to this disease, both clinicians and scientists are looking for a reasonable treatment method. According to Hanahan and Weinberg, one of the hallmarks of cancer is evasion of programmed cell death, referred to as apoptosis. Apoptosis is an important cellular process, and is regulated by many different pathways. Proteins in these pathways contribute to either cell death or cell survival depending on the cell stresses. Much research in systems biology has been devoted to understanding these pathways at the molecular level. In this study a mathematical model is built to describe apoptosis, and the pathways involving the related proteins p53 and Akt. The primary purpose of the construction of the kinetic model is to verify that this network can exhibit bistability between cell survival and cell death. Sensitivity and bifurcation analysis are conducted to determine which parameters have the greatest effect on the system behavior.

Cancer is an ongoing problem all over the world. To find a cure to this disease, both clinicians and scientists are looking for a reasonable treatment method. According to Hanahan and Weinberg, one of the hallmarks of cancer is evasion of programmed cell death, referred to as apoptosis. Apoptosis is an important cellular process, and is regulated by many different pathways. Proteins in these pathways contribute to either cell death or cell survival depending on the cell stresses. Much research in systems biology has been devoted to understanding these pathways at the molecular level. In this study a mathematical model is built to describe apoptosis, and the pathways involving the related proteins p53 and Akt. The primary purpose of the construction of the kinetic model is to verify that this network can exhibit bistability between cell survival and cell death. Sensitivity and bifurcation analysis are conducted to determine which parameters have the greatest effect on the system behavior.

CD97 gehört zur Familie der Adhäsions-G-Protein gekoppelten Rezeptoren (aGPCR), die aus einem langen extrazellulären N-terminalen Fragment (NTF) und einem nicht-kovalent gekoppelten C-terminalen Fragment (CTF) mit der sieben-transmembranären (TM7) Region und dem intrazellulären Teil bestehen. CD97 wird in malignen Tumoren exprimiert. In der humanen Fibrosarkomzelllinie HT1080 steigert die stabile Überexpression von CD97 die ungerichtete zweidimensionale (2D) Migration einzelner Zellen. Eine Verkürzung von CD97 im CTF auf zwei transmembranäre (TM2) Domänen führt zu einer Suppression der 2D-Migration im Vergleich zu stabil mock-transfektierten HT1080 Kontrollzellen. Wahrscheinlich supprimiert CD97/TM2 die endogene CD97-Wirkung. Unbekannt ist, welche Signalwege durch CD97-Überexpression in HT1080 reguliert werden und welche Signalwege für die Migrationssteigerung von HT1080 verantwortlich sind. Die Klärung dieser Signalwege ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Phosphorylierung von Proteinkinasen ist eine posttranslationale Modifikation zur Regulation der Kinaseaktivität mit nachfolgender Aktivierung oder Inaktivierung eines Signalweges. Daher sind Expression und Phosphorylierung der Proteinkinasen zur Identifikation regulierter Signalwege interessant. Dazu wurden in Lysaten von CD97/TM7, CD97/TM2 und mock-transfektierten HT1080 mittels Kinetworks Phosphosite Screen KPSS 1.3 Profiling (Multi-Immunoblot™) 37 verschiedene Proteinphosphorylierungen untersucht und regulierte Signalwege identifiziert. An 25 Phosphorylierungsstellen erfolgt eine Regulation durch CD97. Anschließend wurden die Ergebnisse der interessantesten Proteine hinsichtlich ihrer Expression und Phosphorylierung im Western Blot verifiziert und um Proteine erweitert, die klassisch an der Regulation der Zellmigration beteiligt sind. Es zeigt sich eine Aktivierung des PI3-Kinase/Akt-Signalweges und eine Inhibierung von Src durch CD97. 2D-Migrationsversuche von HT1080 CD97/TM7, CD97/TM2 und mock mit spezifischen Inhibitoren gegen den PI3-Kinase/Akt-Signalweg und gegen Src bestätigen, dass diese Kinasen an der CD97-induzierten Steigerung der 2D-Migration beteiligt sind. Weiterhin finden sich Hinweise, dass in HT1080 CD97 die Apoptose hemmt und die Proliferation reguliert. Insgesamt wird in dieser Arbeit ein Überblick über die durch CD97 regulierten Signalwege gegeben. Die CD97-gesteigerte 2D-Migration von HT1080 wird durch eine Aktivierung des PI3-Kinase/ Akt-Signalweges und Inhibierung von Src vermittelt.

