Beim humanen nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom ist die schrittweise Progression vom gutartigen Tumor zur malignen Metastasierung weitestgehend ungeklärt. In einem transgenen Mausmodell für das humane nichtkleinzellige Bronchialkarzinom, in dem in Lungenepithelzellen eine onkogene Mutante der Proteinkinase C-RAF exprimiert wird, können einzelne Schritte im Prozess der malignen Progression entschlüsselt werden. Die durch C-RAF induzierten Adenome zeichnen sich durch eine hohe genomische Stabilität in den Tumorzellen, durch starke interzelluläre Adhäsionskontakte zwischen den Tumorzellen und das Fehlen einer malignen Progression aus. Hier wurde demzufolge untersucht, ob die Auflösung der E-Cadherin-vermittelten Zellkontakte zwischen den einzelnen Tumorzellen eine Metastasierung auslösen könnte. Es wurden zwei genetische Ansätze verfolgt, um die Rolle der Tumorzelladhäsion im C-RAF Modell zu bewerten, die konditionelle Eliminierung des E-Cadheringens Cdh1 sowie die regulierbare transgene Expression von dominant-negativem E-Cadherin. Die Auflösung der E-Cadherin-vermittelten Zelladhäsion führte zur Neubildung von Tumorgefäßen, welche in der frühen Phase der Gefäßbildung durch Wiederherstellung des Zellkontakts reversibel war. Die vaskularisierten Tumore wuchsen schneller, bildeten invasive Fronten aus und führten zur Ausbildung von Mikrometastasen. Es konnte gezeigt werden, dass Beta-Catenin für die Induktion der Angiogenesefaktoren VEGF-A und VEGF-C in Lungentumorzellinien des Menschen und der Maus essentiell war. Lungentumorzellen aus den in situ Tumoren mit aufgelösten E-Cadherin-vermittelten Zellkontakten exprimierten Gene endodermaler und anderer Zellabstammung, was epigenetische Reprogrammierung in Tumorzellen als den Mechanismus bei der malignen Progression vermuten lässt. / Steps involved in the progression of non-small cell lung cancer (NSCLC) to metastasis are poorly understood. Expression of oncogenic C-RAF in lung epithelial cells has yielded a model for non-small cell lung cancer (NSCLC). The induced adenomas are characterised by high genomic stability, a lack of tumor progression and pronounced cell-cell contacts raising the question whether disruption of E-cadherin complexes would promote progression to metastasis. Two genetic approaches were used to evaluate the role of adherens junctions in a C-RAF driven mouse model for NSCLC: conditional ablation of the Cdh1 gene and expression of dominant negative (dn) E-cadherin. Disruption of E-cadherin function caused massive formation of intratumoral vessels that was reversible in the early phase of induction. Vascularized tumors grew more rapidly, developed invasive fronts and gave rise to micrometastasis. ß-catenin was identified as a critical effector of E-cadherin disruption leading to up-regulation of angiogenic inducers (VEGF-A and VEGF-C) in mouse and human lung tumor cell lines. In vivo, lung tumor cells with disrupted E-cadherin expressed ß-catenin target genes of endodermal and other lineages suggesting that reprogramming may be involved in metastatic progression.

In mammals, the RAF family of serine/threonine kinases consists of three members, A-, B- and C-RAF. Activation of RAF kinases involves a complex series of phosphorylations. Although the most prominent phosphorylation sites of B- and C-RAF are well characterized, little is known about regulatory phosphorylation of A-RAF. Using mass spectrometry, we identified here a number of novel in vivo phosphorylation sites in A-RAF. The physiological role and the function of these sites were investigated subsequently by amino acid exchange at the relevant positions. In particular, we found that S432 participates in MEK binding and is indispensable for A-RAF signaling. On the other hand, phosphorylation within the activation segment does not contribute to epidermal growth factor-mediated activation. Regarding regulation of A-RAF activity by 14-3-3 proteins, we show that A-RAF activity is regulated differentially by its C-terminal and internal 14-3-3 binding domain. Furthermore, by use of SPR technique, we found that 14-3-3 proteins associate with RAF in an isoform-specific manner. Of importance, we identified a novel regulatory domain in A-RAF (referred to as IH-segment) positioned between amino acids 248 and 267, which contains seven putative phosphorylation sites. Three of these sites, serines 257, 262 and 264, regulate A-RAF activation in a stimulatory manner. The spatial model of the A-RAF fragment including residues between S246 and E277 revealed a “switch of charge” at the molecular surface of the IH-region upon phosphorylation, suggesting a mechanism in which the high accumulation of negative charges may lead to an electrostatic destabilization of protein/membrane interaction resulting in depletion of A-RAF from the plasma membrane. Activation of B- and C-RAF is regulated by phosphorylation at conserved residues within the negative-charge regulatory region (N-region). Identification of phosphopeptides covering the sequence of the N-region led to the conclusion that, similar to B- and C-RAF, kinase activity of A-RAF is regulated by phosphorylation of the N-region. Abrogation of A-RAF activity by S299A substitution and elevated activity of the A-RAF-Y301D-Y302D mutant confirmed this conclusion. In addition, we studied the role of the non-conserved residues within the N-region in the activation process of RAF kinases. The non-conserved amino acids in positions –3 and +1 relative to the highly conserved S299 in A-RAF and S338 in C-RAF have so far not been considered as regulatory residues. Here, we demonstrate that Y296R substitution in A-RAF led to a constitutively active kinase. In contrast, G300S substitution (mimicking B- and C-RAF) acts