Pancreatic cancer is one of the deadliest types of malignant diseases. Asymptomatic early tumour stages, tumour heterogeneity, cancer cell plasticity and unusually dense pancreatic stroma are responsible for the poor prognosis attributed to late diagnosis and therapy resistance. Therefore, targeting of a pivotal element common for any cell type within the tumour, e.g. mitochondria, may bring significant improvement. In this work, we demonstrate mitochondrial targeting of metformin, an anti-diabetic drug associated with reduced risk of developing pancreatic cancer, substantially increases accumulation of the compound in mitochondria. In consequence, we show that mitochondrially targeted metformin, MitoMet, eliminates pancreatic cancer cells in more than 1000-fold lower concentration than used for its parental compound. Following interaction with respiratory complex I (CI), MitoMet inhibits mitochondrial respiration, activates AMP-activated protein kinase pathway and causes depolarization of mitochondrial membrane potential in pancreatic cancer cells. Moreover, MitoMet induces cell cycle arrest and apoptosis, which is partially mediated via increased level of reactive oxygen species (ROS), and suppresses pancreatic tumour growth in vivo. Interestingly, SMAD4-deficient pancreatic cancer cells manifest...

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Neben chemotherapeutischen und chirurgischen Maßnahmen ist die Bestrahlung integraler Bestandteil multimodaler Therapiekonzepte bei malignen Tumorerkrankungen. In diesem Zusammenhang spielt der Einblick in physiologische und pathophysiologische Abläufe in menschlichen Zellen und auf molekularer Ebene  eine zunehmende Rolle. Auf diese Weise werden komplexe Stoffwechselwege mit ihren unterschiedlichen Funktionen und ihren aus einzelnen Proteinen bestehenden Komponenten immer besser verstanden. Allerdings entstehen durch die Kenntnis dieser Stoffwechselwege neue Fragen, die Gegenstand medizinischer Forschung sind.  Der TGFβ-Signalweg ist ein wesentlicher intrazellulärer Signalweg, der neben zahlreichen anderen Funktionen einen Einfluss auf die Entstehung bestimmter Tumorerkrankungen hat. Eine Vielzahl an Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNP) ist bekannt sowie die Erkenntnis darüber, dass die Anwesenheit von verschiedenen Varianten eines SNP einen Einfluss auf die Zellvitalität hat je nach Behandlungsbedingung. Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss von Keimbahn-Polymorphismen in Genen des TGFβ-Signalwegs und der DNA-Reparatur auf die Strahlenempfindlichkeit lymphoblastoider Zellen zu untersuchen. Hierzu wurden 54 käuflich erworbene lymphoblastoide Zellen angezüchtet. Jede dieser Zelllinien wurde sechs parallelen Behandlungsbedingungen unterworfen. Neben der unbehandelten Kontrolle und einer mit anti-TGFβ behandelten Kontrolle wurden Zellen einer alleinigen Bestrahlung mit 3 Gy ausgesetzt. Darüber hinaus wurden Zellen 16 Stunden vor der Bestrahlung mit TGFβ1 oder anti-TGFβ vorinkubiert oder unmittelbar nach der Bestrahlung mit TGFβ1 behandelt.  Nach Ablauf einer 24-stündigen Inkubationszeit erfolgte die Zellvitalitätsmessung mittels FACS (fluorescence activated cell sorting)–Analyse. Die Ergebnisse wurden mit Daten von insgesamt 1656 polymorphen Positionen (aus HapMap Datenbank) aus 21 Kandidatengenen korreliert. Auf diese Weise sollte der Einfluss dieser Polymorphismen auf die Zellvitalität ermittelt werden. Sowohl bei SMAD3 als auch bei SMAD7 fanden sich jeweils 2 SNP, die ein perfektes bzw hohes Kopplungsungleichgewicht (linkage disequilibrium) aufwiesen. Insgesamt waren zwölf Polymorphismen aus acht Genen (TGFBR1, SMAD2, SMAD3, SMAD7, BRCA2, MSH2, MSH6 und XRCC1) mit signifikanten Veränderungen der Zellvitalität assoziiert. Das Variantenallel scheint bis auf wenige Ausnahmen einen zytoprotektiven Effekt zu haben. Ausnahmen sind 3 SNP der Gene BRCA2, SMAD3 und SMAD 7, bei denen der Wildtyp mit höherer Zellvitalität einhergeht. Bei alleiniger Bestrahlung wirkten sich SNP aus SMAD3, SMAD7, MSH2 und MSH6 modulierend auf die Zytotoxizität aus, wenn auch statistisch nicht signifikant. Interessanterweise zeigten sich bei Betrachtung der Auswirkung einer Stimulation mit TGFβ1 vor und nach Bestrahlung mit 3 Gy dieselben SNP als statistisch signifikante Modellprädiktoren wie auch bei alleiniger Bestrahlung mit Ausnahme eines SNP aus SMAD3.  