Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) spielt eine zentrale Rolle bei kardialen Remodeling-Prozessen infolge von Kardiomyopathie und schwerer Herzinsuffizienz. Das UPS ist für die Protein-Homöostase zuständig, indem es fehlerhafte und fehlgefaltete Proteine durch eine gezielte Markierung mit Ubiquitin dem proteasomalen Abbau zuführt. Die Ultima-Ratio-Therapie von Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz ist bis heute die Herztransplantation. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Spenderherzen ist die Suche nach Alternativen von außerordentlicher Wichtigkeit. Um mögliche neue Therapiestrategien für Kardiomyopathie und schwere Herzinsuffizienz zu entwickeln, ist es deshalb von zentraler Bedeutung das UPS im humanen Myokard zu charakterisieren, um die Zusammenhänge zwischen dem UPS und der Herzmechanik genauer zu verstehen und auf diese therapeutisch einwirken zu können. Die vorliegende Arbeit untersuchte erstmalig das UPS bei fortgeschrittener ischämischer (ICM) und dilatativer Kardiomyopathie (DCM), den beiden häufigsten Indikationen für eine Herztransplantation. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit die Funktionsweise des UPS anhand spezifischer Marker genauer untersucht. Zu den untersuchten UPS-Komponenten zählen die Aktivität des Proteasoms, die Ubiquitinierung und die E1-E2-E3-Enzymkaskasde, über die eine Ubiquitinierung erfolgt. Für die Untersuchungen wurden Myokardproben von n=24 ICM- und n=28 DCM-Patienten verwendet, welche im Rahmen der Implantation eines linksventrikulären Herzunterstützungssystems gewonnen wurden. Als Kontrolle (n=12) diente Septumgewebe aus Morrow-Resektionen von Patienten mit Aortenstenose jedoch ohne diagnostizierte hypertrophe Kardiomyopathie und ohne Subaortenstenose. Mittels Western-Blot-Analysen wurde die Ubiquitinierung von Proteinen, die Aktivität der E3-Ligasen Muscle RING-finger protein-1 (MuRF-1) und Muscle atrophy F-box (MAFbx) sowie der Ubiquitin-Linker K48 (Proteasomaler Abbau) und K63 (Autophagie-assoziiierte Prozesse) untersucht. Weiterhin wurde die Aktivität des Trypsin- und Chymotrypsin-ähnlichen katalytischen Zentrums des Proteasoms quantifiziert. Die Aktivität der Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH)-Oxidase wurde ermittelt, um Rückschlüsse auf die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ziehen zu können. Des Weiteren wurde die Ubiquitinierung sowie das Auftreten möglicher apoptotischer Vorgänge durch den Nachweis des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) analysiert. ICM- und DCM-geschädigtes Myokard wies deutliche Unterschiede bezüglich verschiedener Komponenten des UPS auf. In ICM- und DCM-Gewebe konnte eine Abnahme des zellulären, freien Ubiquitins im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden (p=0,05). ICM-geschädigtes Myokard wies darüber hinaus einen geringen Anteil von Zellen mit Ubiquitin-positiven Ablagerungen, sogenannten Deposits, auf (p=0,03). Die Multi-Ubiquitinierung von Proteinen war im Myokardgewebe von DCM-Patienten deutlich verringert (p=0,02), die Proteinubiquitinierung über K48 und K63 jedoch zwischen den Gruppen vergleichbar. Eine Quantifzierung der verschiedenen katalytischen Zentren des Proteasoms zeigte nur einen statistischen Trend für eine verringerte Aktivität des Trypsin-ähnlichen katalytischen zentrums in ICM-geschädigtem Myokard. Die Expression der E3-Ligasen MAFbx und MuRF-1 unterschied sich nicht zwischen den Gruppen. Im Vergleich zur Kontrolle wiesen die Myokardproben der ICM-Patienten eine verringerte NADPH-Oxidase-Aktivität auf (p=0,01), was auf eine verringerte ROS-Produktion hinweist. Jedoch unterschied sich der Anteil AIF-positiver Zellen und damit die Caspase-unabhängige Apoptose nicht zwischen den Gruppen. Die vorliegende Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Aktivität und Expression verschiedener Komponenten des UPS in ICM und DCM unterscheiden. Deshalb liefern die vorliegenden Daten verschiedene Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen