Die meisten membranständigen Rezeptoren in Säugetieren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR). Sie sind entscheidend beteiligt an der Verarbeitung von sensorischen Reizen, an der Wirkung von Signalmolekülen, an Zellwachstum, Zellreifung und Entzündungsprozessen. Dennoch sind für viele GPCR die molekularen und auch physiologischen Funktionen nicht bekannt. Die Erforschung dieser Rezeptorproteine ist von großer medizinischer Relevanz, da deren Fehlfunktion eine mögliche Ursache für Krankheiten ist und sich GPCR häufig als pharmakologische Zielmoleküle eignen. Mit 33 Mitgliedern bilden die Adhesion GPCR die zweitgrößte Klasse von GPCR im Menschen, die bisher allerdings am wenigsten erforscht wurde. Sie sind bedeutsam für das Immunsystem, die zelluläre Organisation während der Embryonalentwicklung, die Angiogenese und die Entstehung von Tumoren. Adhesion GPCR besitzen im Transmembranbereich die typische Struktur von GPCR, unterscheiden sich jedoch von klassischen GPCR aufgrund ihrer sehr großen und komplexen N Termini. Die Frage, ob diese Rezeptorfamilie funktionell an G-Proteine koppelt, blieb lange unbeantwortet. Für einige wenige Rezeptoren der Subfamilie wurde die Bindung von Liganden beschrieben, dennoch fehlt für diese bisher der Beweis einer Rezeptoraktivierung. Unsere Arbeitsgruppe konnte zum ersten Mal eine Gαs vermittelte Adenylylcyclase (AC) Aktivierung durch den Adhesion GPCR GPR133 zeigen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden in dieser Arbeit die Signalkopplungswege der drei Adhesion GPCR GPR126, GPR56 und CD97 mittels verschiedener in vitro Methoden untersucht, um eine G-Protein-vermittelte Kopplung zu beweisen und weiter zu spezifizieren. Eine Grundlage bildeten die erfolgreiche Entwicklung einer Klonierungsstrategie und der Nachweis einer suffizienten Expression der Adhesion GPCR sowohl intrazellulär, als auch an der Membran. Durch die N-terminale Integration eines Rhodopsin Epitops gelang eine Steigerung der Zellmembranexpression für GPR126 und GPR56. Weiterhin wurden eine funktionelle Kopplung von GPR126 und GPR56 an das Gs-Protein sowie von GPR126 an das Gi-Protein bewiesen. Da eine G-Protein-gekoppelte Signaltransduktion somit für zwei weitere Adhesion GPCR gezeigt werden konnte, kann diese als etabliert für die gesamte Rezeptorklasse gelten.

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine experimentelle Untersuchung zu Unterschieden in der Signaltransduktion von drei mutierten Thyrotropin-Rezeptoren (mTSHR), die in Rattenschilddrüsenzellen stabil exprimiert werden. Mittels Proteomanalyse konnte die Proteinexpression von mehreren Signalproteinen quantitativ untersucht werden und mit der Proteinexpression in Zellen, die Wildtyp (WT)-Rezeptoren exprimieren, verglichen werden. In den Zellen mit mutierten Rezeptoren konnte eine gesteigerte Expression von Proteinen nachgewiesen werden, die in der Endozytose eine Schlüsselrolle spielen. Weiterhin konnte hier eine verstärkte Internalisierung der mTSHR festgestellt werden. Der Phosphatidyl-Inositol-3-Kinase (PI3K) Signalweg wurde in mTSHR-Schilddrüsenzellen im Vergleich zu WT-Zellen verstärkt aktiviert, und dies geschah Proteinkinase A (PKA) -unabhängig. Zudem konnte eine vorübergehende Aktivierung des Proteins Exchange protein directly activated by cAMP (Epac) durch das zyklische Adenosinmonophosphat (cAMP) nachgewiesen werden, die möglicherweise mit der Aktivierung des PI3K-Signalwegs in Zusammenhang steht. Die Ergebnisse gewähren somit neue Einblicke in die biologische Aktivität von mTSHR. Zum einen bleiben wahrscheinlich die mTSHR nach Internalisierung weiterhin aktiv, zum anderen reduziert sich die weitere Signaltransduktion nicht nur auf cAMP-PKA/Inositoltrisphosphat-Signalwege. Diese Ergebnisse könnten zu einem besseren Verständnis für den Verlauf der Schilddrüsenautonomie beitragen.

Die Bedeutung der β-Arrestine als multifunktionelle Adapterproteine GPCR-vermittelter Signaltransduktion hat in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. In der vorliegenden Arbeit lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der molekularen Basis und der Ligandenabhängigkeit sowohl der β-Arrestin/Rezeptor-Interaktion als auch β-Arrestin- (un-)abhängiger Signaltransduktionsmechanismen. Im ersten Teil wurde der Einfluß potentieller Phosphorylierungsstellen im C-Terminus des β2AR bzw. im C-Terminus und der TM3 des P2Y1R auf die agonisteninduzierte β-Arrestin/Rezeptor-Interaktion, Internalisierung und Desensibilisierung untersucht. Durch Mutationsanalysen konnten Ser 352/Thr 358 im distalen C-Terminus des P2Y1R als Schlüsselstellen der β-Arrestin-Translokation und Internalisierung identifiziert werden, während ein oder mehrere Phosphorylierungsstellen im proximalen P2Y1R C-Terminus die molekulare Grundlage der Rezeptordesensibilisierung darstellen. Darüber hinaus machte die Anwendung verschiedener PKC- oder CaMK-Inhibitoren sowie der Einsatz des PKC-Aktivators PMA deutlich, dass die P2Y1R-Desensibilisierung und β-Arrestin-Translokation durch unterschiedliche Kinasen kontrolliert werden. Zudem konnte mit Hilfe der FRET-Technik gezeigt werden, dass die Phosphorylierungsstellen zwischen den Positionen 355 und 364 im proximalen β2AR C-Terminus essentielle Bereiche der β-Arrestin-Translokation darstellen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Agonisten am β2-adrenergen Rezeptor bzw. dem P2Y2R auf ihre Fähigkeit hin untersucht verschiedene mit dem jeweiligen Rezeptor verknüpfte G-Protein- bzw. β-Arrestin-Funktionen in unterschiedlichem Ausmaß zu aktivieren („biased agonism“). Da eine solche ligandenselektive Aktivierung rezeptorvermittelter Signalwege bis dato nur mit synthetischen Liganden detailliert untersucht wurde, galt das besondere Interesse der Analyse der durch die endogenen Substanzen induzierten Signalmuster. Die Betrachtung der Noradrenalin- bzw. Adrenalin-induzierten β-Arrestin/Rezeptor-Interaktion, β-Arrestin2-Translokation, Rezeptorinternalisierung, G-Protein-Aktivierung sowie cAMP-Produktion am β2AR machte deutlich, dass es sich beim Phänomen des „biased agonism“ um einen endogenen Mechanismus handelt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass auch zur Tokolyse eingesetzte β2AR-Agonisten spezifische Signalmuster induzieren. Die Beobachtung, dass UTP und ATP sowohl unterschiedliche β-Arrestin1/2-Translokationsals auch ERK-Aktivierungsmuster am P2Y2R induzieren bestärkte das Konzept des „biased agonism“ als endogenes Phänomen. Das ligandenabhängige β-Arrestin-Translokationsverhalten des P2Y2R ließ zudem die agonistenbedingte Zuteilung des Rezeptors zu den „Klasse A“ oder „Klasse B“ Rezeptoren zu. Die detaillierte Untersuchung agonisteninduzierter Rezeptor/Effektor-Interaktionen und Signalmuster dürfte helfen die Anwendung klinisch