The subject of this thesis was the cloning and the initial biochemical and functional characterisation of novel human proteins with an N-terminal Ena-VASP homology (EVH)-1 domain and a C-terminal Sprouty homologous region (SPR), which are related to the Drosophila AE33 protein. During the course of this work, three mouse homologues of the AE33 fly protein have been reported and termed Sprouty-related protein with an EVH-1 domain 1, 2 and 3 (Spred-1, -2, -3)(Wakioka et al, 2001; Kato et al, 2003). Spred-1, -2 and -3 are membrane associated substrates of receptor tyrosine kinases and they act as negative regulators of the Ras pathway during growth factor stimulation. As the Spred-family members seem to exert similar functions, the specific function of each member remains enigmatic. Therefore, we investigated the mRNA and protein expression patterns of the two murine protein family members Spred-1 and Spred-2 on the whole organ level. Furthermore, we focussed on the cellular localisation and the role of human and murine Spred-2 in the organism. The expression patterns of Spred-1 and Spred-2 differed markedly among various tissues and cell types. In mouse, Spred-1 is abundantly expressed in adult brain, cerebellum, and fetal tissues, whereas Spred-2 was ubiquitously expressed. In humans, Spred-2 was found to be strongly expressed in glandular epithelia and in invasive cytotrophoblasts, and at the subcellular level its immunoreactivity was associated with secretory vesicles and was found to colocalise with Rab11 GTPase. The new human Spred gene family was investigated in detail. Cloning of the fulllength form of human Spred-2 resulted in an 1254 bp coding sequence, corresponding to a 418 amino-acids protein. Immunoblotting with a set of affinitypurified antibodies confirmed the expression of a 47 kDa protein and suggested the presence of additional differently sized variants. Cloning of various shortened Spred- 2 mRNAs and identification of 2 additional human Spred genes (localised on different chromosomes) with their respective EST (expressed sequence tag) revealed that the new human Spred gene family displays extensive splicing, leading to the generation of short and long Spred proteins. All protein isoforms and splicing variants contain an EVH1-domain located at the N-terminus of the protein. The full-length forms (“a” forms) comprised the SPR, another functional domain localised at the C-terminus whereas the short variants (Spred-1b, 2 c-e, 3 c) lack the entire C-terminal SPR domain or part of it. The existence of short and long splicing variants of Spred-1, -2 and -3 revealed a common principle of organisation and splicing pattern in the Spred family. Functional analyses of the 5 cloned Spred-2 splicing variants revealed differential subcellular localisation and differential regulation of serum- and EGF- mediated ERK activation in HEK-293 cells. Taken together, these results indicate a highly specific expression pattern of Spred-1 and Spred-2 in various tissues suggesting a specific physiological role for the individual Spred isoform in these tissues. For example, Spred-2 appears to be involved in regulating secretory pathways. Furthermore, the human Spred family contains three genes, which are subject to extensive alternative splicing resulting in at least 8 different proteins with differential subcellular localisation and differential regulatory potential of the MAPK pathways during growth factor stimulation. / Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Klonierung, sowie die biochemische und funktionelle Charakterisierung der neuen Spred Proteinfamilie, welche sich durch eine N-terminale EVH1-Domäne und C-terminal eine Sprouty homology Domäne (SPR) auszeichnet (Sprouty-related protein with an EVH-1 domain, Spred). Spred-1, -2, -3 sind membranassoziierte Substrate von Rezeptor-Tyrosin-Kinasen und hemmen den Wachstumsfaktor-stimulierten Ras Signalweg. Während für die drei Mitglieder der Spred-Familie ähnliche biochemische Funktionen beschrieben sind, ist bislang deren spezifische physiologische Funktion unbekannt. Wir haben deshalb zunächst die mRNA- und Protein-Expression von Spred-1 und Spred-2 in verschiedenen Organen der Maus untersucht. Zudem haben wir die zelluläre und subzelluläre Lokalisation bestimmt. Dabei zeigte sich, daß sich die Expression der Spred-Isoformen deutlich voneinander unterscheidet. Während Spred-1 stark im Großhirn, Kleinhirn und in fetalen Geweben exprimiert wird, kommt Spred-2 verstärkt in adulten Geweben vor. Beim Menschen konnte zudem gezeigt werden, daß Spred-2 stark in Drüsenepithelien, in Zytotrophoblasten und auf subzellulärer Ebene mit sekretorischen Vesikeln assoziiert war. Das Expressionsmuster der humanen Spred-Proteine wurde im Detail untersucht. Die Klonierung des humanen Spred-2 ergab eine 1254 bp lange kodierende Sequenz, die für ein Protein mit 418 Aminosäuren kodiert. Durch einen Immunoblot mit affinitätsgereinigten Antikörpern bestätigte sich die Expression eines 47 kD großen Proteins, gleichzeitig zeigten sich zusätzliche Varianten des Proteins mit abweichenden Größen. Daraufhin konnten vier kürzere mRNAs für Spred-2 kloniert werden, die durch alternatives Spleißen entstehen. Zudem konnten zwei neue Spred-Gene identifiziert werden, die auf unterschiedlichen Chromosomen lokalisiert sind und die jeweils für mehrere Proteine unterschiedlicher Größe kodieren. Alle Proteinisoformen und Spleißvarianten enthalten eine N-terminale EVH-1-Domäne, während nur die langen Isoformen (“a-Formen”) zusätzlich eine C-terminale SPRDomäne enthalten. Die Untersuchung der Funktion der 5 klonierten Spleißvarianten von Spred-2 ergab eine differentielle subzelluläre Lokalisation. Zudem zeigte sich eine unterschiedliche Regulation der Serum- und EGF-induzierten ERK-Aktivierung durch die verschiedenen Spred-2 Spleißvarianten. Diese Ergebnisse zeigen, daß Spred-1 und Spred-2 ein hochspezifisches Expressionsmuster in verschiedenen Organen aufweisen, ein Befund, der auf eine spezifische funktionelle Rolle der einzelnen Isoformen hindeutet. Die vorliegenden Befunde weisen darauf hin, daß Spred-2 an der Regulation sekretorischer Vorgänge beteiligt ist. Die Mitglieder der humanen Spred Proteinfamilie werden von drei Genen kodiert, durch alternatives Spleißen resultieren hieraus mindestens 8 verschiedene mRNAs. Werden die korrespondierenden Proteine überexprimiert, zeigen sie differentielle subzelluläre Lokalisationen und unterschiedliche Regulation der MAPKinase Aktivität.

