Arrhythmogene Kardiomyopathie (ACM) ist eine genetische Herzerkrankung, die durch Herzinsuffizienz, ventrikuläre Arrhythmien und plötzlichen Herztod gekennzeichnet ist. Mutationen in desmosomalen Proteinen der Zelladhäsion, wie Plakophilin 2 (PKP2) und Plakoglobin (PG), sind die häufigste Ursache der familiären ACM. Wie gestörte Zelladhäsion zum ACM-Phänotyp führt, ist jedoch nur teilweise geklärt. Potentielle Mechanismen sind eine gestörte Kalzium-(Ca2+)-Homöostase, mitochondrialer oxidativer Stress und metabolische Störungen. Ziel dieser Studie ist es, die mitochondriale Energetik und die Ca2+ -Homöostase in kardio-restriktiven PKP2-Knockout-Mäusen (KO) im Alter von 4, 8 und 12 Wochen sowie in PG-Knockout- Mäusen im Alter von 6 Wochen zu untersuchen. Vier Wochen alte PKP2-KO-Mäuse zeigten frühe Anzeichen von ACM, während alle anderen Altersgruppen typische Kennzeichen von ACM rekapitulierten. Kontraktilität, die damit verbundenen Ca2+ - Transienten, der Redoxstatus und das mitochondriale Membranpotenzial (ΔΨm) isolierter Kardiomyozyten wurden mit einem IonOptix-System bei elektrischer und β- adrenerger Stimulation untersucht. Alle desmosomalen KO-Kardiomyozyten zeigten eine verringerte diastolische Sarkomerlänge, was auf eine diastolische Dysfunktion hinwies. In allen PKP2 KO Kardiomyozyten lag außerdem ein erhöhter intrazellulärer Ca2+ -Spiegel vor, während in den PG KO-Kardiomyozyten das intrazellulärer Ca2+ unverändert war. PKP2 KO- und PG KO-Kardiomyozyten wiesen keine Ca2+ - Sensibilisierung der Myofilamente auf. Zur weiteren Bewertung der mitochondrialen Funktion wurde eine hochauflösende Respirometrie in isolierten Herzmitochondrien bei gleichzeitiger Überwachung von ΔΨm in PKP2 KO und PG KO Mäusen durchgeführt, welche in allen Versuchs- und Kontrollgruppen vergleichbar war. Im Verlauf der Versuche blieb der Redoxstatus stabil und es konnte kein Exzess reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) festgestellt werden. Daraus konnte gefolgert werden, dass weder PKP2 KO noch PG KO-Mäuse eine beeinträchtigte mitochondriale Atmung aufwiesen. Diese Studie zeigt, dass isolierte PKP2 KO- oder PG KO-Kardiomyozyten EC-Kopplungsdefekte ohne mitochondriale Dysfunktion aufwiesen. Eine mitochondriale Dysfunktion konnte als treibender Faktor für die Progression des ACM- Phänotyps in den vorgestellten Mausmodellen ausgeschlossen werden. Weitere Studien sind erforderlich, um die mitochondriale Funktion im Zusammenhang mit ACM zu entschlüsseln. / Arrhythmogenic Cardiomyopathy (ACM) is a genetic heart disease characterized by cardiac failure, ventricular arrhythmias, and sudden cardiac death. Mutations in desmosomal cell adhesion proteins, such as plakophilin 2 (PKP2) and Plakoglobin (PG), are the most common cause of familial ACM. However, how disturbed cell adhesion leads to the ACM phenotype is only partially understood. Hypotheses include that disturbed cell adhesion and impaired calcium (Ca2+) homeostasis impact mitochondrial function as a source of oxidative stress, ultimately causing electrical instability and metabolic dysfunction. The goal of this study is to investigate mitochondrial energetics and Ca2+ homeostasis in cardio-restricted PKP2 knockout (KO) mice at the age of 4, 8 and 12 weeks and PG knockout mice at the age of 6 weeks, mimicking early to advanced disease states. Four-week-old PKP2 KO mice showed early signs of ACM while all other age groups recapitulated hallmarks of ACM: systolic dysfunction, right ventricular dilation, and cardiac fibrosis. Contractility associated Ca2+ transients, redox state, and mitochondrial membrane potential (ΔΨm) of isolated cardiomyocytes upon electrical and β-adrenergic stimulation were investigated with an IonOptix system. All age groups of PKP2 KO cardiomyocytes had decreased diastolic sarcomere length, indicating diastolic dysfunction, and elevated intracellular Ca2+ levels. 6-week-old PG KO cardiomyocytes showed a diastolic dysfunction in the same manner, while Ca2+ levels did not differ. In addition, no Ca2+ sensitization of myofilaments was detected in PKP2 KO or PG KO mice. To further assess mitochondrial function, high-resolution respirometry was performed with simultaneous monitoring of ΔΨm in isolated cardiac mitochondria from PKP2 KO and PG KO mice. For all groups and controls, addition of ADP increased O2 consumption and dissipated ΔΨm to a similar extent, implying that neither PKP2 KO nor PG KO mice exhibit impaired mitochondrial respiration. During the experiments, the redox status remained stable, and no excess of reactive oxygen species (ROS) was detected. This study demonstrates that isolated PKP2 or PG KO cardiomyocytes exhibit EC-coupling defects without mitochondrial dysfunction. Mitochondrial dysfunction can be excluded as the driving factor of ACM phenotype progression in the mouse models presented in this study. Further studies are needed to unravel ACM-related mitochondrial biology.