CD97 gehört zur Familie der Adhäsions-G-Protein gekoppelten Rezeptoren (aGPCR), die aus einem langen extrazellulären N-terminalen Fragment (NTF) und einem nicht-kovalent gekoppelten C-terminalen Fragment (CTF) mit der sieben-transmembranären (TM7) Region und dem intrazellulären Teil bestehen. CD97 wird in malignen Tumoren exprimiert. In der humanen Fibrosarkomzelllinie HT1080 steigert die stabile Überexpression von CD97 die ungerichtete zweidimensionale (2D) Migration einzelner Zellen. Eine Verkürzung von CD97 im CTF auf zwei transmembranäre (TM2) Domänen führt zu einer Suppression der 2D-Migration im Vergleich zu stabil mock-transfektierten HT1080 Kontrollzellen. Wahrscheinlich supprimiert CD97/TM2 die endogene CD97-Wirkung. Unbekannt ist, welche Signalwege durch CD97-Überexpression in HT1080 reguliert werden und welche Signalwege für die Migrationssteigerung von HT1080 verantwortlich sind. Die Klärung dieser Signalwege ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Phosphorylierung von Proteinkinasen ist eine posttranslationale Modifikation zur Regulation der Kinaseaktivität mit nachfolgender Aktivierung oder Inaktivierung eines Signalweges. Daher sind Expression und Phosphorylierung der Proteinkinasen zur Identifikation regulierter Signalwege interessant. Dazu wurden in Lysaten von CD97/TM7, CD97/TM2 und mock-transfektierten HT1080 mittels Kinetworks Phosphosite Screen KPSS 1.3 Profiling (Multi-Immunoblot™) 37 verschiedene Proteinphosphorylierungen untersucht und regulierte Signalwege identifiziert. An 25 Phosphorylierungsstellen erfolgt eine Regulation durch CD97. Anschließend wurden die Ergebnisse der interessantesten Proteine hinsichtlich ihrer Expression und Phosphorylierung im Western Blot verifiziert und um Proteine erweitert, die klassisch an der Regulation der Zellmigration beteiligt sind. Es zeigt sich eine Aktivierung des PI3-Kinase/Akt-Signalweges und eine Inhibierung von Src durch CD97. 2D-Migrationsversuche von HT1080 CD97/TM7, CD97/TM2 und mock mit spezifischen Inhibitoren gegen den PI3-Kinase/Akt-Signalweg und gegen Src bestätigen, dass diese Kinasen an der CD97-induzierten Steigerung der 2D-Migration beteiligt sind. Weiterhin finden sich Hinweise, dass in HT1080 CD97 die Apoptose hemmt und die Proliferation reguliert. Insgesamt wird in dieser Arbeit ein Überblick über die durch CD97 regulierten Signalwege gegeben. Die CD97-gesteigerte 2D-Migration von HT1080 wird durch eine Aktivierung des PI3-Kinase/ Akt-Signalweges und Inhibierung von Src vermittelt.

<p>  </p> <p>Cyclic dinucleotides (CDNs) such as the bacterial CDNs (cyclic-di-AMP, cyclic-di-GMP and 3’3’cyclic GMP-AMP) and mammalian CDN, 2’3’-cGAMP, are essential immune response second messenger signaling molecules. These CDNs act via Stimulator of interferon genes (STING)-TANK Binding Kinase 1 (TBK1)-Interferon Regulatory Factor 3 (IRF3) pathway. However, data from our lab and others indicate that beyond the classical STING-TBK1-IRF3 pathway, CDNs also regulate other signaling axes related to both inflammatory and non-inflammatory pathways. But, a global view of how these CDNs affect signaling in diverse cells or through non-STING pathways is lacking. There is also paucity of data on CDN modulated kinases and no global assessment of phosphorylation events that follow cyclic GMP AMP synthase (cGAS)-STING axis stimulation in immune cells. Herein, I have used a proteomics approach to determine signaling pathways regulated by bacterial CDNs, c-di-GMP and c-di-AMP in human gingival fibroblasts such as pathways related to nucleotide excision repair (NER) which ordinarily do not channel through STING (Chapter 3). Additionally, with the use of phosphoproteomics and bioinformatics, this project accomplished a system-wide phosphorylation analyses of T cells treated with 2’3’cGAMP and showed that 2’3’cGAMP impact various, yet unreported critical kinases (E.g. LCK, ZAP70, ARG2) and signaling pathways important for T cell function (Chapter 4). Asides known interferon signaling, these differentially phosphorylated kinases were involved in T cell receptor (TCR) signaling, myeloid cell differentiation, cell cycle regulation, and regulation of double strand break repair. </p> <p>Another area of interest addressed by this project is the discovery of novel antibacterial agents against multi-drug resistant (MDR) bacteria. Thus, in Chapters 5 and 6, I show the identification, antibacterial activity and characterization of <strong>HSD1835</strong> and <strong>HSD1919 </strong>as novel SF5 and SCF-containing membrane active compounds, highly potent against preformed MDR biofilms with fast bactericidal activity against persister bacteria. Plus, an exciting addition to the fight against MDR bacteria in Chapter 7, the discovery of <strong>HSD1624</strong> and analogs, which are able to re-sensitize MDR and colistin resistant bacteria such as <em>Pseudomonas aeruginosa</em> from a colistin MIC of 1024 μg/mL to 0.03 μg/mL (64000-fold reduction). Ultimately, these compounds could be translated into anti-biofilm and, anti-MDR bacteria therapeutics, preventing repeated surgeries due to infections, and saving lives. </p>