Blutplättchen spielen unter physiologischen Bedingungen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Hämostase. So verhindern sie ein andauerndes Bluten von Wunden, indem sie in Blutgefässen zwischen normalen Zellen des Endothels und beschädigten Bereichen unterscheiden und sich dort gezielt anheften können. Das Zusammenspiel der Plättchenagonisten und den dazugehörigen Rezeptoren wird durch intrazelluläre Signalmoleküle kontrolliert, die die Aktivierung der Blutplättchen regulieren. Äusserst wichtige intrazellulare Signalmoleküle stellen dabei die zyklischen Nukleotide cGMP und cAMP dar, die bei der Hemmung der Plättchen beteiligt sind. Die Bildung von cGMP und cAMP in den Blutplättchen wird durch die aus dem Endothel freigesetzten Moleküle NO und Prostacyclin (PGI2) stimuliert, die ihrerseits Blutplättchen hemmen, indem sie Proteinkinase G (PKG) und Proteinkinase A (PKA) aktivieren. Neuerdings wird vorgeschlagen, dass es sich bei ROS („reactive oxygen species“) um einen neuen Modulator bei der Signaltransduktion zwischen verschiedenen Zelltypen handelt. Die hier zusammengefasste Arbeit beschreibt die Rolle der ROS-Produktion bei der Aktivierung von Blutplättchen, die Beziehung zwischen dem NO/cGMP/PKG I Signalweg und der ROS bzw. MAP-Kinase Signaltransduktion, und die Rolle von zyklischen Nukleotiden bei der Entwicklung von Megakaryozyten und Blutplättchen. Werden Blutplättchen durch unterschiedliche Einflüsse aktiviert, so produzieren sie über die Aktivierung von NAD(P)H-Oxidase nur intrazelluläres aber nicht extrazelluläres ROS. Dabei beinflusst das in den Blutplättchen produzierte ROS signifikant die Aktivierung von αIIbβ3 Integrin, nicht jedoch die Sekretion von alpha- bzw. dichten Granula oder die Gestalt der Blutplättchen. Die Thrombin-induzierte Integrin αIIbβ3-Aktivierung ist nach Behandlung der Blutplättchen mit Hemmstoffen der NAD(P)H-Oxidase oder Superoxid-Fängern signifikant reduziert. Diese Inhibitoren reduzieren auch die Aggregation der Blutplättchen bzw. die Thrombusbildung auf Kollagen, wobei diese Effekte unabhängig vom NO/cGMP Signalweg vermittelt werden. Sowohl ADP, das von dichten Granula der Blutplättchen sezerniert wird und zur Aktivierung von P2Y12-Rezeptoren führt, als auch die Freigabe von Thromboxan A2 stellen wichtige, vorgeschaltete Vermittler bei der p38 MAP Kinase-Aktivierung durch Thrombin dar. Jedoch spielt die p38 MAP-Kinase-Aktivierung keine signifikante Rolle bei der Thrombin-induzierten Kalzium-Mobilisierung, P-Selektin Exprimierung, αIIbβ3 Integrin Aktivierung oder Aggregation der Blutplättchen. Abschliessend kann festgestellt werden, dass sich die Aktivierung der PKG insgesamt klar hemmend auf die p38 and ERK MAP-Kinasen in menschlichen Blutplättchen auswirkt. Desweiteren zeigt diese Studie, dass zyklische Nukleotide nicht nur die Blutplättchen hemmen, sondern auch einen Einfluss auf die Entwicklung der Megakaryozyten und Blutplättchen haben, aber auf unterschiedliche Weise. cAMP ist an der Differenzierung von embryonalen hämatopoietischen Zellen zu Megakaryozyten beteiligt, wobei cGMP keine Rolle bei diesem Prozess spielt. Während PKA in embryonalen Zellen schon vertreten ist, steigt beim Reifungsprozess der Megakaryozyten die Expression von Proteinen, die bei der cGMP Signalverbreitung („soluble guanylyl cyclase“, sGC; PKG) mitwirken, stetig an. In der letzten Phase der Reifung von Megakaryozyten, die durch die Freisetzung der Blutplättchen charakterisiert ist, zeigen cGMP und cAMP leicht divergierende Effekte: cGMP verstärkt die Bildung von Blutplättchen, während cAMP dieselbe reduziert. Dies deutet auf einen fein abgestimmten Prozess hin, abhängig von einem Stimulus, der von den benachbarten Zellen des Sinusoid-Endothels stammen könnte. Die Ergebnisse dieser Dissertation tragen zu einen besseren Verständnis der Regulation von Blutplättchen sowie der möglichen molekularen Mechanismen bei, die eine Rolle bei der Reifung von Megakaryozyten im vaskularen Mikroumfeld des Knochenmarks innehaben. / In physiological conditions platelets have a major role in maintaining haemostasis. Platelets prevent bleeding from wounds by distinguishing normal endothelial cells in vasculature from areas with lesions to which they adhere. Interaction of platelet agonists and their receptors is controlled by intracellular signaling molecules that regulate the activation state of platelets. Very important intracellular signaling molecules are cyclic nucleotides (cGMP and cAMP), both involved in inhibition of platelet activation. Formation of cGMP and cAMP in platelets is stimulated by endothelial-derived NO and prostacyclin (PGI2), which then mediate inhibition of platelets by activating protein kinase G (PKG) and protein kinase A (PKA). Recently, it has been suggested that reactive oxygen species (ROS) represent new modulators of cell signaling within different cell types. The work summarized here describes the involvement of platelet ROS production in platelet activation, the relation of NO/cGMP/PKG I pathway to ROS and to mitogen-activated protein kinases (MAP kinase) signaling, and the involvement of cyclic nucleotides in megakaryocyte and platelet development. Platelets activated with different agonists produce intracellular but not extracellular ROS by activation of NAD(P)H oxidase. In addition, ROS produced in platelets significantly affects αIIbβ3 integrin activation but not alpha/dense granule secretion and platelet shape change. Thrombin induced integrin αIIbβ3 activation is significantly decreased after pretreatment of platelets with NAD(P)H oxidase inhibitors and superoxide scavengers. These inhibitors also reduce platelet aggregation and thrombus formation on collagen under high shear and achieve their effects independently of the NO/cGMP pathway. ADP secreted from platelet dense granules with subsequent activation of P2Y12 receptors as well as thromboxane A2 release are found to be important upstream mediators of p38 MAP kinase activation by thrombin. However, p38 MAP kinase activation does not significantly contribute to calcium mobilization, P-selectin expression, αIIbβ3 integrin activation and aggregation of human platelets in response to thrombin. Finally, PKG activation does not stimulate, but rather inhibit, p38 and ERK MAP kinases in human platelets. Further study revealed that cyclic nucleotides not only inhibit platelet activation, but are also involved, albeit differentially, in megakaryocyte and platelet development. cAMP is engaged in haematopoietic stem cell differentiation to megakaryocytes, and cGMP has no impact on this process. While PKA is already present in stem cells, expression of proteins involved in cGMP signaling (soluble guanylyl cyclase, sGC; PKG) increases with maturation of megakaryocytes. In the final step of megakaryocyte maturation that includes release of platelets, cGMP and cAMP have mild but opposing effects: cGMP increases platelet production while cAMP decreases it indicating a finely regulated process that could depend on stimulus coming from adjacent endothelial cells of sinusoids in bone marrow. The results of this thesis contribute to a better understanding of platelet regulation and of the possible molecular mechanisms involved in megakaryocyte maturation in bone marrow vascular microenvironment.

Würzburg, University, Diss., 2007.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Salzburg, Univ., Diss., 2007 / Hergestellt on demand

Mammalian phoshoglycolate phosphatase (PGP, also known as AUM) belongs to the ubiquitous HAD superfamily of phosphatases. As several other members of HAD phosphatases, the Mg2+-dependent dephosphorylation is conducted via a nucleophilic attack from a conserved aspartate residue in the catalytic cleft. The protein structure of PGP could not yet be solved entirely. Only a hybrid consisting of the PGP cap and the PDXP core (pyridoxal phosphatase, closest enzyme paralog) was crystallizable so far. PGP is able to efficiently dephosphorylate 2-phosphoglycolate, 2-phospho-L-lactate, 4-phospho-D-erythronate, and glycerol-3-phosphate in vitro which makes them likely physiological substrates. The first three substrates can be derived from metabolic side reactions (during glycolysis) and inhibit key enzymes in glycolysis and pentose phosphate pathway, the latter is situated at the intersection between glycolysis and lipogenesis. 2-phosphoglycolate can also be released in the context of repair of oxidative DNA damage. The activity of purified PGP can be reversibly inhibited by oxidation - physiologically likely in association with epidermal growth factor (EGF) signal transduction. In fact, an association between persistently lacking PGP activity (via downregulation) and the presence of hyperphosphorylated proteins after EGF stimulation has been identified. Reversible oxidation and transient inactivation of PGP may be particularly important for short-term and feedback regulatory mechanisms (as part of the EGF signaling). Furthermore, cellular proliferation in PGP downregulated cells is constantly reduced. Whole-body PGP inactivation in mice is embryonically lethal. Despite the many well-known features and functions, the knowledge about PGP is still incomplete. In the present work the influence of reactive oxygen species (ROS) on PGP activity in cells und a possible connection between oxidative stress and the proliferation deficit of PGP downregulated cells was investigated. For the experiments, a spermatogonial