für die Herzinsuffizienz, um den Bedarf an Spenderherzen zukünftig senken zu können:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Kardiomyopathien 1 1.1.1 Dilatative Kardiomyopathie 4 1.1.2 Ischämische Kardiomyopathie 5 1.2 Kardiales Remodeling 6 1.3 Das Ubiquitin-Proteasom-System 8 1.3.1 Das Proteasom 9 1.3.2 Ubiquitin 10 1.3.3 E1-E2-E3-Enzymkomplex 10 1.3.4 Deubiquitinasen (DUBs) 12 1.4 Therapie 13 2 Zielsetzung 14 3 Material 15 4 Methoden 23 4.1 Probengewinnung 23 4.1.1 Probengewinnung bei LVAD-Implantation 23 4.1.2 Probengewinnung im Rahmen von Morrow-Resektionen 24 4.2 Verarbeitung der Proben 25 4.3 Proteinextraktion und Bestimmung der Proteinkonzentration 26 4.4 Auftrennung von Proteinen durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese 27 4.5 Western-Blot 28 4.6 Immunhistologische Färbungen 30 4.6.1 Ubiquitin-Färbung 30 4.6.2 Färbung des Apoptose-induzierenden Faktors AIF 31 4.6.3 Hämatoxylin/Eosin-Färbung 31 4.7 Proteasomaktivitätsmessung 32 4.8 NADPH-Oxidase-Aktivitätsmessung 33 4.9 Statistik 34 5 Ergebnisse 35 5.1 Translation von Proteinen 35 5.2 Proteasomaktivität 36 5.3 Expression der E3-Ligasen 38 5.4 Ubiquitinierung 39 5.5 Oxidativer Stress und Apoptose 45 6 Diskussion 49 7 Zusammenfassung 60 8 Literaturverzeichnis 61 9 Abkürzungsverzeichnis 67 10 Abbildungsverzeichnis 69 11 Tabellenverzeichnis 70 Eigenständigkeitserklärung 71 Lebenslauf 72 Danksagung 73

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist das wichtigste System für den Abbau von nicht mehr benötigten oder beschädigten Proteinen innerhalb der eukaryotischen Zelle und ist somit an der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase beteiligt. Ein Abfall der proteasomalen Aktivität führt zu intrazellulärem Stress. Die Zelle wirkt diesem Abfall entgegen, indem sie die proteasomalen Gene verstärkt exprimiert und dadurch die Neubildung von 26S Proteasomen bewirkt. Während in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae mit Rpn4 der Transkriptionsfaktor für die verstärkte Expression identifiziert wurde, war dieser in Säugetieren noch nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit konnte TCF11 (transcription factor 11) als der verantwortliche Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der in der humanen Endothelzelllinie Ea.hy926 die Transkription der proteasomalen Gene nach Proteasominhibition induziert. Unter physiologischen Bedingungen ist TCF11 ein N-glykosyliertes ER-ständiges Membranprotein, welches durch die ER-assoziierte Protein Degradation, unter der Mitwirkung des E3-Enzyms HRD1 und der AAA-ATPase p97, schnell abgebaut wird. Nach der Proteasominhibition kommt es zur Akkumulation von oxidierten Proteinen, und TCF11 wird aktiviert und in den Zellkern transportiert. Im Zellkern bindet TCF11 an AREs (antioxidant response element) in den proteasomalen Promotoren und aktiviert dadurch die Transkription der proteasomalen Gene. Darüber hinaus reguliert TCF11 auch die Expression von zahlreichen Enzymen, die die Ubiquitinierung von Proteinen katalysieren. Dadurch wird die zelluläre Homöostase wiederhergestellt und TCF11 sehr wahrscheinlich durch die neu gebildeten Proteasomen abgebaut. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen auf, dass die Integrität des UPS nach Proteasominhibition in der humanen Endolthelzelllinie Ea.hy926 über einen TCF11 abhängigen Rückkopplungsmechanismus aufrechterhalten wird. / The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is the most important system for regulated protein degradation in eukaryotes. Therefore it is involved in the regulation of cellular homeostasis. Reduced proteasome activity results in proteotoxic stress. To counteract for reduced proteasome activity, eukaryotic cells enhance proteasome gene expression, which results in formation of new 26S proteasomes and recovery of physiological conditions. While in bakers yeast Saccharomyces cerevisiae the transcription factor Rpn4 is responsible for enhanced proteasome gene expression in response to proteasome