relevanter Substanzen zu optimieren. / In recent years, the significance of β-arrestins as multifunctional adapter proteins of GPCR mediated signal transduction has steadily been increasing. In this thesis the main focus is to research the molecular basis and the ligand dependence of the β-arrestin recruitment as well as β-arrestin-(in-)dependent signal transduction mechanisms. In the first part, the influence of potential phosphorylation sites in the C-terminus of the β2AR or the C-terminus and the TM3 of the P2Y1R, respectively, on the agonist-induced β-arrestin2/receptor-interaction, receptor internalization and desensitization was examined. Using mutation analysis, Ser 352 and Thr 358 were identified as key points of the β-arrestin2 translocation and receptor internalization in the distal C-terminus of the P2Y1R. In contrast, one or more phosphorylation sites in the proximal P2Y1R C-terminus represent the molecular basis of receptor desensitization. In addition, the use of different PKC- or CaMK inhibitors and the application of the PKC activator PMA made it clear that the P2Y1R desensitization and β-arrestin translocation are controlled by different kinases. Using the FRET technique we were able to show that the phosphorylation sites between position 355 and 364 in the proximal C-terminus of the β2AR represent essential areas of the β-arrestin2 translocation. In the second part of the study at hand, agonists of the β2AR or the P2Y2R were examined with respect to their ability to activate distinct receptor associated G-protein or β-arrestin functions to varying degrees (“biased agonism”). Since this kind of ligandselective activation of receptor-mediated signaling pathways has only been studied in detail with synthetic ligands to this day, special interest in the analysis of the signaling pattern induced by the endogenous substances was taken. The analysis of norepinephrine- or epinephrine-induced β-arrestin/receptor interaction, β-arrestin translocation, receptor internalization, G-protein activation and cAMP production at the β2AR made clear that “biased agonism” is an endogenous phenomenon. Moreover, it has also been shown that β2AR agonists used for tocolysis induced a specific signaling pattern. The observation that UTP and ATP both induce different β-arrestin translocation as well as ERK activation patterns at the P2Y2R confirmed the concept of “biased agonism” as an endogenous phenomenon. The ligand dependent β-arrestin behavior of the P2Y2R also allowed the allocation of the receptor to the “class A” or “class B” receptors depending on the agonist used for stimulation. The detailed testing of agonist induced receptor/effector interactions and signaling pattern could help to optimize the application of clinically relevant substances.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von Liganden der Melatonin-Rezeptoren (MR). Die zwei humanen MR-Subtypen, MT1 und MT2, gehören zur Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Als „Schlafhormon“ wirkt es schlafinduzierend und vermittelt den circadianen Rhythmus. Zum genauen Verständnis der physiologischen Funktionen der MT1- und MT2-Rezeptoren ist die Verfügbarkeit von subtypselektiven MR-Liganden unentbehrlich. Zum Design von MT2-selektiven MR-Liganden modifizierte man die Melatonin-Grundstruktur durch formale Substitution in 2-Stellung, z.B. mit dem 2-Methylen-N-methyl-anilin- oder 2-Methylen-1´-indol-Rest. Weiterhin wurden trizyklische Derivate mit 1,2,3,4-Tetrahydro-pyrazino[1,2-a]indol- oder 2,3,4,5-Tetrahydro-1H-[1,4]diazepino[1,2-a]indol-Grundgerüst hergestellt. Das Synthesekonzept für dieses Teilprojekt basierte auf dem Synthesebaustein 3-Cyanomethyl-5-methoxy-1H-indol-2-carbonsäure. Da bislang nur wenige MT1-selektive MR-Liganden bekannt sind, wurde zur Untersuchung der Voraussetzung für MT1-Selektivität, die 5-Methoxygruppe von Melatonin formal durch Phenylalkyloxy-Reste verschiedener Kettenlängen substituiert. Die Synthese der Derivate erfolgte ausgehend von N-Acetylserotonin. Als Referenzverbindung wurde der bis heute MT1-selektivste MR-Antagonist (Descamps-Francois et al. 2003) hergestellt. Zu dessen Synthese benötigte man Agomelatin als Ausgangsverbindung. Eine neuartige vierstufige Route zu Agomelatin wurde daher entwickelt. Die Testung der Referenzverbindung ergab eine drastische Abweichung vom Literaturwert, da diese als nahezu unselektiv getestet wurde. Unter den O-Phenylalkyl-N-Acetylserotonin-Derivaten wurden zwei Verbindungen mit einer 11-fachen MT1-Selektivität getestet. Zur Absicherung der Reinheit wurden die Verbindungen mit RP-HPLC untersucht. Schließlich wurden noch melatoninerge Dimere mit einem 1-1´, 1-2´ und 5-5´ Verknüpfungsmuster hergestellt. / The present work is focused on the synthesis of ligands of melatonin receptors (MR). The two human MR subtypes, MT1 and MT2, belong to the family of G-protein-coupled receptors. As a “sleep hormone”, it induces sleep and also moderates the circadian rhythm. An accurate characterization of melatonin receptor-mediated functions requires MT1 and MT2 selective ligands. In order to design MT2-selective MR-ligands the melatonin scaffold was formally substituted in 2-position, for example with methylen-N-methyl-aniline- or methylen-1´-indole. Furthermore, tricyclic derivatives with the 1,2,3,4-tetrahydro-pyrazino[1,2-a]indole- or 2,3,4,5-tetrahydro-1H-[1,4]diazepino[1,2-a]indole-scaffold were synthesized. The synthetic concept based on the useful building block 3-cyanomethyl-5-methoxy-1H-indole-2-carboxylic acid. While many series of MT2-selective agents are known, the design of MT1-selective agents still is a challenge. A common structural feature of MT1-selective ligands is the presence of a bulky hydrophobic substituent linked to an alkyl chain in a position topologically equivalent to the MeO-group of melatonin. In order to probe the melatonin receptors for MT1-selectivity, a series of melatonin analogues obtained by the replacement of the ether methyl group with phenylalkyl substituents was prepared. The derivates were synthesized from N-acetylserotonine as a starting compound. The most MT1-selective MR-antagonist (Descamps-Francois et al. 2003) was synthesized additionally as a reference compound. Therefore we need agomelatine as starting material, which could be received from our newly developed four-step route. Surprisingly, the reference compound displayed a much lower affinity for the MT1 receptor than reported earlier. In the homologous series of melatonin analogs, the compound with Ph(CH2)3- and PhO(CH2)3-groups were the most MT1-selective agents, revealing that a C3-spacer is optimal to generate MT1-selectivity. Finally, three series of dimeric melatonin analogues, with a 1-1´-, 1-2´- and 5-5´-junction patter were prepared.