Spreds are a new Sprouty-related family of membrane-associated proteins inhibiting the MAPK signaling pathway by interacting with Ras and Raf-1. Different studies have already demonstrated the inhibitory function of Spreds in cell culture systems, but the in vivo function of Spreds in the whole organism was still unclear. Therefore, Spred-2 knockout mice were generated using a gene trap approach. The Spred-2 deficiency was verified on RNA and protein levels and the lack of functional Spred-2 protein in mice caused a dwarf phenotype similar to achondroplasia, the most common form of human dwarfism. Spred-2-/- mice showed reduced growth and body weight, they had a shorter tibia length and showed narrower growth plates as compared to wildtype mice. Spred-2 promoter activity and protein expression were detected in chondrocytes, suggesting an important function of Spred-2 in chondrocytes and bone development. Furthermore, stimulation of chondrocytes with different FGF concentrations showed earlier and augmented ERK phosphorylation in Spred-2-/- chondrocytes as compared to Spred-2+/+ chondrocytes. These observations suggest a model, in which loss of Spred-2 inhibits bone growth by inhibiting chondrocyte differentiation through upregulation of the MAPK signaling pathway. An additional observation of Spred-2-/- mice was an increased bleeding phenotype after injuries, whereas the bleeding volume was extremely enlarged and the bleeding time was significantly prolonged. So far, hypertension as cause could be excluded, but to discover the physiological reasons for this phenotype, the different steps of the clotting cascade have to be investigated further. As the Spred-2 promoter activity studies demonstrated a high and specific Spred-2 expression in vascular smooth muscle cells and previous studies showed an interaction of Spreds with RhoA, a key regulator of vascular smooth muscle contraction, the regulation of smooth muscle contractility seems to be a good candidate of this phenomenon. Moreover, Spred-1 and Spred-2 specific antibodies were generated as important tools to study the protein expression patterns in mice. Furthermore, nothing was known about the Spred-2 promoter region and its regulation. Here, a detailed in situ analysis of the physiological promoter activity profile in the gene trapped Spred-2-deficient mouse strain was shown. In these mice, the beta-galactosidase and neomycin fusion gene (β-geo) of the gene trap vector was brought under control of the endogenous Spred-2 promoter, giving the opportunity to monitor Spred-2 promoter activity in practically every organ and their corresponding sub-compartments. X-Gal staining of sections of newborn and adult mice revealed 1) a very high Spred-2 promoter activity in neural tissues and different glands; 2) a high activity in intestinal and uterine smooth muscle cells, and kidney; 3) a low activity in heart, testis, lung, and liver; 4) an almost lacking activity in skeletal muscle and spleen, and 5) very interestingly, a very distinct and strong activity in vascular smooth muscle cells. Moreover, comparison of newborn and adult mouse organs revealed a nearly congruent Spred-2 promoter activity. These detailed data provide valuable information for further studies of the physiological functions of Spred-2 in organs showing strong Spred-2 promoter activity, which are in most of these organs still unclear. Finally, gene targeting vectors for Spred-1 and Spred-2 were cloned, to generate ES cells with a floxed exon 2 of the Spred-1 and Spred-2 gene, respectively. Now, these ES cells are valuable tools to establish conditional knockout mice. This is of major interest to investigate the physiological tissue specific functions of Spred-1 and Spred-2, especially if the double knockout mice are not viable. / Spreds gehören zu einer neuen Sprouty-verwandten Familie Membran-assoziierter Proteine, welche den MAPK Signalweg hemmen, indem sie mit Ras und Raf-1 interagieren. In Zellkultur-Systemen haben mehrere Studien bereits die hemmende Funktion von Spred gezeigt, aber die in vivo Funktion im Gesamtorganismus blieb bisher noch ungeklärt. In