inhibition, in mammals the responsible transcription factor was unknown. In this thesis, transcription factor TCF11 (transcription factor 11) was identified as a key regulator for 26S-proteasome formation in the human cell line Ea.hy926 to compensate for reduced proteolytic activity. Under non-inducing conditions N-glycosylated TCF11 resides in the endoplasmic reticulum (ER) membrane, where TCF11 is targeted to ER-associated protein degradation system requiring the E3-ubiquitin ligase HRD1 and the AAA-ATPase p97. Proteasome inhibitors trigger the accumulation of oxidant-damaged proteins, and promote the nuclear translocation of TCF11 from the ER, permitting activation of proteasome gene expression by binding of TCF11 to antioxidant response elements (ARE) in their promoter regions. Furthermore TCF11 controlls the expression of additional UPS-related genes. Thus the transcriptional feedback loop regulating human proteasome dependent protein degradation to counteract proteotoxic stress caused by proteasome inhibition was uncovered.

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Es ist bekannt, dass eine diabetische Stoffwechsellage über einen gesteigerten Proteinabbau zu einer Muskelatrophie führen kann. Ein zentrales System beim Abbau von Muskelproteinen ist hierbei das Ubiquitin-Proteasom-System mit seinen zwei spezifischen E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss einer Hyperglykämie auf die Expression von Proteinen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im Skelett- und Herzmuskel zeit- und konzentrationsabhängig zu untersuchen. Insbesondere stand die Expression der E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx sowie die daraus folgende Auswirkung auf die Protein-Ubiquitinylierung im Fokus der Untersuchungen. Weiterhin sollte der Einfluss der Hyperglykämie auf die Apoptoserate von Skelett- und Herzmuskelzellen analysiert werden. Seit Kurzem stehen die GLP-1-Analoga als neue Antidiabetika für die Therapie des Diabetes mellitus Type II zur Verfügung. Da in Studien bereits positive Effekte der GLP-1-Analoga am Herzmuskel festgestellt wurden, sollte in der vorliegenden Studie geprüft werden, ob das GLP-1-Analogon Liraglutid die Veränderungen am Herzmuskel beeinflussen kann. Um die Fragestellungen zu klären, wurden verschiedene Untersuchungen in der Zellkultur durchgeführt. Skelettmuskel Myoblasten (undifferenzierte C2C12-Zellen), Skelettmuskel Myotuben (differenzierte C2C12-Zellen) und neonatale Rattenkardiomyozyten wurden unterschiedlichen Glukosekonzentrationen (5mM, 12mM, 25mM) für 24 oder 72 Stunden ausgesetzt. Die Herzmuskelzellen wurden zusätzlich in den Glukosekonzentrationen unter Zusatz von 12 mg/ml Liraglutid für 72h inkubiert. Die Expression der E3-Ligasen wurde mit qRT-PCR (MuRF-1 und MAFbx) und Western Blot (MuRF-1) quantifiziert. Die Poly-Ubiquitinylierung wurde mittels Western Blot bestimmt. Unter Verwendung des Cell Death Detection ELISA (Roche Diagnostics) wurde die Apoptoserate evaluiert. Die Inkubation von Skelett- und Herzmuskelzellen für 24 h mit hyperglykämischen Medium hatte kaum einen Einfluss auf die Expression von MuRF-1 und MAFbx sowie die Apoptoserate. Bei einer Inkubationszeit von 72 h konnten signifikante Erhöhungen bei 25mM Glukose für MuRF-1, MAFbx, der Poly-Ubiquitinylierung und der Apoptoserate in Skelett und Herzmuskelzellen festgestellt werden. Diese Anstiege konnten durch den Zusatz von Liraglutid beim Herzmuskel verhindert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie konnten zeigen, dass eine Hyperglykämie in der Zellkultur nach 72 h die Expression von zwei wichtigen Ubiquitin-E3-Ligasen sowie die Steigerung der Apoptoserate induzieren kann und dass dies durch Liraglutid am Herzmuskel verhindert werden kann. Diese Vorgänge können eventuell den Proteinverlust bzw. die Muskelatrophie beim Diabetes mellitus zum Teil erklären. Durch die positive Beeinflussung von Liraglutid an den Herzmuskelzellen könnte sich hier ein therapeutisches Potential zur Muskelatrophiebehandlung ergeben.