Ca2+ dependent cell adhesion molecules (cadherins) are central for a variety of cell and tissue functions such as morphogenesis, epithelial and endothelial barrier formation, synaptic function and cellular signaling. Of paramount importance for cadherin function is their specific extracellular adhesive trans-interaction. Cadherins are embedded in a cellular environment of intracellular and extracellular regulators that modify cadherin binding in response to various physiological and pathological stimuli. Most experimental approaches used for studying cadherin interaction however lack a physiological proof of principle mostly by not investigating cadherins in their physiological environment. In the present cumulative dissertation, experimental approaches were applied to characterize and modulate vascular endothelial (VE)-cadherin and desmocadherin functions in the (patho-)physiological contexts of endothelial permeability regulation and disturbance of epidermal barrier function, which is typical to the blistering skin disease pemphigus, respectively. Whereas VE-cadherin is a key regulator of the endothelial barrier that separates the blood compartment from the interstitial space of tissues, desmosomal cadherins are crucial for maintenance of epidermal integrity and separation of the external environment from the body’s internal milieu. Cadherin functions were both investigated in cell-free and cell-based conditions: by using biophysical single molecule techniques like atomic force microscopy (AFM), cadherin function could be investigated in conditions, where contributions of intracellular signaling were excluded. These experiments were, however, compared and combined with cell-based experiments in which cadherins of epidermal or endothelial cell cultures were probed by laser force microscopy (laser tweezers), fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and other techniques. The autoimmune blistering skin diseases pemphigus foliaceus (PF) and pemphigus vulgaris (PV) are caused by autoantibodies directed against the extracellular domains of the desmosomal cadherins desmoglein (Dsg) 1 and 3, which are important for epidermal adhesion. The mechanism of autoantibody-induced cell dissociation (acantholysis) in pemphigus, however, is still not fully understood. For the first time, it is shown by AFM force spectroscopy that pemphigus autoantibodies directly inhibit Dsg3 adhesion by steric hindrance but do not inhibit adhesion of Dsg1. However, the full pathogenicity of the autoantibodies depended on cellular signaling processes, since autoantibodies targeting Dsg1 also resulted in loss of cadherin-mediated adhesion in cell-based experiments. However, two other signaling pathways that have been reported to be involved in pemphigus pathogenesis, i.e. epidermal growth factor receptor (EGFR) and c-Src activation, were not found to be important in this context. Furthermore, peptide-based modulators of cadherin functions were generated for Dsg1/3 and VE-cadherin. By comparing Dsg1, Dsg3 and VE-cadherin sequences to published X-ray structures of cadherin trans-interactions, specific amino acid sequences of the binding pockets of these cadherins were identified. Peptide versions of these motifs were synthesized and the antagonistic functions of these “single peptides” were validated by AFM force spectroscopy as well as by cell-based assays. By linking two single peptides in tandem, stabilization of cadherin bonds because of by cross-bridge formation between trans-interacting cadherins was demonstrated. Protective effects of tandem peptides were shown by partly preventing pemphigus autoantibody-induced acantholysis, or in the case of VE-cadherin, by stabilizing endothelial barrier properties against barrier disrupting agents like the Ca2+ ionophore A23187 and an inhibitory VE-cadherin antibody. Most importantly, VE-cadherin tandem peptides abolished microvascular hyperpermeability induced by the physiologic inflammatory agent tumor necrosis factor-α in the rat mesentery in vivo. Both classes of tandem peptides therefore can be considered as a starting point for the generation of potential therapeutic agents that might prevent cell dissociation in pemphigus and breakdown of the endothelial barrier under inflammatory conditions. / Die Familie der Ca2+ - abhängigen Adhäsionsproteine (Cadherine) spielt eine zentrale Rolle bei elementaren zellulären, geweblichen und Entwicklungsprozessen. Eine in der vorliegenden kumulativen Dissertation untersuchte Funktion von Cadherinen ist ihre Rolle beim Aufbau und der Aufrechterhaltung der