The new field of protein-based nano-technology takes advantage of the complex interactions between proteins to form unique structures with properties that cannot be achieved with traditional components. Microtubules (MTs), self assembled proteinaceous hollow filaments, offer promise in the development of MT-based nano-systems. The compelling need for the controlled assembly of 3D MT arrays is the fundamental motivation for the first part of this research. We report on the morphology of MTs grown in a crowded environment in the form of high viscosity fluids containing agarose and a novel process that enables the assembly of MTs supported by gel-based 3D scaffolds. Our research on MTs and their interaction with other molecules lead us to discover extraordinary spherulitic structures that changed the course of the project. The novel subject situate us into a complicated dilemma that question the nature of MT asters reported in experiments carried out in cells. The second part of this research is focused in the crystallization ofTaxol, a MT stabilizing molecule used as anti-cancer drug. It was confirmed via fluorescent and differential interference contrast microscopy that Taxol crystals can be decorated with fluorescent proteins and fluorochromes without perturbing their morphology. We used theoretical calculations to further investigate Taxol-fluorescent agent interactions. Furthermore, the crystallization of Taxol was studied in pure water, aqueous solutions containing tubulin proteins and tubulin-containing agarose gels. We demonstrated that tubulin is able to heterogeneously nucleate Taxol spherulites. To explain the formation of tubulin-Taxol nuclei a new, secondary Taxol-binding site within the tubulin heterodimer is suggested. Results presented in this work are important for in vivo and in vitro microtubule studies due to the possibility of mistaking these Taxol spherulites for microtubule asters. Thus, we are confirming the need for careful interpretation of fluorescence microscopy observations of MT structures when large concentrations of Taxol are used as stabilizing agent in cells.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Die Zellen des Multiplen Myeloms (MM) zeichnen sich durch eine klonale Heterogenität aus, die eine kurative Therapie erschwert und zu Resistenzen gegenüber Medikamenten führt. Neue Substanzen, wie die Smac Mimetics Birinapant, BV6 und LCL161, sollen durch Nachahmung des in der Krebszelle reduziert vorkommenden Gegenspielers (SMAC/Diablo) der Apoptose-Inhibitoren (IAPs) die Apoptose der entarteten Zellen induzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirksamkeit der Smac Mimetics Birinapant, BV6 und LCL161 und der Zytostatika Docetaxel und Paclitaxel auf 10 humane MM-Zellen in vitro untersucht. Es konnte bei einigen Zelllinien ein synergetischer Effekt auf die Reduktion der Zellzahl in einer Kombinationstherapie mit den Smac Mimetics und den Zytostatika nachgewiesen und teilweise Resistenzen überwunden werden. Weitere Forschungsarbeit zu Kombinationstherapien mit Smac Mimetics sollen deren Rolle und klinischen Nutzen in einer Therapiemöglichkeit bei rezidivierenden und refraktären MM-Patienten untersuchen. / In multiple myeloma malignant plasma cells show a high level of clonal heterogeneity which leads to resistance to current medication and furthermore bad prognosis of treatment. New developed substances like Smac Mimetics Birinapant, BV6 and LCL161 shall induce apoptosis in multiple myeloma cells in imitating of the cellular protein SMAC/Diablo which is an antagonist of apoptosis inhibitors. This study investigates the in vitro effectiviness of the SMAC Mimetics Birinapant, BV6 and LCL161 and of the cytostatics Docetaxel and Paclitaxel on 10 human multiple myeloma cells. Some celllines showed in a combination treatement with Smac Mimetics and zytostatics a synergetic effect on cell viability and an overcoming of drug resistance. Further studies shall investigate the benefits and clinical use of combination treatment with Smac Mimetics for patients with recurrent and refractory multiple myeloma.