in an inhibitory manner. These data were confirmed by analogous mutations in C-RAF. Based on the three-dimensional structure of the catalytic domain of B-RAF, a tight interaction between the N-region residue S339 and the catalytic domain residue R398 was identified in C-RAF and proposed to inhibit the kinase activity of RAF proteins. Furthermore, Y296 in A-RAF favors a spatial orientation of the N-region segment, which enables a tighter contact to the catalytic domain, whereas a glutamine residue at this position in C-RAF abrogates this interaction. Considering this observation, we suggest that Y296, which is unique for A-RAF, is a major determinant of the low activating potency of this RAF isoform. Finally, the residues R359 in A-RAF and R398 in C-RAF, which interact with the N-region, are also involved in binding of phosphatidic acid. Substitution of this conserved arginine by alanine resulted in accumulation of hyper-phosphorylated form of RAF, suggesting that this residue play a crucial role in phosphorylation-mediated feedback regulation of A- and C-RAF. Collectively, we provide here for the first time a detailed analysis of in vivo A-RAF phosphorylation status and demonstrate that regulation of A-RAF by phosphorylation exhibits unique features compared with B- and C-RAF. / Die Protein-Familie der Serin/Threonin-spezifischen RAF-Kinasen umfasst in Säugetieren drei Mitglieder, A-, B- und C-RAF. Bei der Aktivierung dieser Kinasen spielen Phosphorylierungs-ereignisse eine entscheidende Rolle. Im Gegensatz zu B- und C-RAF, deren Phosphorylierungsstellen ausgiebig charakterisiert sind, blieb die Phosphorylierung von A-RAF weitgehend unerforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung der massenspektrometrischen Analyse zahlreiche neue in vivo A-RAF-Phosphorylierungsstellen identifiziert. Die physiologische Relevanz und die Funktion dieser Stellen wurden anschließend durch Aminosäurenaustausch an den relevanten Positionen untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass S432 in der A-RAF-Bindung zu MEK involviert und für die Signalweiterleitung unverzichtbar ist. Hingegen ist die EGF-bedingte A-RAF-Aktivierung nicht von der Phosphorylierung innerhalb des Aktivierungssegments abhängig. Hinsichtlich der Regulation von A-RAF-Aktivierung durch 14-3-3-Proteine, wurde hier gezeigt, dass die katalytische Aktivität von A-RAF durch die C-terminale und die interne 14-3-3-Bindungsdomänen unterschiedlich reguliert wird. Weiterhin wurde mittels SPR-Verfahren festgestellt, dass die Interaktion von 14-3-3-Proteinen mit RAF-Kinasen einen isoformspezifischen Charakter trägt. Von entscheidender Bedeutung war die Entdeckung einer neuen regulatorischen Domäne (hier als IH-Segment bezeichnet), die in der A-RAF-Sequenz die Aminosäuren 248 bis 267 umfasst und sieben A-RAF-spezifische Phosphorylierungsstellen enthält. Drei dieser Stellen, S257, S262 und S264, erwiesen sich als positive Regulatoren der A-RAF-Aktivierung. Das räumliche Modell dieses A-RAF-Fragments deckte eine „Ladungsumkehr“ an der molekularen Oberfläche der IH-Region infolge der Phosphorylierung auf. Dieser Befund begründete den Vorschlag eines Regulations-mechanismus, in dem die starke Akkumulierung der negativen Ladungen zu einer elektrostatischen Destabilisierung der Protein-Membran-Interaktion führt, was die Verdrängung der A-RAF-Kinase von der Plasma-Membran zur Folge haben könnte. Die Aktivierung von B- und C-RAF wird durch Phosphorylierung der sogenannten „negativ geladenen“ Region (N-Region) reguliert. Die Identifizierung mehrerer Phosphopeptide aus der N-Region von A-RAF veranlasste die Schlussfolgerung, dass die A-RAF-Aktivität ebenfalls durch die Phosphorylierung innerhalb dieser Region gesteuert werden könnte. In der Tat, die Aufhebung der A-RAF-Aktivität durch die S299A-Substitution und die erhöhte Aktivität der A-RAF-Y301D-Y302D-Mutante bestätigen diese Aussage. Darüberhinaus wurde die Rolle der nichtkonservierten Aminosäuren an den Positionen –3 und +1 relativ zum S299 in A-RAF und S338 in C-RAF im Aktivierungsprozess der RAF-Kinasen untersucht, nachdem diese ursprünglich nicht als regulatorische Stellen erkannt wurden. Es wird hier demonstriert, dass Y296R-Substitution der A-RAF-Kinase eine konstitutive Aktivität verleiht. Hingegen wirkte die G300S-Substitution, die von B- und C-RAF abgeleitet wurde, inhibitorisch. Diese Befunde wurden durch die analogen Mutationen in C-RAF bestätigt. Basierend auf der dreidimensionalen Struktur der katalytischen Domäne von B-RAF wurde eine Interaktion zwischen der N-Region und der katalytischen Domäne in A- und C-RAF festgestellt, die zu einer Inhibierung der Aktivität führen soll. Darüberhinaus wurde gezeigt, dass die räumliche Ausrichtung von Y296 in der N-Region von A-RAF einen engen Kontakt mit der katalytischen Domäne ermöglicht; dagegen hebt Glutamin in dieser Position die Interaktion auf. In Anbetracht dieser Befunde wurde vorschlagen, dass das A-RAF-spezifische Y296 das niedrige Aktivierungs-potential dieser RAF-Isoform determiniert. In diesem Zusammenhang wurde auch gefunden, dass die Aminosäuren R359 in A-RAF und R398 in C-RAF eine duale Funktion besitzen, indem sie sowohl mit der N-Region als auch mit Lipiden in Wechselwirkung treten können. Substitution dieser konservierten Arginine durch Alanin führte zur Akkumulierung der hyperphosphorylierten Formen der RAF-Kinasen, was die Schlussfolgerung erlaubt, dass diese Reste eine wichtige Rolle in der ERK-vermittelten Feedback-Regulation von A- und C-RAF spielen. Insgesamt wird hier zum ersten Mal eine detaillierte Analyse der in vivo A-RAF-Phosphorylierung geliefert und gezeigt, dass die phosphorylierungsvermittelte Regulation von A-RAF einzigartige Merkmale innerhalb der Familie von RAF-Kinasen aufweist.