Bei Vorinkubation mit TGFβ1 wirkte sich die MSH2-Variante stärker aus. Hier entstand beim Wildtyp ein zusätzlich zytotoxischer Einfluss im Vergleich zur Stimulation nach Bestrahlung. Bei Inhibition durch anti-TGFβ vor der Bestrahlung zeigte noch ein SNP aus MSH6 und ein SNP aus SMAD7 einen zytoprotektiven Effekt.  Einige Ergebnisse dieser Arbeit könnten, sofern sie im Verlauf durch nachfolgende Studien bestätigt bzw. erweitert werden helfen Therapiekonzepte maligner Tumoren zu optimieren und eine individuelle Radiotherapie zu ermöglichen.

La formation de podosomes dans les cellules endothéliales (Ces) aortiques en réponse au TGFβ est bien décrite in vitro (dans des boîtes de culture) et ex vivo (dans des segments de vaisseaux aortiques vivants). Le projet de cette thèse était de franchir l’étape suivante en démontrant la présence de podosomes in vivo en réponse à du TGFβ d’origine endogène. Pour ce faire, nous avons choisi d’utiliser un modèle de souris génétiquement modifiées présentant spontanément des niveaux de TGFβ élevés dans la paroi aortique, raisonnant que cet environnement devrait être propice à l’apparition des structures. La souris Marfan (FbnC1039G/+) constitue le modèle murin de la maladie humaine appelée « syndrome de Marfan ». Chez la souris comme chez l’homme, une mutation dans le gène codant pour la fibrilline-1 conduit à une augmentation des niveaux de TGFβ dans la paroi aortique et dans le sang circulant. Nous avons utilisé ce modèle pour rechercher la présence de podosomes dans l'endothélium aortique. La visualisation « en face » de l'endothélium marqué pour l’actine fibrillaire, la cortactine, la protéine adaptatrice Tks5 et la metalloprotéase MT1-MMP, a révélé des rosettes de podosomes semblables à celles détectées ex vivo en réponse à du TGFβ d’origine exogène. Ces rosettes peuvent être trouvées dans l'endothélium de l'aorte ascendante ou descendante. L’analyse du tissu sous-jacent révèle une détérioration de la lame basale qui apparait parsemée de zones dépourvues d’un de ses constituants majeurs, le collagène IV. Nous émettons l'hypothèse que les rosettes de podosomes sont impliquées dans la formation de ces zones de dégradation du collagène IV. Pour examiner les conséquences du déficit en fibrilline-1 pour les CEs et confirmer les données in vivo concernant la souris Marfan, nous avons utilisé deux approches in vitro. D’abord, nous avons mis au point un protocole pour isoler les CEs aortiques à partir des souris Marfan. Ensuite, nous avons, par la stratégie des siRNA, procédé à la déplétion en fibrilline-1 de CEs aortiques d’origine bovine (BAEc). Les cellules endothéliales aortiques isolées des souris Marfan conservent in vitro le phénotype « TGFβ » et forment podosomes capables de dégrader la matrice extracellulaire sans aucune stimulation exogène. Dans le modèle des cellules BAE, le dosage du TGFβ indique que, in vitro, la déplétion de ces cellules en fibrilline-1 provoque une augmentation de TGFβ biologiquement actif associé à la fraction cellulaire. Ce TGFβ conduit alors à la formation de podosomes dans les CEs. Nous avons observé d’autres conséquences du déficit en fibriline-1 dans l’endothélium in situ. L’analyse topologique de la surface de l’endothélium aortique de la souris Marfan révèle des phénomènes de « blebbing », des filopodes, des