Die Familie der ErbB-Rezeptor-Tyrosinkinasen besteht aus vier Mitgliedern, dem EGF-Rezeptor (ErbB-1), ErbB-2, ErbB-3 und ErbB-4. ErbB-Rezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems, des Herzens und der Brustdrüsen. Ein Teil dieser Differenzierungsvorgänge läßt sich in vitro nachvollziehen: so ist zum Beispiel die Aktivierung des ErbB-2 Rezeptors ausreichend für alveoläre Morphogenese der Brustdrüsenepithelzellinie EpH4. Intrazelluläre Moleküle, die dieses ErbB2-Signal übertragen, sind allerdings noch unbekannt. Mit Hilfe eines neuen, modifizierten Hefe-2-Hybrid-Systems wurde in der vorliegenden Arbeit Vav2 als neuer Interaktionspartner von ErbB-2 identifiziert. Vav2 assoziiert mit aktiviertem ErbB-2 über eine SH2-Domäne. Die Interaktion ist direkt und ist von zwei Phosphotyrosinen in ErbB-2 abhängig. Vav2 kann den GDP/GTP-Austausch bei GTPasen der Rho-Familie vermitteln. Dadurch kann der Umbau des Zytoskeletts und Veränderungen der Transkription sowie Zelltransformation induziert werden. In einem dreidimensionalen Zellkultursystem kann aktiviertes Vav2 in EpH4 Zellen die Bildung von alveolären Zellaggregaten induzieren. In diesen Alveolen umgibt eine Schicht polarisierter milchproduzierender Zellen ein zentrales Lumen. Diese Vav2-vermittelte Morphogenese ist abhängig von der katalytischen GDP/GTP-Austausch Aktivität von Vav2. Katalytisch-inaktives Vav2 kann die morphogenetische Aktivität von ErbB-2 in EpH4-Zellen verhindern, ohne die mitogene Aktivität von ErbB-2 zu beeinflussen. Vav2 ist mit ErbB-2 coexprimiert und interagiert mit dem Rezeptor in Brustdrüsenzellen schwangerer Mäuse. Diese Untersuchungen deuten darauf hin, dass Vav2 eine wichtige Funktion bei der durch ErbB-2 induzierten alveolären Morphogenese der Brustdrüse spielt. / The ErbB receptor tyrosine kinases constitute a subfamily of four structurally related members, the EGF receptor (ErbB-1), ErbB-2, ErbB-3 and ErbB-4. ErbB receptor tyrosine kinases are critical for embryonic development of central and peripheral neural structures and heart. In addition, ErbB receptors play an important role in the postnatal development of the mammary gland. Previous studies showed that activated ErbB-2 receptor induces alveolar morphogenesis of EpH4 mammary epithelial cells that are cultured on a three-dimensional matrix (termed Matrigel). However, the downstream signaling proteins that mediate this biological activity of ErbB-2 were unknown. In this work, Vav2 was identified as a direct interaction partner of tyrosine-phosphorylated ErbB receptors using the yeast two-hybrid system. Vav2 is a member of a family of guanine nucleotide exchange factors that induce cytoskeletal rearrangements, transcriptional alterations, and have oncogenic potential when activated. To test the ability of Vav2 to mediate morphogenic signals of ErbB-2, EpH4 cells overexpressing Vav2 protein were cultured on Matrigel. Indeed, Vav2 induces alveolar morphogenesis of EpH4 cells when activated either by oncogenic mutation or tyrosine phosphorylation by ErbB-2. The morphogenic activity of Vav2 requires the Dbl homology domain, which mediates GDP/GTP exchange. Dominant-negative Vav2 specifically blocks the morphogenic signals of ErbB-2 in EpH4 cells without interfering with ErbB2-induced mitogenesis. Importantly, Vav2 is co-expressed and interacts with ErbB-2 in the mammary glands of pregnant mice. Taken together, these results point to Vav2 as a candidate to mediate ErbB-2 signals for alveolar morphogenesis in vivo, which is a relevant step in the development of the mammary gland during pregnancy.

