Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009

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Background: RGS9-deficient mice show drug-induced dyskinesia but normal locomotor activity under unchallenged conditions. Results: Genes related to Ca2+ signaling and their functions were regulated in RGS9-deficient mice. Conclusion: Changes in Ca2+ signaling that compensate for RGS9 loss-of-function can explain the normal locomotor activity in RGS9-deficient mice under unchallenged conditions. Significance: Identified signaling components may represent novel targets in antidyskinetic therapy. The long splice variant of the regulator of G-protein signaling 9 (RGS9-2) is enriched in striatal medium spiny neurons and dampens dopamine D2 receptor signaling. Lack of RGS9-2 can promote while its overexpression prevents drug-induced dyskinesia. Other animal models of drug-induced dyskinesia rather pointed towards overactivity of dopamine receptor-mediated signaling. To evaluate changes in signaling pathways mRNA expression levels were determined and compared in wild-type and RGS9- deficient mice. Unexpectedly, expression levels of dopamine receptors were unchanged in RGS9-deficient mice, while several genes related to Ca2+ signaling and long-term depression were differentially expressed when compared to wild type animals. Detailed investigations at the protein level revealed hyperphosphorylation of DARPP32 at Thr34 and of ERK1/2 in striata of RGS9-deficient mice. Whole cell patch clamp recordings showed that spontaneous synaptic events are increased (frequency and size) in RGS9-deficient mice while long-term depression is reduced in acute brain slices. These changes are compatible with a Ca2+-induced potentiation of dopamine receptor signaling which may contribute to the drug-induced dyskinesia in RGS9-deficient mice.

Calmodulin kinase cascade is a signaling pathway which is involved in the response to the increasing intracellular calcium levels. Ca2+ is a ubiquitous second messenger which promotes wide-range of cellular signaling events. Many of these signaling pathways start with the binding of Ca2+ to its primary intracellular receptor calmodulin. Calmodulin in turn binds to its downstream targets in the Ca2+ /calmodulin signaling cascade. One of the most important enzymes of this cascade is a Ca2+ /calmodulin-dependent protein kinase kinase 2 (CaMKK2). CaMKK2 is a serine/threonine protein kinase which regulates for example gene transcription or energy homeostasis by phosphorylation of its downstream targets. Catalytic domain (which provides kinase activity) is located in the middle part of the protein and possesses structure typical for kinases. CaMKK2 consists of 588 amino acids but the secondary structure is known only for the region of the kinase domain (298 residues). The rest of the protein is assumed to be unstructured as long as CaMKK2 is not bound to any interaction partner. The aim of this study was to prepare several constructs of human isoform of CaMKK2 for the further structural and activity studies. It is believed that CaMKK2 is regulated by site-specific phosphorylation. Phosphorylation of some...

Dysfunktionale Angiogenese spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung mikrovaskulärer Spätkomplikationen bei Diabetespatienten. Ziel der Dissertation ist es, die Auswirkungen der chronischen Hyperglykämie auf die Angiogenese im in vitro Diabetesmodell, sowie den Einfluss einer Proteinkinase C-Inhibition und β2-Adrenozeptorstimulation zu untersuchen. Die Experimente wurden an humanen umbilicalen Endothelzellen im Angiogeneseassay durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einführung 1.1. Diabetes mellitus 1.2. Endothel und Angiogenese 1.3. Diabetes mellitus und Endotheliale Dysfunktion 1.4. Therapeutische