anomalies des jonctions cellules-cellules. L’analyse ultrastructurale en microscopie électronique à transmission révèle que l’endothélium de la souris Marfan a une apparence radicalement distincte de celui observé chez les témoins sauvages. La lame élastique, fragilisée par le déficit en fibrilline-1, disparaît comme digérée, par endroits. On observe une sécrétion anormale de matrice extracellulaire. Les cellules présentent un phénotype activé ou des signes d’apoptose. Ces études fournissent la première démonstration de l'apparition de podosomes endothéliaux in vivo et suggèrent leur implication en physiopathologie vasculaire. Elles fournissent également la première démonstration que l’endothelium aortique est profondément modifié dans le modèle murin de la maladie de Marfan. / Podosome formation in aortic endothelial cells exposed to TGFβ has been well described in vitro (in tissue culture dishes) and ex vivo (in living aortic vessel segments). The aim of the project was to go to the next step and demonstrate the occurrence of podosomes in vivo in response to endogenous TGFβ. For this purpose, we chose to use a genetically engineered mouse model, which spontaneously presents high TGFβ levels in the aorta, reasoning that this would be a favorable environment for these structures to appear. Marfan mice represent the murine model of the human disease Marfan syndrome. Similar to the human disease, a mutation in the fibrillin-1 gene (C1039G/+) leads to enhanced TGFβ levels in the aortic wall as well as in circulating blood. We therefore used the Marfan mouse model in search of podosomes in the aortic endothelium. “En face” viewing of the endothelium stained for filamentous actin, cortactin, Tks5 adaptator protein and MT1-MMP metalloprotease detected podosome rosettes with features similar to those detected in the ex vivo situation. Podosome rosettes were found in both descending and ascending aorta. Analysis of the underlying tissue with collagen IV staining revealed a basement membrane scattered with staining-free patches, most likely corresponding to collagen IV degradation. We propose that podosome rosettes are involved in basement membrane degradation in this mouse. To examine the consequences of fibrillin-1 deficiency in endothelial cells and confirm the data obtained in vivo in Marfan mouse aorta, we used two in vitro approaches. First, we set up a protocol to isolate aortic endothelial cells from Marfan aortas, second, we depleted fibrillin-1 from BAE cells by siRNA silencing. Isolated Marfan aortic endothelial cells retained in vitro the TGFβ activated phenotype and formed functional podosomes without any exogenous stimulation. TGFβ levels measurements in fibrillin-1 depleted aortic endothelial cells confirmed that fibrillin-1 deficiency triggers an increase in active, cell associated TGFβ, which in turns, leads to podosome formation in endothelial cells. Finally we studied other alterations caused by the fibrillin-1 defect at the endothelial cell level in situ. Topological analysis of the Marfan mouse aortic endothelium monolayer revealed cell blebbing, numerous filopodia and showed altered cell-cell junctions. At the ultrastructural level, transmission electronic microscopy revealed that the Marfan mouse endothelium had an appearance dramatically distinct from that observed in control littermates. The elastic lamina, weakened by fibrillin-1 deficit, disappeared in some places. The vessel wall also showed abundant extracellular matrix proteins. Endothelial cells presented an activated or apoptotic phenotype. These studies provide the first demonstration for the occurrence of endothelial podosomes in vivo and suggest their involvement in vascular physiopathology. In addition, they provide evidence that the aortic endothelium is profoundly altered in the murine model of Marfan syndrome.