cell line was used (due to the high PGP expression in testis). PGP activity can be reversibly inhibited in cellular lysates by H2O2 (as a ROS representative). Reversible oxidation could thus indeed be physiologically important. More oxidative DNA damage (by bleomycin) showed no PGP-dependent effects here. EGF stimulation (as an inducer of transient and well-controlled ROS production), low concentrations of menadione (as an oxidant) and N-acetylcysteine (as an antioxidant) were able to approximate the proliferation rate in PGP downregulated cells to that of control cells. The redox regulation of PGP could thus have an influence on cellular proliferation as a feedback mechanism - a mechanism that could not take place in PGP downregulated cells. However, the connections are probably even more complex and cannot be elucidated by a sole examination of the proliferation rate. The present results can thus only be regarded as preliminary experiments. For a better understanding of the features and functions of PGP, this work then focused on specific regulation of enzyme activity by pharmacologically applicable small molecules. Four potent inhibitors had previously been identified in a screening campaign. In this work, three of these four inhibiting compounds could be further characterized in experiments with highly purified, recombinant murine and human PGP. Compounds #2 and #9 showed competitive inhibition properties with a markedly rising KM value with little or no change in vmax. The results were consistent for all tested protein variants: the murine and the human PGP as well as a PGP/PDXP hybrid protein. Compound #1 was the most potent and interesting PGP-inhibitory molecule: less change in KM and a constant decrease in vmax as well as a lower impact on the PGP/PDXP hybrid hint at a mixed mode of inhibition as a combination of competitive and non-competitive inhibition. The characterization of the potential inhibitors can serve as a basis for further structural analysis and studies on the complex physiological role of PGP. / Die Phosphoglykolat-Phosphatase (PGP, auch AUM genannt) in Säugetieren gehört zu der ubiquitär vorkommenden HAD Phosphatasen-Superfamilie. PGPs Proteinstruktur konnte bisher nicht vollständig gelöst werden. Es ließ sich nur ein Hybridenzym, bestehend aus der PGP-Kappe und dem PDXP-Kern (Pyridoxal-Phosphatase, am nächsten verwandtes Enzym), kristallisieren. Wie zahlreiche andere Mitglieder der HAD Phosphatasen, geschieht die Magnesium-abhängige Dephosphorylierung durch eine nukleophile Attacke eines konservierten Aspartat-Rests im katalytischen Zentrum. PGP ist in der Lage 2-Phosphoglykolat, 4-Phospho-D-Erythronat, 2-Phospho-L-Laktat und Glycerol-3-Phosphat in vitro zu dephosphorylieren, was sie zu wahrscheinlichen physiologischen Substraten macht. Die ersten drei Substrate können durch metabolische Nebenreaktionen (während der Glykolyse) entstehen und Schlüsselenzyme in Glykolyse und Pentosephosphatweg inhibieren, das letztgenannte findet sich an der Kreuzung zwischen Glykolyse und Lipogenese. 2-Phosphoglykolat kann auch im Rahmen der Reparatur von oxidativem DNA-Schaden freigesetzt werden. Die Aktivität von gereinigtem PGP kann durch Oxidation - physiologisch wahrscheinlich assoziiert mit der Signaltransduktion des epidermalen Wachstumsfaktors (EGF) - reversibel inhibiert werden. Es wurde nämlich auch ein Zusammenhang zwischen dauerhaft mangelnder PGP-Aktivität (durch Herabregulation) und dem Vorkommen hyperphosphorylierter Proteine nach EGF-Stimulation festgestellt. Reversible Oxidation und vorübergehende Inaktivierung der PGP könnten vor allem für Kurzzeit- und Rückkopplungs-Regulationsmechanismen (im Rahmen der EGF-Signalkaskade) bedeutend sein. Weiterhin ist die zelluläre Proliferation in PGP-herabregulierten Zellen konstant reduziert. Eine PGP-Inaktivierung im gesamten Organismus in Mäusen ist embryonal letal. Trotz der vielen inzwischen bekannten Eigenschaften und Funktionen ist das gesammelte Wissen über PGP noch lückenhaft. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst der Einfluss von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) auf die PGP-Aktivität in Zellen und ein möglicher Zusammenhang zwischen oxidativem Stress und dem Proliferationsdefizit von PGP-herabregulierten Zellen untersucht. Für die Experimente wurde (aufgrund der hohen PGP-Expression in Hoden) eine spermatogoniale Zelllinie verwendet. PGP-Aktivität kann in zellulären Lysaten reversibel durch H2O2 (als ROS Vertreter) gehemmt werden. Reversible Oxidation könnte also tatsächlich auch physiologisch von Bedeutung sein. Mehr oxidativer DNA Schaden (durch Bleomycin) zeigte hier keine PGP-abhängigen Effekte. EGF-Stimulation (als Auslöser von transienter