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Wounding of the cornea generates lateral electric fields (EFs) and initiates the expression of hepatocyte growth factor (HGF) and keratinocyte growth factor (KGF; Chiang et al., 1992; Wilson et al., 1999a). Therefore, these biologically generated EFs and endogenous growth factors may be of particular significance during wound healing. In the presence of an EF (150 mV/mm) cultured corneal epithelial cells (CECs) oriented perpendicular, directed cathodally and migrated at an enhanced rate. The induction times, induction thresholds and response patterns for these behaviours in increasing field strengths, indicated that they may operate through separate and parallel pathways. The application of either HGF or KGF enhanced the rate of CEC migration but neither affected the extent of CEC orientation or directionality. The distribution of HGF receptors (HGFR) was found to be exclusive to the cell body in the presence of an EF, the receptors accumulated cathodally. Moreover, the asymmetrical accumulation of HGFR in the presence of an EF correlated with the direction of CEC migration. The application of both HGF and an EF activated extracellular-signal regulated kinase (ERK) a mitogen-activated protein kinase. Furthermore, in the presence of an EF the observed ERK activation was greater in the cathodal facing half of the CECs. Inhibition of ERK reduced the extent of HGF and EF-enhanced CEC migration rate but did not alter EF-induced CEC cathodal directionality or perpendicular orientation. The HGF- and EF-enhancement of CEC migration rate may involve the activation of ERK and with the downstream liberation of leukotrienes and phosphorylation of MLCK, would culminate in actin contraction and polymerisation respectively. The potential clinical relevance for this work would concern the topical application of HGF and exogenous application of EFs to corneal epithelial wounds in order to augment healing in patients where this process is slow or deficient.

Transforming growth factor-ß (TGF-ß) reguliert eine Vielzahl zellulärer Funktionen, wie Proliferation, Differenzierung und Apoptose. Über membrangebundene Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren werden TGF-ß Signale durch Phosphorylierung an Smad-Proteine, die intrazellulären Signaltransduktoren, weitergeleitet, die im Kern die Transkription spezifischer Gene modulieren. Obwohl die drei TGF-ß Isoformen, TGF-ß1, -ß2 und -ß3, äußerst homologe Proteine sind, unterscheiden sich die Phänotypen ihrer Genknockouts stark. Variabilität und Spezifität können auf vielerlei Arten und Ebenen der TGF-ß Signalübertragung erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine alternativ gespleißte Variante des TGF-ß Typ II Rezeptors (TßRII), TßRII-B, charakterisiert. Dieser Rezeptor ist, im Gegensatz zum bisher bekannten TßRII, in der Lage alle drei TGF-ß Isoformen hochaffin zu binden und in Abwesenheit eines unterstützenden Typ III Rezeptors (TßRIII) Signale über den Smad-Pathway weiterzuleiten. TßRII-B ist außerdem fähig ligandenabhängig mit den verschiedenen TGF-ß Rezeptortypen zu Oligomerisieren. Erste Hinweise auf Besonderheiten der TGF-ß2 Bindung an TßRII-B wurden mittels verschiedener zellbiologischer Ansätzen gewonnen. Aus Untersuchungen zur gewebespezifischen Expression des Rezeptors geht hervor, daß TßRII-B, im Vergleich zu TßRII, ein distinktes Expressionsmuster aufweist und v.a. in TGF-ß2-beeinflußten Geweben nachgewiesen werden kann. In diesen Erkenntnissen spiegelt sich die Bedeutung dieses Rezeptors für eine TGF-ß Isoform-spezifische Signalübertragung wider. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle von TGF-ß und seinen Rezeptoren bei der Entstehung von Tumoren. B-Zellen einiger Patienten mit chronischer lymphatischer Leukämie (B-CLL), der häufigsten Form adulter Leukämie in westlichen Ländern, zeigen Resistenz gegenüber TGF-ß-vermittelter Wachstumsinhibierung und ein verändertes Expressionsmuster der TGF-ß Rezeptoren an ihrer Zelloberfläche. In dieser Arbeit wird die Identifizierung und Charakterisierung zweier Mutationen innerhalb der putativen Signalpeptidsequenz des TGF-ß Typ I Rezeptors (TßRI) in B-Zellen TGF-ß resistenter CLL-Patienten beschrieben. Hierbei handelt es sich um einen Aminosäure-Austausch (L12Q) und eine ‚in-frame‘ Alanin-Deletion (A8) innerhalb einer aus 9 Alaninen bestehenden Sequenz. Es konnte gezeigt werden, daß diese Mutationen zwar keinen Einfluß auf Oberflächenexpression und Komplexbildungseigenschaften des TßRI haben, jedoch TGF-ß stimulierte Reportergeninduktion verringern, was eine kausale Beziehung bei der Entwicklung TGF-ß resistenter B-CLL-Zellen vermuten läßt. Ein Auftreten von Mutationen innerhalb der 9-Alanin-Sequenz des TßRI korreliert mit TGF-ß Insensitivität von B-CLL Zellen. Obwohl noch weitere Studien benötigt werden, um den präzisen molekularen Mechanismus zu verstehen, der zu TGF-ß Resistenz in B-CLL Zellen führt, kann spekuliert werden, daß TßRI Mutationen das Voranschreiten von B-CLL und evtl. anderen Tumorarten unterstützen. Gezieltes Screenen nach TßRI Signalpeptidsequenz Mutationen könnte demnach als prognostischer Indikator für Tumorprogression eingesetzt werden. / Transforming growth factor-ß (TGF-ß) regulates a variety of cellular functions like proliferation, differentiation and apoptosis. It signals through membrane-bound serine/threonine kinase receptors, which upon stimulation phosphorylate Smad proteins, the intracellular signaltransducers, and thereby trigger their nuclear translocation and transcriptional activity. Although the three mammalian TGF-ß isoforms, TGF-ß1, -ß2 and –ß3, are highly homologous proteins, the phenotypes of their genknockouts reveal striking differences. Variability and specificity can be achieved on different levels of the TGF-ß signaltransduction. In this work an alternatively spliced variant of the TGF-ß type II receptor (TßRII), TßRII-B, is characterized, which in contrast to TßRII binds and mediates signaling of all TGF-ß isoforms. This signaling occurs via the Smad pathway and is independent of any supporting type III receptor (TßRIII). Therefore interaction and oligomerization of TßRII-B with the TGF-ß isoforms as well as the different TGF-ß receptor types was analyzed in detail. Furthermore we defined the characteristics of TGF-ß2 binding to TßRII-B. Expression studies demonstrate that TßRII-B expression is restricted to cells originating from tissues where the TGF-ß2 isoform has a predominant role. All that reflects the importance of this receptor splice-variant in TGF-ß isoform-specific signaling. The second part of this work focuses on the role of TGF-ß and its receptors in tumor development. B cell chronic lymphocytic leukemia (B-CLL) is the most common lymphoid cancer in Western societies, and is also currently incurable. B-cells from some B-CLL patients are resistant to the growth inhibitory effects of TGF-ß and show a different expression pattern of TGF-ß receptors at their cell surface. In this work the identification and characterization of two mutations within the putative signal sequence of the tßrI gene in B-cells from TGF-ß resistant B-CLL patients is described. Thereby a single aminoacid substitution (L12Q) is accompanied by an ‘in frame’ single alanine deletion within an 9-alanine stretch. It could be shown that this mutations do not mediate the apparent loss of functional TßRI in TGF-ß resistant B-CLL, but they attenuate reporter gene induction stimulated by TGF-ß, suggesting a causal relationship in the development of TGF-ß resistant B-CLL. The appearance of mutations within the 9-alanine stretch of the TßRI correlated with and predicted for B-CLL patient insensitivity to TGF-ß. Although more studies are needed to ascertain the precise molecular mechanism leading to TGF-ß resistance in B-CLL cells, it is tempting to speculate that these TßRI mutations may promote the progression of B-CLL and other cancers from their indolent to active states. This suggests that screening for TßRI signal sequence mutations can be employed as a prognostic indicator of B-CLL patient sensitivity to TGF-ß.