Interventionsmöglichkeiten und Forschungsbedarf 2. Fragestellung 3. Material 3.1. Zellkultur 3.2. Angiogeneseassay 3.3. Allgemeine Chemikalien 3.4. Herstellung der einzelnen Lösungen 3.4.1. Allgemeine Lösungen 3.4.2. Zellkultur 3.4.3. Angiogeneseassay 3.5. Software 4. Methoden 4.1. Ethikerklärung 4.2. Versuchsaufbau 4.3. Zellkultur 4.3.1. Gelatinebeschichtung von Zellkulturgefäßen 4.3.2. Präparation von Endothelzellen 4.3.3. Kultivierung und Passage der Endothelzellen 4.4. Angiogenese Assay (3D-Kultur) 4.4.1. Versuchsprotokoll Tag 1 4.4.2. Matrigelherstellung 4.4.3. FITC-Lektin-Färbung 4.4.4. Versuchsprotokoll Tag 2 4.4.5. DAPI-Färbung 4.4.6. Auswertung Angiogenese Assay 4.4.7. Eindeckelung 4.5. Statistische Analyse und Textverarbeitung 5. Ergebnisse 5.1. Menschliche venöse Endothelzellen aus der Nabelschnur (HUVECs) in der Zellkultur 5.2. Der Einfluss von Hyperglykämie (D-Glukose), 3-O-Methyl-D-Glukose und L-Glukose auf die Angiogenese 5.3. Der Effekt von Salbutamol unter normoglykämischen Bedingungen auf die Angiogenese 5.4. Der Effekt von Salbutamol und Bisindolylmaleimid 1 unter hyperglykämischen Bedingungen auf die Angiogenese 6. Diskussion der verwendeten Methoden 6.1. Zellkultur 6.2. Angiogeneseassay 6.3. Simulation des Diabetes mellitus im Zellkulturmodell 7. Diskussion der Ergebnisse 7.1. Effekte der Hyperglykämie auf die Angiogenese 7.2. Endotheliale Dysfunktion, verminderte NO-Bioverfügbarkeit und eingeschränkte Angiogenese 7.3. Pathomechanismen der Hyperglykämie induzierten endothelialen Dysfunktion –Akkumulation reaktiver Sauerstoffverbindungen 7.4. Hyperglykämie induzierte metabolische Signalwege 7.4.1. Steigerung des Polyolweges 7.4.2. Steigerung des Hexosaminweges 7.4.3. Akkumulation von AGEˈs (Advanced glycation end products) 7.4.4. Aktivierung des PKC-Signalweges 7.5. Die Effekte von Pharmaka auf die Angiogenese von unter Hyperglykämie kultivierten HUVEC – PKC-Inhibition durch BIM 7.6. Die PKC-Inhibition als therapeutischer Angriffspunkt 7.6.1. Der Effekt der PKC-Inhibition auf die endotheliale Funktion in Diabetesmodellen 7.6.2. Der Effekt der PKC-Inhibition auf die Angiogenese in Diabetesmodellen 7.6.3. Der Effekt der PKC-Inhibition auf mikrovaskuläre Komplikationen des Diabetes in klinischen Studien 7.6.4. Ein Ausblick 7.7. Die Effekte von Pharmaka auf unter Hyperglykämie kultivierte HUVEC – Der Effekt der Behandlung mit Salbutamol 8. Zusammenfassung der Arbeit 9. Literaturverzeichnis 10. Abbildungsverzeichnis 11. Tabellenverzeichnis

HINTERGRUND: Im Zustand der Herzinsuffizienz sind die Plasmaspiegel des atrialen natriuretischen Peptids (ANP) erhöht. ANP wird durch Herzmuskelzellen bei atrialer (und dadurch kardiomyozytärer) Dehnung freigesetzt. Eine Reihe von Plasmafaktoren, welche bei der Herzinsuffizienz aktiviert sind, bewirken ebenfalls eine ANP-Freisetzung durch die Interaktion mit G(alpha-q)-gekoppelten Rezeptoren und der daraus resultierenden Aktivierung der Proteinkinase C (PKC). Ziel der vorliegenden Studie war es, im Vergleich von normalen und insuffizienten Rattenherzen die dehnungsinduzierte ANP-Sekretion sowie die Rolle der PKC bei der basalen ANP-Freisetzung zu analysieren. METHODIK: Durch Anlegen eines infrarenalen aortokavalen Shunts (4 Wochen) wurde eine volumeninduzierte Herzinsuffizienz in Wistar Ratten erzeugt. Die ANP-Freisetzung wurde am isoliert, retrograd perfundierten Herzmodell analysiert. Durch Umstellen auf anterograde Perfusion (Perfusionsdruck: 10mmHg) wurde eine atriale De! hnung induziert. Die Aktivierung der PKC fand durch Zugabe von PMA (Phorbol-12-Myristat-13-Azetat) zum Perfusat im Vergleich zu Vehikel statt. Alle Versuchsreihen wurden mit Herzen von shunt- sowie scheinoperierten Tieren durchgeführt. ERGEBNISSE UND DISKUSSION: Nach Shuntoperation war die ANP-Basalfreisetzung