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) stellt eines der wichtigsten zellulären Abbausysteme dar. Es vermittelt die Degradation fehlgefalteter, beschädigter sowie regulatorischer Proteine. Folglich ist es essentiell für die Proteinqualitätskontrolle und für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Eine Störung des UPS steht im engen Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen und malignen Tumoren. Adaptive Mechanismen ermöglichen es der Zelle das UPS an den stetig schwankenden Bedarf proteolytischer Aktivität anzupassen. So wirkt eine erhöhte Expression proteasomaler Gene einem Abfall der proteasomalen Aktivität entgegen. Der Transkriptionsfaktor TCF11/Nrf1 wurde hierbei als Hauptregulator identifiziert. Unter physiologischen Bedingungen ist TCF11/Nrf1 in der ER-Membran lokalisiert und wird über das ER-assoziierte Degradationssystem (ERAD) abgebaut. In Antwort auf Proteasominhibition wird der Transkriptionsfaktor aktiviert und in den Nukleus transferiert. Hier vermittelt er durch Bindung der regulatorischen antioxidative response elements die Genexpression proteasomaler Untereinheiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass es sich bei diesem autoregulatorischen Rückkopplungsmechanismus um einen generellen adaptiven Regulationsmechanismus in Mammalia handelt. Zudem ergaben weitere Untersuchungen, dass der durch Proteasominhibition hervorgerufene oxidative Stress, die TCF11/Nrf1-vermittelte Aktivierung der Genexpression fördert. Die induzierende Wirkung von oxidativem Stress wurde ferner unter Verwendung des Pro-Oxidans Rotenon bekräftigt. Dieses Neurotoxin induziert die TCF11/Nrf1-abhängige Transkription proteasomaler Untereinheiten und folglich die Neubildung aktiver Proteasomkomplexe. Der Transkriptionsfaktor förderte ferner die Zellviabilität Rotenon-behandelter SH-SY5Y Zellen. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die TCF11/Nrf1-vermittelte Genexpression proteasomaler Untereinheiten bedeutend für die Aufrechterhaltung der Redox- sowie der Protein Homöostase ist. / The ubiquitin proteasome system (UPS) represents a major protein degradation machinery. It facilitates the degradation of misfolded and damaged as well as regulatory proteins, thereby ensuring protein quality control and regulation of various cellular processes. Disturbances of the UPS are strongly associated with neurodegeneration and cancer. Adaptive mechanisms enable the cell to deal with changing demand in proteolytic activity. A rise in proteasomal gene expression compensates for decreased proteasomal activity. This adaption is mainly regulated by the transcription factor TCF11/Nrf1. Under unstressed conditions TCF11/Nrf1 resides in the ER-membrane where it is degraded via the ER-associated protein degradation system (ERAD). Proteasome inhibition causes the nuclear translocation of TCF11/Nrf1. In the nucleus, it mediates the gene expression of proteasomal subunits by interacting with their regulatory antioxidant response elements. Within this thesis, it was shown, that this autoregulatory feedback loop represents a general adaptive mechanism in mammalian cells. Moreover, experiments using antioxidative compounds revealed, that the oxidative stress induced by proteasomal inhibition promotes the TCF11/Nrf1-dependent proteasomal gene expression. The inducing effect of oxidative stress was verified using the pro-oxidant rotenone. This neurotoxin activates the transcription of the proteasomal genes resulting in the formation of newly synthesised, active proteasome complexes. Thus, TCF11/Nrf1 exerts a cytoprotective function in response to oxidative and proteotoxic stress in SH-SY5Y cells. In conclusion, this thesis revealed that TCF11/Nrf1-dependent induction of the proteasome expression promotes the maintenance of the redox as well as protein homeostasis.

