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Background and Purpose –The mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway has been implicated in cellular responses to hypoxia and inflammation. Cerebral palsy (CP) is a neurodevelopmental disorder often linked to hypoxic and inflammatory injury to the brain, however, a role for mTOR modulation in CP has not been investigated. We hypothesized that mTOR inhibition would prevent neuronal death and diminish inflammation in a mouse model of CP. Methods – Post-natal day 6 mouse pups were subjected to hypoxia-ischemia and lipopolysaccharide-induced inflammation (HIL), a model of CP causing injury to several brain areas. Mice received rapamycin (5mg/kg) following HIL, and then daily for 3 subsequent days. The phospho-activation of the mTOR effector mTOR effector proteins S6, S6K and 4EBP as well as upstream negative regulators, TSC1 and Redd1, were assessed as an in vivo measure of the mTOR signaling cascade. Expression of hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 alpha) was assayed as an indicator of hypoxia-mediated cellular injury. Neuronal cell death was defined with Fluoro-Jade C (FJC) and cleaved-caspase 3 (CC3), a marker of apoptosis. Autophagy was measured using Beclin-1 and LC3II expression. Lastly, neuroninflammation following HIL was evaluated by examining Iba-1 labeled microglia number and morphology, as well as P-STAT3 expression. Results – Neuronal death, HIF-1alpha expression, and numerous Iba-1 labeled microglia were evident at 24 and 48 hours following HIL. Basal mTOR signaling was unchanged by HIL. Coincident with persistent mTOR signaling, a decreased in Redd1 expression but not TSC1 was observed in HIL. Increased P-STAT3 expression was observed at 24 and 48 hours post-HIL. Rapamycin treatment following HIL significantly reduced neuronal death, decreased HIF-1 alpha and P-STAT3 expression, and microglial activation, coincident with enhanced expression of Beclin-1 and LC3II, markers of autophagy induction. Increase in neuronal death was observed with concomitant administration of rapamycin and chloroquine, an autophagy inhibitor. Administration of a S6K inhibitor, PF-4708671, following HIL also decreased FJC staining further supporting an mTOR-dependent effect of HIL. Conclusions – mTOR inhibition prevented neuronal cell death and diminished neuroinflammation in this model of CP. Persistent mTOR signaling following HIL suggests a failure of autophagy induction, which may contribute to neuronal death in CP. These results suggest that mTOR signaling may be a novel therapeutic target to reduce neuronal cell death in CP. / Biomedical Neuroscience

The mechanistic target of rapamycin (mTOR) is a key serine/threonine protein kinase that functions in complexes mTORC1 and mTORC2. mTORC1, originally discovered due to its sensitivity towards the mTOR inhibitor rapamycin, responds to extracellular growth factor signaling, WNT signaling, and nutrient abundance via glucose and amino acid-triggered signaling. Downstream effectors of mTORC1 include autophagy, mitochondrial metabolic function, protein synthesis, and ribosome biogenesis. mTORC2, initially discovered as a rapamycin-insensitive complex of mTOR, responds to insulin, growth factor signaling, and inflammatory signaling such as tumor necrosis factor-alpha, with its downstream effectors being Akt, a key serine/threonine kinase that functions in cell division and is frequently dysregulated in many types of cancer, the NFkB pathway, and cytoskeletal reorganization and protein synthesis. Much research has been devoted to mTORC1 signaling, with mTORC2 receiving significantly less attention, despite both complexes’ regulation of key cellular activities and response to rapamycin, as well as to other rapamycin-derived drugs (rapalogs). We have targeted both mTORC1 and mTORC2 for hepatocyte-specific deletion during the gestational period of mice, with the goal of describing mTORC1 and mTORC2 signaling and its perturbation in the adult mouse hepatocyte. Our model has shown that deletion of RAPTOR, the regulatory associated protein of mTOR, and RICTOR, the rapamycin insensitive component of mTOR, in mTORC1 and mTORC2 respectively, leads to widespread effects on the hepatocyte transcriptome. We have found that a subset of genes responds both to Raptor and Rictor knockout, and an analysis of these genes indicates their function in key disorders of the liver, such as non-alcoholic fatty liver disease and hepatocellular carcinoma. Bioinformatic analysis following hepatocyte RNA sequencing of mTORC1 and mTORC2 knockout mice has revealed an unexpected upregulation of genes known to be regulated by these respective complexes. We have also found that cross talk exists between both complexes, in which the knockout of one yields the activation of the other. We have additionally found translationally relevant enrichments following Ingenuity Pathway Analysis (IPA) of RNA sequencing data. These results provide a key mechanistic discovery of mTOR signaling activity, and allow for a better understanding of the potential physiological effects of mTOR inhibition in human patients.