epidermalen Barriere der Haut und der endothelialen Barriere von Blutgefäßen. Cadherine vermitteln Adhäsion über die extrazelluläre Bindung mit Cadherinen auf der Zelloberfläche angrenzender Zellen. Die durch Cadherine vermittelte Zelladhäsion ist ein dynamischer Prozess, der durch extrazelluläre und intrazelluläre Modulatoren im Zusammenspiel mit vielfältigen physiologischen Prozessen reguliert wird. Vielen Experimentalsystemen fehlt der realistische physiologische und gewebliche Bezug zur funktionellen Bedeutung der untersuchten Eigenschaften der Cadherine. In der vorliegenden kumulativen Dissertation wurden verschiedene Ansätze zur Untersuchung und Modulation von Cadherinen im Hinblick zweier (patho-)physiologischer Prozesse durchgeführt. Zum einen befasst sich die Doktorarbeit mit den Blasen-bildenden Hauterkrankungen der Pemphigus-Gruppe, bei welcher die Funktionsstörung desmosomaler Cadherine im Mittelpunkt steht. Zum anderen wurde das vaskuläre endotheliale (VE)-Cadherin und dessen Rolle bei der Regulation und pathologischen Entgleisung der Gefäßpermeabilität untersucht. Die Funktion dieser Cadherine wurde in der Arbeit sowohl in Zell-freien als auch in Zell-basierten Experimenten analysiert: mittels biophysikalischer Charakterisierung auf Einzelmolekülebene durch Kraftspektroskopie mit dem Atomkraftmikroskop (AFM) konnte die Adhäsion (Transinteraktion) von Cadherinen frei von zellulären Einflüssen isoliert untersucht werden. Diese Einzelmolekülstudien wurden durch Laserkraftmikroskopie (Laserpinzette) und verschiedene zellphysiologische Untersuchungen an epithelialen und endothelialen Zellkulturen und Geweben komplettiert. Bei der autoimmunen Hauterkrankung Pemphigus foliaceus (PF) und Pemphigus vulgaris (PV) bewirken Autoantikörper, die gegen die desmosomale Cadherine Desmoglein (Dsg) 1 und 3 gerichtet sind, eine Zelldissoziation (Akantholyse), die zu einer charakteristischen Blasenbildung auf der Haut der Patienten teils mit Ablösung der Epidermis führt. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe der AFM-Kraftspektroskopie zum ersten Mal gezeigt, dass Pemphigus-Autoantikörper direkt die Dsg3-vermittelte Adhäsion durch sterische Behinderung inhibieren. Zusätzlich wurden auch Unterschiede in der Pathogenität der Autoantikörper in Abhängigkeit von zellulären Signalwegen gefunden. In früheren Studien konnte bereits gezeigt werden, dass neben der vermuteten Hemmung der Cadherinbindung durch die Autoantikörper auch inhibitorische, die Zelladhäsion herabsetzende zytoplasmatische Signalwege für die Pathogenese dieser Krankheit wichtig sind. Daneben belegen Experimente dieser Arbeit, dass die durch Autoantikörper vermittelte Akantholyse in unseren Versuchsbedingungen unabhängig von der in anderen Studien postulierten Beteilung des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) und von c-Src war. In weiteren Experimenten wurden Peptide zur Modulation der Funktion von Dsg1/3 und VE-Cadherin entwickelt. Dazu wurden die Sequenzen von Dsg1, Dsg3 und VE-Cadherin mit bereits beschriebenen Röntgenkristallstrukturen von anderen Cadherinen verglichen und eigene Strukturmodelle auf der Grundlage einer Analogiemodellierung generiert. Auf diese Weise wurden Sequenzabschnitte identifiziert, die für die Cadherin-Transinteraktion wichtig sind. Aus diesen Sequenzen wurden Peptide abgeleitet, die die Cadherinfunktion entweder in einer agonistischen oder antagonistischen Weise beeinflussen sollten. Die inhibitorische Funktion der Einzelpeptide wurde sowohl durch AFM-Kraftspektroskopie als auch in Zell-basierten Laserpinzetten-Studien validiert. Durch das Zusammenfügen von zwei separaten Einzelpeptidsequenzen wurden Tandempeptide erzeugt. Diese sollten die jeweilige Cadherininteraktion durch das Überbrücken benachbarter adhäsiver Cadherindomänen stabilisieren. Das Dsg-spezifische Tandempeptid verhinderte teilweise die durch Autoantikörper hervorgerufene Akantholyse beim Pemphigus und das VE-Cadherin-spezifische Tandempeptid schützte die Endothelbarriere vor Permeabilitätserhöhung durch das Ca2+ - Ionophor A23187 oder durch einen inhibitorischen VE-Cadherin-Antikörper. In in-vivo-Experimenten an perfundierten Mikrogefäßen des Rattenmesenteriums verhinderte das VE-Cadherin-Tandempeptid den Anstieg der Endothelpermeabilität durch den physiologischen Entzündungsmediator Tumornekrosefaktor-α. Die Tandempeptide können als Ausgangspunkt für die Identifikation von spezifischen therapeutischen Agenzien zur Prävention der Akantholyse beim Pemphigus oder Verlust der VE-Cadherin-Bindung bei vaskulärer Hyperpermeabilität angesehen werden.

