Ulm, Univ. Diss., 2006.

Thesis (Ph. D.)--Case Western Reserve University, 2008. / [School of Medicine] Department of Neurosciences. Includes bibliographical references.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [191]-231. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Universiẗat, Diss., 2003--Würzburg.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2006--Giessen.

BACKGROUND AND PURPOSE - Humanin (HN) is a 24-amino acid peptide best known for its ability to protect neurons from damage caused by Alzheimer disease-related proteins. This study examines the neuroprotective effects of HNG (a potent form of HN) on focal cerebral ischemia/reperfusion injury in mice. METHODS - Mice underwent middle cerebral artery occlusion for 75 minutes followed by 24-hour reperfusion. Mice were pretreated with 0.1 μg HNG (intracerebroventricularly) 30 minutes before ischemia; posttreated at 0, 2, 4, and 6 hours after ischemia; or pretreated with 1 μg HNG (intraperitoneally) 1 hour before ischemia. Neurological deficits and cerebral infarct volume were evaluated. Neuronal apoptosis and activated poly(ADP-ribose) polymerase expression were measured by TUNEL and Western blot analysis, respectively. Activated ERKs were examined by Western blot analysis. RESULTS - Pretreatment with 0.1 μg HNG (intracerebroventricularly) 30 minutes before ischemia reduced cerebral infarct volume from 56.2±3.0% to 26.1±1.4% (P<0.01). HNG posttreatment after 4 hours of reperfusion reduced cerebral infarct volume to 45.6±2.6% (P<0.05). Pretreatment with 1 μg HNG (intraperitoneally) 1 hour before ischemia or posttreatment after 2 hours of reperfusion reduced cerebral infarct volume significantly. HNG also significantly improved neurological function and inhibited both neuronal apoptosis as well as poly(ADP-ribose) polymerase activation. A significant decrease of phospho-ERK was observed in mice treated with HNG, whereas phospho-JNK and phospho-p38 levels were not altered. CONCLUSIONS - Our results demonstrate that HNG protects against cerebral ischemia/reperfusion injury in mice. HNG offers neuroprotection in vivo at least in part by inhibiting ERK activation. These findings suggest a potential therapeutic role for HNG in the treatment of stroke.

Neoplasms of the skin represent the most frequent tumors worldwide; fortunately, most of them are benign or semi-malignant and well treatable. However, the two most aggressive and deadly forms of malignant skin-neoplasms are melanoma and Merkel cell carcinoma (MCC), being responsible for more than 90% of skin-cancer related deaths. The last decade has yielded enormous progress in melanoma therapy with the advent of targeted therapies, like BRAF or MEK inhibitors, and immune-stimulating therapies, using checkpoint antibodies targeting CTLA- 4, PD-1 or PD-L1. Very recent studies suggest that also MCC patients benefit from a treatment with checkpoint antibodies. Nevertheless, in an advanced metastatic stage, a cure for both of these aggressive malignancies is still hard to achieve: while only a subset of patients experience durable benefit from the immune-based therapies, the widely applicable targeted therapies struggle with development of resistances that inevitably occur in most patients, and finally lead to their death. The four articles included in this thesis addressed current questions concerning therapy and carcinogenesis of melanoma and MCC. Moreover, they are discussed in the light of the up-to-date research regarding targeted and immune-based therapies. In article I we demonstrated that besides apoptosis, MAPK pathway inhibition in BRAF-mutated melanoma cells also induces senescence, a permanent cell cycle arrest. These cells may provide a source for relapse, as even permanently arrested cancer cells can contribute to a pro-tumorigenic milieu. To identify molecular factors determining the differential response, we established M14 melanoma cell line derived single cell clones that either undergo cell death or arrest when treated with BRAF/MEK inhibitors. Using these single cell clones, we demonstrated in article IV that downregulation of the pro-apoptotic BH3-only protein BIK via epigenetic silencing is involved in apoptosis deficiency, which can be overcome by HDAC