PTEN ist als Phosphatase an zahlreichen Signalwegen, z.B. von Wachstumsfaktoren beteiligt. Mutationen im PTEN-Gen führen zur Entstehung vieler sporadischer Tumore sowie dem kongenitalen PTEN-Hamartom-Tumor-Syndrom (PHTS). Eine kausale Therapie für PHTS steht derzeit nicht zur Verfügung. Diese Arbeit beschreibt einen experimentellen Sirolimustherapieversuch bei einem Kind mit PHTS, welches sich unter anderem mit Thymushyperlasie, abdomineller Lipomatose und Kachexie präsentierte. Unter Behandlung zeigten sich eine Verbesserung des Allgemeinzustandes und des Größenwachstums des Patienten, sowie eine transiente Verkleinerung des Thymusvolumens. Die massive Lipomatose wurde im Wachstum gehemmt, nahm aber nicht an Volumen ab. Ein erneutes Thymuswachstum nach 19-monatiger Therapie ließ eine Resistenzentwicklung gegen Sirolimus vermuten. Bei Untersuchungen des PI3K/AKT/mTOR-Signalweges zeigten sich Hinweise für einen möglichen Resistenzmechanismus. Insulin-like growth factor binding protein 2, wird als Biomarker für den Therapieerfolg der Sirolimusbehandlung diskutiert. Dies erwies sich bei unserem Patienten allerdings nicht als geeignet zur Nutzenbewertung der Therapie. In vitro Studien an primären Zellkulturen aus Lipom-Gewebe des Patienten zeigten eine Hemmung von Proliferation und Differenzierung durch Sirolimus, jedoch keine Induktion der Apoptose. Inhibitoren von PI3K und AKT zeigten im Bezug auf Proliferationshemmung und Apotoseinduktion stärkere Effekte. Vor allem der AKT-Inhibitor Perifosin könnte für Patienten mit schwerem PHTS als Therapieoption in Betracht gezogen werden.

PTEN ist als Phosphatase an zahlreichen Signalwegen, z.B. von Wachstumsfaktoren beteiligt. Mutationen im PTEN-Gen führen zur Entstehung vieler sporadischer Tumore sowie dem kongenitalen PTEN-Hamartom-Tumor-Syndrom (PHTS). Eine kausale Therapie für PHTS steht derzeit nicht zur Verfügung. Diese Arbeit beschreibt einen experimentellen Sirolimustherapieversuch bei einem Kind mit PHTS, welches sich unter anderem mit Thymushyperlasie, abdomineller Lipomatose und Kachexie präsentierte. Unter Behandlung zeigten sich eine Verbesserung des Allgemeinzustandes und des Größenwachstums des Patienten, sowie eine transiente Verkleinerung des Thymusvolumens. Die massive Lipomatose wurde im Wachstum gehemmt, nahm aber nicht an Volumen ab. Ein erneutes Thymuswachstum nach 19-monatiger Therapie ließ eine Resistenzentwicklung gegen Sirolimus vermuten. Bei Untersuchungen des PI3K/AKT/mTOR-Signalweges zeigten sich Hinweise für einen möglichen Resistenzmechanismus. Insulin-like growth factor binding protein 2, wird als Biomarker für den Therapieerfolg der Sirolimusbehandlung diskutiert. Dies erwies sich bei unserem Patienten allerdings nicht als geeignet zur Nutzenbewertung der Therapie. In vitro Studien an primären Zellkulturen aus Lipom-Gewebe des Patienten zeigten eine Hemmung von Proliferation und Differenzierung durch Sirolimus, jedoch keine Induktion der Apoptose. Inhibitoren von PI3K und AKT zeigten im Bezug auf Proliferationshemmung und Apotoseinduktion stärkere Effekte. Vor allem der AKT-Inhibitor Perifosin könnte für Patienten mit schwerem PHTS als Therapieoption in Betracht gezogen werden.:INHALTSVERZEICHNIS: 1 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 2 BIBLIOGRAPHISCHE BESCHREIBUNG 3 VORBEMERKUNGEN 4 EINFÜHRUNG IN DIE THEMATIK 5 1. PTEN im biochemischen Kontext 5 2. Klinische Bedeutung von PTEN 6 3. Gezielte Therapie für PHTS – Beeinflussung der Signalwege 7 4. Der Patient M.W. als Ausgangspunkt der Arbeit 8 5. Gewinnung von Zellkulturen 10 6. IGFBP-2 als Marker für erfolgreiche Sirolimustherapie 10 7. Fragestellung 11 8. Ergebnisse und Ausblick 11 PUBLIKATIONSMANUSKRIPT 13 ZUSAMMENFASSUNG DER ARBEIT 21 LITERATURVERZEICHNIS 25 ANLAGEN 28 I. Ergänzungsunterlagen zur wissenschaftlichen Publikation 28 Supplement 1 - Additional methodological descriptions 28 Supplement 2 - Video clip of 3D-MRI reconstruction 28 II. Charakterisierung der Lipom-Zellkulturen 29 II.a Lipom-Zellen in Langzeitkultur 29 II.b Veränderung im PI3K-Signalweg 30 III. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 32 IV. Danksagungen 33