Extracellular signals are translated and amplified via cascades of serially switched protein kinases, MAP kinases (MAPKs). One of the MAP pathways, the classical RAS/RAF/MEK/ERK pathway, transduces signals from receptor tyrosine kinases and plays a central role in regulation of cell proliferation. RAF kinases (A-, B- and C-RAF) function atop of this cascade and convert signals emanating from conformational change of RAS GTPases into their kinase activity, which in turn phosphorylates their immediate substrate, MEK. Disregulated kinase activity of RAF can result in tumor formation, as documented for many types of cancer, predominantly melanomas and thyroid carcinomas (B-RAF). A-RAF is the least characterized RAF, possibly due to its low intrinsic kinase activity and comparatively mild phenotype of A-RAF knockout mice. Nevertheless, the unique phenotype of araf -/- mice, showed predominantly neurological abnormalities such as cerebellum disorders, suggesting that A-RAF participates in a specific process not complemented by activities of B- and CRAF. Here we describe the role of A-RAF in membrane trafficking and identify its function in a specific step of endocytosis. This work led to the discovery of a C-terminally truncated version of A-RAF, AR149 that strongly interfered with cell growth and polarization in yeast and with endocytosis and actin polymerization in mammalian cells. As this work was in progress two splicing isoforms of ARAF, termed DA-RAF1 and DA-RAF2 were described that act as natural inhibitors of RAS-ERK signaling during myogenic differentiation (Yokoyama et al., 2007). DA-RAF2 contains the first 153 aa of A-RAF and thus is nearly identical with AR149. AR149 localized specifically to the recycling endosomal compartments as confirmed by colocalization and coimmunoprecipitation with ARF6. Expression of AR149 interferes with recycling of endocytosed transferrin (Tfn) and with actin polymerization. The endocytic compartment, where internalized Tfn is trapped, was identified as ARF6- and RAB11- positive endocytic vesicles. We conclude that the inhibition of Tfn trafficking in the absence of A-RAF or under overexpression of AR149 occurs between tubular- and TGNassociated recycling endosomal compartments. siRNA-mediated depletion of endogenous A-RAF or inhibition of MEK by U0126 mimic the AR149 overexpression phenotype, supporting a role of ARAF regulated ERK signalling at endosomes that is controlled by AR149 and targets ARF6. Our data additionally suggest EFA6 as a partner of A-RAF during activation of ARF6. The novel findings on the A-RAF localization and the interaction with ARF6 have led to a new model of ARAF function were A-RAF via activation of ARF6 controls the recycling of endocytic vesicles.Endocytosis and rapid recycling of synaptic vesicles is critically important for the physiological function of neurons. The finding, that A-RAF regulates endocytic recycling open a new perspective for investigation of the role of A-RAF in the nervous system. / Extrazelluläre Signale werden über eine Serie von nacheinander geschalteten Proteinkinasen, den MAP-Kinasen (MAPK) weitergeleitet und multipliziert. Einer der MAPK-Signalwege, der RAS/RAF/MEK/ERK-Signaltransduktionsweg, leitet Signale von Tyrosinkinaserezeptoren weiter und spielt eine zentralle Role in der Regulation der Zellproliferation. RAF Kinasen (A-, B-, und CRAF) stehen am Anfang der Kaskade. Sie wandeln die signalbedingte strukturellen Änderungen der RAS-GTPase in ihre Kinaseaktivität um und phosphorylieren ihr direktes Substrat, MEK. Eine Störung in der Regulation der Kinaseaktivität des RAF-Proteins kann zur Tumorbildung führen, wie es bei vielen Krebsarten, vor allem Melanom und Schilddrüsenkarzinom (B-RAF), dokumentiert ist. A-RAF ist die bislang am wenigsten charakterisierte RAF-Kinase, möglicherweise aufgrund sihrer nidrigen intrinsischen Kinaseaktivität. Weiterhin weist die A-RAF defficiente Maus einen relativ milden hauptsächlich neuronalen Phänotyp auf, der sich unter anderem auch in einer Fehlfunktion des Cerebellums manifestiert. Dieser einzigartige Phänotyp weist darauf hin, dass eine Reihe zellulärer Prozesse spezifisch durch A-RAF und nicht durch aktiveren B- und C-RAF vermittellt wird. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die Rolle des A-RAF-Proteins im intrazellulären Membrantransport analysiert und eine spezifische A-RAF Funktion by endozytotischen Prozessen identifiziert. Diese Arbeit führte zur Entdeckung einer C-terminal verkürtzten Form von A-RAF, AR149, welche das Wachstum und die Polarisation von Hefezellen beeinträchtigt. In Säugetierzellen wirkt AR149 störend auf die Endozytose und die Aktinpolymerisation. Während des Entstehungsprozesses dieser Studie, wurden parallel zwei Spleißisoformen des A-RAF-Proteins, DARAF1 und 2, publiziert, die als natürliche Inhibitoren des RAS-RAF-MEK-ERK-Signalwegs in der myogenen Differenzierung agieren (Yokoyama et al., 2007). DA-RAF2 beinhaltet die ersten 153 Aminosäuren des A-RAF Proteines und ist damit fast identisch mit AR149. Eigene Kolokalisierungund Koimmunopräzipitationsexperimente mit ARF6 weisen darauf hin, dass AR149 spezifisch in ARF6-positiven Recycling-Endosomen lokalisiert ist. Expression des AR149 Proteins bechindert das Recycling von endozytiertem Transferrin und die Aktin Polimerisation. Die endosomalen Kompartimente in denen internalisiertes Transferrin gefangen vor liegt, konntenals ARF6- und RAB11-positive endozytotische Vesikeln characterisiert werden. Diese Ergebnisse lassen auf eine durch A-RAF Überexpression bzw. durch die Abwesenheit an A-RAF vermittelte Blokade des intrazellulären Transferrintransportes zwischen den tubulären- und Trans-Golgi-Netzwerk-assoziirten endosomalen Recycling-Kompartimenten schließen. Inhibierung der endogenen A-RAF-Expression durch siRNA oder Hemmung der MEK-Aktivität durch U0126 haben den selben Effekt wie AR149. Auf der Basis dieser Ergebnisse wird ein neues Modell für die Rolle der A-RAF regulierten ERK Signallwirkung auf Endosomen vorgestellt, bei dem das Zielprotein die ARF6 GTPase durch 3 AR149/DA-RAF2 negativ reguliert wird. Daruber hinaus deuten unsere Daten darauf hin, dass EFA6, ein GEF-Faktor von ARF6, als Kooperationspartner von A-RAF bei der ARF6-Aktivierung fungiert. Endocytose und das schnelle Recycling von synaptischen Vesikeln ist von besonderer Bedeutung für die Funktion von Neuronen. Aus dem Befund, dass A-RAF ein Regulator des endocytotischen Recyclings ist ergibt sich dacher eine neue Perspektieve für die Untersuchung der A-RAF Funktion im Nervensystem.