Die effiziente Präsentation von Tumorepitopen stellt einen kritischen Faktor zur Eliminierung von Tumorzellen durch die CD8+ cytotoxische T-Lymphozyten (CTL) vermittelte Immunantwort dar. Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang die effiziente Generierung von Tumorepitopen durch das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS). Veränderungen von Komponenten des UPS, die an der Degradation und Prozessierung von Antigenen beteiligt sind, können daher zur Immunevasion von Tumorzellen gegenüber CTL führen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei unterschiedliche UPS-assoziierte Immunevasionsmechanismen des malignen Melanoms identifiziert, die auf einer ineffizienten Präsentation des immundominanten Tumorepitops Melan-A26-35 basieren. Ein Mechanismus beruht auf den unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften von Proteasomsubtypen, deren Expression durch INFgamma induziert wird. Proteasomen, die einerseits die Immunountereinheiten beta1i und/oder beta2i beinhalten, oder anderseits mit dem Proteasomaktivator 28 (PA28) assoziiert sind, führen zu einer drastisch reduzierten Generierung des Tumorepitops Melan-A26-35. In beiden Fällen ist dies auf eine ineffiziente Prozessierung des N-Terminus des Epitops zurückzuführen. Der andere Immunevasionsmechanismus steht im Zusammenhang mit der ER-assoziierten Degradation (ERAD), die den retrograden Transport von Proteinen aus dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) ins Cytosol zur proteasomalen Degradation beinhaltet. Durch Immunselektion mittels Melan-A26-35-spezifischen CTL wurden cytolyseresistente Melanomzellen identifiziert, deren Resistenz auf eine defiziente ER-assoziierte Degradation zurückzuführen ist. Dieser Defekt beruht auf einer verminderten Expression von ERAD-Komponenten, deren Reduktion die Verfügbarkeit des Antigens Melan-A zur proteasomalen Degradation und Generierung des immundominanten Epitops Melan-A26-35 wesentlich limitiert. / Efficient presentation of tumor epitopes by MHC class I molecules on the cell surface is a prerequisite for the elimination of tumor cells by cytotoxic CD8+ T lymphocytes. The generation of these epitopes requires the degradation and processing of proteins by the ubiquitin proteasome system (UPS). Therefore alterations of UPS components can lead to tumor escape from immune recognition as a result of decreased epitope generation. In the present thesis two different UPS connected immune escape mechanisms of melanoma cells were identified. Both are based on an impaired generation of the immunodominant epitope Melan-A26-35 derived from Melan-A/MART-1 tumor antigen. One mechanism is mediated by the expression of different INFgamma-inducible proteasome immunosubunits leading to the formation of intermediate proteasome subtypes, which differ in their cleavage site preferences. Purified proteasomes harboring the immunosubunits beta1i and/or beta2i show a dramatic decrease in the generation of the Melan-A26-35 epitope. In addition, the INFgamma induced association of proteasomes with the proteaosome activator 28 (PA28) results in a reduced epitope generation. Both mechanisms are induced by an inefficient processing of the epitope’s N-terminus. The second immune escape mechanism is caused by defects of the ER-associated degradation pathway (ERAD). ERAD mediates the transport of ER-proteins back to the cytosolic compartment for proteasomal degradation. Via immunselection of tumor cells with Melan-A26-35 specific CTL, cytolysis resistant cells were identified. Resistance to CTL mediated lysis was shown to be connected to a decreased expression of ERAD components. This defect of the ERAD pathway limits the availability of the Melan-A protein and as consequence the generation of the immunodominant Melan-A26-35 epitope by proteasomes.