RKIP reguliert Proteinkinasen der Signaltransduktionskaskaden von G Protein-gekoppelten Rezeptoren, der Raf/MEK/ERK-MAPK, des Transkriptionsfaktors NFκB und von GSK3β. Unklar war bisher, wie die spezifische Interaktion von RKIP mit seinen mannigfaltigen Interaktionspartnern ermöglicht und reguliert wird. Raf1 und GRK2 sind die einzigen bekannten direkten Interaktionspartner von RKIP und wurden deshalb gewählt, um die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieser Interaktion genauer zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass RKIP nach PKC-vermittelter Phosphorylierung von Serin153 dimerisiert und dass diese Dimerisierung für die RKIP/Raf1-Dissoziation und die RKIP/GRK2-Interaktion essentiell ist. Co-Immunpräzipitationsexperimente mit einer phosphorylierungsdefizienten Mutante zeigten, dass für diese Dimerisierung die Phosphorylierung von beiden RKIP-Molekülen notwendig ist. Als Dimerinteraktionsfläche wurden die Aminosäuren 127-146 von RKIP identifiziert, da das Peptid RKIP127-146 die Dimerisierung von RKIP spezifisch und effizient hemmte. Um die Bedeutung dieser phosphorylierungsinduzierten Dimerisierung von RKIP für seine Interaktion mit Raf1 und GRK2 zu untersuchen, wurden eine phosphomimetische Mutante (RKIPSK153/7EE) und eine Mutante von RKIP generiert, welche bereits unphosphoryliert dimerisiert (RKIP∆143-6). Folgende Ergebnisse legen nahe, dass die Dimerisierung von RKIP für die spezifische Interaktion mit Raf1 bzw. GRK2 entscheidend ist: (i) Die Dimerisierung von phosphoryliertem RKIP ging mit der Dissoziation von RKIP und Raf1 und der Assoziation von RKIP und GRK2 einher; (ii) die Mutanten RKIPSK153/7EE und RKIP∆143-6, die bereits in unstimulierten Zellen eine starke Dimerisierung zeigten, hatten eine höhere Affinität zu GRK2 als zu Raf1; (iii) die Hemmung der RKIP-Dimerisierung interferierte nur mit der RKIP/GKR2- aber nicht mit der RKIP/Raf1-Interaktion; (iv) in vitro und in Mausherzen konnte ein RKIP- und GRK2-immunreaktiver Komplex nachgewiesen werden; (v) Untersuchungen zur RKIP-vermittelten Hemmung der Kinaseaktivität von GRK2 und Raf implizierten, dass dimerisiertes RKIP nur die Aktivität von GRK2, nicht aber von Raf hemmt. Diese Arbeit zeigt, dass die phosphorylierungsinduzierte Dimerisierung von RKIP die spezifische Interaktion von RKIP mit Raf1 und GRK2 koordiniert. Die Aufklärung dieses Mechanismus erweitert unser Verständnis der spezifischen Interaktion von Kinasen mit ihren Regulatorproteinen. / RKIP is a regulator of several distinct kinases and modulates diverse signal transduction cascades such as the signaling of G protein coupled receptors, of the Raf/MEK/ERK-cascade, of the transcription factor NFκB, and of GSK3β. Until now, it was not well understood how the specific interaction of RKIP with its diverse targets is achieved and regulated. Raf1 and GRK2 are the only known direct interaction partners of RKIP and were thus chosen to untangle the molecular mechanisms regulating the specific interaction of RKIP with these kinases. In this dissertation it is shown that RKIP dimerizes upon PKC-mediated phosphorylation of serine153 and that this dimerization is essential for RKIP/Raf1-dissociation and RKIP/GRK2-association. Co-immunoprecipitation experiments with a phosphorylation-deficient mutant revealed that the dimerization of RKIP requires the phosphorylation of two RKIP molecules. The amino acids 127-146 of RKIP were identified as dimer-interface, since RKIP-dimerization was efficiently and specifically inhibited by the peptide RKIP127-146. To elucidate the implication of this phosphorylation-induced dimerization on the target specificity of RKIP, a phosphomimetic RKIP mutant (RKIPSK153/7EE) and a dimeric RKIP mutant (RKIP∆143-6) were generated. The following results indicated that dimerization of RKIP controls its specific interaction with Raf1 or GRK2, respectively: (i) dimerization of phosphorylated RKIP occurred concomitantly with the release of RKIP from Raf1 and its association with GRK2; (ii) the RKIP mutants RKIPSK153/7EE and RKIP∆143-6, which had a higher propensity for RKIP-dimerization already under basal conditions, had a higher affinity to GRK2 than to Raf1; (iii) inhibition of RKIP-dimerization prevented only RKIP/GRK2-binding but did not interfere with RKIP/Raf1-binding; (iv) an RKIP- and GRK2-immunoreactive complex was detected in vitro as well as in mouse hearts; (v) analyses of RKIP-mediated inhibition of GRK2 and Raf showed that a higher propensity for RKIP-dimerization translates into efficient GRK2-inhibition but not into Raf-inhibition. The results of this thesis show that phosphorylation-induced dimerization of RKIP regulates its specific interaction with Raf1 and GRK2. The elucidation of this mechanism improves our understanding how specificity in the interaction of kinases and their regulatory proteins can be achieved.