Metastasis is the cause of death in 90% of cancer-related deaths in men. Melanoma and Non-Small-Cell Lung Cancer (NSCLC) are both tumour types with poor prognosis, lacking appropriate therapeutic possibilities, not least because of their high rate of metastasis. Thus understanding the process of metastasis might unravel therapeutic targets for developing further therapeutic strategies. The generation of a transgenic mouse model expressing B-RafV600E in melanocytes, a mutation that is found in about 60% of all melanoma, would result in an ideal tool to study melanoma progression and metastasis. In this work, a doxycycline-inducible system was constructed for expression of B-RafV600E and transgenic animals were generated, but the expression system has to be improved, since this strategy didn’t give rise to any viable, transgene carrying mice. Furthermore, since it was shown in the work of others that the metastatic behavior of tumour cell lines could be reversed by an embryonic microenvironment and the influence of a tumourigenic microenvironment on melanocytes lead to the acquisition of tumour cell-like characteristics, the question arose, whether B-Raf is as important in melanocyte development as it is in melanoma progression. In this work, the embryonal melanocyte development in B-Raf-deficient and wildtype mouse embryos was examined and there were no differences observed in the localization and number of neural crest stem cells as well as in the localization of the dopachrome-tautomerase positive melanoblasts in the embryos and in cultured neural tube explants. The expression of oncogenic C-Raf in lung epithelial cells has yielded a model for NSCLC giving rise to adenomas lacking spontaneous progression or metastasis. The co-expression of c-Myc in the same cells accelerates the tumour development and gives rise to liver and lymphnode metastases. The expression of c-Myc alone in lung epithelial cells leads to late tumour development with incomplete penetrance. A mutation screen in this work resulted in the observation that a secondary mutation in KRas or LKB1 is necessary for tumour formation in the c-Myc single transgenic animals and suggested metastasis as an early event, since the corresponding metastases of the mutation-prone primary lung tumours were negative for the observed mutations. Furthermore, in this work it was shown that the expression of chicken c-Myc in a non-metastatic NSCLC cell line leads to metastatic clones, showing that c-Myc is sufficient to induce metastasis. Additionally a panel of metastasis markers was identified, that might serve as diagnostic markers in the future. / In 90% der Todesfälle aufgrund von Krebserkrankungen sind Metastasen für den Tod des Patienten verantwortlich. Sowohl Melanom, als auch nicht-kleinzelliges Lungenkarzinom (Non-Small Cell Lung Cancer, NSCLC) sind beides Tumortypen, die eine schlechte Prognose haben und für die sich wenige Therapiemöglichkeiten bieten, nicht zuletzt aufgrund ihrer häufigen Metastasierung. Somit würde ein besseres Verständnis des Metastasierungsprozesses neue therapeutische Angriffspunkte aufdecken und damit die Möglichkeit zur Entwicklung neuer Therapieansätze bieten. Die Entwicklung eines transgenen Mausmodells, in dem B-RafV600E, eine Mutation die man in 60% der Melanompatienten findet, melanocyten-spezifisch exprimiert wird, würde ein geeignetes Werkzeug ergeben, um die Entstehung und die Metastasierung von Melanom zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konstrukt zur Doxycyclin-abhängingen Expression von B-RafV600E erzeugt und mit diesem wurden transgene Tiere generiert. Da dieser Ansatz nicht zu lebensfähigen, das Transgen tragenden Linien führte, muss das Expressionssystem weiter verbessert werden. Da in der Arbeit von anderen gezeigt wurde, dass das metastasierende Verhalten von Tumor-Zelllinien durch eine embryonale Mikroumgebung aufgehoben werden konnte, und dass der Einfluss einer tumorähnlichen Mikroumgebung in Melanocyten zur Erlangung von Tumorzell-Charakteristika führte, kam die Frage auf, ob B-Raf eine ähnlich wichtige Rolle in der Entwicklung von Melanocyten wie in der Entstehung von Melanomen spielt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die embryonale Melanocytenentwicklung in B-Raf-defizienten sowie in wildtypischen Mausembryonen untersucht. Es konnten keine Unterschiede in der Lokalisation und Anzahl von Stammzellen des Neuralrohres und in der Lokalisation von Dopachrome-tautomerase positiven Melanoblasten in den Embryonen und in kultivierten Explantaten des Neuralrohres festgestellt werden. Die Expression von oncogenem C-Raf in Lungenepithelzellen von Mäusen ist ein Modell für NSCLC und führt zur Ausbildung von Adenomen ohne spontane Weiterentwicklung oder Metastasen. Die Koexpression von C-Raf mit c-Myc in denselben Zellen beschleunigt die Entwicklung von Tumoren und führt zu Metastasen in Leber und Lymphknoten. Die Expression von c-Myc alleine in Lungenepithelzellen führt zu einer verspäteten Entwicklung von Tumoren mit nicht vollständiger Penetranz. Ein Screening für Mutation im Rahmen dieser Arbeit führte zu der Beobachtung, dass Sekundärmutationen in KRas oder LKB1 für die Tumorentwicklung in den c-Myc transgenen Tieren notwendig sind und dass die Metastasierung ein frühes Ereignis zu seien scheint, da die zugehörigen Metastasen in Leber und Lymphknoten im Gegensatz zum Primärtumor in der Lunge keine Mutationen in diesen Genen trugen. Desweiteren wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Expression von avianem c-Myc in einer nicht-metastasierenden NSCLC Zelllinie zu metastasierenden Klonen führte, was zeigt, dass c-Myc ausreichend ist um Metastasierung auszulösen. Zusätzlich wurde eine Reihe von Markern für Metastasen identifiziert, die in Zukunft als diagnostische Marker Verwendung finden könnten.

