Hypertrophie bezeichnet eine zelluläre Anpassungsleistung, die durch vermehrte Arbeitsbelastung ausgelöst wird und durch Zunahme von Zellgröße und Proteinsynthese sowie durch Veränderungen der Genexpression bei konstanter Zellzahl gekennzeichnet ist. Beim Ubiquitin-Proteasom-System handelt es sich um den wichtigsten intrazellulären Proteinabbaumechanismus eukaryontischer Zellen. Darüber hinaus spielt es eine wichtige Rolle im regulierten Abbau zellulärer Signalmediatoren und Transkriptionsfaktoren. In einem Hypertrophiemodell mit neonatalen Rattenkardiomyozyten wurde die Wirkung von Proteasominhibitoren auf die Ausbildung einer Hypertrophie untersucht. Behandlung mit Proteasominhibitoren (MG132, MG262) führte dabei zu einer dosisabhängigen Reduktion des Effekts der eingesetzten hypertrophieinduzierenden Agonisten (Isoproterenol, Angiotensin II, Phenylephrin). So konnte mit Hilfe morphometrischer Analysen Phalloidin-gefärbter Kardiomyozyten eine Verringerung des Zellwachstums gezeigt werden. Western Blots belegten eine verringerte Expression von Hypertrophiemarkerproteinen (beta-myosin heavy chain, alpha-sarcomeric actin, alpha-smooth muscle actin). Analog zu diesen Befunden konnte in einem Reportergenassay die Abnahme der Expression des brain natriuretic peptide (BNP) gezeigt werden. Eine reduzierte RNA- und Proteinsynthese konnte mit Hilfe der Inkorporation radioaktiver Substrate nachgewiesen werden. Als Nachweis für die effiziente Inhibition des Proteasoms durch MG132 dienten Western Blots akkumulierter, polyubiquitinierter Proteine, die reduzierte proteasomale Degradation fluorogener Substrate sowie die Akkumulation eines grün fluoreszierenden Proteins nach Transfektion mit einem Ubiquitin-GFP-Konstrukt. Als mögliche Mechanismen des antihypertrophen Effekts der Proteasominhibitoren konnten eine verringerte Aktivierbarkeit der MAP Kinasen ERK 1/2 (Western Blots) sowie eine reduzierte Aktivität des Transkriptionsfaktor NFkappaB (Reportergenassay) identifiziert werden. / Myocardial hypertrophy is an important adaptive response of the heart to increased workload. It is characterized by an increase in cell size and protein synthesis, and alterations in gene expression. The ubiquitin-proteasome-system is the major pathway for intracellular protein degradation in eucaryotic cells. It plays a major role in the regulated degradation of central signal mediators and transcription factors. In a model system of neonatal rat cardiomyocytes we investigated the effects of proteasome inhibitors on myocardial hypertrophy. Treatment with specific proteasome inhibitors reduced the hypertrophic effects of all used agonists (e.g. isoproterenol, phenylephrin) dose-dependently: 0.05-1 µM MG132 resulted in a marked reduction of cell size as determined by morphometric analysis of phalloidin-stained myocytes. Moreover, western blot analysis showed a concentration-dependently reduced expression of hypertrophic marker proteins (beta-myosin heavy chain, alpha-sarcomeric actin, alpha-smooth muscle actin). This correlated well with a suppressed expression of brain natriuretic peptide in reportergene assays. Reduced RNA and protein synthesis was determined by incorporation of radioactively labeled substrates. Efficient inhibition of the proteasome by MG132 was confirmed by increased accumulation of multi-ubiquitinated proteins in western blot analysis, by reduced degradation of fluorogenic substrates and by accumulation of a ubiquitin-conjugated variant of the green fluorescent protein. Suppression of cardiomyocyte hypertrophy by proteasome inhibition corresponded to reduced ERK 1/2 activation (determined by phospho-specific antibodies) and decreased NFkappaB activation (determined by luciferase assays).

Das Dorsalgefäß von Drosophila ist ein wertvolles Modellsystem für die Untersuchung der genetischen und molekularen Mechanismen der Kardiogenese. Ein Schlüsselereignis der Kardiogenese ist die Bildung eines Herzlumens, durch das die Hämolymphe gepumpt wird, um Nährstoffe und Zellen des angeborenen Immunsystems zu zirkulieren. Ein Schwerpunkt meiner Arbeit umfasste die Identifizierung neuer Gene, die im embryonalen Dorsalgefäß von Drosophila exprimiert sind. Dafür habe ich die Expression von 101 Genen, deren Orthologe spezifisch im Herzen von Zebrafisch exprimiert sind, in Drosophila untersucht. Ich identifizierte ein Gen, das für das Cbl-assoziierte Protein (CAP) kodiert. Durch Herstellung eines anti-CAP Antikörpers konnte ich erstmals eine detaillierte Lokalisation des CAP-Proteins im Dorsalgefäß beschreiben. Interessanterweise stellte sich dabei heraus, dass CAP ähnlich wie die homologen Vertebraten Proteine embryonal an den fokalen Adhäsionskontakten der Kardioblasten und im adulten Dorsalgefäß auch an den Z-Scheiben und den Zell-Zell-Kontaktstellen der Kardiomyozyten lokalisiert ist. Des Weiteren untersuchte ich, welche Auswirkungen der Verlust der CAP Funktion auf die Herzentwicklung hat. Für die Analyse der CAP-Mutanten nutzte ich neben Immunhistochemischen Methoden auch ultrastrukturelle Analysen mittels TEM-Mikroskopie. So konnte ich zeigen, dass embryonale Dorsalgefäße von CAP-Mutanten eine fehlerhafte Anzahl sowie Anordnung der Kardioblasten und Lumendefekte aufweisen. Ein genetischer Interaktionstest untermauerte meine Vermutung, dass CAP mit dem Integrinsignalweg während der embryonalen Dorsalgefäßentwicklung interagiert. Live-Aufnahmen des pumpenden Dorsalgefäßes von Drosophila L3-Larven und Injektionstests an späten Puppen zeigten zudem, dass der Verlust der CAP Funktion auch zu starken Defekten in der Funktionalität des larvalen und adulten Dorsalgefäßes führt. / The heart of Drosophila provides a valuable model system for the examination of the genetic and molecular mechanisms that guide cardiogenesis. A key event of cardiogenesis is the formation of a heart lumen through which the hemolymph is pumped to circulate nutrients and cells of the innate immune system. A main focus of my work was the identification of new genes that are expressed in the embryonic heart of Drosophila. Therefore I studied the expression of 101 genes, whose orthologues are expressed specifically in the heart of zebrafish. I identified a gene that encodes for the Cbl-associated protein (CAP). By generating an anti-CAP antibody I could describe the localization of the CAP protein in the heart for the first time in detail. Interestingly, it turned out that CAP is located similar to the homologous vertebrate proteins at the focal adhesion contacts of cardioblasts in the embryo and at the Z-discs and the cell-cell contact sites of cardiomyocytes in the adult heart. I also examined the consequences of the loss of CAP function on heart development. For the analysis of the CAP mutants I used immunohistochemical and ultrastructural analysis by TEM microscopy. So I was able to demonstrate that embryonic hearts of CAP mutants show a defective number and arrangement of cardioblasts and lumen defects. A genetic interaction test substantiated my guess that CAP interacts with the Integrin signaling pathway during embryonic heart development. Live recordings of the pumping heart of Drosophila L3 larvae and injection tests of late pupae also showed that the loss of CAP function leads to severe defects in the functionality of the larval and adult heart.