L’infection chronique par le virus de l’hépatite C (VHC) conduit au développement de pathologies hépatiques, telles que la fibrose dont le terme évolutif est la cirrhose sur laquelle peut se développer un carcinome hépatocellulaire. Les observations cliniques indiquent que le VHC interfère avec la voie de signalisation du Transforming Growth Factor β (TGFβ). Entre autres fonctions, cette cytokine induit la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), ce qui favorise la migration cellulaire et l'invasion tumorale. Le but de cette thèse est d'analyser l'impact des protéines non structurales du VHC sur la voie de signalisation du TGFβ.Nous avons montré que le réplicon subgénomique du VHC induit une augmentation de la signalisation du TGFβ résultant en une plus forte expression de gènes associés à l’EMT et induisant un phénotype d’EMT. L’expression de la protéase virale NS3-4A seule, augmente et prolonge la phosphorylation de Smad2/3 en aval du récepteur du TGFβ et renforce l’expression de certains gènes cibles du TGFβ. L’analyse des interactions entre les protéines du VHC et les protéines de la voie du TGFβ a permis d’identifier l’interaction entre NS3-4A et la protéine Smurf2. Le réplicon subgénomique ou la protéase NS3-4A ont des rôles antagonistes à la protéine Smurf2 sur la voie de signalisation du TGFβ. L’analyse globale des gènes régulés par le TGFβ dans les cellules exprimant le réplicon subgénomique a permis d’identifier, que dans ces cellules, le TGFβ induit une réponse pro-tumorale.Ces résultats montrent que NS3-4A induit une plus forte réponse des cellules au TGFβ, en inhibant la fonction de Smurf2 dans le rétrocontrôle négatif de la voie du TGFβ. Ce nouveau mécanisme d’interférence du VHC avec la voie du TGFβ pourrait contribuer à l’EMT des cellules hépatocytaires infectées favorisant ainsi la cancérisation. Ce travail apporte de nouvelles pistes dans la compréhension des mécanismes associés à la cancérisation chez les patients chroniquement infectés par le VHC. / Chronic infection by hepatitis C virus (HCV) leads to the development of hepatic diseases like fibrosis which evolves into cirrhosis on which can develop hepatocellular carcinoma. Clinical observations indicate that HCV interferes with the TGFβ signaling pathway. Among other functions this cytokine induces epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) promoting cell migration and tumor invasion. The aim of this study is to analyze the impact of HCV non structural proteins on TGFβ signaling pathway. We have demonstrated that the HCV subgenomic replicon induces an enhancement of the TGFβ signaling pathway resulting in a strong expression of EMT associated genes and inducing EMT phenotype. The expression of the NS3-4A viral protein alone enhances and stabilizes Smad2/3 phosphorylation downstream TGFβ receptor and increases the expression of some TGFβ target genes. The analysis of interactions between HCV proteins and proteins of the TGFβ signaling pathway has shown the interaction of NS3-4A with Smurf2 protein. HCV subgenomic replicon and NS3-4A have antagonistic roles to Smurf2 on TGFβ signaling pathway. The global analysis of genes regulated by TGFβ in cells expressing HCV subgenomic replicon indicates that in these cells TGFβ induces a pro-tumor answer.These results show that NS3-4A enhances TGFβ answer by inhibiting Smurf2 functions in the negative feedback loop of the TGFβ pathway. This new mechanism of HCV interference with the TGFβ pathway can contribute to EMT in infected hepatocytes thus promoting carcinogenesis. This work provides new leads to understand the mechanisms associated to carcinogenesis in HCV chronically infected patients.