und gut kontrollierter ROS-Produktion), niedrigdosiertes Menadion (als Oxidans) und N-Acetylcystein (als Antioxidans) konnten die Proliferationsrate in PGP-herabregulierten Zellen an die von Kontrollzellen annähern. Die Redox-Regulation von PGP könnte als Feedback-Mechanismus also auch Einfluss auf die zelluläre Proliferation haben - ein Mechanismus, der bei PGP herabregulierten Zellen so nicht stattfinden könnte. Wahrscheinlich sind die Zusammenhänge aber noch komplexer und mit einer alleinigen Untersuchung der Proliferationsrate nicht aufzuklären. Die vorliegenden Ergebnisse können also nur als Pionierversuche betrachtet werden. Um die Merkmale und Funktionen von PGP besser zu verstehen, fokussierte sich die weitere Arbeit auf die spezifische Regulation der Enzymaktivität durch pharmakologisch anwendbare kleine Moleküle. Vier potentielle Inhibitoren waren zuvor in einer Screening-Kampagne identifiziert worden. In dieser Arbeit konnten drei von vier der inhibierenden Moleküle in Experimenten mit hoch-aufgereinigtem, rekombinantem murinem und humanem PGP näher charakterisiert werden. Die Moleküle #2 und #9 zeigten kompetitiv hemmende Eigenschaften mit deutlich steigendem KM-Wert bei geringer oder gar keiner Veränderung der Maximalgeschwindigkeit (vmax). Die Ergebnisse waren bei allen untersuchten Protein-Varianten - murinem und humanem PGP sowie einem PGP/PDXP-Hybrid-Protein - vergleichbar. Molekül #1 war der potenteste und interessanteste PGP-Inhibitor: eine geringere Veränderung des KM-Werts und eine konstante Verminderung von vmax sowie ein reduzierter Einfluss auf den PGP/PDXP-Hybriden weisen auf einen gemischten Inhibitionsmechanismus als Kombination aus kompetitiver und nicht-kompetitiver Hemmung hin. Die Charakterisierung der potentiellen Inhibitoren kann als Basis für weiterführende strukturelle Analysen und der Untersuchung der komplexen physiologischen Rolle von PGP dienen.

1. Mesophyllzellen von Arabidopsis thaliana sind mit Hyperpolarisations-ab-hängigen, Calcium-permeablen Kanälen ausgestattet. In Ca2+-haltigen Lösungen folgte die Nullstromspannung der Nernst-Spannung mit 27 mV bei einer zehnfachen Erhöhung der Ca2+-Konzentration. Die Sequenz an relativen Stromamplituden ergab Ba2+ (131,8 ± 20) > Ca2+ (100) > Mg2+ (84,3 ± 18). Der makroskopische Strom wurde auf der Basis einer 7,2 ± 1 pS-Leitfähigkeit bei einer Pipettenlösung mit 10 mM Ba2+ in der cell-attached Konfiguration gebildet. Die Kanäle waren sensitiv gegenüber Lanthan und Gadolinium, wobei die Stromamplitude bei 100 µM Lanthan um 97,2 ±7 % und bei 100 µM Gadolinium um 95,2 ± 7 % reduziert wurde. 2. Blaulicht induzierte den Hyperpolarisations-abhängigen, Calcium-permeablen Kanal in dunkeladaptierten, intakten Mesophyll-Protoplasten. Die Aktivierung war zeitabhängig und der Stromanstiegs erreichte eine Sättigung nach 11-16 Minuten. Weiterhin wurde bestimmt, dass eine Kanalaktivität erst bei einer Intensität an Blaulicht > 50 µmol/m2s1 induziert wird. Aufgrund der Tatsache, dass der photosynthetische Elektronentransport-Entkoppler DCMU die Aktivierung nicht verhinderte, konnte eine Beteiligung des Photosyntheseapparates ausgeschlossen werden. Eine Inhibierung der Aktivierung nach Inkubation mit dem Kinase-Inhibitor K252a war ein erster Hinweis für die Beteiligung von Phototropinen als relevante Blaulicht-Rezeptoren, da Phototropine eine Kinase-Funktion besitzen. Diese Hypothese bestätigte sich nach Überprüfung der Phototropin-knockout-Mutanten phot1-5 und phot1-5 phot2-1. Da die Aktivierung in phot1-5 reduziert war, und in phot1-5 phot2-1 keine Aktivierung der Kanäle durch Blaulicht mehr möglich war, konnte auf eine überlappende Funktion beider Photorezeptoren bezüglich der Aktivierung von Calcium-permeablen Kanälen geschlossen werden. Dagegen konnte eine Beteiligung weiterer Blaulicht-Rezeptoren, der Cryptochrome, ausgeschlossen werden. 3. Neben Blaulicht aktivierten auch reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) Hyper-polarisation-abhängige, Calcium-permeable Kanäle. Protoplasten mit intaktem Cytoplasma (cell-attached Konfiguration) zeigten nach Applikation von 5 mM H2O2 eine zeitabhängige Aktivierung der Lanthan-sensitiven Kanäle. Eine Sättigung des Stromanstiegs wurde nach ca. 25 Minuten erreicht. Neben dem Wildtyp (Col-0) wurde die Mutante dnd1 hinsichtlich Calcium-permeabler Kanäle überprüft. Sie besitzt einen nicht-funktionellen putativen cyclisch-Nukleotid-aktivierten Kanal, CNGC2, und zeigt Phänotypen bei der Pathogenabwehr. Eine histochemische DAB-Färbung ergab, dass dnd1 eine dem Wildtyp vergleichbare ROS-Produktion nach Inokulation mit avirulenten Pseudomonas syringae DC 3000 pv. tomato avrB besitzt. Da eine ROS- bzw. H2O2-Produktion, ein wichtiger initiierender