deutlich gesteigert und könnte die erhöhten ANP-Plasmaspiegel bei Patienten mit Herzinsuffizienz erklären. Dagegen wurde durch atriale Dehnung (als adäquaten Freisetzungsreiz am gesunden Herzen) keine weitere Steigerung der ANP-Freisetzung in der Shuntgruppe bewirkt. Die ANP-Freisetzung am insuffizienten Herzen ist im Vergleich zur normalen Herzfunktion somit verändert. Unter PKC-Stimulation sank die Freisetzung von ANP in der Shuntgruppe erheblich ab, wogegen es in der Kontrollgruppe zu keiner signifikanten Änderung der ANP-Sekretion kam. Damit wurde der Verdacht erhärtet, dass die Proteinkinase C in die abweichende Regulation der ANP-Freisetzung bei Herzinsuffizie! nz involviert ist. / BJECTIVE: Plasma levels of atrial natriuretic peptide (ANP) are markedly increased in congestive heart failure. ANP has been shown to be released by cardiomyocytes during atrial (and thereby cardiomyocytical) stretch. Several factors that are activated in heart failure as well enhance ANP release through the interaction with G(alpha-q)-coupled receptors and the consequent activation of proteinkinase C (PKC). The goal of this study was to analyse stretch induced ANP secretion and to investigate the involvement of PKC in the regulation of ANP release in heart failure compared to normal hearts. METHODS: Volume overload induced heart failure was produced by an infrarenal aortocaval shunt (4 weeks) in Wistar rats. ANP release was analysed in an isolated retrogradly perfused heart preparation. Atrial stretch was induced by switching to anterograd perfusion (perfusion pressure: 10mmHg). For PKC activation PMA (phorbol 12 myristate 13 acetate) was added to the perfusate and compar! ed to vehicle treatment. All experiments were performed with shunt and sham operated rats. RESULTS AND CONCLUSIONS: After shunt operation ANP baseline release was considerably augmented and could thus explain elevated ANP plasma levels in heart failure patients. In contrast, atrial stretch as an adequate secretion stimulus in control hearts did not further enhance ANP release in hearts of shunt operated animals. The ANP secretion in heart failure therefore seems to differ from the ANP secretion in the healthy state. Stimulation of PKC markedly decreased ANP release in the shunt group, whereas it did not have any significant effect on ANP release in the control group. In conclusion, the role of the proteinkinase C in ANP release differs between normal and failing hearts and seems to be involved in the deviating regulation of ANP release in states of heart failure.

We tested the hypothesis that triacylglycerol (TAG) accumulation in the liver induced by short-term high-fat diet (HFD) in rats leads to the dysregulation of endogenous TAG degradation via lysosomal pathway and is causally linked with the development of hepatic insulin resistance. Lysosomal lipase (LAL) is stored in qualitatively different depots (light and dense lysosomes). In contrast to dense lysosomal fraction, LAL associated with light lysosomes exhibits high activity on intracellular TAG and prandial- or diet-dependent regulation. On standard diet, LAL activity was up-regulated in starved and down-regulated in fed animals. In the HFD group, we demonstrated elevated LAL activity, increased TAG content, enhanced production of diacylglycerol and the abolishment of prandial-dependent LAL regulation in light lysosomal fraction. The impairment of insulin signalling and increased activation of PKCε was found in liver of HFD-fed animals. Lipolysis of intracellular TAG, mediated by LAL, is increased in steatosis probably due to the enhanced formation of phagolysosomes. Consequent overproduction of diacylglycerol may represent the causal link between HFD-induced hepatic TAG accumulation and hepatic insulin resistance via PKCε activation.