Les phosphoinositides sont des molécules régulatrices présentes à l'interface membrane-cytosol, impliquées dans la transduction du signal, le trafic membranaire ainsi que l'organisation du cytosquelette. Ces lipides recrutent non seulement diverses protéines vers des compartiments spécifiques, mais régulent aussi leur activité enzymatique. Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, ils interagissent directement avec le domaine RhoGAP de la protéine Rgd1, identifiée comme un activateur commun aux GTPases Rho3 et Rho4. Ces 2 protéines, respectivement impliquées dans la croissance polarisée et la cytocinèse, voient leur activité GTPasique exacerbée en présence de Rgd1pet des PIPs. L'objectif de cette thèse était comprendre à l'échelle moléculaire le processus unique d'activation de RhoGAP par les PIPs. Pour ce faire, nous avons réalisé l'étude structurale de RhoGAP par cristallographie couplée à la RMN en solution. Nos résultats montrent que le domaine possède les éléments essentiels à l'activation des protéines Rho. L'interaction avec les PIPs a été suivie par RMN en présence de PI(4)P et de PI(4,5)P2, respectivement localisés dans les vésicules de sécrétion et à la membrane plasmique. Nos résultats révèlent un site de liaison commun aux PIPs dans une région non conservée chez les domaines RhoGAP. L'affinité des complexes, de l'ordre de la centaine de micromolaires suggèrent qu'in vivo l'interaction soit transitoire et réversible avec les PIPs. La sélectivité de l'interaction se ferait donc de façon spatio-temporelle, au niveau des vésicules de sécrétion pour la croissance polarisée et de la membrane plasmique pour la cytocinèse. / Phosphoinositides act as regulatory and signalling molecules at the membrane-cytosol interface in signal transduction, membrane traffic and cytoskeleton organization. These lipids recruit several proteins to specific compartments, but also regulate their activity. In the yeast Saccharomycescerevisiae, they directly bind the Rgd1-RhoGAP domain, that stimulates the GTPase activity of bothRho3p and Rho4p. The GTPase activity of these two Rho proteins, respectively involved in the polarized growth and cytokinesis of the yeast, is enhanced with the presence of Rgd1p and PIPs. The main objective of this thesis is to understand the PIP-RhoGAP interaction at the molecular level. In order to do that, we coupled X-ray structure determination to solution NMR spectroscopy on the isolated RhoGAP domain. Our results show that the domain contains the conserved elements that would usually confer the catalytic GTPase activation. We us e liquid-state NMR spectroscopy to follow the interaction with PI(4)P and PI(4,5)P2, respectively found in secretion vesicles and the plasma membrane. Our study reveals a common binding site for both PIPs in a non-conserved region in the RhoGAP domain family. We measured sub-millimolar binding affinity for PIPs. Such moderate binding affinities are consistent with the biological requirement for reversible complex formation. The selectivity of the interaction could be made in a spatio temporal way, on the secretion vesicles during polarized growth and at the plasma membrane during cytokinesis.

Die durch Lipopolysaccharid (LPS) induzierte frühe Immunantwort ist ein wesentlicher Mechanismus der Infektabwehr durch die angeborene Immunität. Bei starker LPS-Exposition kann es andererseits zur Ausbildung eines septischen Syndroms kommen. Der endothelialen Sekretion von Interleukin-8 (IL-8/CXCL8), das als Chemokin die Migration neutrophiler Granulozyten vermittelt, kommt dabei herausragende Bedeutung zu. Zielsetzung dieser Arbeit war es, die Relevanz der Rho-Proteine RhoA, Rac1 und Cdc42 für die LPS-induzierte intrazelluläre Signaltransduktion mittels Überexpression inaktiver Mutanten dieser Proteine zu untersuchen. Diese Untersuchung wurde erschwert durch die schlechte Transfizierbarkeit der Endothelzelllinie HPMEC-ST1.6R, die nahezu alle Charakteristika primärer Endothelzellen aufweist. Deshalb wurde eine Methode etabliert, die durch Kotransfektion des Grünen Fluoreszenzproteins (GFP) die flusszytometrische Selektion der transfizierten Zellen anhand ihrer GFP-bedingten Fluoreszenz und die Messung der Expression von CXCL8 allein in dieser Population ermöglicht. Damit wurde nachgewiesen, dass die inaktiven Mutanten RhoAN19, Rac1N17 und Cdc42N17 jeweils die LPS-induzierte Expression von CXCL8 vermindern. Die größte Reduktion der CXCL8-Expression um 38 % der Positivkontrolle zeigte sich nach Transfektion der Mutante Rac1N17. Die Zelllinie CHO-3E10 exprimiert einen artifiziellen Reporter unter der Kontrolle eines Fragments aus der Verstärkerregion des Gens für das Endotheliale Leukozyten-Adhäsionsmolekül ELAM-1 (CD62E). Die Transfektion jeder einzelnen der inaktiven Varianten der drei GTP-bindenden Proteine in Zellen der Linie CHO-3E10 reduzierte die Expression des Reporterproteins nach Stimulation mit LPS signifikant. Die stärkste Reduktion der Reporterexpression um 51 % der Positivkontrolle ergab sich unter Rac1N17. Zusammengefasst zeigt die Studie, dass die Überexpression der inaktiven Mutanten RhoAN19, Rac1N17 und Cdc42N17 