Schritt bei Abwehrmechanismen, in der Mutante nicht beeinträchtigt war, wurde überprüft, ob ROS-aktivierte, Calcium-permeable Kanäle in dnd1 beobachtet werden konnten. Nach Applikation von 5 mM H2O2 zu intakten Protoplasten wurde keine dem Wildtyp vergleichbare Aktivierung Calcium-permeabler Kanäle festgestellt. Daraufhin konnte spekuliert werden, dass CNGC2 im Wildtyp den Calcium-permeablen Kanal repräsentiert. Eine Blaulicht-Aktivierung der Calcium-permeablen Kanäle in der Kanal-Mutante war jedoch möglich, was die Frage aufkommen ließ, ob es sich um verschiedene Kanäle mit denselben elektrophysiologischen Charakteristika handelt, oder ob es sich bei dem H2O2-aktivierten und dem Blaulicht-aktivierten Kanal um denselben Kanal handelt, der durch verschiedene Signalketten angeschaltet wird. Cyclische Nukleotide (cAMP) konnten die Kanäle in Wildtyp-Protoplasten nicht aktivieren, was dagegen sprach, dass es sich um CNGC2 handelte. Eine Inhibierung der H2O2-aktivierten Ströme durch den Calmodulin-Inhibitor W7 wies auf eine Beteiligung eines Calmodulin-abhängigen Schritts in der Signalkette hin. Untersuchungen des Calcium-permeablen Kanals in der outside-out Konfiguration mit einer dem Cytoplasma ähnlichen internen Lösung ergab, dass eine Kanalaktivität durch eine erhöhte Calcium-Konzentration (21 µM) bei Vorhandensein von Calmodulin induziert werden konnte. Cyclische Nukleotide aktivierten wie erwartet keine Hyperpolarisation-abhängigen, Calcium-permeablen Kanäle. Dies deutete darauf hin, dass CNGC2 die Calcium-permeablen Kanäle über einen Ca2+/Calmodulin-abhängigen Schritt in einer H2O2-induzierten Signalkette regulieren könnte. Lokalisationsstudien mit einem GFP-CNGC2-Fusionskonstrukt (CNGC2::mGFP4 /pPILY) zeigten, dass der Kanal in vivo im Endoplasmatischen Retikulum lokalisiert sein könnte. Dies bestätigte die Hypothese, dass CNGC2 nicht den Calcium-permeablen Kanal in der Plasmamembran repräsentiert und dass der Verlust der Kanalaktivität in dnd1 in einer beeinträchtigten Signalkette zu suchen ist. / 1. Hyperpolarisation-dependent, calcium-permeable channels have been found in Arabidopsis thaliana mesophyll cells. In Ca2+-containing solutions, the reversal potential shifted 27 mV with a tenfold increase of the Ca2+-concentration. The relative sequence of permeability was Ba2+ (131,8 ± 20) > Ca2+ (100) > Mg2+ (84,3 ± 18). The macroscopic current in the cell-attached configuration was based on a 7,2 ± 1 pS-conductance with 10 mM Ba2+ in the pipette solution. The channels were sensitive to lanthanum and gadolinium. Current amplitudes decreased 97,2 ±7 % after application of 100 µM La3+ and 95,2 ± 7 % after application of 100 µM Gd3+. 2. Blue-light (450-490 nm) induced hyperpolarisation-dependent, calcium-permeable channels in dark-adapted mesophyll-protoplasts with intact cytoplasm. The current increase was time-dependent and saturated after 11-16 minutes. Examining the dose dependence of channel activation revealed that > 50 µmol/m2s1 blue-light induces channel activity. Phototsynthesis was shown to be not involved in the signaling cascade since the photosynthetic electron-transport inhibitor DCMU did not inhibit channel activation. The inhibition of channel activation with the kinase inhibitor K252a pointet to the involvement of phototropins. This hypothesis proved to be true when the phototropin knockout mutants phot1-5 and phot1-5 phot2-1 were examined. In phot1-5, the activation was clearly reduced and in phot1-5 phot2-1 no blue-light activation was observed anymore. Furthermore, this pointed to an overlapping function of both photoreceptors. The involvement of cryptochromes, further blue-light receptors, could be excepted. 3. Beside blue-light, also reactive oxygen species (ROS) were shown to activate calcium-permeable channels in intact mesophyll protoplasts. After application of 5 mM H2O2, lanthanum-sensitive channels showed a time-dependent current increase with a saturation after approx. 25 minutes. Beside wildtype-plants (Col-0), also the mutant dnd1 has been tested. dnd1 is characterized by a truncated protein of a putative cyclic-nucleotide-gated channel, CNGC2. The plants are dwarfed in stature, have an elevated level of salicylic acid and exhibit a resistance against a variety of virulent bacterial, fungal and viral phatogens without developing a hypersensitive response. After inoculation of leaves with Pseudomonas syringae DC 3000 pv. tomato avrB, dnd1 showed a production of ROS like the wildtype. In contrast, an activation of calcium-permeable channels by ROS was not observed. A blue-light-dependent activation of calcium-permeable channels was still possible. This raised the question if blue-light and H2O2 activate the same channel via