TIF1γ est une protéine nucléaire de 1127 acides aminés possédant deux activités : une activité d'E3-ubiquitine ligase et des fonctions de régulateur transcriptionnel. TIF1γ exerce majoritairement ses fonctions dans les processus de développement embryonnaire et de différenciation cellulaire, notamment via son implication dans la voie de signalisation du TGFβ. Le rôle anti-tumoral de TIF1γ a été mis en évidence dans plusieurs modèles murins et son expression est diminuée dans de nombreuses tumeurs humaines de diverses origines tissulaires. Néanmoins, les mécanismes moléculaires et cellulaires par lesquels TIF1γ exerce ses fonctions oncosuppressives sont méconnus. Dans ces travaux, nous avons pu mettre en évidence le rôle inhibiteur de TIF1γ sur la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT, Epithelial-to- Mesenchymal Transition) médiée par le TGFβ in vivo, permettant ainsi de limiter les propriétés agressives des cellules tumorales. De plus, nous avons décrit l'implication de TIF1γ dans la progression de la mitose et le point de contrôle du fuseau mitotique : les cellules n'exprimant plus TIF1γ présentent de nombreuses anomalies nucléaires ainsi qu'une forte aneuploïdie associée à une résistance aux agents ciblant les microtubules, molécules classiquement utilisées en chimiothérapie. De plus, nous avons pu corréler la faible expression de TIF1γ à une augmentation de l'instabilité chromosomique dans différentes tumeurs humaines. Ainsi, nos travaux ont permis de mettre en évidence le phénotype cellulaire induit par la perte de TIF1γ dans les cellules tumorales : instabilité chromosomique, résistance aux traitements chimiothérapeutiques et acquisition de propriétés invasives / TIF1γ / TRIM33 (Transcriptional Intermediary Factor 1γ / TRIpartite Motif-containing 33) is a 1,127 amino acids nuclear protein with two biochemical activities: an E3-ubiquitin ligase activity and transcriptional regulatory functions. TIF1γ is ubiquitously expressed in many organisms and exerts its functions mainly in the processes of embryonic development and cell differentiation, particularly through its involvement in the TGFβ signaling pathway. The oncosuppressive functions of TIF1γ have been demonstrated in several mouse models and its expression is reduced in many human tumors of various tissue origins. Nevertheless, the molecular and cellular mechanisms driving TIF1γ anti-tumoral activities are unknown. In this work, we highlight its inhibitory role on TGFβ-mediated EMT (Epithelial-to-Mesenchymal Transition) in vivo, thus limiting the aggressive properties of tumor cells. In addition, we describe TIF1γ involvement in mitotic progression and the Spindle Assembly Checkpoint (SAC): TIF1γ deleted cells display many nuclear abnormalities, aneuploidy and resistance to spindle microtubule-disrupting agents, which are drugs classically used in chemotherapeutic treatments. Finally, we correlated the low expression level of TIF1γ to an increased rate of chromosomal instability in different human tumors. Thus, our work has highlighted the tumor suppressor role of TIF1γ: its deletion in tumor cells induce chromosomal instability, resistance to chemotherapeutic treatments and acquisition of invasive properties

Le TGFbeta intervient dans la régulation de nombreux processus cellulaires comme la prolifération, la différenciation, la migration, l'apoptose, du développement embryonnaire jusqu'à la vie adulte. Le TGFbeta est aujourd'hui bien décrit pour son rôle de suppresseur de tumeur de par ses activités anti-prolifératives et pro-apoptotiques, en particulier sur les cellules épithéliales. Cependant, au cours de la progression tumorale, le TGFbeta devient un promoteur de tumeur en favorisant l'angiogenèse, l'échappement de la tumeur vis-à-vis du système immunitaire et en induisant la transition épithélio-mésenchymateuse. Après fixation du ligand TGFbeta , le complexe de récepteurs active les protéines cytoplasmiques Smad2 et Smad3 qui s'associent à Smad4 pour former le complexe transcriptionnel qui se transloque alors dans le noyau pour réguler la transcription de nombreux gènes cibles. Récemment, la protéine TIF1gamma a été décrite pour intervenir dans la régulation négative de la voie du TGFbeta , en monoubiquitinant Smad4 ou en interagissant avec Smad2/3 en compétition avec Smad4. Cette voie de signalisation