Background: RGS9-deficient mice show drug-induced dyskinesia but normal locomotor activity under unchallenged conditions. Results: Genes related to Ca2+ signaling and their functions were regulated in RGS9-deficient mice. Conclusion: Changes in Ca2+ signaling that compensate for RGS9 loss-of-function can explain the normal locomotor activity in RGS9-deficient mice under unchallenged conditions. Significance: Identified signaling components may represent novel targets in antidyskinetic therapy. The long splice variant of the regulator of G-protein signaling 9 (RGS9-2) is enriched in striatal medium spiny neurons and dampens dopamine D2 receptor signaling. Lack of RGS9-2 can promote while its overexpression prevents drug-induced dyskinesia. Other animal models of drug-induced dyskinesia rather pointed towards overactivity of dopamine receptor-mediated signaling. To evaluate changes in signaling pathways mRNA expression levels were determined and compared in wild-type and RGS9- deficient mice. Unexpectedly, expression levels of dopamine receptors were unchanged in RGS9-deficient mice, while several genes related to Ca2+ signaling and long-term depression were differentially expressed when compared to wild type animals. Detailed investigations at the protein level revealed hyperphosphorylation of DARPP32 at Thr34 and of ERK1/2 in striata of RGS9-deficient mice. Whole cell patch clamp recordings showed that spontaneous synaptic events are increased (frequency and size) in RGS9-deficient mice while long-term depression is reduced in acute brain slices. These changes are compatible with a Ca2+-induced potentiation of dopamine receptor signaling which may contribute to the drug-induced dyskinesia in RGS9-deficient mice.:Introduction; Materials and methods; Results; Discussion

In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass die Serumkonzentration des insulinähnlichen Wachstumsfaktorbindungsproteins-2 (IGFBP-2) bei Krebserkrankungen, die mit dem Verlust des Tumorsuppressorgens PTEN einhergehen, erhöht ist und daher möglicherweise einen Marker für den PTEN-Status und die Aktivität des PI3K/AKT/mTOR-Signalweges darstellt. Schmid et al. haben 2014 einen Patienten mit PTEN-Hamartom-Tumor-Syndrom (PHTS) mit einer heterozygoten PTEN-Keimbahndeletion und massiver Lipomatose beschrieben, bei dem erhöhte IGFBP-2 Serumspiegel gemessen wurden. Ziel dieser Arbeit war es zu analysieren, ob PTEN-defiziente Lipomzellen des Patienten im Vergleich zu Kontrollfettzellen mehr IGFBP-2 produzieren, sowie den Einfluss verschiedener pharmakologischer Inhibitoren des AKT/PI3K/mTOR - und des MAPK- Signalwegs auf die IGFBP-2 Produktion zu untersuchen. In der PTEN-defizienten Lipomzellkultur, gewonnen aus reseziertem Lipomgewebe des Patienten, wurden vergleichbare Mengen an IGFBP-2 wie in den nicht PTEN-defizienten Kontrollzellen gefunden. Die pharmakologische Hemmung der PI3K und AKT bewirkten eine signifikante Senkung der IGFBP-2 Expression und Sekretion, wohingegen sich bei Hemmung der MEK und des mTORC1 keine Effekte zeigten. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine heterozygote PTEN-Deletion in Lipomzellen nicht zu einer erhöhten IGFBP-2 Produktion führt und daher die erhöhten Serumspiegel des Patienten nicht darauf zurückzuführen sind. Des Weiteren bestätigen die in vitro Ergebnisse die klinische Beobachtung, dass unter der Therapie mit dem mTORC1-Inhibitor Rapamycin die IGFBP-2 Serumspiegel des Patienten nicht zurückgingen. Möglicherweise stellt IGFBP-2 jedoch einen geeigneten Verlaufsmarker für eine Therapie mit PI3K- oder AKT-Inhibitoren dar.