Raf Proteine sind Serin/Threonin Kinasen, die als zentrale Elemente des Ras, Raf, Mek, Map Kinase Wegs, an der Weiterleitung von extrazellulären Signalen von der Zellmembran zu nukleären Effektoren beteiligt sind. Auf diese Weise kontrollieren sie elementare Prozesse wie Proliferation, Differenzierung und das Überleben von Zellen. In Säugetieren wurden drei funktionelle Gene (A-, B- and C-raf) beschrieben. Aus biochemischen Untersuchungen ergibt sich, dass die Isozyme überlappende aber auch differentielle Funktionen übernehmen. Allerdings wurde ein differenziertes Verständnis der jeweiligen spezifischen Rolle dadurch erschwert, dass in den meisten Zelltypen verschiedene Raf-Isozyme expremiert werden und dass wegen der Vielzahl der Aktivatoren und Effektoren eine eindeutige Isoform-Zuordnung schwer möglich war. Aufgrund der Beteiligung an verschiedenen Krankheitsbildern, insbesondere der Tumorentstehung und –progression, ist jedoch die Aufklärung der Isozym-spezifischen Funktionen von vorranginger wissenschaftlicher Bedeutung. B-Raf hat unter den Raf Kinasen die höchste Kinaseaktivität und zeigt antiapoptotische Eigenschaften. B-Raf knockout Mäuse zeigen eine allgemeine Wachstumsverzögerung und sterben zwischen E10,5 und E12,5 aufgrund fehlentwickelter Gefässe in Folge massiver Apoptose differenzierter Endothelzellen. [1]. Um die Lethalität des B-Raf-/- (KO) Phänotyps zu überkommen und um die Redundanz der B-Raf Proteine weiter zu untersuchen, wurden Mäuse generiert, die unter der Kontrolle des B-Raf Promoters statt B-Raf eine A-Raf cDNA exprimieren. Nur in einem Fall entwickelte sich eine ausgewachsene p20 Maus ohne sichtbare Entwicklungsdefekte oder Verhaltensauffälligkeiten. Darüber hinaus wurden lebende Embryonen mit normaler Entwicklung aber reduzierter Grösse mit niedriger Inzidenz zwischen E12,5d und E16,5d beobachtet. In allen diesen Fällen fanden wir ein intaktes Gefäßsystem. Andererseits waren Neurogenese und die Bewegung der neuralen Vorläuferzellen in den überlebenden Embryonen gestört, was in einigen Fällen zu unterentwickelten Hirnregionen führte. Mittels TUNEL bzw. PCNA Assay konnten wir zeigen, dass mehr apoptotische und weniger proliferierende Zellen in ventrikulärer und subventrikulärer Zone der Hirn Ventrikel und im Striatum der KIN Embryonen zu finden sind. Außerdem wurden in einer Reihe von Geweben von E13,5d und in den Lungen von E16,5d Embryonen, vermehrt apoptotische Zellen beobachtet. Dies war in der einen ausgewachsenen KIN Maus nicht der Fall. Diese zeigte einen reduzierten Anteil an neuronalen Vorläuferzellen in der subgranulären Zone des Hippocampus und an reifen Neuronen im Riechkolben. Ansonsten waren aber keine Störungen der Neurogenese in der ausgewachsenen KIN Maus detektierbar. Fibroblasten die aus KIN Embryonen etabliert wurden, zeigten im Vergleich zu Wildtypzellen reduzierte Fähigkeit zur Proliferation und erhöhte Sensibilität gegenüber Apoptoseauslösern. Die erhöhte Apoptosetendenz spiegelte sich auf molekularer Ebene in einer Reduktion an antiapoptotischen Molekülen wieder. Aktive ERK und Akt Kinase sind erniedrigt. Außerdem war von dem bekannten Raf Substrat BAD, weniger an der inaktiven phosphorylierten Form zu beobachten, wodurch bei gleicher Menge Gesamtprotein auf ein Mehr an proapoptotischem unphosphoryliertem BAD geschlossen werden kann. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass die Substitution von B-Raf durch die weniger aktive A-Raf Kinase zwar die endotheliale Apoptose verhindern kann, die die Ursache für das frühe Absterben der B-Raf-/- (KO) Mäuse ist, dass aber die normale Entwicklung dennoch entscheidend gestört ist. / Cellular proliferation, differentiation and survival in response to extracellular signals are controlled by the signal transduction pathway of Ras, Raf and MAP kinase. The Raf proteins are serine/threonine kinases with essential function in growth/differentiation/survival - related signal transduction events. In mammals, three functional (A-, B-, and C-Raf) genes were described. Biochemical studies suggest overlapping and differential utilization of Raf isozymes. However, the frequent co-expression of Raf isozymes and their multiple activators and effectors impedes the full understanding of their specific roles. The elucidation of these roles is important due to the involvement of the Ras/Raf/MEK/MAP kinase cascade in human disorders especially in tumor development and progression. B-Raf was shown to posses the strongest kinase activity among Raf kinases and display antiapoptotic properties. Mice deficient in B-Raf show overall growth retardation and die between E10.5 and E12.5 of vascular defects caused by excessive death of differentiated endothelial cells. To elucidate the redundancy of Raf isozymes during embryonic development and to rescue B-Raf-/- (KO) phenotype, B-Raf alleles were disrupted by introducing A-Raf cDNA under the control of endogenous B-Raf promoter. The resulting BRaf A-Raf/A-Raf (KIN) phenotype depends on genetic background. The living embryos displaying normal development but size reduction were found with low incidence at E12.5d-16.5d. All of them displayed the rescue of vascular system. One adult p20 mouse without any visible defects in development and behavior was obtained. On the other hand, the processes of neurogenesis and neural precursors migration in survived embryos were disturbed which led in some cases to underdevelopment of different brain compartments. TUNEL and cell proliferation (PCNA staining) assays revealed more apoptotic (E13.5d) and less proliferating(E12.5d cells within ventricular and sub-ventricular zones of brain ventricles and in striatum of KIN embryos. In addition, more apoptotic cells were detected in many other tissues of E13.5d and in lung of E16.5d KIN embryos but not in adult KIN mouse. p20 KIN mouse demonstrated reduced fraction of neural precursor cells in sub-granular zone of hippocampus and mature neurons in olfactory bulb. The other processes of neurogenesis were not disturbed in adult KIN animal. Fibroblasts obtained from KIN embryos demonstrated less proliferative ability and were more susceptible to apoptotic stimuli compared to WT. This was accompanied by the reduction of active ERK and Akt required for survival, and with decrease of inactive phosphorylated BAD. The kinetic of both ERK and Akt phosphorylation upon serum stimulation was delayed. All these data indicate that moderate A-Raf kinase activity can prevent the endothelial apoptosis but is not enough to completely rescue the other developmental consequences.