Das Glioblastom (GBM) ist der häufigste maligne primäre Hirntumor im Erwachsenenalter und geht mit einer infausten Prognose einher. Die Standardtherapie bei Erstdiagnose besteht aus Tumorresektion gefolgt von kombinierter Radiochemotherapie mit Temozolomid nach Stupp-Schema. Eine neue Therapieoption stellen die Tumor Treating Fields (TTFields) in Form lokal applizierter elektrischer Wechselfelder dar. Mit dem Einsatz der TTFields kann durch Störung der mitotischen Abläufe die Zellproliferation von Tumorzellen gehemmt und dadurch das Gesamtüberleben im Vergleich zur alleinigen Radiochemotherapie nachweislich deutlich verlängert werden. Auch verschiedene Chemotherapeutika, die bereits klinisch eingesetzt werden, greifen in den Ablauf der Mitose ein. So auch die Zytostatika Vincristin (VIN) und Paclitaxel (PTX), die durch einen gegensätzlichen Mechanismus durch Destabilisierung bzw. Stabilisierung von Mikrotubulistrukturen ihre Wirkung entfalten. Die Frage, ob eine Verstärkung dieser Wirkung durch den kombinierten Einsatz mit TTFields erreicht werden kann, wurde in dieser Arbeit an den beiden GBM-Zelllinien U87 und GaMG untersucht. Zunächst wurde mit dem xCELLigence-Systems über eine Real-Time-Impedanzmessung für diese beiden Chemotherapeutika jeweils die mittlere effektive Dosis (EC50-Wert), bei der ein halbmaximaler Effekt auftritt, spezifisch für jede Zelllinie bestimmt. Diese betrug bei VIN durchschnittlich 200nM für die Zelllinie U87 bzw. 20nM für die Zelllinie GaMG und lag für PTX bei 60nM für beide Zelllinien. Mit diesen Dosierungen wurden die beiden Zelllinien allein und in Kombination mit TTFields über 72h behandelt. Anschließend wurde die Zellproliferation analysiert und mit unbehandelten Tumorzellen verglichen. Während jeder Behandlungsarm einzeln eine signifikante Wirkung gegenüber der unbehandelten Vergleichsgruppe zeigte, hatte weder die Kombination von TTFields mit VIN noch mit PTX in den untersuchten Dosierungen einen zusätzlichen signifikanten Nutzen. Es besteht weiterer Forschungsbedarf zum kombinierten Einsatz von TTFields mit anderen Therapieformen. / Glioblastoma (GBM) is the most common malignant primary brain tumor in adults and is associated with an infavorable prognosis. Standard therapy at initial diagnosis consists of tumor resection followed by combined radiochemotherapy with temozolomide according to the Stupp regimen. Tumor Treating Fields (TTFields) in the form of locally applied alternating electric fields represent a new therapeutic option. With the use of TTFields, cell proliferation of tumor cells can be inhibited by interfering with mitotic processes, which has been shown to significantly prolong overall survival compared to radiochemotherapy alone. Various chemotherapeutic treatments already in clinical use also interfere with mitotic processes. This is also the case with the cytostatic drugs vincristine (VIN) and paclitaxel (PTX), which exert their effects by an opposing mechanism through destabilization and stabilization of microtubule structures. The question whether an enhancement of this effect can be achieved by combined use with TTFields was investigated in this work using the two GBM cell lines U87 and GaMG. First, using the xCELLigence system via real-time impedance measurement, the mean effective dose (EC50-value) at which a half-maximal effect occurs was determined for each of these two chemotherapeutic agents specifically for each cell line. This was averaged 200nM for VIN for the U87 cell line and 20nM for the GaMG cell line, and was 60nM for PTX for both cell lines. The two cell lines were treated with these doses alone and in combination with TTFields for 72h. Cell proliferation was then analyzed and compared to untreated tumor cells. While each treatment individually showed a significant effect compared with the untreated control group, neither the combination of TTFields with VIN nor with PTX had any additional significant benefit at the doses studied. Further research is needed on the combined use of TTFields with other therapies.

Taxol®, an important anticancer drug, was first isolated in extremely low yield from the bark of the western yew, Taxus brevifolia. The clinical utility of Taxol has prompted a tremendous effort to obtain this complex molecule synthetically. Due to the chemical complexity of Taxol, its commercial production by total synthesis is not likely to be economical. Another natural product, 10-deacetyl baccatin III, is readily available in higher yield. Several methods have been reported for the synthesis of Taxol by coupling baccatin III and the N-benzoyl-β-phenylisoserine side chain. A new method for the synthesis ofTaxol from baccatin III is reported, and this method is compared with other methods. / Master of Science