Im Kampf gegen eine Virusinfektion spielen CD8+ T Zellen des adaptiven Immunsystems eine besondere Rolle. Sie patroullieren im Körper und entdecken spezifische Virusepitope, welche mittels MHC Klasse I Molekülen auf der Oberfläche infizierter Zellen präsentiert werden. Wird eine virus-infizierte Zelle erkannt, kann diese schnell und effizient eliminiert. Für die Generierung viraler Peptide, welche auf MHC Klasse I Komplexe geladen werden, ist das Ubiquitin-Proteasom-System von essentieller Bedeutung. Kürzlich wurden weitere Funktionen des Immunoproteasoms aufgedeckt wie zum Beispiel der Schutz gegen oxidativen Stress. Innerhalb der vorliegenden Arbeit konnte die Fähigkeit des Immunoproteasoms gegen eine Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine zu schützen mit der Generierung von MHC Klasse I Liganden kombiniert und neu interpretiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass während einer Virusinfektion in Nicht-Immunzellen die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies durch die alternative NADPH Oxidase Nox4 eine bedeutende Rolle spielt. Die Aktivierung von Nox4 resultiert in der Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine. Innerhalb von zwei Stunden nach dem Eintreten von Viruspartikeln in die Zellen wurden strukturelle Virusproteine oxidiert und anschließend ubiquityliert. Die gleichzeitige, virus-induzierte Expression von Immunoproteasomen führte zu einem schnellen und effizienten Abbau ubiquitylierter Virusantigene. Infolgedessen konnten immundominante Virusepitope vermehrt freigesetzt werden. Folglich wurde ein soweit unbekannter Mechanismus gefunden, welcher Substrate für das Proteasom zur Generierung von MHC Klasse I Liganden bereitstellt. Zusammenfassend konnte innerhalb dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Immunoproteasom den Schutz vor oxidativen Stress mit der Generierung antigener Peptide verbindet, wodurch eine effektive adaptive Immunantwort etabliert werden kann. / An efficient immune control of virus infection is predominantly mediated by CD8+ T cells which patrol through the body and eliminate infected cells. Infected cells are recognized when they present viral antigenic peptides on their surface via MHC class I molecules. To make antigenic peptides available for loading on MHC class I complexes, the ubiquitin proteasome system plays a crucial role. Moreover, the induction of the i-proteasome is known to support the generation of MHC class I ligands. Recently, new functions of the i-proteasome have been discovered. Evidence is increasing that the i-proteasome is involved in the protection of cells against oxidative stress. Within this thesis the characteristic of the i-proteasome to protect cells against the accumulation of oxidant-damaged proteins could be linked to its role in improving the generation of MHC class I ligands. It could be demonstrated that during a virus infection in non-immune cells the production of reactive oxygen species by the alternative NADPH oxidase Nox4 is of critical importance resulting in the accumulation of potentially toxic oxidant-damaged proteins. Indeed, within two hours of infection structural virus proteins were oxidized and subsequently poly-ubiquitylated. The concomitant formation of i-proteasomes led to a rapid and efficient degradation of ubiquitylated virus antigens thereby improving the liberation of immunodominant viral epitopes. In conclusion, a so far unknown mechanism to fuel proteasomal substrates into the MHC class I antigen presentation pathway has been revealed. A new protein pool consisting of exogenously delivered viral proteins provides proteasomal substrates in the very early phase of a virus infection. Within the scope of this thesis the i-proteasome has been shown to link the protection against oxidative stress, initiated directly by pathogen recognition, with the generation of antigenic peptides. Together, an effective adaptive immune response is triggered.