devant être finement contrôlée pour cibler son action en fonction du contexte cellulaire, nous analysons ici la régulation des interactions fonctionnelles entre la voie canonique du TGFbeta et la protéine TIF1gamma. Dans cette étude, nous montrons que TIF1gamma agit comme un régulateur négatif des fonctions de Smad4 dans la voie de signalisation du TGFbeta au cours du processus de transition épithélio-mésenchymateuse et au cours de la différenciation terminale des cellules épithéliales mammaires et de la lactation. Nous étudions également la SUMOylation de TIF1gamma comme nouveau niveau de régulation de la réponse cellulaire au TGFbeta . Nous avons ainsi caractérisé les sites fonctionnels de SUMOylation de TIF1gamma et montré que cette modification post-traductionnelle inhibe la formation du complexe transcriptionnel Smad et est nécessaire pour réguler temporellement la résidence de Smad4 au niveau du promoteur de gènes cibles du TGFbeta . Nos résultats montrent le rôle important de la SUMOylation de TIF1gamma dans la régulation de la transition épithélio-mésenchymateuse induite par le TGFbeta . En conclusion, notre travail met en avant le rôle majeur de TIF1gamma dans la régulation de la réponse transcriptionnelle au TGFbeta . De plus, nous montrons que la SUMOylation de TIF1gamma est nécessaire à son activité répressive sur Smad4 / The cytokine TGFbeta regulates several cellular processes such as proliferation, differentiation, migration and apoptosis, from embryonic development to adulthood. TGFbeta is well described for its tumor suppressor role through antiproliferative and proapoptotic activities, in particular in epithelial cells. During tumor progression however, TGFbeta becomes a tumor promotor, favoring angiogenesis, immune suppression and inducing the epitheliomesenchymal transition. Binding of TGFbeta ligand to its receptors activate cytoplasmic messenger Smad2 and Smad3 to complex with Smad4 and shuttle into the nucleus to regulate TGFbetatarget genes expression. Recently, TIF1gamma has been described as a new negative regulator of TGFbeta signaling, through monoubiquitination of Smad4 or direct competition with Smad4 to bind activated Smad2/3. This signaling pathway has to be finely tuned to target an action dependent on a cellular context, which is why we analyze here the regulation of functional interactions between the TGFbeta canonical signaling and TIF1gamma. In this study, we show that TIF1gamma acts as a negative regulator of Smad4 functions in TGFbetasignaling during the epithelio-mesenchymal transition and during terminal differentiation of mammary epithelial cells and lactation. We are also interested in studying TIF1gamma SUMOylation as additional level of regulation of cell response to TGFbeta. Thus we characterized four functional SUMOylation sites in TIF1gamma and we found that this post-translational modification inhibits the formation of Smads transcriptional complex and is needed to temporally restrict Smad4 residence on the promoter of TGFbetatarget genes. Our results show the critical role of TIF1gamma SUMOylation in the regulation of TGFbeta- induced epithelio-mesenchymal transition. As a conclusion, our study unveils the major role of TIF1gamma in the regulation of TGFbeta transcriptional responses. Moreover, we show that TIF1gamma requires SUMOylation to exert its repressive activity on TGFbetasignaling

Die Signalwege des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGF-β) spielen eine entscheidende Rolle bei der Zellproliferation, -migration und -apoptose durch die Aktivierung von Smad-Proteinen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die biologischen Wirkungen des TGF-β-Signalwegs stark vom Zellkontext abhängen. In dieser Arbeit ging es darum zu verstehen, wie TGF-β-Signale Zielgene unterschiedlich regulieren können, wie unterschiedliche Dynamiken der Genexpression durch TGF-β-Signale induziert werden und auf welche Weise Smad-Proteine zu unterschiedlichen Expressionsmustern von TGF- β-Zielgenen beitragen. Der Fokus dieser Studie liegt auf den transkriptionsregulatorischen Effekten des Nodal / Activin-Liganden, der zur TGF-β-Superfamilie gehört und ein wichtiger Faktor in der frühen embryonalen Entwicklung ist. Um diese Effekte zu analysieren, habe ich kinetische Modelle entwickelt und mit den Zeitverlaufsdaten von RNA-Polymerase