Das Raf kinase inhibitor protein (RKIP) ist ein Kinaseregulator, der im Herzen eine Präferenz für die G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase 2 (GRK2) zeigt. Die Regulation erfolgt durch direkte Interaktion beider Proteine, wird durch eine PKC-Phosphorylierung an Serin 153 des RKIP induziert und inhibiert die GRK2-vermittelte Phosphorylierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Die GRK2 desensitiviert GPCR und eine Hemmung der GRK2-Aktivität wirkt sich so positiv auf die Ansprechbarkeit von GPCR aus. Die \textbeta-adrenergen Rezeptoren (\textbeta AR) sind im Herzen maßgeblich an der Regulation der kardialen Kontraktilität beteiligt. Erste Zusammenhänge zwischen der RKIP-Expression und der kontraktilen Antwort von Kardiomyozyten wurden bereits in einer früheren Arbeit untersucht und bestätigt. Sie begründen die Fragestellung nach Effekten einer verstärkten RKIP-Expression auf \textbeta-adrenerge Rezeptorsignale, Herzfunktion und die Entwicklung der Herzinsuffizienz. Im Rahmen dieses Projektes konnten die Effekte des RKIP auf \textbeta-adrenerge Signalwege detaillierter beschrieben werden. Dabei erwies sich die inhibitorische Funktion auf die GRK2 als rezeptorspezifisch ohne Einfluss auf zytosolische Angriffspunkte der GRK2 zu nehmen. Verstärkte \textbeta-adrenerge Signale zeigten sich in neonatalen Kardiomyozyten an Hand der erhöhten cAMP-Level, PKA-Aktivität, sowie Kontraktionsrate und Relaxationsgeschwindigkeit nach \textbeta-adrenerger Stimulation. Im Einklang damit konnte eine erhöhte PKA- und CaMKII-Aktivität und eine positive Inotropie in transgenen Tieren, mit herzspezifischer Überexpression von RKIP, beobachtet werden. Durch Messung des Calcium-\textit{Cyclings} in Kardiomyozyten konnte der Phänotyp auf eine verbesserte Rückführung des Calciums, einer daraus resultierenden erhöhten Calciumbeladung des sarkoplasmatischen Retikulums und einem gesteigerten systolischen Calciumspiegel, zurückgeführt werden. Die Untersuchung der Phosphorylierung von Calciumkanälen, L-Typ-Calciumkanal und Ryanodin-Rezeptor 2, die den einwärtsgerichteten Calciumstrom vermitteln konnte ihre Beteiligung an der positiv inotropen Wirkung ausschließen. Neben dem kontraktilen Phänotyp konnten zusätzliche protektive Effekte beobachtet werden. In Modellen, die eine chronische \textbeta-adrenerge Stimulation imitieren, bzw. eine Nachlasterhöhung induzieren konnte eine Verringerung der interstitiellen Fibrose und der damit assoziierten Marker, gezeigt werden. Mit Hilfe von \textit{in vivo} EKG-Messungen konnte die Neigung zur Ausbildung von Arrhythmien untersucht werden. Auch im Hinblick auf die Anzahl der Extrasystolen waren RKIP-transgene Tiere geschützt. Infolge der Untersuchung der Phänotypen in Deletionshintergründen der einzelnen \textbeta AR-Subtypen (\textbeta\textsubscript{1}AR, \textbeta\textsubscript{2}AR) konnte die positive Inotropie mit den spezifischen Signalwegen des \textbeta\textsubscript{1}AR assoziiert und die protektiven Effekte gegenüber den Umbauprozessen und der Arrhythmieneigung dem \textbeta\textsubscript{2}-adrenergen Signalen zugeschrieben werden. Zusätzlich bestätigt sich eine besondere Rolle der G\textalpha\textsubscript{i}-Kopplung des \textbeta\textsubscript{2}AR, durch die er einen hemmenden Einfluss auf die \textbeta\textsubscript{1}AR-Singale nehmen kann. Die Untersuchung einiger Marker, die eine physiologische von einer pathologischen Hypertrophie unterscheiden, konnte das in den RKIP-transgenen Mäusen auftretende Wachstum der Kardiomyozyten als kompensatorische und physiologische Hypertrophie charakterisieren. Zusammengenommen weisen diese Ergebnisse auf eine ausgeglichene Aktivierung der beiden Rezeptoren hin, die sich gegenseitig regulieren und durch die Inhibition der GRK2 in ihrer Anregbarkeit erhalten bleiben. Mittels einer AAV9-vermittelten Gentherapie konnte das therapeutische Potential dieses Prinzips weiter bestätigt werden, da es die prominentesten Veränderungen während der Herzinsuffizienzentwicklung, wie die Verschlechterung der linksventrikulären Funktion, die Dilatation des linken Ventrikels, die Ausbildung von Lungenödemen und interstitieller Fibrose sowie die Expression von Herzinsuffizienz-assoziierten Genen, verhindern konnte. Auch konnten die Auswirkungen der Deletion des RKIP, die sich durch eine beschleunigte und gravierendere Herzinsuffizienzentwicklung auszeichnet, durch Reexpression von RKIP verhindert werden. Diese Arbeit kann somit zeigen, dass das RKIP eine ausgeglichene Verstärkung von \textbeta-adrenergen Signalwegen verursacht, die positiv inotrop und gleichzeitig protektiv wirkt. Dieses Wirkprinzip könnte ferner eine Strategie zur Erhöhung der Kontraktilität in der Herzinsuffizienz darstellen, die entgegen etablierter Theorien auf der Stimulation beider \textbeta AR basiert. / The Raf kinase inhibitor protein (RKIP) is a kinase regulator with a preference for the G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2) in the heart. The mechanism is a direct interaction of GRK2 and RKIP, which is triggered by a PKC-mediated phosphorylation at serine 153 of RKIP. By binding the GRK2, RKIP prevents the GRK2-mediated GPCR-phosphorylation and, thus, desensitisation of GPCR. As a result, inhibition of GRK2-activity positively affects the responsiveness of cardiac G protein-coupled receptors (GPCR). The GPCR primarly responsible for the regulation of the cardiac contractility are the \textbeta-adrenergic receptors (\textbeta AR). Previous work proved an interrelation of RKIP-expression and contractile response of cardiomyocytes and set a basis for the subject of this thesis, dealing with the effects