Das Zytokin Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2) gehört als Mitglied der Transforming Growth Factor ß-Superfamilie zu einer großen Gruppe eng verwandter Wachstums- und Differenzierungsfaktoren. Es spielt eine entscheidende Rolle bei Bildung und Regeneration von Knorpel und Knochen und während verschiedener Prozesse der embryonalen Entwicklung. Durch Sezernierung des Proteins und anschließende Diffusion in der extrazellulären Matrix (EZM) ausgehend vom Ort der Sekretion unterliegt sein Wirkungsgrad einem abnehmenden Konzentrationsgradienten. BMP-2 bindet neben der hochaffinen Bindung an seinen spezifischen Rezeptor unter anderem auch an die extrazelluläre Matrix. So konnte in Vorarbeiten bereits durch Deletion der basischen Heparinbindungsstelle des BMP-2, die sich im N-terminalen Bereich befindet, eine Wirkungsverstärkung des Proteins in einem in vitro- Experiment, dem Hühnergliedmaßentest, erreicht werden, da die konkurrierende Bindung an Heparinbindungsstellen der EZM wegfällt. Im Tiermodell konnte jedoch ein genau umgekehrter Effekt dieser Mutante im Vergleich mit dem Wildtyp gezeigt werden, da in vivo die Diffusion des Moleküls durch Bindung an die EZM begrenzt und es so lokal an seinem Wirkungsort konzentriert wird. Von diesen Vorbefunden ausgehend war das Ziel der Arbeit die Klonierung und Expression von Mutanten des BMP-2, bei denen durch schrittweise Modifizierung der Heparinbindungsstelle die Bindung des Proteins an Heparin und deren Einfluß auf die Rezeptorbindung charakterisiert werden sollte. Dazu wurden zwei Mutanten des BMP-2 mit Verdopplung eines bzw. beider basischer Aminosäuretripletts kloniert, da diesem basischen Bereich im N-Terminus die eigentliche Bindung an Heparin zugeschrieben wird. Nach Expression, Renaturierung und säulenchromatographischer Aufreinigung der Proteine konnte in dieser Arbeit in drei verschiedenen funktionellen in vitro-Tests eine abnehmende Wirkung der Mutanten gezeigt werden. Neben dem biophysikalischen Nachweis der apparenten Affinitäten der Mutanten zu Rezeptor und Matrix in Biacore-Messungen konnte die Änderung des Wirkungsgrades auch in einem Zellkulturassay mit einer Maus-Fibroblasten-Zellinie durch Messung der Alkalischen Phosphatase und im Hühnergliedmaßentest gezeigt werden. In in vivo Experimenten bleibt eine entsprechende zu erwartende Wirkungsverstärkung dieser beiden Mutanten nachzuweisen, die im Hinblick auf einen therapeutischen Einsatz bei gewünschtem Ersatz zerstörten Knochens relevant werden könnte. / Bone morphogenetic protein-2 is a cytokine belonging to the TGFß-superfamily. We performed a modification of its heparin binding site in order to investigate a possible correlation between the basic acids of the heparin binding site and the function of the protein in vitro.

Ovarian hyperstimulation is achieved through ovarian gonadotropin stimulation, and thus associated with supraphysiological levels of oestrogen and progesterone. To investigate the effects of exogenous gonadotropins on the expression of TGF b1 and TGF b2, which have been recognized as possible modulators of many endometrial functions, FSH and hCG were superimposed upon the normal hormonal milieu of the cycling rat, prior to mating. Endometrial tissue was collected at 4.5, 5.5 and 6.5 days after mating. ELISA was performed to estimate blood oestrogen and progesterone levels and immunohistochemistry was undertaken to localize TGF b1 and TGF b2 in the uterine endometrium. Apart from the known detrimental effects of hyperstimulation on gross morphology, hormone levels and endometrial histology, the hyperstimulation was also found to affect TGF b expression. An increase in the expression of TGF b2 was distinct in the glandular epithelium of the hyperstimulated animals, while regionalized expression of both TGF b1 and TGF b2 was prominent in the stroma. In conclusion, hyperstimulation affects the expression of both TGF b1 and TGF b2, which may contribute to the disruption of the endometrial environment required for successful embryo implantation.