II (Pol II) und Smad2-Chromatin-Bindungsprofilen für die Zielgene kalibriert. Unter Verwendung des Akaike-Informationskriteriums (AIC) zur Bewertung verschiedener kinetischer Modelle stellten wir fest, dass der Nodal / Activin-Signalweg Zielgene über verschiedene Mechanismen reguliert. Im Nodal / Activin-Smad2-Signalweg spielt Smad2 für verschiedene Zielgene unterschiedliche regulatorische Rollen. Wir zeigen, wie Smad2 daran beteiligt ist, die Transkriptions- oder Abbaurate jedes Zielgens separat zu regulieren. Darüber hinaus werden eine Reihe von Merkmalen, die die Transkriptionsdynamik von Zielgenen vorhersagen können, durch logistische Regression ausgewählt. Der hier vorgestellte Ansatz liefert quantitative Beziehungen zwischen der Dynamik des Transkriptionsfaktors und den Transkriptionsantworten. Diese Arbeit bietet auch einen allgemeinen mathematischen Rahmen für die Untersuchung der Transkriptionsregulation anderer Signalwege. / Transforming growth factor-β (TGF-β) signaling pathways play a crucial role in cell proliferation, migration, and apoptosis through the activation of Smad proteins. Research has shown that the biological effects of TGF-β signaling pathway are highly cellular-context-dependent. In this thesis work, I aimed at understanding how TGF-β signaling can regulate target genes differently, how different dynamics of gene expressions are induced by TGF-β signal, and what is the role of Smad proteins in differing the profiles of target gene expression. In this study, I focused on the transcriptional responses to the Nodal/Activin ligand, which is a member of the TGF-β superfamily and a key regulator of early embryonic development. Kinetic models were developed and calibrated with the time course data of RNA polymerase II (Pol II) and Smad2 chromatin binding profiles for the target genes. Using the Akaike information criterion (AIC) to evaluate different kinetic models, we discovered that Nodal/Activin signaling regulates target genes via different mechanisms. In the Nodal/Activin-Smad2 signaling pathway, Smad2 plays different regulatory roles on different target genes. We show how Smad2 participates in regulating the transcription or degradation rate of each target gene separately. Moreover, a series of features that can predict the transcription dynamics of target genes are selected by logistic regression. The approach we present here provides quantitative relationships between transcription factor dynamics and transcriptional responses. This work also provides a general computational framework for studying the transcription regulations of other signaling pathways.

Der transformierende Wachstumsfaktor-β (TGFβ) übt verschiedene Wirkungen auf die Regulierung zahlreicher biologischer Prozesse aus. Insbesondere die zytostatische Wirkung von TGFβ ist wichtig, um die Homöostase in Geweben aufrechtzuerhalten und proliferative Störungen, wie in Krebs, zu verhindern. Frühere Studien zur Regulation des Zellzyklus mit TGFβ wurden auf Populationsebene, oft durch physikalische oder chemische Synchronisation durchgeführt. Dabei wird die Heterogenität auf zellulärer Ebene vernachlässigt und die Anfälligkeit gegen potenzielle Artefakte erhöht. Um zu verstehen, wie einzelne Zellen TGFβ-Signale entschlüsseln und diese in die Entscheidung zur Zellproliferation integrieren, wurden sowohl die Dynamik der TGFβ-Signale als auch die Zellzyklusprogression in asynchronen Zellen durch „Live Cell Imaging“ quantifiziert. In Kombination von experimentellen und theoretischen Studien wurde gezeigt, dass TGFβ einen „Alles-oder-Nichts-G1- Stillstand“ auslöst, der sowohl dosisabhängig als auch phasenabhängig ist. Wenn die Zellen während der S / G2 / M-Phase TGFβ ausgesetzt werden, erfahren sie in der darauf folgenden G1-Phase einen ererbten, verzögerten Stillstand. Zusätzlich sind die Zellen nach einem TGFβ-Stimulationsimpuls für weitere TGFβ-Behandlungen unempfindlich. In Anbetracht der Bedeutung von Einzelzellinformationen und den Herausforderungen bei der automatischen Zellverfolgung wurde ein Rahmenkonzept von „Population to Single Cell“ (P2S-Framework) erarbeitet, um von der Populationsdynamik auf die Abstammung einzelner Zellen zu schließen. Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einblicke in Strategien zur Kontrolle der Zellproliferation durch Manipulation der TGFβ-Signalgebung. / The transforming growth factor-β (TGFβ) exerts diverse effects on regulating numerous biological processes. Especially, the cytostatic effect of TGFβ is important for maintaining tissue homeostasis and preventing proliferative disorders, like cancer. Previous studies on the regulation of cell cycle by TGFβ were conducted at the population level, and often through physical or chemical synchronization, which neglected cellular heterogeneity and might introduce artifacts. To understand how individual cells decode and integrate TGFβ signals into cell proliferation decisions, we quantitatively characterized both TGFβ signaling dynamics and cell cycle progression in asynchronous cells by live cell imaging. Combining experimental and theoretical studies, we demonstrated that TGFβ triggers all-or-none G1 arrest, which is both dose-dependent and phase- dependent. When exposed to TGFβ during S/G2/M phase, cells undergo an inherited, delayed arrest at the next G1 phase. In addition, after one pulse of TGFβ stimulation, cells are refractory to further TGFβ treatments. Considering the importance of single cell information and challenges in automatic cell tracking, we proposed a Population to Single cell framework (P2S framework) to infer single- cell lineages from population dynamics. Taken together, this work provides new insight into strategies to control cell proliferation by manipulating TGFβ signaling.

Zellen benutzen Signalwege ein, um auf Änderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung zu reagieren. Der Signalweg des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGFβ) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung vieler zellulärer Prozesse, einschließlich Zellproliferation, Differenzierung und Migration. Obwohl die Hauptkomponenten der TGFβ-Signalgebung in den letzten Jahrzehnten identifiziert und erforscht wurden, ist das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens durch das Fehlen von Methoden eingeschränkt, die die Steuerung der TGFβ-Signalgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein optogenetisches System (das optoTGFβ-System) entwickelt, bei dem Licht dazu verwendet wird, die TGFβ-Signalgebung zeitlich und räumlich präzise zu steuern. Erstens wurde die Funktionalität des optoTGFβ-Systems durch Vergleich mit dem endogenen TGFβ-Signalsystem überprüft. Zweitens wurde durch das gleichzeitige Überwachen der subzellulären Translokation der Rezeptoren und der Smad-Proteine mittels „Live Cell Imaging“ gezeigt, dass die TGFβ-Signalgebung durch Modulation der Lichtstimulationen in einzelnen Zellen spezifisch aktiviert werden kann. Drittens wurde in Kombination mit der mathematischen Modellierung die Dynamik der TGFβ-Signalgebung im optoTGFβ-System quantitativ bestimmt. Die räumliche und zeitliche Präzision der optischen Kontrolle machen das optoTGFβ-System zu einem neuartigen und leistungsfähigen Methode für die quantitative Analyse und Manipulation von TGFβ-Signalen auf Einzelzellebene. / Cells employ signaling pathways to make decisions in response to changes in their immediate environment. Transforming Growth Factor β (TGFβ) signaling pathway plays pivotal roles in regulating many cellular processes, including cell proliferation, differentiation and migrations. Although the principal components of TGFβ signaling have been identified and explored in recent decades, understanding its dynamic behavior is limited by the lack of tools that allow the control of TGFβ signaling at high spatiotemporal resolution. In this thesis, we developed an optogenetic system (the optoTGFβ system), in which light is used to control TGFβ signaling precisely in time and space. First, we validated the functionality of the optoTGFβ system by comparing it with the endogenous TGFβ signaling system. Second, by simultaneously monitoring the subcellular translocation of the receptors and Smad proteins using live cell imaging, we showed that TGFβ signaling can be specifically activated in single cells through modulating the light stimulations. Third, in combination with mathematical modeling, we quantitatively characterized the dynamics of TGFβ signaling in the optoTGFβ system. The spatial and temporal precision of optical control makes the optoTGFβ system a novel and powerful tool for quantitative analyses and manipulation of TGFβ signaling at the single cell level.