The natural product, paclitaxel, has made tremendous contributions in supplying the arsenal of anticancer therapeutics, and was FDA approved for clinical use in 1992. In order to design simplified analogs, the conformation that paclitaxel adopts when binding to tubulin has been the subject of ongoing studies. Much evidence has led to a T-taxol proposal and a C3' constrained analog has been designed and synthesized as a test of this conformation. In the search for more active analogs, a number of modifications have been made to paclitaxel by other researchers. However, the nature of the alterations, and combinations thereof, have not been exhausted. To this end, synthesis of northern hemisphere B-ring analogs is underway. / Master of Science

Le cancer du sein est une cause importante de mortalité féminine en France et l'émergence de chimiorésistance, en particulier avec les taxanes, dont le paclitaxel (Taxol®), est une limite importante à l'emploi de ces molécules. Comme de nombreux anticancéreux, les taxanes ciblent les microtubules (MTs), des polymères de tubuline intervenant dans de nombreuses fonctions cellulaires. Ces derniers alternent entre des phases de croissance et de désassemblage, leur conférant ainsi un caractère dynamique. En se liant à la beta-tubuline, le Taxol stabilise les MTs et bloque la mitose, conduisant la cellule vers l'apoptose. La résistance au Taxol est un processus multifactoriel impliquant des mécanismes tels que la surexpression de pompes d'efflux (P-glycoprotéine), des mutations des gènes d'alpha- et de beta-tubuline ou une expression altérée de protéines associées aux MTs (MAPs) telles que MAP4 (stabilisatrice des MTs) ou la stathmine (dépolymérisante), contribuant ainsi à la restauration de la dynamique microtubulaire.Le projet repose sur l'emploi de la lignée tumorale mammaire MDA-MB 231 rendue résistante par paliers à 25nM de Taxol dans des conditions de blocage des pompes d'efflux. L'objectif étant d'explorer les variations protéiques de l'environnement des MTs associées au phénotype chimiorésistant, nous avons comparé le protéome d'extraits microtubulaires de cellules sensibles (Tv) et résistantes au Taxol (T8). Parmi les 112 protéines statistiquement enrichies dans une des deux populations de MTs, on retrouve notamment une augmentation des tubulines beta III et IV, une augmentation et une diminution respectives des moteurs moléculaires kinésine-1 et dynéine ainsi que l'enrichissement de plusieurs septines (SEPT2, 8, 9 et 11) dans les fractions de MTs T8. Les septines sont des GTPases associées en complexes hétéro-oligomériques impliquées dans la cytocinèse et l'organisation du cytosquelette de MTs et d'actine. Le recrutement de ces protéines candidates sur les MTs des cellules T8 a été validé par Western blot (Froidevaux-Klipfel et al., 2011) et immunofluorescence. Dans la littérature, les septines sont décrites comme étant localisées soit au niveau de l'actine soit au niveau des MTs dans les cellules de mammifères. De façon intéressante, dans nos cellules MDA-MB 231, nous observons un recrutement partiel de SEPT2 sur les fibres d'actine dans les cellules Tv alors qu'elle colocalise avec les MTs des cellules T8. Bien que la dépolymérisation de l'actine dans les cellules Tv n'entraine aucun déplacement des septines vers les MTs, cette localisation différentielle des septines sur les MTs des cellules résistantes pourrait néanmoins participer au phénotype chimiorésistant.Par ailleurs, il a été décrit dans la littérature que SEPT2 se lie aux MTs polyglutamylés afin de faciliter le transport vésiculaire à la membrane de protéines impliquées dans la polarisation cellulaire. La polyglutamylation est une modification post-traductionnelle permettant la formation de chaines latérales d'un à plusieurs résidus glutamate sur les tubulines alpha ou beta, régulant ainsi les interactions entre MTs et MAPs. Nos résultats montrent que l'accumulation des septines sur le réseau de MTs des cellules T8 s'accompagne d'une augmentation de la polyglutamylation mais aussi de la tyrosination de la tubuline. De plus, des tests de viabilité cellulaire ont mis en évidence que l'inhibition partielle par RNAi des septines ainsi que des polyglutamylases et de la tubuline tyrosine ligase, comme la surexpression d'enzymes responsables de la déglutamylation de la tubuline, permettent de restaurer une certaine sensibilité au Taxol des cellules T8. Inversement, la surexpression de certaines enzymes responsables de la polyglutamylation et de la tyrosination de la tubuline dans les cellules Tv permet d'instaurer une résistance au Taxol des cellules sensibles.La compilation de nos résultats permet de proposer un nouveau mécanisme de résistance au Taxol des cellules cancéreuses mammaires MDA-MB 231 : une augmentation du niveau de tyrosination de l'alpha-tubuline serait à l'origine de l'allongement des chaînes polyglutamylées sur le MT entraînant une diminution de la liaison de la protéine stabilisatrice MAP4 ainsi que le recrutement des septines sur les MTs. Ces modifications favoriseraient alors le recrutement du facteur de sauvetage CLIP-170 et de kinésines dépolymérisantes telles que MCAK à l'extrémité en croissance du MT des cellules résistantes T8, permettant une certaine restauration de la dynamique microtubulaire et contribuant ainsi à l'apparition du phénotype chimiorésistant.Ces études sont indispensables pour établir les bases d'un nouveau mécanisme de résistance au Taxol impliquant les septines, ainsi qu'un lien de causalité avec la tyrosination et la polyglutamylation. Au-delà, la recherche de ces modulations clés pourra être réalisée sur des cancers mammaires sensibles et résistants au Taxol, issus de biopsies de patients. Ainsi, il sera possible à terme, de déterminer si les septines, la tyrosination et la polyglutamylation de la tubuline ont une véritable importance fonctionnelle dans la résistance de cancers du sein au Taxol.