different signaling cascades or if there are two calcium-permeable channels. Cyclic nucleotides alone did not activate the channels, pointing to the possibility that CNGC2 does not represent the calcium-permeable channel. Furthermore, when the intact cytoplasm was lost (outside-out configuration), H2O2-induced channel activity was also observed in dnd1, possibly due to the loss of a composition of regulating compounds in the cytoplasm. Therefore it was concluded that CNGC2 does not represent the observed calcium-permeable channel and that CNGC2 is placed upstream of the activation of these channels. An inhibition of the H2O2-induced channel activation by the calmodulin (CaM) inhibitor W7 pointet to the involvement of a CaM-dependent step in the signaling cascade. When the cytoplasm was replaced with a pipette solution containing an elevated level of Ca2+ (21 µM) and CaM, channel activity was induced. Ca2+, cyclic nucleotides or CaM alone did not have this effect. This pointed to the possibility, that CNGC2 might activate calcium-permeable channels via a Ca2+/CaM-dependent signaling pathway. Subcellular localisation studies with a GFP-fusionconstruct (CNGC2::mGFP4 /pPILY) revealed that CNGC2 might be located in the endoplasmatic reticulum. This reeinforced the hypothesis that CNGC2 does not represent the calcium-permeable channel in the plasma membrane and that the loss of channel activity in dnd1 is due to an impaired signaling cascade. Also the expression of GFP-labeled CNGC2 in a heterolguous system (HEK293 cells) showed that neither the full-length nor a mutant containing a partly deletion of the N-terminal end (CNGC2::EGFP/pcDNA3.1 or CNGC2-D112::EGFP/pcDNA3.1) is transported to the plasma membrane. Therefore no electrophysiological characterization of CNGC2 in this cell line was possible.

Die Restenose stellt ein zentrales Problem der interventionellen Kardiologie dar und ist häufigste Komplikation nach perkutanen Angioplastieverfahren. Hauptursache dieser Wiederverengung des Gefäßes ist die Bildung einer Neointima durch die Proliferation transdifferenzierter vaskulärer glatter Muskelzellen und die Sekretion extrazellulärer Matrix. Die Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die Entzündungsreaktion nach der Gefäßverletzung werden als frühe, die Neointimabildung induzierende Prozesse diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere Projekte bearbeitet, die Aufschluss über die während der Neointimabildung statt findenden Prozesse geben sollen. Mit Hilfe eines Verletzungsmodells der murinen Femoralarterie wurde der Einfluss der Entzündung und der ROS-Bildung auf die Neointimabildung in der Maus untersucht. Die Behandlung mit dem mitochondrialen Superoxiddismutase-Mimetikum MitoTEMPO verminderte die Bildung der Neointima besser, als die Behandlung mit dem globalen ROS-Fänger N-Acetylcystein. Die stärkste Hemmung der Neointimabildung wurde jedoch durch die Immunsuppression mit Rapamycin erreicht. Interferon-γ (INFγ) ist ein wichtiges Zytokin der Th1-Immunantwort, das in Folge der Gefäßverletzung freigesetzt wird und die proinflammatorischen Chemokine CXCL9 (MIG, Monokine Induced by INF), CXCL10 (IP-10, INF inducible Protein of 10 kDa) und CXCL11 (I-TAC, Interferon inducible T cell-Chemoattractant) induziert. CXCL9, CXCL10 und CXCL11 sind Liganden des CXC-Chemokinrezeptors 3 (CXCR3) und locken chemotaktisch CXCR3 positive Entzündungszellen zum Ort der Gefäßverletzung. Daher wurde die spezielle Bedeutung des Chemokins CXCL10 in der Restenose untersucht. Dazu wurden CXCL10-defiziente Mäuse dem Femoralisverletzungsmodell unterzogen und die Gefäße nach 14 Tagen morphometrisch und immunhistologisch untersucht. CXCL10-Defizienz führte in Mäusen zu einer verminderten Neointimabildung, die mit einer verringerten Inflammation, Apoptose und Proliferation im verletzten Gefäß korrelierte. Neben der Inflammation beeinflusst aber auch die Reendothelialisierung der verletzten Gefäßwand die Restenose. Interessanterweise war im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen in den CXCL10-Knockout-Mäusen auch die Reendothelialisierung erheblich verbessert. Offensichtlich ist das CXCR3-Chemokinsystem also in völlig unterschiedliche biologische Prozesse involviert und beeinflusst nicht nur die Bildung der Neoimtima durch die Förderung der Entzündung, sondern auch die Unterdrückung der Reendothelialisierung der verletzten Gefäßwand. Tatsächlich wird der CXCR3 nicht nur auf Entzündungszellen, sondern auch auf Endothelzellen exprimiert. Zur separaten Untersuchung der Rolle des CXCR3 in der Inflammation und der Reendothelialisierung wurde im Rahmen dieser Arbeit damit begonnen konditionelle CXCR3-Knockout-Mäuse zu generieren, in denen der CXCR3 entweder