Neben den cAMP- und cGMP-abhängigen Proteinkinasen (PKA bzw. PKG) sind als zyklonukleotid-regulierte Effektorproteine die Ionenkanäle CNG1-4, der "guanine nucleotide exhange factor“ Epac sowie die zyklonukleotid-spaltende Familie der Phosphodiesterasen (PDEs) von Bedeutung. Industriell synthetisierte cGMP- und cAMP-Analoga besitzen zwar meist eine hohe Affinität für ihr Zielprotein, über ihre Hydrolysestabilität gegenüber PDEs in der Zelle ist jedoch wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden die kinetischen Konstanten von elf der am häufigsten genutzten cAMP-und cGMP-Analoga an verschiedenen Vertretern der PDE-Familien mittels Mikrokaloriemetrie bestimmt. Zudem konnte in den Messungen der inhibitorisch Effekt hydrolysestabiler Derivate auf die PDEs qualitativ und quantitativ ermittelt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Phosphodiesterasen in der Lage sind, auch chemisch modifizierte Analogsubstanzen der Cyclonukleotide cAMP und cGMP zu hydrolysieren. Hydrolysestabile Derivate dagegen entwickeln häufig inhibitorische Wirkung auf die PDEs und verursachen dadurch Veränderungen der intrazellulären cAMP und cGMP Konzentrationen. So vermag z. B. die Epac-spezifische Substanz Sp-8-pCPT-2’-O-Me-cAMPS in den in vitro Experimenten die PDEs mit ki-Werten im einstelligen mikromolaren Bereich zu inhibieren. In mit Sp-8-pCPT-2’-O-Me-cAMPS stimulierten Thrombozyten steigt als Folge dieser PDE-Hemmung die cGMP Konzentration in der Zelle an und man beobachtet eine als Folge eine PKG-vermittelte Phosphorylierung des Substratproteins VASP – eine unerwünschte Nebenreaktion. Die erhobenen Daten lassen außerdem Rückschlüsse auf den Inhibitionsmechanismus zu. Einige Analoga inhibieren die cGMP-bindenden GAF-Domänen in den PDEs 2A, 5A, 6cone und 10A sowie die PDE 4D3 nach dem linear-mixed-Typ und beeinflussen daher, neben der katalytischen Aktivität, vermutlich auch regulatorische Zentren dieser Enzyme. Zusammenfassend erleichtern die erhobenen Daten Wissenschaftlern die Auswahl des für ihre Fragestellung am besten geeigneten Derivates. / cAMP and cGMP are critical second messengers that regulate multiple targets including different cAMP/cGMP-dependent protein kinases (PKA/PKGs), exchange proteins directly activated by cAMP (Epacs), phosphodiesterases (PDEs) and cyclic nucleotide-gated ion channels (CNGs). Second and third generation cyclic nucleotide analogs are widely used to elucidate specificity of cellular signaling, mediated by these target proteins. However, the selectivity and stability of these analogs need to be fully understood in order to properly interpret results and rigorously assess the mechanisms by which these analogs work in the cell. To better understand the selectivity and cross-reactivity of these analogs I measured the activation or inhibitory activity of 13 commonly-used cyclic nucleotide analogs 8 different PDEs. To measure their stability to hydrolysis I utilized isothermal microcalorimetry, a method that allows to evaluate whether or not an analog can function as a substrate or inhibitor for PDEs. I demonstrate that indeed some of these analogs can be hydrolyzed by multiple PDEs and others are competitive inhibitors. Herein I provide Ki data for all of the non-hydrolyzable analogs and Km and Vmax values for all of the hydrolyzable analogs. Each of these values, as well as their mode of inhibition can be determined in a single experiment. The data strongly implied that several of these analogs might, in addition to their primary effects, also cause elevation of cAMP or cGMP indirectly by inhibiting PDEs in the cell. Such an effect could of course cloud interpretation of the use of these analogs. Similarly, those that are PDE substrates also might have their duration of action substantially reduced. To illustrate this point we show that Sp-8-pCPT-2’-O-Me-cAMPS, a highly specific non-hydrolyzable Epac activator in vitro, can under certain conditions enhance cGMP/PKG and cAMP/PKA signaling pathways in intact platelets. Specifically we found enhanced VASP phosphorylation at both PKA and PKG phosphorylation sites after the addition of Sp-8-pCPT-2’-O-Me-cAMPS. These data indicate that this “selective Epac activator” is able to indirectly activate the cAMP/PKA and cGMP/PKG signalling pathways presumably through inhibition of platelet PDE5 and/or PDE3. The data together allow to provide recommendations for how best to probe the different cyclic nucleotide signalling pathways using cyclic nucleotide analogs. In summary, the data provide evidence that most cAMP and cGMP analogs have multiple targets. Therefore, interpretation of any effects these analogs have in cells should take into consideration their possible cross-target reactivities.