Pemphigus vulgaris (PV) ist eine blasenbildende Autoimmunerkrankung, die durch Autoantikörper gegen Dsg1 und Dsg3 gekennzeichnet ist. Der genaue Pathomechanismus, der zu einem PV-IgG vermittelten Verlust der interzellulären Adhäsion führt, ist noch unklar. Die Dsg3-Depletion und die Modulation von Signalkaskaden stellen hierbei kennzeichnende Merkmale der Erkrankung dar. Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist eine bessere Einordnung der Dsg3-Depletion in den pathogenetischen Kontext von Pemphigus vulgaris möglich. Die Experimente zeigen, dass die Dsg3-Depletion von Differenzierungsprozessen abhängig ist und mit einem Adhäsionsverlust einhergehen kann. Die Hemmung der PKC verhindert hierbei sowohl die PV-IgG vermittelten Effekte in der Zellkultur als auch die Blasenbildung im Mausmodell in vivo und in humaner Haut ex vivo. Des Weiteren liefert die Arbeit neue Erkenntnisse, welche für die suprabasale Lokalisation der Blasenbildung bedeutsam sein könnten. / Pemphigus vulgaris (PV) is a blistering autoimmune disease characterised by antibodies directed against Dsg1 (desmoglein 1) and Dsg3 (desmoglein 3). The exact pathomechanism leading to PV-IgG induced loss of intercellular adhesion is still unclear. The Dsg3-depletion and the modulation of signaling pathways are characteristics of the disease. With the results of this study, a better classification of Dsg3-depletion in the pathogenetic context of pemphigus vulgaris becomes possible. The experiments show that the Dsg3-depletion is dependent on differentiation processes and can be accompanied by a loss of adhesion. Inhibition of PKC in this case prevents PV-IgG-mediated effects in the cell culture as well as blistering in murine skin in vivo and in human skin ex vivo. Furthermore, this work provides new insights that could be significant for the suprabasal localisation of blistering.