of RKIP-expression on beta-adrenergic signalling, cardiac function and the development of heart failure. The work describes the impact of RKIP on \textbeta-adrenergic signaling in more detail. An important feature of the inhibitory function of RKIP on GRK2 is a specificity for receptor targets (\textbeta AR) with no, or only minor, impact on the cytosolic targets of the GRK2. RKIP also increases \textbeta-adrenergic signalling. This appears in neonatal cardiac myocytes through an increased cAMP-generation, PKA-activity, contractile action and relaxation velocity after \textbeta-adrenergic stimulation. Similarly, RKIP-transgenic mice, with heart specific RKIP-expression, showed higher PKA and CaMKII-activities as well as, a positive inotropy. Analysis of the calcium cycling in these cardiomyocytes provided an explanation for the hypercontractile phenotype: an enhanced calcium reuptake into the sarcoplasmatic reticulum (SR), the resulting higher calcium load of the SR and an increased calcium amplitude in the cytosol during the systole cause the augmented contractile force. Furthermore, it could be ruled out, that two inward rectifying channels - L-type calcium channnel and Ryanodin Receptor 2 contribute to the positve inotropy in RKIP-transgenic mice. Besides, the RKIP-expression had additional protective effects in heart failure development, which were investigated by desease models. Hypertrophy was induced by chronic \textbeta-adrenergic stimulation and heart failure by induction of pressure overload. Under these conditions, RKIP could reduce the development of interstitial fibrosis and the expression of associated marker genes. The occurence of arrhythmias, in particular ectopic beats, was assessed by the analysis of \textit{in vivo} ECG-traces. Rated by the number of ectopic beats RKIP-transgenic mice were also protected against the induction of arrhythmia. The analysis of RKIP-expression in \textbeta AR subtype-KOs (\textbeta\textsubscript{1}KO, \textbeta\textsubscript{2}KO) could relate the different effects of RKIP to the signalling pathways of either \textbeta\textsubscript{1}AR or \textbeta\textsubscript{2}AR. As a result, RKIP effects the positive inotropy through signals of the \textbeta\textsubscript{1}AR and the protection against heart failure-related remodelling processes and arrhythmia through signals of the \textbeta\textsubscript{2}AR. Additionally a major importance could be assigned to the G\textalpha\textsubscript{i} coupling of the \textbeta\textsubscript{2}AR. This capacity of the \textbeta\textsubscript{2}AR can counteract potentially maladaptive signalling of the \textbeta\textsubscript{1}AR. A monitored growth of cardiomyocytes of RKIP-transgenic mice was assessed in greater depth using different markers to differentiate physiological from pathological hypertrophy. Thereby the occurring hypertrophy was characterised as physiological and compensatory. Taken together, these results point towards a balanced activation of both \textbeta AR. They influence each other through downstream signals and are protected from desensitisation and loss of \textbeta-adrenergic responsivness through inhibition of the GRK2 by RKIP. To validate the therapeutic potential of this mode of action, an AAV9-mediated gene therapy was conducted. In this setting, RKIP was able to prevent, or strongly reduce the most prominent changes during heart failure development. Among these are the decline of the left ventricular function, dilation of the left ventricle, development of a pulmonary congestion, interstitial fibrosis and the expression of heart failure associated genes. Moreover, the consequences of RKIP deletion, which are reflected in an accelerated and deteriorated heart failure development, could be reversed by the reexpression of RKIP. This work shows, that RKIP induces an even activation of \textbeta-adrenergic signalling, which results in a positive inotropy with concomitant protective effects. RKIPs mode of action represents a strategy and bears the possibilty to enhance cardiac contractility in the failing heart by stimulation of both \textbeta AR, which is contrary to the common belief.

The strategic air offensive against Germany during World War II formed a major part of Britain�s wartime military effort and it has subsequently attracted the attention of historians. Despite the attention, historians have paid little attention to the impact of the strategic air offensive on Britain. This thesis attempts to redress this situation by providing an examination of the economic impact on Britain of the offensive. The work puts the economic cost of the offensive into its historical context by describing the strategic air offensive and its intellectual underpinnings. Following this preliminary step, the economic costs are described and quantified across a range of activities using accrual accounting methods. The areas of activity examined include the expansion of the aircraft industry, the cost of individual aircraft types, the cost of constructing airfields, the manufacture and delivery of armaments, petrol and oil, and the recruitment, training and maintenance of the necessary manpower. The findings are that the strategic air offensive cost Britain �2.78 billion, equating to an average cost of �2,911.00 for every operational sortie flown by Bomber Command or �5,914.00 for every Germany civilian killed by aerial bombing. The conclusion reached is the damage inflicted upon Germany by the strategic air offensive imposed a very heavy financial burden on Britain that she could not afford and this burden was a major contributor to Britain�s post-war impoverishment.