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.

La protéine kinase TOR (Target Of Rapamycin) a été identifiée chez la levure et les mammifères comme participant à deux complexes protéiques qui servent de carrefour entre la perception des facteurs endogènes et exogènes et la stimulation de la croissance cellulaire. Depuis la découverte de la kinase AtTOR chez Arabidopsis thaliana, des études ont été menées afin de mieux caractériser son rôle chez les plantes et l’influence de son niveau d’expression sur la régulation du métabolisme et du développement.Au cours de ce travail, j’ai contribué à l’étude de cette kinase en étudiant l’influence de l’inactivation de TOR sur la composition du ribosome au niveau protéique et sur le niveau de phosphorylation de ces protéines, ainsi que sur l’organisation du méristème au niveau moléculaire et cytologique Au cours de cette étude, j’ai montré que certaines protéines constitutives du ribosome pourraient être des cibles de l’activité TOR au niveau de leur abondance et/ou de leur état de phosphorylation. Ainsi, l’inactivation de TOR entraine une diminution du niveau de phosphorylation des protéines RPS6 et pourrait influencer l’abondance des protéines acides constitutives du stalk ribosomal, une structure importante dans la régulation de la traduction. Les résultats obtenus suggèrent également que l’activité TOR est nécessaire au maintien du méristème à l’état fonctionnel en régulant les voies importantes contrôlant la division et la différentiation au sein de cette structure. / The TOR (Target Of Rapamycin) kinase has first been identified in yeast and mammals as being part of two different protein complexes that are implicated in the stimulation of cell growth in response to endogenous and exogenous stimuli. Since the discovery of this kinase in Arabidopsis, some studies have been led to characterize its role in plants and the influence of its expression level on the metabolism and development regulation.In this study, I worked on the influence of the TOR inactivation on the composition of the ribosome on its protein composition and on the phosphorylation status of these proteins and also on the organisation of the meristem at a molecular and cellular level.Regarding to the results I have obtained, I showed that TOR may regulate the abundance and/or the phosphorylation status of some proteins involved in the ribosome composition. Hence, TOR inactivation leads to a decrease of the phosphorylation level of RPS6 proteins and could regulate the abundance of acid proteins constitutive of the ribosomal stalk, a structure important for the translation regulation. The results obtained also suggest that TOR activity may be necessary to keep the meristem functional by the regulation of the main important pathways controlling division and differentiation in that structure.