The superfamily of G protein-coupled receptors (GPCR) regulates numerous physiological and pathophysiological processes. Hence GPCRs are of significant interest for pharmacological therapy. Embedded into cytoplasmic membranes, GPCRs represent the core of large signaling complexes, which are critical for transduction of exogenous stimuli towards activation of downstream signaling pathways. As a member of the GPCR family B, the parathyroid hormone receptor (PTHR) activates adenylyl cyclases, phospholipases C β as well as mitogen-activated protein kinase-dependent signaling pathways, thereby mediating endocrine and paracrine effects of parathyroid hormone (PTH) and parathyroid hormone-related peptide (PTHrP), respectively. This regulates, calcium homeostasis, bone metabolism and bone development. Paradoxically, PTH is able to induce both catabolic and anabolic bone metabolism. The anabolic effect of PTH is successfully applied in the therapy of severe osteoporosis. Domination of anabolic or catabolic bone-metabolism is entailed by temporal and cell-type specific determinants. The molecular bases are presumably differential arrangements of adaptor proteins within large signaling complexes that may lead to differential activation of signaling pathways, thereby regulating physiological effects. The molecular mechanisms are largely unclear; thus, there is significant interest in revealing a better understanding of PTHR-related adaptor proteins. To identify novel adaptor proteins which direct PTHR signaling pathways, a proteomic screening approach was developed. In this screening, vav2, a guanine-nucleotide exchange factor (GEF) for small GTPases which regulates cytoskeleton reorganization, was found to interact with intracellular domains of PTHR. Evidence is provided that vav2 impairs PTH-mediated phospholipase C β (PLCβ) signaling pathways by competitive interactions with G protein αq subunits. Vice versa, PTH was shown to regulate phosphorylation and subsequent GEF activity of vav2. These findings may thus shed new light on the molecular mechanisms underlying the effects of PTH on bone metabolism by PLC-signaling, cell migration and cytoskeleton organization. In addition to the understanding of intracellular molecular signaling processes, screening for ligands is a fundamental and demanding prerequisite for modern drug development. To this end, ligand binding assays represent a fundamental technique. As a substitution for expensive and potentially harmful radioligand binding, fluorescence-based ligand-binding assays for PTHR were developed in this work. Based on time-resolved fluorescence, several assay variants were established to facilitate drug development for the PTHR. / Die Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) reguliert eine Vielzahl von physiologischen und pathophysiologischen Prozessen, was sie bedeutend für die Pharmakotherapie macht. Eingebettet in die Zytoplasmamembran sind GPCRs das Zentrum von Signalkomplexen, die eine Transduktion äußerer Stimuli zur Aktivierung von nachgeschalteten Signalwegen ermöglichen. Der zur Familie B der GPCRs gehörige Parathormon-Rezeptor (PTHR) aktiviert Adenylyl-Zyklasen-, Phospholipasen Cβ- und Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK)-abhängige Signalwege, wodurch endokrine und parakrine Wirkungen des Parathormons (PTH) und des Parathormon-ähnlichen Peptides (PTHrP) vermittelt werden. Dies ermöglicht die Regulation der Calcium-Homöostase, des Knochenmetabolismus und der Knochenentwicklung. Paradoxerweise kann PTH sowohl katabole als auch anabole Effekte auf den Knochenstoffwechsel induzieren. Den anabolen Effekt von PTH nutzt man erfolgreich in der Therapie der schweren Osteoporose. Ob ein anaboler oder kataboler Knochenmetabolismus überwiegt, wird durch zeitliche und Zelltyp-spezifische Faktoren bestimmt. Dem zugrunde liegt vermutlich unter anderem eine differenzielle Anordnung verschiedener Adapterproteine innerhalb der Signalkomplexe, die zur differenziellen Aktivierung von Signalwegen führen und so eine Steuerung bestimmter physiologischer Effekte ermöglichen. Die molekularen Mechanismen sind jedoch noch weitgehend unklar, weshalb großes Interesse besteht, ein besseres Verständnis über die PTHR-assoziierten Adapterproteine zu entwickeln. Zur Identifizierung neuer Adapterproteine, die PTHR-Signalwege beeinflussen, wurde in dieser Arbeit ein auf dem Proteom-basierender Screening-Ansatz entwickelt. Dieser führte zur Entdeckung einer Interaktion von intrazellulären Domänen des PTHR mit vav2, einem Guanin-Nukleotid Austauschfaktor (GEF) für kleine GTPasen, der die Zytoskelett-Reorganisation steuert. Des Weiteren wurde nachgewiesen, dass vav2 über kompetitive Interaktionen mit G Protein αq Untereinheiten PTH-vermittelte Phospholipase Cβ (PLCβ)-abhängige Signalwege beeinflusst. Umgekehrt wurde gezeigt, dass PTH die Phosphorylierung und damit die GEF Aktivität von vav2 reguliert. Diese Befunde können Aufschluss über molekulare Mechanismen geben, die den Wirkungen von PTH auf den Knochenstoffwechsel durch PLC-Signalwege, Zellmigration und Zytoskelett-Reorganisation zugrunde liegen. Neben dem Verständnis über molekulare Prozesse der intrazellulären Signalgebung ist die Suche nach Liganden eine herausfordernde Grundvoraussetzung für die aktuelle Arzneistoffentwicklung. Liganden-Bindungs-Experimente stellen dafür elementare Techniken dar. Zur Substitution kostenintensiver und potentiell gesundheitsschädlicher Radioliganden-Bindungen, wurden in dieser Arbeit Fluoreszenz-basierte Liganden-Bindungs-Experimente für den PTHR entwickelt. Basierend auf Zeit-aufgelöster Fluoreszenz wurden mehrere Varianten dieser Experimente etabliert, um die Arzneistoffentwicklung am PTHR zu unterstützen.

