Im Menschen regulieren extrazelluläre Metalloproteasen eine Vielzahl von physiologischen Prozessen, wobei deren exakte Funktionen bei der Ausbildung humaner Krankheiten wie beispielsweise Krebs, der Alzheimerschen Krankheit oder Störungen des Herz-Kreislaufsystems vielfach noch unbekannt sind. Insbesondere die Proteinfamilie der Neprilysine wird seit einigen Jahren vermehrt in Bezug auf eine mögliche Anwendung als Therapeutikum gegen die genannten Erkrankungen hin diskutiert. In dieser Arbeit wurde erstmals die M13-Metalloprotease Neprilysin 4 (Nep4) aus dem Modellorganismus Drosophila melanogaster charakterisiert. Zusätzlich wurde zu Beginn dieser Arbeit das ADAM (A Disintegrin And Metalloprotease)-Protein Meltrin analysiert. Innerhalb der Neprilysin-Familie kommt Nep4 eine Sonderrolle zu, da es im Gegensatz zu den meisten Neprilysinen nicht ausschließlich als membrangebundenes Protein, sondern isoformspezifisch auch in löslicher Form exprimiert wird. In diesem Zusammenhang deuten RT-PCRs, in situ Hybridisierungen und Antikörperfärbungen auf ein breites Funktionsspektrum beider Isoformen hin, das in den zahlreichen Geweben, in denen Nep4 exprimiert wird, hauptsächlich der Etablierung und Aufrechterhaltung der Homöostase verschiedener bioaktiver Peptide dienen dürfte. Über den gesamten Lebenszyklus der Fruchtfliege kann Nep4 in Gliazellen des ZNS und in den männlichen Geschlechtszellen nachgewiesen werden, während es im Verlauf der Embryogenese zusätzlich in Herz- und Muskelzellen exprimiert wird. Die regulatorischen Elemente zur Steuerung der neuronalen (ZNS) und mesodermalen (Herz und Muskel) Nep4 Expression konnten in dieser Arbeit identifiziert und für die Erzeugung transgener Fliegenlinien genutzt werden. Mittels semi-quantitativer PCR und durch Untersuchungen von Fliegen, die GFP unter der Kontrolle des mesodermalen Enhancers exprimieren, wurde die endogene Expression von Nep4 im Muskel von Larven des dritten Stadiums nachgewiesen. Da alle nachfolgenden Stadien Reporteraktivität im Herzen und Muskel zeigen, wird die Peptidase vermutlich durchgängig in diesen Geweben benötigt. Die katalytische Aktivität von Nep4 konnte anhand der Peptide Substanz P und Angiotensin I demonstriert werden. Dabei ist die Enzymaktivität, wie für die Neutralen Endopeptidasen (Nep) typisch, von einem neutralen pH-Wert abhängig und wird durch bekannte Inhibitoren der humanen Neprilysine, Nep und Nep2 reduziert. Bei einer künstlich erhöhten Expression von Nep4 in der Muskulatur der Fruchtfliege ist, entgegen der Erwartung, nicht die katalytische Aktivität, sondern ausschließlich die nicht katalytische, intrazelluläre Domäne ursächlich für eine nekrotische Gewebedegeneration. Um eine mögliche Funktion der intrazellulären Domäne des Nep4 Proteins im Muskel genauer zu erforschen, wurden Proteininteraktionsstudien durchgeführt, erste Interaktionspartner identifiziert und deren Interaktion auf Proteinebene nachgewiesen.

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During the development of multicellular organisms, organs grow to well-defined shapes and sizes. The proper size and patterning of tissues are ensured by signaling molecules as e.g. morphogens. Secreted from a restricted source, morphogens spread into the adjacent target tissue where they form a graded concentration profile. Upon binding of the morphogens to receptors on the cell surfaces, the morphogenetic signal is transduced inside the cell via the phosphorylation of transcription factors, which subsequently regulate the expression of different target genes. Thus, cell fates are determined by the local concentration of such morphogens. In this work, we investigate three key aspects of morphogenetic signaling processes in growing tissues. First, we study the mechanics of tissue growth via cell division and cell death. We examine the rearrangements of cells on large scales and times by developing a continuum theory which describes the growing tissue as an active complex fluid. In our description we include anisotropic stresses generated by oriented cell division, and we show that average cellular trajectories exhibit anisotropic scaling behaviors. Our description is used to study experimentally measured shape changes of the developing wing disk of the fruit fly Drosophila melanogaster. Second, we focus on the spreading of morphogens in growing tissues. We show that the flow field of cell movements due to oriented cell division and cell death causes a drift term in the morphogen transport equation, which captures the stretching and dilution of the concentration profile. Comparing our theoretical results to recent experiments in the Drosophila wing disk, we find that the transport of the morphogen Dpp is mainly intracellular. We moreover show that the decay length of the Dpp gradient increases during development as a result of changing degradation rate and diffusion coefficient, whereas the drift of molecules due to growth is negligible. Thus growth does not affect the decay length of the gradient, but the decay length of the gradient might affect the tissue growth rate as discussed in this work. Finally, we develop a microscopic theoretical description of the intracellular transduction machinery of morphogenetic signals within an individual cell. Our description captures the kinetics of the trafficking of proteins between different cellular compartments in response to receptor-bound signaling molecules. Analyzing experimental data at the Drosophila neuromuscular junction, we show that the morphogenetic signaling is modulated by synaptic signaling via neuronal action potentials.

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