We investigated the role of Shc¡BPYK2¡BGrb2-sos binding complex¡BRas and Raf proteins at the rostral ventrolateral medulla (RVLM), the origin of sympathetic neurogenic vasomotor tone, in mevinphos (Mev) intoxication. Adult Sprague-Dawley rats anesthetized by sodium pentobarbital (45 mg/kg) and maintained by propofol (20-25 mg/kg/hr) were used. Bilateral microinjection of Mev (10 nmol) into the RVLM elicited two distinct phases of cardiovascular responses, designated Phase I (sympathoexcitatory) and Phase II (sympathoinhibitory) Mev intoxication. Pretreatment with microinjection of a phospho-Shc-tyrosine 317, phospho-PYK2-tyrosine 402, phospho-PYK2-tyrosine 579/580 antibody (1:20), Grb2-sos complex inhibitor (SH3b-p), Ras specific inhibitors (manumycin A or FTA) or Raf specific inhibitor (GW5074) into the bilateral RVLM blunted the magnitude of the Mev-elicited sympathoexcitatory cardiovascular effect without affecting the duration. The Mev-elicited sympathoinhibitory cardiovascular effect was not influenced. Our results suggest that signaling pathways that involve Shc, PYK2, Grb2-sos complex, Ras or Raf protein in the RVLM participate in the sympathoexcitatory phase of Mev intoxication.

The organization of two or more biological macromolecules into a functioning assembly is critical for many biological functions to occur. This phenomenon is the result of subtle interplay between complimentary structural and electrostatic factors. While a growing protein data bank of solved protein structures provides experimental evidence for studying the structural factors that stabilize protein-protein interface, there has been little advance in experimental determination of the electrostatic contributions. This lack of experimental investigation into protein electrostatics results in an inability to describe or predict how protein-protein complexes are arranged and stabilized. This problem is addressed in this dissertation by use of vibrational Stark effect (VSE) spectroscopy in which the spectral transitions of a vibrational probe are directly related to the strength and direction of the electric fields in the vicinity of the probe. The work presented here details an approach using VSE spectroscopy coupled with molecular dynamics simulation (MD) to interpret the role that electrostatics play in organizing the signaling protein Ras' interactions with its downstream effectors Raf and Ral guanosine dissociation simulator (RalGDS). Each chapter describes a specific set of experiments and MD simulations designed to understand the nature of protein-protein interactions. In Chapter 3, changes in the absorption energy of the nitrile probe at nine positions along the Ras-Ral interface were compared to results of a previous study examining this interface with Ral-based probes, and a pattern of low electrostatic field in the core of the interface surrounded by a ring of high electrostatic field around the perimeter of the interface was found. The areas of conserved Stark shifts are used to help describe electrostatic factors that stabilize the Ras-Ral interface. In Chapter 4, VSE is used to describe an electrostatic origin to the binding tilt between complexes formed between Ras and its two effectors Raf and Ral. There are three regions of conserved Stark effect shifts upon docking with WT Ras between the two effectors, indicating that the docked complexes conserve electrostatic fields, resulting in different binding orientation of otherwise structurally similar proteins. Chapter 5 details the use of MD simulation in correlation with VSE data for 18 mutants of the Ras at the oncogenic position 61 site. The combination of experimental and simulations support the hypothesis that position 61 on Ras is used to coordinate an active site water molecule during native guanosine triphosphate (GTP) hydrolysis. / text

Studies have shown that long-term opioid agonist (such as morphine) treatment produces antinociceptive tolerance and increased pain sensitivity (hyperalgesia and/or allodynia), limiting the clinical efficacy of morphine. Prolonged opiate administration also upregulates spinal pain neurotransmitter (such as calcitonin gene-related peptide (CGRP)) levels and enhances evoked CGRP release in the dorsal horn of rats. It was suggested that augmented spinal pain neurotransmission may contribute to paradoxical pain sensitization and antinociceptive tolerance. The cellular signal transduction pathways involved in sustained opioid mediated augmentation of spinal pain neurotransmitter are not fully clarified.Sustained morphine treatment was shown to augment the concentrations of inflammatory mediators, such as PGE2 in the spinal cord. Studies have shown that PGE2 stimulates cAMP formation and CGRP release by activation of Gs protein-coupled prostaglandin receptor types in primary sensory neurons. Interestingly, it was found earlier that sustained opioid agonist treatment leads to a Raf-1-dependent sensitization of adenylyl cyclase(s) (AC superactivation), augmenting forskolin-stimulated cAMP formation upon opioid withdrawal (cAMP overshoot). It is well demonstrated that cAMP activates cAMP-dependent protein kinase (PKA), which plays an important role in the modulation of presynaptic neurotransmitter release. Therefore, in this study, we investigate the physiological role of Raf-1 mediated AC superactivation and subsequent PKA activation in A. sustained morphine-mediated augmentation of basal or evoked pain neurotransmitter release in vitro, in cultured primary sensory neurons, and B. in vivo, in sustained morphine mediated paradoxical pain sensitization and antinociceptive tolerance in rats.Our data demonstrates that A. sustained morphine treatment augments both basal and capsaicin-evoked CGRP release from isolated primary sensory neurons in a PKA- and Raf-1- dependent manner. B. sustained morphine treatment- augments of PGE2-evoked CGRP release from these cells. C. selective knockdown of spinal PKA or Raf-1 protein levels by intrathecal PKA- or Raf-1-specific siRNA pretreatment completely attenuates sustained morphine-mediated thermal hyperalgesia, tactile allodynia and greatly reduces antinociceptive tolerance in rats.In conclusion, we suggest that Raf-1-mediated AC superactivation may have a crucial trigger role in sustained morphine-mediated compensatory adaptations in the nervous system. Thus, we expect that pharmacological attenuation of Raf-1-mediated AC superactivation may improve the clinical treatment of chronic and neuropathic pain.