Toll-like receptors (TLR) are pattern recognition receptors (PRR) by which macrophages (MØ) sense pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). The recognition of lipopolysaccharide (LPS), the PAMP of gram negative bacteria, by TLR4 triggers signaling cascades and leads to the pro-inflammatory activation of the cells. A recent quantitative and kinetic analysis of the phosphoproteome of LPS-activated primary macrophages highlighted the cytoskeleton as a cell compartment with an enriched protein phosphorylation. In total 44 cytoskeleton-associated proteins were regulated by this post-translational modification and thus might be involved in the control and regulation of key macrophage functions like spreading, motility and phagocytosis. To investigate the control of cytoskeleton-associated cell functions by TLR4 activation, we first developed a method to quantitatively measure the spreading response of bone marrow MØ after stimulation with LPS. Fluorescence microscopy was used for cell imaging and visualisation of the MØ contact area. In collaboration with the Fraunhofer Institute Erlangen, we developed and validated a software tool for the semi-automated segmentation and quantitation of MØ fluorescence microscopy data, which allowed fast, robust and objective image analysis. Using this method, we observed that LPS caused time-dependent spreading, which was detectable after 1-2 h and maximal after 24 h. Next, the impact of genetic or pharmacological inhibition of known TLR signaling components was investigated. Deficiency in the adapter protein MYD88 strongly reduced spreading activity at the late time points, but had no impact early after LPS-stimulation. A similar effect was observed upon pharmacological inhibition of ERK1/2 signaling, indicating that ERK1/2 mediates MYD88-dependent MØ spreading. In contrast, MØ lacking the MAPK p38 were impaired in the initial spreading response but responded normally 8-24 h after stimulation. The genetic deletion of the MAPK phosphatases DUSP1 and DUSP16 resulted in impaired late spreading, corroborating the essential role for functional MAPK signaling in TLR4-driven MØ spreading. To identify the contribution of other cytoskeletal phosphoproteins to MØ spreading, siRNA knockdown of selected candidate genes in primary murine MØ was employed and combined with automated quantitative image analysis. These experiments revealed a functional role for the Myosins MYO1e and MYO1f in MØ spreading. These motor proteins are strongly phosphorylated in LPS-activated MØ. Because of their ability to simultaneously bind to actin filaments and cell membrane or other proteins, we investigated their role in phagocytosis, cytokine production and antigen presentation. Phagocytosis and killing of bacteria were not affected in Myo1e-/- macrophages. However, MYO1e plays a role in chemokine secretion and antigen presentation processes. MCP1 (CCL2) release was selectively increased in Myo1e-deficient MØ and dendritic cells (DC), while cytokine secretion was unaffected. Furthermore, macrophages and DCs lacking MYO1e showed lower levels of MHC-II on the cell surface. However, mRNA levels of CCL2 and of MHC-II were unaltered. These data suggest a role for MYO1e in the transport of selected chemokines and of MHC-II molecules to the cell surface. MHC-II-restricted antigen presentation assays revealed an impaired capacity of macrophages and DC lacking MYO1e to stimulate antigen-specific T cells, suggesting that the reduced MHC-II expression is functionally relevant. Taken together, in this study first a quantitative image analysis method was developed which allows the unbiased, robust and efficient investigation of the macrophage spreading response. Combination of this method with siRNA knockdown of selected cytoskeleton-associated phosphoproteins led to the identification of MYO1e and MYO1f as regulators of macrophage spreading. Furthermore, we identified MYO1e in MØ and DC to be essential for the intracellular transport of CCL2 and MHC-II to the cell surface and for optimal stimulation of antigen-specific CD4 T cells. / Toll-like Rezeptoren (TLR) sind Mustererkennungsrezeptoren (PRR) durch die Makrophagen (MØ) pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) erkennen. Die Erkennung von Lipopolysacchariden (LPS), dem PAMP gramnegativer Bakterien, durch TLR4 löst Signalkaskaden aus, die zu einer pro-inflammatorischen Aktivierung der Zellen führen. Eine quantitative und kinetische Analyse des Phosphoproteoms LPS-aktivierter primärer Makrophagen identifizierte das Zytoskelett als ein Zellkompartiment mit gesteigerter Proteinphosphorylierung. Insgesamt wurden 44 Zytoskelett-assoziierte Proteine identifiziert, die durch diese post-translationale Modifikation reguliert wurden und demzufolge an der Regulation wichtiger Zellfunktionen von Makrophagen wie Spreading, Motilität und Phagozytose beteiligt sein könnten. Um die Kontrolle Zytoskelett-vermittelter Zellfunktionen nach TLR4 Aktivierung zu untersuchen, entwickelten wir zunächst eine Methode zur quantitativen Messung der Spreadingantwort von Knochenmarksmakrophagen nach LPS Stimulation. Die Visualisierung der Zellen sowie ihrer Kontaktfläche erfolgte hierbei mittels Fluoreszenzmikroskopie. Für eine schnelle, robuste und objektive Analyse der Fluoreszenzaufnahmen entwickelten und validierten wir in Kollaboration mit dem Fraunhofer Institut in Erlangen eine Software zur halbautomatischen Segmentierung und Quantifizierung der Kontaktfläche. Unter Verwendung dieser Methode konnte eine zeitabhängige LPS-induzierte Zunahme der Zellkontaktfläche beobachtet werden, die nach 1-2 Stunden detektierbar war und ein Maximum nach 24 Stunden erreichte. Durch den Einsatz pharmakologischer Inhibitoren sowie genetisch veränderter Zellen wurde anschließend der Einfluss bekannter TLR4-Signalwegkomponenten untersucht. Die genetische Defizienz des Adapterproteins MYD88 führte hierbei zu einer stark reduzierten Spreadingaktivität der Zellen während der späten LPS Stimulationsphase, wohingegen das initiale Spreading nicht beeinflusst wurde. Ein vergleichbarer Effekt konnte unter Verwendung eines pharmakologischen Inhibitors zur Hemmung des ERK1/2 Signalweges identifiziert werden. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass ERK1/2 für die Weiterleitung des MYD88 vermittelten Spreading notwendig ist. Im Gegensatz dazu wurde in p38-defizienten Makrophagen ein beeinträchtigtes initiales Spreading beobachtet, wohingegen das späte Spreading nach 8 – 24 Stunden nicht beeinflusst war. Die genetische Deletion der MAPK Phosphatasen DUSP1 und DUSP16 resultierte ebenfalls in einer Minderung des späten Spreadings, ebenfalls ein Hinweis auf die essentielle Rolle funktioneller MAPK Signalwege. Um die Beteiligung weiter Zytoskelett-Phosphoproteine am Zellspreading zu identifizieren, wurde die Expression ausgewählter Kandidatengene in primären Makrophagen mittels spezifischer siRNA unterdrückt und das Zellspreading mit Hilfe der entwickelten Software quantifiziert. Diese Versuche zeigten eine funktionelle Rolle der Myosine MYO1e und MYO1f. Diese Motorproteine weisen ebenfalls eine starke Phosphorylierung nach LPS Stimulation auf. Aufgrund ihrer Eigenschaft simultan mit Aktinfilamenten und Zellmembranen sowie anderen Proteinen zu interagieren, untersuchten wir ihre Rolle während der Phagozytose, Zytokinfreisetzung und Antigenpräsentation. Obwohl Myo1e defiziente Makrophagen keine Beeinträchtigung der Phagozytose oder Abtötung von Bakterien aufwiesen, spielte das Motorprotein eine wichtige Rolle in der Chemokinfreisetzung und Antigenpräsentation. Interessanterweise war die Sekretion des Chemokins MCP1 (CCL2) in Myo1e-defizienten Makrophagen und dendritischen Zellen (DC) selektiv erhöht, während die Zytokinfreisetzung unbeeinträchtigt war. Des Weiteren wiesen Myo1e KO Makrophagen und DC eine reduzierte MHC-II Oberflächen-Expression auf, obwohl die MHC-II als auch die CCL2 Transkription auf mRNA Ebene nicht beeinflusst war. Diese Daten legen nahe, dass MYO1e während des Transports bestimmter Chemokine, sowie von MHC-II zur Zelloberfläche eine wichtige Rolle spielt. Zudem zeigten Myo1e KO Makrophagen und DC in einem MHC-II-abhängigen Antigenpräsentationsassay eine abgeschwächte Fähigkeit zur Antigen-spezifischen T-Zell Aktivierung, was die funktionelle Relevanz der reduzierten Expression von MHC-II nahelegt. Zusammenfassend wurde in dieser Studie zunächst eine Methode zur quantitativen Bildanalyse entwickelt, welche eine unvoreingenommene, robuste und effiziente Untersuchung des Spreadings von Makrophagen erlaubte. Die Kombination dieser Methode mit dem spezifischen siRNA Knockdown ausgewählter Zytoskelett-assoziierter Phosphoproteine führte zur Identifizierung von MYO1e und MYO1f als wichtige Regulatoren dieser Zellfunktion. Darüber hinaus konnte in Makrophagen und DC eine essentielle Rolle für MYO1e im intrazellulären Transport von CCL2 und MHC-II an die Zelloberfläche identifiziert werden, sowie dessen Notwendigkeit für eine vollständige Aktivierung antigen-spezifischer CD4 T Zellen.