inhibitors. These observations provide a possible explanation for the lack of a complete and durable response to MAPK inhibitor treatment in melanoma patients, and suggest the application of HDAC inhibitors as a complimentary therapy to MAPK pathway inhibition. Concerning MCC, we scrutinized the interactions between the Merkel cell polyomavirus’ (MCV) T antigens (TA) and the tumor suppressors p53 and Rb in article II and III, respectively. In article III, we demonstrated that the cell cycle master regulator Rb is the crucial target of MCV large T (LT), while it - in contrast to other polyomavirus LTs - exhibits much lower affinity to the related proteins p107 and p130. Knockdown of MCV LT led to proliferation arrest in MCC cells, which can be rescued by knockdown of Rb, but not by knockdown of p107 and p130. Contrary to Rb, restriction of p53 in MCC seems to be independent of the MCV TAs, as we demonstrated in article II. In conclusion, the presented thesis has revealed new molecular details, regarding the response of melanoma cells towards an important treatment modality and the mechanisms of viral carcinogenesis in MCC. / Die häufigsten Tumore weltweit sind Neoplasien der Haut; glücklicherweise sind die meisten dieser benigne oder semi-maligne und gut behandelbar. Die beiden aggressivsten und tödlichsten Formen bösartiger Hauttumoren sind das Melanom und das Merkelzell-Karzinom (MCC), welche verantwortlich für über 90% aller durch Hauttumore verursachten Todesfälle sind. Im letzten Jahrzehnt gab es jedoch erstaunliche Fortschritte in der Therapie des malignen Melanoms, was vor allem durch das Aufkommen der zielgerichteten Therapien wie den BRAF oder MEK Inhibitoren und den immunstimulierenden Therapien, welche Checkpoint-Antikörper gegen CTLA-4, PD-1 oder PD-L1 verwenden, bedingt ist. Neueste Studien legen nahe, dass auch MCC Patienten von diesen Checkpoint-Antikörpern profitieren können. In fortgeschrittenen, metastasierten Stadien ist jedoch für beide Malignitäten eine Heilung immer noch sehr schwer erreichbar: nur eine kleine Gruppe der Patienten erreichen einen dauerhaften Nutzen durch die Immuntherapien, während die breit anwendbaren zielgerichteten Therapien mit der Entwicklung von Resistenzen zu kämpfen haben, welche unausweichlich in den meisten Patienten entstehen und letztendlich zu deren Tod führen. Die vier dieser Dissertation beigefügten Publikationen adressierten aktuelle Fragestellungen bezüglich Therapie und Karzinogenese des Melanoms und des MCCs. Des Weiteren werden diese im Licht des heutigen Forschungsstandes diskutiert, im Besonderen mit Blick auf die zielgerichteten und immunbasierten Therapien. In Publikation I zeigten wir, dass Inhibition des MAPK Signalwegs in BRAF-mutierten Melanom-Zellen neben Apoptose auch zu Seneszenz, einem permanenten Zellzyklusarrest, führen kann. Diese Zellen können der Ursprung der Resistenzbildung sein, da auch permanent arretierte Krebszellen zu einem Tumor-fördernden Milieu beitragen können. Um molekulare Faktoren zu identifizieren, die für diese unterschiedliche Behandlungsreaktion ursächlich sind, haben wir Einzelzellklone aus der M14 Melanom-Zelllinie etabliert, welche entweder mit Zelltod oder Arrest auf die BRAF/MEK Inhibitor Behandlung reagieren. Mit Hilfe dieser Klone zeigten wir in Publikation IV, dass die Herunterregulierung des pro-apoptotischen BH3-only Proteins BIK durch einen epigenetischen Mechanismus zur Apoptose-Resistenz dieser Zellen führt, was durch den Einsatz von HDAC-Inhibitoren umgangen werden kann. Diese Beobachtungen bieten eine mögliche Erklärung für das Ausbleiben eines vollständigen und dauerhaften Ansprechens auf die MAPK-Inhibitor Behandlung der Melanom-Patienten, und legen den Einsatz von HDAC-Inhibitoren als komplementäre Therapieoption nahe. Beim MCC haben wir jeweils die Interaktion zwischen den Merkelzell-Polyomavirus (MCV) T Antigenen (TA) und den Tumor-Suppressoren p53 und Rb in Publikation II und III näher betrachtet. In Publikation III haben wir gezeigt, dass das zentrale, Zellzyklus-regulierende Protein Rb das vorrangige Ziel des MCV large T Antigens (LT) ist, während es - im Gegensatz zu anderen Polyomavirus-LTs - viel weniger Affinität zu den verwandten Proteinen p107 und p 130 aufweist. Der Knockdown des MCV LT führte zu Proliferationsarrest in MCC Zellen, welcher durch Knockdown von Rb aufgehoben werden konnte, nicht jedoch durch Knockdown von p107 und p130. Die Restriktion von p53 scheint im Gegensatz zu Rb im MCC unabhängig von den MCV TAs zu sein, wie wir in Publikation II gezeigt haben. Zusammenfassend gibt diese Dissertation Aufschluss über neue molekulare Zusammenhänge bezüglich der Reaktion von Melanom-Zellen gegenüber einer wichtigen Behandlungsmöglichkeit und den Mechanismen der viralen Karzinogenese des MCC.