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Es ist bekannt, dass eine diabetische Stoffwechsellage über einen gesteigerten Proteinabbau zu einer Muskelatrophie führen kann. Ein zentrales System beim Abbau von Muskelproteinen ist hierbei das Ubiquitin-Proteasom-System mit seinen zwei spezifischen E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss einer Hyperglykämie auf die Expression von Proteinen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im Skelett- und Herzmuskel zeit- und konzentrationsabhängig zu untersuchen. Insbesondere stand die Expression der E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx sowie die daraus folgende Auswirkung auf die Protein-Ubiquitinylierung im Fokus der Untersuchungen. Weiterhin sollte der Einfluss der Hyperglykämie auf die Apoptoserate von Skelett- und Herzmuskelzellen analysiert werden. Seit Kurzem stehen die GLP-1-Analoga als neue Antidiabetika für die Therapie des Diabetes mellitus Type II zur Verfügung. Da in Studien bereits positive Effekte der GLP-1-Analoga am Herzmuskel festgestellt wurden, sollte in der vorliegenden Studie geprüft werden, ob das GLP-1-Analogon Liraglutid die Veränderungen am Herzmuskel beeinflussen kann. Um die Fragestellungen zu klären, wurden verschiedene Untersuchungen in der Zellkultur durchgeführt. Skelettmuskel Myoblasten (undifferenzierte C2C12-Zellen), Skelettmuskel Myotuben (differenzierte C2C12-Zellen) und neonatale Rattenkardiomyozyten wurden unterschiedlichen Glukosekonzentrationen (5mM, 12mM, 25mM) für 24 oder 72 Stunden ausgesetzt. Die Herzmuskelzellen wurden zusätzlich in den Glukosekonzentrationen unter Zusatz von 12 mg/ml Liraglutid für 72h inkubiert. Die Expression der E3-Ligasen wurde mit qRT-PCR (MuRF-1 und MAFbx) und Western Blot (MuRF-1) quantifiziert. Die Poly-Ubiquitinylierung wurde mittels Western Blot bestimmt. Unter Verwendung des Cell Death Detection ELISA (Roche Diagnostics) wurde die Apoptoserate evaluiert. Die Inkubation von Skelett- und Herzmuskelzellen für 24 h mit hyperglykämischen Medium hatte kaum einen Einfluss auf die Expression von MuRF-1 und MAFbx sowie die Apoptoserate. Bei einer Inkubationszeit von 72 h konnten signifikante Erhöhungen bei 25mM Glukose für MuRF-1, MAFbx, der Poly-Ubiquitinylierung und der Apoptoserate in Skelett und Herzmuskelzellen festgestellt werden. Diese Anstiege konnten durch den Zusatz von Liraglutid beim Herzmuskel verhindert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie konnten zeigen, dass eine Hyperglykämie in der Zellkultur nach 72 h die Expression von zwei wichtigen Ubiquitin-E3-Ligasen sowie die Steigerung der Apoptoserate induzieren kann und dass dies durch Liraglutid am Herzmuskel verhindert werden kann. Diese Vorgänge können eventuell den Proteinverlust bzw. die Muskelatrophie beim Diabetes mellitus zum Teil erklären. Durch die positive Beeinflussung von Liraglutid an den Herzmuskelzellen könnte sich hier ein therapeutisches Potential zur Muskelatrophiebehandlung ergeben.