Regulatory T cells (Treg) expressing the transcription factor forkhead box protein P3 (Foxp3) have been demonstrated to mediate evasion from anti-tumor immune responses during tumor progression. Moreover, Foxp3 expression by tumor cells themselves may allow them to counteract effector T cell responses, resulting in a survival benefit of the tumor. For gastrointestinal cancers, in particular pancreatic and colorectal cancer (CRC), the clinical relevance of Foxp3 is not clear to date. Therefore the aim of this study was to analyze its impact in CRC and pancreatic cancer. To determine the relevance of Foxp3 for tumor progression and patient survival, gene and protein analysis of human pancreatic and colon cancer cell lines as well as tumor tissues from patients with CRC was performed. The results derived from the patients with CRC were correlated with clinicopathological parameters and patients’ overall survival. Cancer cell mediated Foxp3 expression in vitro was demonstrated in human pancreatic cancer cell lines PANC1, PaCa DD 135, PaCa DD 159 and PaCa DD 185 as well as in human colon cancer cell lines SW480 and SW620. Additionally, Foxp3 expressing cancer cells were found in ex vivo tumor tissue samples of patients with CRC. The percentage of Foxp3+ cancer cells increased from stages UICC I/II to UICC III/IV compared to normal tissue. Moreover, high tumor cell mediated Foxp3 expression was associated with poor prognosis compared to patients with low Foxp3 expression. In contrast, low and high Foxp3 level in tumor infiltrating Treg cells demonstrated no significant differences in patients’ overall survival. Correlation analysis demonstrated a significant association of Foxp3 cancer cell expression with the expression of immunosuppressive cytokines IL-10 and TGF-β. These findings suggest that Immunosuppressive cytokines such as IL-10 and TGF-β released by rather Foxp3+ cancer cells than Foxp3+ Treg cells may inhibit the activation of naive T cells, hence limiting antitumor immune responses and favoring tumorigenesis and progression. Chronic inflammation has been shown to be an important epigenetic and environmental factor in numerous tumor entities. Recent data suggest that tumorigenesis and tumor progression may be associated with inflammation-triggered activation of Toll-like receptors (TLR). In this study, the specific impact of both TLR7 and TLR8 expression and signaling on tumor cell proliferation and chemoresistance is analyzed in inflammation linked CRC and pancreatic cancer. By gene and protein expression analysis of human pancreatic and colon cancer cell lines TLR7 and TLR8 expression was determined in vitro. Additionally, expression of TLR7/TLR8 in UICC stage I-IV pancreatic cancer, chronic pancreatitis and normal pancreatic tissue was examined. For in vitro/in vivo studies TLR7/TLR8 overexpressing PANC1 cell lines were generated and analyzed for effects of TLR expression and stimulation on tumor cell proliferation and chemoresistance. Cancer cell mediated TLR7 and TLR8 expression in vitro was demonstrated in human colon cancer cell lines SW480, SW620 and HT-29 as well as in primary pancreatic cancer cell lines PaCa DD 135, PaCa DD 159 and PaCa DD 185. Additionally, TLR7 and TLR8 expressing tumor cells were found in ex vivo tissue samples of patients with pancreatic cancer and chronic pancreatitis. Significantly elevated expression levels of TLR7 and TLR8 were found in advanced tumor stages (UICC III) compared to early tumor stages (UICC II) and chronic pancreatitis. No or occasionally low expression was detected in normal pancreatic tissue. In contrast to the tissues from patients with pancreatic cancer or chronic pancreatitis, established pancreatic tumor cell lines express only very low levels of TLR7 and TLR8. Therefore, for in vitro and xenograft studies TLR7 or TLR8 overexpressing PANC1 cells were generated. Proliferation promoting effects of TLR7 and TLR8 expression and stimulation with R848 were detected in vitro. Additionally, increased tumor growth of TLR expressing PANC1 cells was demonstrated in subcutaneously injected Balb/c nude mice. Interestingly, activation of TLR7 or TLR8 induced not only an increase in tumor cell proliferation but also a strong chemoresistance of PANC1 cells against 5-fluorouracil (5-FU). Moreover, treatment with R848 resulted in elevated expression levels of NF-κB, COX-2 and inflammatory cytokines IL-1β, IL-8 and TNF-α, suggesting TLR7/8 signaling to contribute to an inflammatory, anti-apoptotic and proliferation