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Les mammifères possèdent deux MAP kinases kinases (MEK1 et MEK2), impliquées dans l’activation de la voie ERK/MAPK essentielle pour la différenciation, la prolifération et la survie cellulaire. Le premier objectif de cette thèse était de déterminer si les fonctions des kinases MEK1 et MEK2 sont redondantes durant le développement embryonnaire. Les souris Mek1-/- meurent à mi-gestation d’une malformation du placenta. Les souris Mek2-/- ne présentent aucun phénotype majeur, suggérant que ces deux protéines ont des rôles différents. Cependant, la plupart des mutants Mek1+/-Mek2+/- meurent pendant la gestation d’un sous-développement du placenta, indiquant que Mek1 et Mek2 ont chacun un rôle dans le développement des tissus extraembryonnaires. À ce jour aucune évidence claire ne permet de statuer sur la redondance fonctionnelle de MEK1 et MEK2. Afin de vérifier la spécificité fonctionnelle de Mek1 et Mek2, nous avons généré au laboratoire un allèle « knockin », exprimant l’ADNc de Mek2 sous contrôle du locus Mek1 (Mek12). L’analyse de ces souris a révélé la redondance fonctionnelle entre MEK1 et MEK2. L’analyse de combinaisons alléliques de Mek a démontré qu’une expression minimale de protéines MEK est cruciale pour le développement embryonnaire et la survie. Le second objectif de cette thèse était de caractériser les mutants Mp1. Les protéines d’échafaudage permettent de moduler l’activité de la voie ERK/MAPK et facilitent la transmission rapide du signal. Parmi les protéines d’échafaudage connues, seule MP1 (Mek Partner 1) a été identifiée comme étant un partenaire spécifique de MEK1 et ERK1. Cette spécificité suggère que MP1 pourrait contribuer à la différence d’activation de MEK1 et MEK2 en spécifiant le signal qui passe par Mek1. Afin d’étudier le rôle de Mp1 au cours du développement chez la souris, nous avons généré des souris Mp1-/-. L’analyse de ces mutants indique que le gène Mp1 est essentiel pour la survie et que sa fonction est nécessaire suite à la post-implantation. La dérégulation de la voie ERK/MAPK dans le développement chez l’homme a aussi des conséquences phénotypiques. Au cours des dernières années, une classe de syndromes a été caractérisée : Les « Rasophaties ». Ces syndromes partagent des caractéristiques communes qui sont, une mutation dans des gènes de la voie ERK/MAPK, une dysmorphologie cranio-faciale, des malformations cardiaques et cutanées ainsi qu’un retard mental. Parmi les mutations de la voie ERK/MAPK qui ont été identifiées, une mutation ponctuelle dans le gène Mek1 (Mek1Y130C) cause le syndrome Cardio-Facio-Cutané (CFC). Le dernier objectif de cette thèse était de générer un modèle animal pour le CFC portant la mutation Mek1Y130C. Les souris portant l’allèle Mek1Y130C présentent les phénotypes associés au CFC (i.e sténose pulmonaire, dysmorphologie cranio-faciale et défauts neurologiques). / Mammals possess two MAP kinase kinase (MEK1 and MEK2), involved in ERK/MAPK pathway. This pathway is essential for proliferation, differentiation and cell survival. The first objective of my thesis was to determinate if MEK1 and MEK2 kinases are redundant during embryonic development. Mek1-/- mice die at embryonic day E10.5 due to placental defects, whereas Mek2-/- mice survive with a normal lifespan suggesting that MEK1 possesses functions not shared by MEK2. However, most Mek1+/-Mek2+/- embryos also die from placental defects, indicating that both Mek genes contribute to placental development. To date, no clear evidence on MEK1 and MEK2 redundancy has been provided. To assess the functional specificity of the Mek1 and Mek2 genes, we produced a Mek1-knockin allele in which the Mek2 coding sequences were