in Entzündungszellen oder in Endothelzellen ausgeschaltet ist. Zum besseren Verständnis der molekularen Mechanismen, mit denen der CXCR3 seine Funktionen vermittelt, wurde zudem untersucht ob dieser mit anderen G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) interagiert. Die Analyse von Coimmunpräzipitaten deutet auf eine Homodimerisierung der beiden CXCR3 Splicevarianten CXCR3A und CXCR3B, sowie auf die Heterodimerbildung von CXCR3A und CXCR3B mit sich, sowie jeweils mit CCR2, CCR3, CCR5 und den Opioidrezeptoren MOR und KOR hin. Die getestete Methode des Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfers (FRET) erwies sich jedoch als ungeeignet zur Untersuchung von CXCR3, da dieser in HEK293T-Zellen nicht korrekt transient exprimiert wurde. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass das CXCR3-Chemokinsystem eine zentrale Rolle in unterschiedlichen, die Neointimabildung beeinflussenden Prozessen spielt. Damit könnten der CXCR3 und insbesondere das Chemokin CXCL10 interessante Zielmoleküle in der Entwicklung neuer verbesserter Therapien zur Verhinderung der Restenose darstellen. / Restenosis represents a central problem after coronary angioplasty procedures and is caused by intimal hyperplasia, also called neointima, as a result of transdifferentiation, proliferation of vascular smooth muscle cells and secretion of extracellular matrix. Formation of reactive oxygen species (ROS) and inflammation after vascular injury caused by angioplasty are discussed as early inducers of neointima formation. In several projects the processes causing the development of intimal hyperplasia were investigated. First of all, the impact of inflammation and ROS in neointima formation was investigated using the mouse femoral injury model. The mitochondrial superoxide dismutase mimetic mitoTEMPO could reduce neointima formation better than the global ROS scavenger N-acetylcystein. However, the strongest reduction of neointima formation was achieved by the treatment with the immunosuppressant rapamycin. Interferon-γ(INFγ) is a major cytokine of the Th1 immune response. It is released as a result of vessel injury and induces the proinflammatory chemokines CXCL9 (MIG, Monokine Induced by INF), CXCL10 (IP-10, INF inducible Protein of 10 kDa) and CXCL11 (I-TAC, Interferon inducible T-cell-Chemoattractant), which are ligands of the CXC chemokine receptor 3 (CXCR3) and by this chemotactically recruit CXCR3 positive cells to the site of vessel injury. In this work the special role of CXCL10 in restenosis was investigated. Therefore, CXCL10 decient mice underwent the mouse femoral injury model. The vessels were analysed morphometrically and immunohistologically 14 days after injury. CXCL10 deciency lead to decreased neointima formation that correlated with a reduced recruitment of inflammatory cells as well as diminished numbers of apoptotic and proliferating cells at the site of vessel injury. In addition to inflammation the reconstitution of the endothelium has also impact on the development of restenosis. Interestingly reendothelialisation was strongly improved in CXCL10 decient mice compared to wildtype mice. Obviously the CXCR3 chemokine system is involved in different biological prosesses and impairs neointima formation on one hand by the advancement of inflammation and on the other hand by the suppression of reendothelialisation. In fact the CXCR3 is not only expressed on inflammatory cells but also on endothelial cells. To investigate the role of CXCR3 in inflammation and reendothelialisation separatly the generation of conditional CXCR3 knockout mice with a CXCR3 knockout in T-cells or endothelial cells was started in an additional project. For a better understanding of the molecular mechanisms on which the CXCR3 mediates its biological functions the protein-protein interactions of the CXCR3 with other G-protein coupled recteptors (GPCR) was analysed. Coimmunoprecipitation showed homodimerization of the CXCR3 splice variants CXCR3A and CXCR3B, as well as heterodimerization of CXCR3A and CXCR3B with each other and with the chemokine receptors CXCR4, CCR2, CCR3, CCR5 and the opioid receptors MOR and KOR. The additional tested Fluorecence resonance energy transfer (FRET) method proved to be not suitable to measure interactions of CXCR3, since this receptor could not be expressed correctly on the cell surface after transient transfection. To summarise, the results indicate that the CXCR3 chemokine system plays a central role in different processes that mediate neointima formation. Thus, the CXCR3 and especially the chemokine CXCL10 could be interesting therapeutic targets in the development of new or improved treatments to reduce the risk of restenosis.