Während der letzten 10 Jahre, wurden viele neue immunsuppremierende Medikamente für die Verbesserung des Kurzzeit-Transplantationsergebnisses entwickelt (Halbwertzeit bzw. Abstoßung einer Niere nach ca. 10-12 Jahren). Das heutige therapeutische Ziel besteht auf der einen Seite aus der Minimierung der Kosten bzw. der Minimierung der Nebenwirkungen verursacht durch die Immunsuppressiva und auf der anderen Seite der Verbesserung des Langzeit-Überleben eines Transplantates. Um eine dosis-abhängige Zerstörung des Transplantates durch die Immunsuppressiva zu vermeiden, bedarf es der spezifischen Entwicklung von zusätzlichen Toleranzprotokollen. Ein Top-Kandidat für die Toleranzinduktion in Transplantationen stellen die CD4+CD25high regulatorischen T Zellen dar. Da humane regulatorische T Zellen jedoch nur 1-2 % der peripheren CD4+ T Zellen repräsentieren, ist es nicht möglich ausreichende Zellmengen auf zu reinigen. Dazu ist die Etablierung adäquater Protokolle für die Isolation und ex vivo Expansion von CD4+CD25high Treg’s notwendig. In unserem System ist es uns möglich die CD4+CD25high zellen mit einer sehr hohen Reinheit zu isolieren ( ca. 80% CD4+CD25highFoxp3+). Danach werden die isolierten Treg’s mit verschiedenen Protokollen, wie der Expansion mit CD2-,CD3- und CD28 Expansionbeads oder allogenen Feederzellen, expandiert. Das suppressive Potential der expandierten CD4+CD25+ Treg’s wurde in drei funktionellen Assays, einem CFSE-basierenden Proliferationsassay, einem Cytokin-Bead-Array und einem Elispot bestimmt. Basierend auf den genannten Methoden wurde das Proliferationspotential allogen stimulierter Responder T Zellen, die IFNg Produktion und das Th1/TH2 Cytokinprofil in einer gemischten Lymphozytenreaktion mit unterschiedlichen Mengen der expandierten Treg’s untersucht Ein weiterer Aspekt dieses Projektes ist die Expansion isolierter regulatorischer T Zellen mit zusätzlichem Rapamycin. Das immunsuppremierende Medikament Rapamycin blockiert die Il2-abhängige T Zellproliferation durch die Inhibition von mTOR und induziert die Expansion regulatorischer T Zellen. / During the last decade, a broad set of immunosuppressive drugs has been developed which improve short-term transplant results (1yr survival, acute graft rejection), but not long-term results (graft half life, e.g. kidney rejection after approx. 10-12 years). In this regard, the therapeutic aim is to minimise costs and long-term side effects caused by immunosuppressive drugs on the one hand, and on the other to considerably improve the long term survival of transplanted patients. To avoid dose-dependent damage of the transplant by immunosuppressive drugs, a specific development of additional tolerance protocols is mandatory. One top candidate for the tolerance induction in transplantation is the population of CD4+CD25high regulatory T cells (Treg’s). Because Tregs constitute 1-2% of peripheral CD4+ T cells in human, it may not be possible to purify sufficient cells ex vivo. Therefore it is necessary to establish appropriate protocols for isolation and expansion of CD4+CD25high Treg’s. In our system we are able to isolate CD4+CD25high cells with a very high purity (approx. 80% CD4+CD25highFoxp3+). Afterwards we expand the isolated Treg’s by different expansion protocolls such as expansion with CD3-, CD2- and CD28-expansionsbeads as well as allogeneic feedercells. The suppressive potential of the expanded CD4+CD25+ Treg’s was determined by three different functional assays, a CFSE-based proliferationassay, a Cytokine-Bead-Array, and an IFNGamma-Elispot. Based on mentioned methods, the proliferative potential of allogenic stimulated responder T cells, IFNGamma production and Th1/Th2 cytokine profile, as well as the IFNGamma producing T-cells in a mixed lymphocyte reaction with different amounts of the expanded regulatory T cells were tested. Another aspect of our project is the expansion of the isolated regulatory T cells with additional rapamycin. The immunosuppressive drug rapamycin is a powerful pharmacological agent which blocks IL2-dependent T cell proliferation by accumulation with mTOR and induces expansion of regulatory T cells.

Target of rapamycin est une large kinase conservée chez la plupart des eucaryotes. Elle est au centre d’une voie de signalisation régulant la croissance, le métabolisme en fonction de l’environnement et a été largement étudiée chez l’homme du fait de son implication dans des maladies telles que le cancer. Chez les plantes, son étude est moins avancée mais le développement d’inhibiteurs ATP compétitifs chez l’homme a offert de nouvelles possibilités pour la recherche en biologie végétale. En effet, l’utilisation d’un inhibiteur de TOR nous a permis de réaliser le criblage d’une banque de mutants ethyl méthansulfonate et de découvrir une nouvelle cible de TOR : YAK1. Cette dernière régule la croissance en inhibant la prolifération. Le criblage de mutants a également permis de découvrir des mutations dans TOR affectant sa sensibilité ou son affinité pour l’inhibiteur. Ceci offre un nouvel outil pour étudier la fonction de TOR de plantes. / Target of rapamycin is a large kinase existing in most eucaryots such as plants and animals. It is at the center of a signaling pathway regulating growth and metabolism in response to environmental changes, which has been the subject of many studies in humans because of its implication in diseases like cancer. However in plants, the exploration of this pathway is less advanced but the development of ATP competitive inhibitors in humans has offered new possibilities for plant research. Indeed, the use of a TOR inhibitor has allowed us to screen an ethyl methansulfonate mutant bank and discover a new target of TOR: YAK1. The latter regulates growth by inhibiting proliferation notably through cyclin-dependant kinase inhibitors. The screen also allowed us to uncover TOR mutations which potentially affect TOR activity and/or affinity to the inhibitor. This offers a new tool for the study of TOR function in plants.