dieser Arbeit wurden deshalb Spred-2 Knockout Mäuse mithilfe eines Gene-trap Ansatzes generiert. Die Spred-2 Eliminierung konnte auf RNA- und Protein-Ebene bestätigt werden, und der Verlust des funktionsfähigen Spred-2 Proteins führte zu einem Achondroplasie-ähnlichen Zwergenwuchs, der häufigsten Form des menschlichen Zwergenwuchses. Die Spred-2-/- Mäuse waren insgesamt kleiner und hatten ein vermindertes Körpergewicht. Im Vergleich zu Wildtyp Mäusen war die Tibia-Länge verkürzt und die Wachstumsfugen verschmälert. In Knorpelzellen wurde sowohl die Aktivität des Spred-2 Promoters, als auch eine Spred-2 Proteinexpression detektiert, was auf eine wichtige Funktion in Knorpelzellen und bei der Knochenentwicklung schließen lässt. Im Vergleich zu Spred-2+/+ Knorpelzellen zeigte die Stimulierung von Spred-2-/- Knorpelzellen mit verschiedenen FGF-Konzentrationen eine frühere und verstärkte ERK-Phosphorylierung. Diese Beobachtungen deuten auf einen Mechanismus hin, bei dem der Verlust von Spred-2 das Knochenwachstum hemmt, indem die Knorpel-Differenzierung durch eine Hochregulation des MAPK Signalweges gehemmt wird. Spred-2-/- Mäuse zeigten nach Verletzungen eine erhöhte Blutungsneigung, wobei das verlorene Blutvolumen extrem vergrößert und die Blutungszeit signifikant verlängert war. Bislang konnte Bluthochdruck als Ursache ausgeschlossen werden, aber die verschiedenen Stufen der Blutstillung und Gerinnungskaskade müssen noch weiter untersucht werden, um die physiologischen Ursachen dieses Phänotyps ausfindig machen zu können. Untersuchungen der Spred-2 Promotoraktivität zeigten eine starke und spezifische Expression von Spred-2 in glatten Gefäßmuskelzellen. Außerdem zeigten vorhergehende Studien eine Interaktion von Spreds mit RhoA, einem Hauptregulator der Kontraktion glatter Gefäßmuskelzellen. Diesen Beobachtungen zufolge scheint die Regulation der Kontraktilität glatter Gefäßmuskelzellen ein guter Kandidat für dieses Phänomen zu sein. Weiterhin wurden Spred-1 und Spred-2 spezifische Antikörper hergestellt, die als elementares Werkzeug zur Untersuchung der Proteinexpression in der Maus notwendig waren. Bisher gab es noch keine Informationen über die Region und Regulation des Spred-2 Promotors. In dieser Arbeit wurde eine detaillierte in situ Analyse des physiologischen Promotoraktivitätsprofils in der Spred-2 defizienten Mauslinie gezeigt, die mit Hilfe des Gene-trap Vektors generiert wurde. In diesen Mäusen wurde das beta-Galaktosidase/Neomycin-Resistenz Fusionsgen (β-geo) des Gene-trap Vektors unter die Kontrolle des endogenen Spred-2 Promotors gebracht, und lieferte damit die Möglichkeit, die Spred-2 Promotoraktivität in praktisch jedem Organ und den zugehörigen Teilstrukturen beobachten zu können. X-Gal Färbungen von Gewebeschnitten neugeborener und erwachsener Mäuse zeigten 1) eine sehr starke Spred-2 Promotoraktivität in Nervengeweben und verschiedenen Drüsen; 2) eine starke Aktivität in glatten Muskelzellen des Uterus und Verdauungstraktes, sowie der Nieren; 3) eine geringe Aktivität in Herz, Hoden, Lunge und Leber; 4) eine fast fehlende Aktivität in Skelettmuskeln und Milz; und 5) interessanterweise eine starke und eindeutige Aktivität in glatten Gefäßmuskelzellen. Außerdem zeigte der Vergleich zwischen Organen von neugeborenen und erwachsenen Mäusen ein fast identisches Aktivitätsmuster. Diese detaillierten Daten liefern hilfreiche Informationen für weitere Untersuchungen der physiologischen Funktionen von Spred-2 vor allem in Organen mit starker Spred-2 Promotoraktivität, die in den meisten dieser Organe bisher noch immer ungeklärt sind. Zuletzt wurden in dieser Arbeit noch Gene-targeting Vektoren für Spred-1 und Spred-2 kloniert, die zur Generierung von embryonalen Stammzellen mit gefloxtem Exon 2 des Spred-1 bzw. Spred-2 Gens genutzt wurden. Diese embryonalen Stammzellen stehen nun als wertvolle Grundlage zur Etablierung von konditionalen Knockout Mäusen zur Verfügung. Dies ist von großem Interesse, um die physiologischen gewebespezifischen Funktionen von Spred-1 und Spred-2 zu untersuchen, vor allem wenn die Doppel-Knockout Mäuse nicht lebensfähig sein sollten.