placed under the control of Mek1 regulatory sequences. Analyzing these mice allowed us to demonstrate that MEK1 and MEK2 can substitute for each other and that a minimal amount of MEK is critical for placenta development and embryo survival. The second objective of my thesis was to characterize Mp1 mutants. Scaffold proteins modulate MAPK pathway by providing spatial and temporal specificity. Among known ERK/MAPK scaffold proteins, only MP1 (Mek Partner 1) is specific to MEK1 and ERK1, raising the question of the specificity of MP1 in the regulation of ERK/MAPK pathway via MEK1. In order to investigate Mp1 function in vivo, we generated Mp1 knock-out mice. Analyzing these mice enable us to suggest that Mp1 is required for embryonic development and is essential during post-implantation. Deregulation of Ras/MAPK pathway also causes developmental phenotypes in human. During the last decade, a new class of syndromes, which share common phenotypes such as mutations in Ras/MAPK pathway, cranio-facial dysmorphology, cardiac and cutaneous malformations and neurological delay has been described and named Rasophaties. Among the DNA mutations found in rasopathies, the Mek1 mutation, Mek1Y130C, causes cardio-facio-cutaneous syndrome (CFC). The last objective of my thesis was to generate a mouse model of CFC, with the Mek1Y130C mutation. I found that mice carrying the Mek1Y130C mutation partially recapitulate CFC syndrome (i.e pulmonary stenosis, crani-facial dysmophia and neurological defects).

Forkhead box O transcription factors are a family of proteins involved in cellular processes downstream of the Insulin-PI3K-PKB pathway. In response to extra- or intracellular stresses, for example starvation or oxidative stress, FoxOs are required to direct cell cycle progression and apoptosis. In endothelial cells, they induce apoptosis, and their deregulation is linked to diseases involving the insulin pathway, such as diabetes. FoxOs also exhibit a complex role in tumour transformation: here their main function is to suppress tumorigenesis. In both physiological and cancer contexts, FoxO activation leads to the transcription of some general targets, such as p27kip1 or IGFBP1. The FoxOs can also induce tissue-specific genes, as ANGPT2 and BIM in the endothelium. In endothelial cells, another pathway with a pivotal function is the MEK5/ERK5 MAPK signalling way. Its activation promotes cell survival and proliferation in stressful conditions, e.g., when blood vessels are exposed to the shear forces exerted by the blood stream. Furthermore, recent data described ERK5 as a kinase directing tumour resistance upon therapy-induced stress. Comparing their reported roles in various tumours and in the endothelium, FoxO proteins and the MEK5/ERK5 MAPK cascade appear to exert opposite functions. First non-published data confirmed the hypothesis that FoxO factors are subject to a negative modulation by the MEK5/ERK5 pathway. Hence, one goal of this PhD project was to further characterise this crosstalk at molecular level. The major mechanism of FoxO regulation is the balance among several post translational modifications, such as phosphorylation, acetylation, and ubiquitination. Most importantly, the PKB dependent phosphorylation of FoxOs negatively controls their activity, and it is critical for their subcellular localization. Therefore, the regulation of FoxO localization as mechanism of ERK5 dependent suppression was studied, but the results presented in this thesis argue against this hypothesis. However, additional experiments are required to explore the impact of ERK5 activity on FoxO post-translational modifications. FoxO activity can also be modulated by the interaction with other proteins, which in turn could explain general- and tissue-specific gene expression. Thus, another objective of this work was to investigate FoxO3-interactome in endothelial cells and the impact of MEK5/ERK5 activation on it. As published in (Fusi et al. 2022) and presented here, this analysis unveiled TRRAP as new FoxO bound protein in several cell types. Moreover, the interaction did not rely on the capacity of the FoxOs to bind their consensus DNA sequences at the promoter of target genes. Functional data demonstrated that TRRAP is required