Das Ubiquitin-Proteasom-System ist an der Degradation cytosolischer Proteine und der Generierung von Antigenen beteiligt, die über MHC Klasse I Moleküle CD8+ T Zellen präsentiert werden. Die Antigenprozessierung wird durch Typ I und II Interferone beeinflusst, welche die Formierung des Immunoproteasoms und des Proteasomen-Aktivators PA28 induzieren und so die katalytische Aktivität des Ubiquitin-Proteasom-Systems qualitativ verändern. In der vorliegenden Arbeit wurde im Zellkulturmodell unter dem Einfluss von IFN gamma die zunehmende Inkorporation der Immunountereinheiten in de novo assemblierende 20S Proteasomen und die daraus resultierende Veränderung der proteolytische Aktivität untersucht. Die Inkorporation der Immunountereinheiten wurde mittels 2D Gelelektrophorese und Western Blots von 20S Proteasomen untersucht, die nach unterschiedlicher Stimulationsdauer mit IFN gamma aus HeLa Zellen isoliert wurden. Es konnte gezeigt werden, dass innerhalb der ersten 24h einer IFN gamma Stimulation die strukturelle Heterogenität des zellulären Proteasomenpools zunimmt, indem sowohl intermediäre als auch Immunoproteasomen assemblieren. In der Nativ-PAGE von Lysaten IFN gamma stimulierter Zellen wurde eine Zunahme des 20S Proteasoms als freier Komplex und in Assoziation mit PA28 beobachtet, während die Menge des zum ATP-abhängigen Abbau von polyubiquitinierten Proteinen notwendigen 26S Proteasoms unverändert blieb. Die Stimulation mit IFN gamma hatte eine Steigerung der gesamtproteasomalen Aktivität zur Folge, die unter Inhibition der Interaktion zwischen 20S Proteasom und PA28 verzögert erfolgte. Die katalytischen Eigenschaften isolierter Proteasomen wurden anhand der Generierung eines immunrelevanten Hepatitis C CTL Epitops des viralen Core Proteins in vitro untersucht. Im Verlauf der IFN gamma Stimulation de novo assemblierte Proteasomen wiesen jeweils unterschiedliche Präferenzen für die Generierung des untersuchten CTL Epitops auf. Eine weitere, proteasomen-spezifische Änderung der katalytischen Aktivität bewirkte die Assoziation des Proteasomen-Aktivators. Innerhalb der ersten zwölf Stunden einer IFN gamma Stimulation wurde das Epitop vermehrt mit der Unterstützung des Proteasomen-Aktivators generiert, nach 24 Stunden zunehmend durch freies 20S Proteasom. Die Ergebnisse der vorgestellten Arbeit zeigen, dass Strukturvarianten des Proteasoms zusammen mit PA28 redundant funktionieren und eine hohe proteolytische Plastizität des UPS gewährleisten. / The ubiquitin proteasome system is responsible for the degradation of cytosolic proteins and the processing of MHC class I restricted antigens. The generation of these antigens is influenced by type I and II interferons which induce the expression of immunoproteasomes and the proteasome activator PA28; and thereby impact the quality of peptides processed by the proteasome system. The adoption of the proteasome system to a proinflammatory environment has been investigated in a cell culture model by isolating proteasomes after different stages of IFN gamma stimulation. The composition of isolated proteasomes was analysed by 2D PAGE and western blot approach. The presented work shows that within 24h of IFN gamma stimulation an increasing heterogeneity of the cellular proteasome pool is observed, resulting from the assembly of both intermediate type proteasomes and immunoproteasomes at the early stage of IFN gamma stimulation. It could be shown by native PAGE of HeLa cell lysates that IFN gamma induces increasing amounts of 20S proteasomes and PA28 associated proteasomes without decreasing the amount of 26S proteasomes that are necessary for the ATP dependent degradation of ubiquitinated proteins; and resulting in an enhanced total proteasomal activity in vitro. This increase in activity was delayed when the interaction of 20S proteasomes and PA28 was inhibited. A comparative analysis of the ability of isolated 20S proteasomes to generate a known hepatitis C virus derived CTL epitope in vitro proved that during early IFN gamma stimulation de novo assembled proteasomes exhibited a structure specific preference to generate the HCV CTL epitope either alone or in combination with the proteasome activator PA28. Within the first 12h of IFN gamma stimulation the epitope was generated with higher efficiency by 20S proteasomes in association with PA28, whereas after 24h the impact of PA28 on the proteasome pool was less pronounced. The presented work shows that IFN gamma induces a heterogeneity of 20S proteasomes in the early stage of stimulation, acting in combination with the proteasome activator in a redundant manner; and provides a high proteolytic placticity of the proteasome system.