zu einer Abnahme der endothelialen Expression von CXCL8 führt. Darüberhinaus ergab sich im Vergleich zu den Mutanten RhoAN19 und Cdc42N17 die stärkste Reduktion der CXCL8-Expression in Endothelzellen nach Transfektion der Mutante Rac1N17. / The early immune response induced by Lipopolysaccaride (LPS) is a crucial mechanism in fighting off infections by the innate immunity. On the other side high amounts of LPS can lead to the development of a sepsis. In this process the endothelial secretion of interleukin-8 (IL-8/CXCL8), which causes the migration of neutrophilic granulocytes to the site of infection is highly important. The aim of this study was to analyze the relevance of each of the three Rho-proteins RhoA, Rac1 and Cdc42 for the intracellular signal transduction resulting in CXCL8-expression by means of overexpressing inactive mutants of these proteins. Cells of the human microvascular endothelial cell line HPMEC-ST1.6R show most characteristics of primary endothelial cells and are extremely difficult to transfect. Therefore a method was established, which allowed sorting of successfully transfected cells by cotransfecting a gene encoding for green fluorescence protein (GFP). This method permitted measuring intracellular expression of CXCL8 in the population successfully transfected with plasmids encoding for RhoAN19, Rac1N17 or Cdc42N17 mutants. This experiments demonstrated that the inactive mutants RhoAN19 Rac1N17 or Cdc42N17 each decreased the LPS-induced expression of CXCL8. Quantitative comparision showed the greatest reduction of 38 % in CXCL8-expression due to transfection of the Rac1N17 mutant. The LPS-inducible reporter cell line CHO-3E10 used in this study expresses the human CD25-antigene as an artificial reporter protein under the control of a fragment from the enhancer region of the gene for the human endothelial leukocytic adhesionmolecule ELAM-1 (CD62E). Transfecting each of the inactive mutants RhoAN19, Rac1N17 or Cdc42N17 in CHO-3E10 cells significantly reduced the LPS-induced expression of the reporter protein. The greatest reduction in reporter expression of 51 % resulted from transfection with the Rac1N17 mutant. In conclusion, this study demonstrates that overexpression of nonfunctional GTP-binding proteins RhoAN19, Rac1N17 or Cdc42N17 leads to a decrease in endothelial CXCL8-expression. Moreover, CXCL8-expression in endothelial cells transfected with the Rac1N17 mutant was most efficiently reduced when compared to the other mutants.

Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Two mechanisms, intrinsic and factor-dependent, have evolved for accomplishing the termination of transcription in eubacteria. In this thesis, the first chapter is an introduction to the topic that presents what is known about the mechanisms of termination. The properties of the primary and secondary ‘players’- intrinsic terminators, Rho protein, rho-dependent terminators, RNA polymerse and Nus factors - are presented and the known mechanisms by which termination functions are discussed. In Chapter 2, a detailed analysis of intrinsic terminators – their differential distribution, similarity and divergence - has been penned. The database, compiled using the program GeSTer (Genome Scanner for Terminators), comprises ~2000 sequences and is one of the largest of its kind. Furthermore, analyzing the data from over 700 bacteria reveals how different species have fine-tuned intrinsic terminators to suit their cellular needs. Non-canonical intrinsic terminators emerge to be a significant fraction of the observed structures. The conserved structural features of identified intrinsic terminators are discussed and the relationship between the two modes of termination is assessed. Chapter 3 deals with the importance of transcription termination in regulating horizontally acquired DNA. The results show that genomic islands are scarce in intrinsic terminators and thus constitute most likely sites for Rho-dependent termination. Plausible reasons for why such a scenario has evolved are discussed and a generally applicable model is presented. Chapters 4 and 5 focus on Rho protein from Mycobacterium tuberculosis. In silico identification of M. tuberculosisgenes that rely on MtbRho-dependent termination is followed by experimental validation. The data show that Rho-dependent termination is the predominant mechanism in this species.MtbRho is a majorly expressed protein that governs termination of protein-coding and non-protein coding genes. Further, MtbRho can productively interact with RNA that has considerable secondary structure. Such interactions cause conformational changes in the enzyme. Given that MtbRho has to function with a GC-rich transcriptome, the altered properties could have evolved for optimal function. Taken together, the thesis extends our current understanding of both modes of termination. The importance of non-canonical intrinsic terminators in mycobacteria and other organisms is discussed. The unusual function of Rho and its predominant role in mycobacteria is elucidated. Finally, the inter-relationship between the two modes of termination is also discussed.