promoting tumor microenvironment. These findings emphasize the particular role of TLR7 and TLR8 in inflammation related cancers and their relevance as potential targets for cancer therapy. / In jüngerer Vergangenheit wurde regulatorischen T-Zellen, die den Transkriptionsfaktor forkhead-box protein P3 (Foxp3) exprimieren, wiederholt die Fähigkeit zugesprochen, Antitumorimmunreaktionen während der Tumorentwicklung und –progression abzuschwächen. Daneben sind Tumorzellen selbst befähigt Foxp3 zu exprimieren. Sie können damit der Effektor-T-Zell-Antwort entgegen wirken und so Tumorwachstum begünstigen. Die klinische Bedeutung der Foxp3-Expression in gastrointestinalen Tumoren, insbesondere im Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom, ist zum heutigen Stand noch unklar. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, die Bedeutung von Foxp3 im Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom weiter aufzuklären. Um seine prognostische Relevanz hinsichtlich der Tumorprogression sowie das Patienten-Überleben zu untersuchen, wurden Gen- und Proteinexpressionsanalysen in Tumorgeweben aus Patientenkohorten mit kolorektalem Karzinom durchgeführt. Die Ergebnisse aus den Tumorgeweben wurden mit klinikopathologischen Parametern und dem Gesamtüberleben der Patienten korreliert. Sowohl in den humanen Pankreaskarzinomzelllinien PANC1, PaCa DD 135, PaCa DD 159 und PaCa DD 185 als auch in den humanen Kolonkarzinomzelllinien SW480 und SW620 konnte tumorzellvermittelte Foxp3 Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden auch in den ex vivo Gewebeproben Foxp3-exprimierende Tumorzellen vorgefunden. Dabei nahm der Anteil an Foxp3-positiven Tumorzellen stadienabhängig von frühen zu fortgeschrittenen Tumorstadien (UICC I/II zu UICC III/IV) zu. Zudem waren Patienten mit einer starken Expression von Foxp3 im Vergleich zu Patienten mit niedrigem Foxp3-Expressionsprofil in den Tumorzellen von einer schlechten klinischen Prognose gekennzeichnet. Hohe bzw. niedrige Foxp3-Expressionen in tumorinfiltrierenden T-Zellen zeigten dagegen keinen signifikanten Einfluss auf das Gesamtüberleben der Patienten. In der Korrelationsanalyse ergab sich außerdem eine signifikante Verknüpfung von Foxp3-Expression mit der Expression der immunsuppressiven Zytokine IL-10 und TGF-β in den Tumorzellen. Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass Foxp3-positive Tumorzellen durch die Sekretion von immunsuppressiven Zytokinen wie IL-10 und TGF-β im Tumormikromilieu die Aktivierung naiver T-Zellen inhibieren. Damit würden Antitumorimmunreaktionen unterdrückt und das Tumorwachstum begünstigt. Chronische Entzündungsreaktionen sind wichtige epigenetische Faktoren in verschiedenen Tumorentitäten. Neuere Daten deuten darauf hin, dass Karzinogenese und Tumorprogression in Verbindung mit inflammationsinduzierter Aktivierung von Toll-like Rezeptoren (TLR) stehen. In dieser Arbeit wurde insbesondere der Einfluss der beiden Rezeptoren TLR7 und TLR8 auf die Tumorzellproliferation und Chemotherapieresistenz von gastrointestinalen Tumoren wie das kolorektale Karzinom und das Pankreaskarzinom untersucht. Mit Hilfe von Gen- und Proteinexpressionsanalysen wurde die tumorzellvermittelte Expression von TLR7 und TLR8 in vitro in verschiedenen humanen Kolon- als auch Pankreaskarzinomzelllinien nachgewiesen. Zusätzlich wurde verstärkte TLR7 und TLR8 Expression in Tumorgewebeproben aus Patienten mit Pankreaskarzinom als auch bei chronischer Pankreatitis vorgefunden, wobei die Expression in fortgeschrittenen Tumorstadien (UICC III) gegenüber früheren Stadien (UICC II) und chronischer Pankreatitis signifikant erhöht war. In vitro und in vivo Untersuchungen im xenogenen Tumormodell mit humanem Pankreaskarzinom zeigten für TLR7- und TLR8-exprimierende PANC1-Pankreaskarzinome signifikant gesteigerte Tumorproliferationen. Zusätzlich wurde durch die gezielte TLR7/8 Stimulation mit der Substanz R848 eine ausgeprägte Chemotherapieresistenz gegenüber 5-Fluorouracil (5-FU) induziert. Die Aktivierung von TLR7 und TLR8 führte darüber hinaus zu einer verstärkten Expression von NF-kB, COX-2, sowie den proinflammatorischen Zytokinen IL-1β, IL-8 und TNF-α. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die TLR7/8 Signalgebung zu inflammatorischen, antiapoptotischen und proliferationsfördernden Prozessen im Tumormikromilieu beiträgt und unterstreichen die Bedeutung der Toll like Rezeptoren 7 und 8 als potentielle therapeutische Zielstrukturen in inflammationsassoziierten Tumorerkrankungen.