for FoxO-dependent gene transcription in endothelial and osteosarcoma cells. In addition, TRRAP expression in the endothelium is important for FoxO induced apoptosis. In summary, the interaction between FoxO factors and TRRAP revealed a new regulatory mechanism of FoxO-dependent gene transcription. It remains to be analysed whether the MEK5/ERK5 cascade may exert its suppressive effect on FoxO activity by interfering with their binding to TRRAP and whether such a mechanism may be relevant for tumorigenesis. / Forkhead-Box-O-Proteine sind eine Familie von Transkriptionsfaktoren, die an verschiedenen zellulären Prozessen stromabwärts des Insulin-PI3K-PKB-Signalwegs beteiligt sind. Als Reaktion auf extra- oder intrazelluläre Stressfaktoren, wie Wachstumsfaktorentzug oder oxidativen Stress, werden die FoxOs benötigt, um Zellzyklusprogression und Apoptose zu regulieren. In Endothelzellen induzieren sie Apoptose und ihre Fehlregulation ist mit Krankheiten, bei denen der Insulinsignalweg involviert ist, wie etwa Diabetes mellitus, verbunden. FoxOs spielen auch eine komplexe Rolle bei der Tumortransformation: Hier besteht ihre Hauptfunktion darin, die Tumorentstehung zu unterdrücken. Sowohl im physiologischen als auch im Kontext von Krebs führt die FoxO-Aktivierung zur Transkription verschiedener allgemeiner Zielgene, wie p27kip1, BIM oder IGFBP1. Die FoxOs können aber auch gewebespezifische Gene, wie zum Beispiel ANGPT2 im Endothel, induzieren. Ein weiterer Signalweg mit wichtiger Funktion in Endothelzellen ist der MEK5/ERK5-MAPK Signalweg. Seine Aktivierung fördert das Überleben und Wachstum von Zellen unter Stressbedingungen, wie z. B. wenn Blutgefäße durch den Blutstrom Schubspannungskräften ausgesetzt sind. Darüber hinaus zeigen neuere Daten, dass ERK5 auch an der Tumorresistenzentwicklung unter therapieinduziertem Stress beteiligt ist. Ein Vergleich der bekannten Rolle beider Signalwege im Endothel und bei der Tumorgenese, impliziert eine mutmaßlich gegensätzliche Funktion von FoxO Proteinen und der MEK5/ERK5-MAPK Kaskade. Erste unveröffentlichte Daten stützen die Hypothese, dass FoxO Faktoren einer Negativregulation durch MEK5/ERK5 unterliegen. Ein Ziel dieses Promotionsprojekts, war es daher diesen Zusammenhang auf molekularer Ebene näher zu charakterisieren. Die FoxO-Regulierung ist primär das Zusammenspiel mehrerer posttranslationaler Modifikationen wie Phosphorylierung, Acetylierung und Ubiquitinierung. Der wichtigste Regulationsmechanismus ist dabei die inhibitorische Phosphorylierung durch die Kinase PKB, welche die transkriptionelle FoxO-Aktivität hemmt und deren subzelluläre Lokalisierung ins Zytoplama fördert. Daher wurde zunächst der Einfluss von ERK5 auf die FoxO-Lokalisierung untersucht. Die Daten dieser Arbeit sprechen gegen einen Einfluss von der ERK5 Aktivität auf FoxO Lokalisation, doch sind zusätzliche Experimente erforderlich, um dessen Wirkung auf das Muster der posttranslationalen Modifikation der FoxOs zu klären. FoxO-Aktivität kann auch durch die Interaktion mit anderen Proteinen moduliert werden, die wiederum auch die allgemeine und gewebespezifische Genexpression steuern könnten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es daher, das FoxO3-Interaktom in Endothelzellen und den Einfluss forcierter MEK5/ERK5-Aktivierung darauf zu untersuchen. Wie in (Fusi et al. 2022) gezeigt und hier vorgestellt, führte diese Analyse zur Identifikation von TRRAP als neuem generellen FoxO Bindepartner. Die zelltypunabhängige Interaktion beider Proteine beruhte dabei nicht auf der Fähigkeit der FoxOs direkt an ihre Konsensus-DNA-Sequenzen in den Promotoren ihrer Zielgene zu binden. Funktionelle Daten zeigten nachfolgend, dass TRRAP entscheidend zur FoxO abhängigen Gentranskription in Endothel- und Osteosarkomzellen beiträgt. Darüber hinaus ist TRRAP im Endothel für die effiziente Apoptoseinduktion durch FoxOs wichtig. Zusammenfassend offenbarte die Interaktion zwischen FoxO-Faktoren und TRRAP einen neuen Regulationsmechanismus der FoxO-abhängigen Gentranskription. Es bleibt zu prüfen, ob die MEK5/ERK5 Kaskade FoxOs dadurch hemmt, dass sie die Bindungsfähigkeit von FoxO an TRRAP stört, und ob die beobachtete FoxO-TRRAP Interaktion auch im Kontext der Tumorgenese von Bedeutung ist.