Au cours de cette thèse, nous avons cherché à appliquer la réaction de métathèse des oléfines pour synthétiser le tricycle ABC du taxol, une molécule naturelle issue de l'if de l'ouest dans les années 1960. Nous avons pour cela étudié deux rétrosynthèses: - la première s'appuie sur la fermeture du cycle B à huit chaînons par une métathèse relais cyclisante. - la seconde repose sur une métathèse tandem ène-yne-ène permettant la formation en une seule étape des cycles A et B.

The Hippo-LATS signaling pathway originally identified in Drosophila is conserved in mammalian systems and serves essential roles in mediating size control as well as tumorigenesis. In humans, the core kinase cassette consisting of adaptor proteins WW45 and MOB1, and Ser/Thr kinases MST1/2 and LATS1/2 signal by phosphorylating and inactivating transcriptional co-activators YAP and TAZ, causing cell growth arrest. As the central kinases within the Hippo-LATS pathway, examining the cellular and molecular phenotypes of LATS1 and LATS2 (LATS) will provide insight into the role of this pathway in tumorigenesis. By simultaneously knocking down both LATS1 and LATS2, genes that were differentially expressed were identified through a whole human genome microarray screen. The multitude of genes identified including CYR61, MYLK, CDKN1A, SLIT2, and TP53INP1 not only provide further evidence for the role of LATS in cell proliferation and apoptosis, but also implicate LATS in novel functions such as cell motility. Loss of LATS1 and/or LATS2 enhances cell migration whereas overexpression of LATS1 dramatically inhibits cell migration in multiple cell lines. The ability of LATS to regulate cell migration occurs through two potential mechanisms. Firstly, LATS functions through its kinase substrates YAP and/or TAZ, or alternatively, LATS1 directly binds actin and inhibits actin polyermization. Thus, through loss of functions studies, we identified a novel role for LATS in regulating cell migration as well as novel mechanisms of LATS function. As an important signaling molecule within the cell, LATS and the Hippo-LATS pathway are tightly regulated. Using clues from the Drosophila pathway, we examined how the previously uncharacterized gene, hEx, functions within this pathway. Importantly, this thesis characterizes hEx as a putative tumor suppressor showing that it can inhibit cell proliferation, sensitize cancer cells to Taxol treatment as well as inhibit tumor growth in nude mice. However, unlike Drosophila expanded, hEx functions independently of the Hippo-LATS pathway, suggesting that the mammalian signaling pathway is more complicated. The research findings from this thesis enhance our knowledge of the Hippo-LATS pathway in tumorigenesis by elucidating new functions and mechanisms of LATS functions as well as by exploring how upstream components function in relation to this pathway. / Thesis (Ph.D, Pathology & Molecular Medicine) -- Queen's University, 2011-09-23 10:06:54.687

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