Die Stabiltät und Integrität der Epidermis beruht zu einem großen Teil auf der intakten Funktion der Desmosomen. Diese fleckförmigen Zellkontakte vermitteln extrazellulär die Haftung zwischen den Keratinozyten durch Desmocadherine und sind intrazellulär über Adaptorproteine im Intermediärfilamentsystem des Zellskeletts verankert. Diese Funktion ist bei der Autoimmunerkrankung Pemphigus gestört, die zu intraepidermaler Blasenbildung durch Akantholyse der Keratinozyten führt. Pemphigus vulgaris (PV) und Pemphigus foliaceus (PF) stellen die beiden Hauptvarianten dar, wobei PV durch Autoantikörper gegen die Desmocadherine Desmoglein (Dsg) 3 und oftmals zusätzlich gegen Dsg 1, PF durch Autoantikörper nur gegen Dsg 1 gekennzeichnet ist. Rho-GTPasen sind zelluläre Regulatorproteine, die das Aktinzytoskelett und verschiedene Zellkontakte beeinflussen. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit dem Einfluss von Rho-GTPasen bei der Regulation von desmosomal vermittelter Adhäsion. In einem zweiten Teil wurde die Beteiligung von Rho-GTPasen bei den Pemphigusvarianten PV und PF näher charakterisiert. Für den ersten Abschnitt wurden bakterielle Toxine verwendet, die spezifisch Rho GTPasen aktivieren bzw. inhibieren, während für den zweiten Teil IgG-Fraktionen von PV- und PF-Patienten in Kombination mit aktivierenden Toxinen zur Anwendung kamen. Eine Inhibition der drei Hauptvertreter der Rho-GTPasen in kultivierten Keratinozyten und humaner Epidermis führte zu einer Rarefizierung des Aktinfilamentsystems, zu Verlust von membranständig lokalisiertem Dsg 1 und 3 und zu Zelldissoziation sowie zu verminderter Dsg 1 und 3-vermittelter Haftung von Mikroperlen auf der Oberfläche von Keratinozyten. Die Aktivierung der GTPasen resultierte in vermehrter linearisierter Darstellbarkeit von Aktin und Dsg 3 an den Zellgrenzen und einer verstärkten Dsg-vermittelten Haftung. Pemphigus-IgG führten ebenfalls zu Zelldissoziation und Verlust von Dsg-Immunreaktivität in Keratinozytenkulturen, zu Spaltbildung in humaner Epidermis und zum Verlust der durch Dsg 1 und Dsg 3 vermittelten Adhäsion. Dies ging einher mit einer vermehrten Menge an nicht am Zytoskelett verankerten Dsg 3 und wurde durch eine p38MAPK-abhängige Verminderung der Aktivität von Rho A moduliert. Die Aktivierung von Rho A verhinderte die Ausbildung der Pemphigus-induzierten Effekte nahezu vollständig. Zusammenfassend regulieren Rho-GTPasen die desmosomale Haftung in Keratinozyten. Die Daten zeigen weiterhin, dass Pemphigus-IgG durch eine Inhibition von Rho A diese Regulation beeinträchtigt, was zu Schwächung der Zytoskelettverankerung von Desmogleinen und zu Haftungsverlust und Spaltbildung führt. Somit ist Rho A ein wichtiger Faktor der Pemphigus-Pathogenese und stellt einen Erfolg versprechenden Ansatzpunkt zur Entwicklung neuer Therapieoptionen dar. / Integrity and stability of human epidermis is based on the correct function of desmosomes. These spot-like cell contacts mediate adhesion of adjacent keratinocytes by desmosomal cadherins and are linked via adapter proteins to the intermediate filament cytoskeleton. This function is impaired in the autoimmune disease pemphigus, resulting in intraepidermal blister formation by akantholysis of keratinocytes. Pemphigus vulgaris (PV) and pemphigus foliaceus (PF) are the main subtypes of pemphigus, with PV being characterized by autoantibodies targeting the desmosomal cadherins Desmoglein (Dsg) 3 and in part Dsg1. PF patients develeop autoantibodies against Dsg1 only. Rho GTPases are regulatory proteins which are known to modulate the actin cytoskeleton and different cell contacts. The aim of this thesis was to evaluate the role of Rho GTPases in the regulation of desmosome-mediated adhesion. The second part addresses the involvement of Rho GTPases in the pathogenesis of PV and PF. Toxins served to activate or inactivate specific GTPases in the first part, whereas in the latter part purified IgG fractions of pemphigus patients were used in combination with Rho activating toxins. An inhibition of the three best characterized GTPases in cultured keratinocytes and human epidermis resulted in rarefication of the actin cytoskeleton, loss and fragmentation of membrane-localized Dsg1 and Dsg3 immunostaining, cell dissociation and reduced adhesion of Dsg1 and Dsg3-coated microbeads on the cell surface of keratinocytes. Activation of GTPases led to linearized immunoreactivity of Dsg3 at the cell membrane, pronounced cortical actin staining and strengthened Dsg-mediated adhesion. Similarily to inhibition of Rho-GTPases, Pemphigus IgG caused cell dissociation and loss of Dsg staining in cultured keratinocytes, blister formation in human epidermis and reduction of Dsg-mediated adhesion. These changes were accompanied by a decrease of cytoskeleton-bound Dsg3 and were modulated by a p38MAPK-dependent reduction of RhoA activity. Activation of RhoA blocked the Pemphigus IgG-induced effects. Taken together, Rho GTPases regulate desmosomal adhesion in keratinocytes. Additionaly, Pemphigus IgG interfere with this regulation by inhibition of RhoA, resulting in reduced cytoskeletal anchorage of desmogleins, reduced intercellular adhesion and gap formation. Thus RhoA is identified as an important factor in pemphigus pathogenesis and might eventually serve as a target of new therapy approaches.