Thesis (doctoral)--Universität, Leipzig, 1999.

Seit Mitte der 1980er Jahre werden diätetische Ergänzungen von Futtermitteln mit mehrfach-ungesättigten Fettsäuren (PUFA) als nebenwirkungsfreie Therapeutika zur Behandlung atopischer Erkrankungen eingesetzt. Verschiedene Studien konnten dabei insbesondere bei einem n6:n3-Fettsäurenverhältnis von 5 bis 10:1 eine Linderung klinischer Symptome bei an Caniner Atopischer Dermatitis (CAD) leidenden Hunden feststellen. Die zugesetzten Fettsäuren beeinflussen auf molekularer Ebene unter anderem die zelluläre Fettsäurenzusammensetzung, Membraneigenschaften, Lipidmediatoren, intrazelluläre Signaltransduktionswege, Enzymaktivitäten sowie die Genexpression. Den in der Literatur beschriebenen positiven Effekten von PUFA steht die Feststellung gegenüber, dass insbesondere diese Fettsäuren einem radikalischen Angriff unterliegen und begünstigend auf die Entstehung von Lipidperoxiden sowie deren Abbauprodukten wirken. In diesem Zusammenhang konnte in verschiedenen Untersuchungen festgestellt werden, dass eine hohe Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies und Lipidperoxide bzw. deren Abbauprodukte zu einer Schädigung der DNA führen. Eine zentrale Rolle in der Pathogenese der CAD nehmen die Mastzellen der Haut ein. Bei Einwirkung eines Allergens schütten sie einerseits präformierte Entzündungsmediatoren aus und produzieren auf der anderen Seite auch neue Mediatoren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen einer Supplementierung des Zellkulturmediums einer caninen Mastozytomzelllinie (C2) mit unterschiedlichen n6- und n3-FS, unter Berücksichtigung des Einflusses auf das Fettsäurenmuster und das Wachstum, auf oxidative Parameter der Zellen zu untersuchen. Die Kultivierung der C2 erfolgte zur Kontrolle im Grundmedium und daneben in Linol- (C18:2n6), Linolen- (C18:3n3), Arachidon- (C20:4n6) und in Eisosapentaen- (C20:5n3) säure-supplementiertem Medium (je 20 μM). Das Wachstum der C2 wurde über die Dauer von 8 Tagen verfolgt. Am 8. Tag der Kultivierung wurden die Zellen für folgende Bestimmungen gewonnen  Gehalt an α-Tocopherol in den Zellen und im Medium mit HPLC  Fettsäurenmusters mittels Gaschromatographie  intrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies mittels Fluoreszenzfarbstoff  Lipidperoxidabbauprodukte mittels Thiobarbiturat-Reaktive Substanzen-Test  oxidative DNA-Schäden mittels Comet-Assay Die Ergebnisse zeigen, dass das Wachstum der C2 durch die Supplementierung des Mediums mit n3- und n6-FS nicht beeinflusst wird. Die supplementierten FS sowie ihre Desaturierungs- und Elongationsprodukte reichern sich in den zellulären Membranen an. Die Produkte der Δ5-Desaturase sind jedoch nicht oder nur geringfügig erhöht, was für das Vorliegen eines Desaturasedefektes spricht. Die mit PUFA kultivierten C2 weisen eine erhöhte intrazelluläre ROS-Konzentration, sowohl mit als auch ohne Zufuhr eines Stressors auf. Dabei zeigt sich eine Abhängigkeit von der Anzahl der Doppelbindungen der zellulären FS. Auch eine erhöhte Menge an Lipidperoxidabbauprodukten ist mit steigender Anzahl von Doppelbindungen der FS festzustellen. Diese Ergebnisse spiegeln sich in einem erhöhten Kernschädigungs-Score bei den mit PUFA supplementierten C2 wieder. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass PUFA eine pro-oxidative Wirkung auf C2-Zellen haben. Frühere Studien konnten zeigen, dass eine Zunahme der oxidativen Anfälligkeit von Zellen durch eine gezielte Zufuhr von Antioxidantien teilweise kompensierbar ist. Diese Feststellungen legen die Schlussfolgerung nahe, eine kombinierte Verabreichung von PUFA und Antioxidantien vorzunehmen, um die negativen Effekte diätetisch verabreichter FS zu kompensieren. Inwiefern eine solche Kombination mit antioxidativen Substanzen diese pro-oxidativen Effekte beeinflussen kann, sollte in weiteren in vitro Studien und schließlich Fütterungsstudien (in vivo) untersucht werden.

Ulm, Univ., Diss., 2001.