Schmerz gehört zu den Kardinalsymptomen einer Entzündung. Im Wesentlichen kann die Entstehung von Schmerz am Ort des Entzündungsgeschehens auf das Einwandern (Diapedese) von Leukozyten aus dem peripheren Blut-strom in das Gewebe zurückgeführt werden. Dort findet sowohl die Produktion von Zytokinen und Chemokinen statt, welche weitere Entzündungszellen rekrutieren und die Entzündungsreaktion verstärken, als auch die Freisetzung von Opioidpeptiden, die schmerzlindernd wirken. In Vorarbeiten der Arbeitsgruppe konnte eine Opioidfreisetzung aus neutrophilen Granulozyten nach Stimulation mit bakteriellen Antigenen oder Chemokinen \(in\) \(vitro\) nachgewiesen werden. Diese führen \(in\) \(vivo\) eine Antinozizeption herbei. Für neutrophile Granulozyten wurden der Chemokinrezeptor CXCR1/2 sowie der Formylpep-tidrezeptor als Signal-transmittierende Rezeptoren identifiziert. Über den klassischen Mechanismus der Exozytose gelangt das Beta-Endorphin somit in das Gewebe und interagiert mit Opioidrezeptoren auf primär sensorischen Nervenendigungen. \(in\) \(vivo\) äußerte sich die Freisetzung des Opioidpeptids in einer Anhebung mechanischer Schmerzschwellen, die durch den Opioidrezeptorantagonisten Naloxon aufgehoben werden konnten. Die Bindung, vornehmlich an MOP, führt zur Erniedrigung des cAMP-Spiegels, zur Hyperpolarisation der Nervenzelle und zur Verminderung von Schmerzschwellen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen Monozyten als führende Zellpopulation der späten Entzündungsphase. Es sollte untersucht werden, welche Rezeptoren eine Opioidfreisetzung aus Monozyten vermitteln sowie welche intrazellulären Signalwege involviert sind. Humane Monozyten wurden isoliert und \(in\) \(vitro\) mit dem bakteriellen Antigen Lipopolysaccharide (LPS) stimuliert. Dieses steht exemplarisch für mikrobielles Infektgeschehen und Entzündung. In den Zellüberständen wurde mittels ELISA die Beta-Endorphin-Konzentration ermittelt. Weiterhin wurden Opioidgehalt und -freisetzung in der nicht-klassischen CD14+CD16+ Monozytensubpopulation im Vergleich zu klassischen CD14+CD16- Monozyten analysiert. Zur weiteren Aufklärung des Rezeptors, welcher die Opioidfreisetzung vermittelt, wurde der niedermolekulare TLR4-Antagonist TAK-242 genutzt. Wir fanden eine Zunahme der Beta-Endorphin-Freisetzung nach Stimulation mit LPS im Vergleich zur unstimulierten Kontrolle. Eine Zugabe des TLR4-Inhibitors reduzierte die Beta-Endorphin-Freisetzung signifikant. TLR4 agiert somit als PRR für die Opioidfreisetzung aus Monozyten. CD14+CD16+ Monozyten enthalten einen geringeren Anteil an Beta-Endorphin und setzten dementsprechend weniger frei. Ihre Rolle als pro-inflammatorisch und ihre Beteiligung an der Genese inflammatorischer Krankheitsbilder wird dadurch gestützt. Die Signalkaskade, über die diese Freisetzung erfolgt, konnte durch den Einsatz von Rezeptorinhibitoren dahingehend entschlüsselt werden, dass eine Beteiligung des IP3-Rezeptors sowie von intrazellulärem Calcium wichtig ist. Ferner wurde evident, dass auch eine basale Freisetzung existiert, die über denselben Weg verläuft. Durch die Behandlung mit dem TLR4-Antagonisten TAK-242, der die Freisetzung von Beta-Endorphin \(in\) \(vitro\) unterdrückt, wird auch die analgetische Wirkung von LPS \(in\) \(vivo\) aufgehoben. TLR4 Agonisten sind daher potentielle alternative Analgetika, welche die endogene Schmerzkontrolle unterstützen könnten. Jedoch fließen viele Wechselwirkungen wie z.B. proalgetische Wirkungen von TLR4 in das komplexe Gefüge der Immunzellantwort ein. Diese wurden nicht weiter untersucht. Vor einer klinischen Anwendung müssten solche Effekte näher betrachtet werden. / Endogenous opioids from monocytes mediate tonic endogenous antinociception in the late phase of inflammation. Monocytes expressing TLR4 dose-dependently released \(\beta\)-END after stimulation with lipopolysaccharide (LPS) dependent on intracellular calcium. \(in\) \(vitro\) \(\beta\)-endorphin (\(\beta\)-END) content increased during human monocyte differentiation as well as in anti-inflammatory CD14\(^+\)CD16\(^-\) monocytes. Peripheral TLR4 acts as a counter-regulatory mechanism for inflammatory pain \(in\) \(vivo\), and increases the release of opioid peptides from monocytes \(in\) \(vitro\). TLR4 antagonists as new treatments for sepsis and neuropathic pain might unexpectedly enhance pain by impairing peripheral opioid analgesia.

IRAK2 besitzt eine Schlüsselrolle im Signalweg des TLR4. Fehlregulationen dieses Signalwegs führen zu fehlgeleiteten Immunreaktionen, die auch die Entstehung und Progression von Krebserkrankungen fördern. Bevor IRAK2 als therapeutisches Ziel in Frage kommen kann, muss erst noch weitere Klarheit über die grundsätzliche Funktionsweise dieses Proteins bestehen. So ist für IRAK2 aufgrund der Substitution einer Aminosäure in der Kinase-Domäne im Vergleich zu IRAK1 noch nicht abschließend geklärt, ob es sich um eine aktive Kinase oder eine Pseudokinase handelt und ob diese Veränderung eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Funktion im TLR4-Signalweg nach sich zieht. Um diese Fragen anzugehen, wurde in dieser Arbeit Asparagin im vermeintlich aktiven Zentrum (Aminosäure 333) wieder zur Asparaginsäure [N333D] revertiert und damit versucht die Phosphorylierungsaktivität zu steigern bzw. vergleichbar zu IRAK1 wiederherzustellen. Das Einbringen der Mutation in IRAK2 erfolgte mittels ortsspezifischer Mutagenese. Mit dieser und anderen Mutanten und mit wildtypischem IRAK2 wurden durch die CRISPR/Cas9-Methode generierte IRAK2-defiziente 264.7 Makrophagen rekonstituiert und damit ein System etabliert, mit dem der Einfluss der Mutation auf den Signalweg des TLR4 nach Stimulation mit LPS quantitativ analysiert werden konnte. Sowohl die indirekte NF-κB-Messung über CD40-Expression als auch die direkte NF-κB-Messung über die NF-κB-getriebene Expression eines Reportergens (cyan fluorescent protein) ergab, dass IRAK2[N333D] die LPS-abhängige NF-κB-Aktivierung über den TLR4 Signalweg schlechter ermöglicht als IRAK2. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die in der Entwicklungsgeschichte aufgetretene Veränderung des aktiven Zentrums von IRAK2 im Vergleich zu IRAK1 zu einer besseren Aktivierung der MyD88-abhängigen NF-κB-Aktivität führte und somit eine erhöhte und länger anhaltende Signalleitung ermöglichte. Diese Erkenntnis kann als weiterer Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Funktion des IRAK2-Proteins und zu einer möglichen zukünftigen Verwendung von IRAK2 als Ziel therapeutischer Behandlungen gesehen werden. / Toll-like receptors are fundamental for many immune cells. The protein IRAK2 plays a key role in the signaling pathway downstream of TLR4 and other TLRs. Due to a change at amino acid position 333 of the protein from aspartate (D) to asparagine (N) in the presumed active center of the kinase it is unclear if IRAK2 is an active kinase. In this research the mutation IRAK2-N333D was investigated thereby trying to reconstitute the evolutionarily original version of the protein. Interestingly, overexpression of IRAK2-N333D in IRAK2-deficient RAW 264.7 cells obtained by using the CRISPR/Cas9-system was less effective in activating LPS-induced CD40 expression and NF-κB activity as compared to wild type IRAK2. Our results suggest that the evolutionary alteration in the "catalytic center" of IRAK2 led to improved signal transduction thereby allowing longer-lasting activation of the cells. This knowledge might help to better target IRAK2 in therapies.