Ulm, Univ., Diss., 2007.

Ulm, Univ., Diss., 2008.

Univ., Diss., 2010--Würzburg.

Frizzled (FZD) are highly conserved receptors that belong to class F of the G protein-coupled receptor (GPCR) superfamily. They are involved in a great variety of processes during embryonic development, organogenesis, and adult tissue homeostasis. In particular, FZD5 is an important therapeutic target due to its involvement in several pathologies, such as tumorigenesis. Nevertheless, little is known regarding the activation of FZD receptors and the signal initiation, and their GPCR nature has been debated. In order to investigate the activation mechanism of these receptors, FRET (Förster Resonance Energy Transfer)-based biosensors for FZD5 have been developed and characterized. A cyan fluorescent protein (CFP) was fused to the C-terminus of the receptor and the specific FlAsH-binding sequence (CCPGCC) was inserted within the 2nd or the 3rd intracellular loop. Single-cell FRET experiments performed using one of these sensors, V5-mFZD5-FlAsH436-CFP, reported structural rearrangements in FZD5 upon stimulation with the endogenous ligand WNT-5A. These movements are similar to those observed in other GPCRs using the same technique, which suggests an activation mechanism for FZD reminiscent of GPCRs. Furthermore, stimulation of the FZD5 FRET-based sensor with various recombinant WNT proteins in a microplate FRET reader allowed to obtain concentration-response curves for several ligands, being possible to distinguish between full and partial agonists. This technology allowed to address the selectivity between WNTs and FZD5 using a full-length receptor in living cells. In addition, G protein FRET-based sensors revealed that WNT-5A specifically induced Gαq activation mediated by FZD5, but not Gαi activation. Other WNT proteins were also able to induce Gαq activation, but with lower efficacy than WNT-5A. In addition, a dual DAG/calcium sensor further showed that WNT-5A stimulation led to the activation of the Gαq-dependent signaling pathway mediated by FZD5, which outcome was the activation of Protein Kinase C (PKC) and the release of intracellular calcium. Altogether, these data provide evidence that the activation process of FZD5 resembles the general characteristics of class A and B GPCR activation, and this receptor also mediates the activation of the heterotrimeric Gαq protein and its downstream signaling pathway. In addition, the FZD5 receptor FRET-based sensor provides a valuable tool to characterize the pharmacological properties of WNTs and other potential ligands for this receptor. / Frizzled (FZD) sind hochkonservierte Rezeptoren welche zur Klasse F der G- Protein-gekoppelte Rezeptor Superfamilie gehören. Diese haben wichtige Funktionen in verschiedenen physiologischen Prozessen wie zum Beispiel Embryonalentwicklung, Organogenese und adulte Gewebe-homöostase. FZD5 ist aufgrund seiner Beteiligung an verschiedenen pathologischen Prozessen wie der Tumorgenese ein wichtiges therapeutisches Ziel. Jedoch ist über die Aktivierung und Signalauslösung der FZD Rezeptoren sehr wenig bekannt und deren GPCR Eigenschaften sind umstritten. Um den Aktivierungsmechanismus dieser Rezeptoren zu untersuchen, wurden FRET (Förster Resonance Energy Transfer)-basierte FZD5 Biosensoren entwickelt und charakterisiert. Ein cyan fluoreszierendes Protein (CFP) wurde an den C-Terminus des Rezeptors fusioniert und die FlAsH-bindende Sequenz (CCPGCC) wurde im 2. oder 3. intrazellulären Loop eingefügt. Einzel-zell FRET Versuche mit dem Sensor V5-mFZD5-FlAsH436-CFP haben gezeigt, dass Stimulation mit dem endogenen Ligand WNT-5A zur FZD5 Konformationsänderungen führt. Diese Konformationsänderungen sind ähnlich wie bei anderen GPCRs, was darauf hinweist, dass der FZD Aktivierungsmechanismus vergleichbar mit dem von GPCRs ist. Außerdem wurde der FZD5 FRET-basierter Sensor mit verschiedenen rekombinierten WNT Proteinen stimuliert und mit einem FRET-Platten Reader gemessen, was die Erstellung von Konzentrations - Wirkungskurven und die Unterscheidung zwischen Voll- und Partialagonisten ermöglichte. Diese Methode erlaubte es, die Selektivität zwischen WNTs und FZD5 mittels des Volllängenrezeptors in lebenden Zellen zu untersuchen. Zudem haben G-Protein FRET-basierte Sensoren gezeigt, dass WNT-5A die FZD5 vermittelte Gαq Aktivierung jedoch nicht die Gαi Aktivierung spezifisch induziert. Andere WNT Proteine können auch die Gαq Aktivierung induzieren aber mit geringerer Effizienz als WNT-5A. Ein doppelter DAG/Calcium Sensor hat zudem gezeigt, dass WNT-5A Stimulation zu einer durch FZD5 vermittelten Aktivierung der Gαq-abhängigen Signaltransduktionkaskade führt, was zur Aktivierung der Protein Kinase C (PKC) und zur Freisetzung intrazellulären Calciums führt. Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit die Ähnlichkeit des FZD5 Rezeptors zur Klasse A und B der GPCRs bezüglich allgemeinen Eigenschaften und Aktivierung verdeutlicht. Zudem vermittelt dieser Rezeptor die Aktivierung der Gαq-abhängigen Signaltransduktionkaskade. Ein FZD5 Rezeptor FRET-basierter Sensor stellt ein wertvolles Werkzeug zur pharmakologischen Charakterisierung der WNTs und anderer potentiellen FZD5 Liganden dar.

Das primäre Offenwinkelglaukom (POWG) ist eine mit typischen Gesichtfeld- und Papillenschäden einhergehende Erkrankung des Auges, die in den westlichen Industrienationen zu den häufigsten Erblindungsursachen zählt. An Glaukom erkrankte Patienten weisen häufig erhöhte Augeninnendruckwerte und gesteigerte TGF-beta 2-Spiegel im Kammerwasser auf. Der Augeninnendruck wird im Wesentlichen durch den Abflusswiderstand des Trabekelmaschenwerks bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Wachstumsfaktors TGF-beta 2 auf das Zytoskelett von menschlichen Trabekelmaschenwerkszellen (HTM) untersucht. Hierbei konnten die bereits bekannten TGF-beta-Effekte, nämlich verstärkte Stressfaserbildung und Zunahme der alpha-SMA- sowie Aktin-Expression bestätigt werden. Bisher unbekannt war die Zunahme der Expression von N-Cadherin und beta-Catenin unter TGF-beta, die Veränderungen der Zell-Zell-Adhäsionen nach sich zieht und damit auch Einfluss auf die biomechanischen Eigenschaften des Trabekelmaschenwerks haben könnte. beta-Catenin ist hierbei auch unter dem Einfluss von TGF-beta nur zu einem geringen Anteil im Zellkern lokalisiert, was mit einer vermehrten Lokalisation von beta-Catenin in Zell-Zell-Verbindungen vereinbar ist. Da vermutlich unter TGF-beta-Stimulation sogar eher weniger beta-Catenin als Mediator für den Wnt-Signalpfad zur Verfügung steht, könnte ein TGF-beta-vermittelter Wnt-Antagonismus eine Rolle in der Entstehung des POWG spielen. Es ist bekannt dass eine Hemmung des Wnt-Signalwegs den Augeninnendruck erhöht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass an der TGF-beta 2-Signalgebung in humanen Trabekelmaschenwerkszellen außer dem klassischen Smad-Weg auch MEK/ERK und PI3K/AKT an der Signalübertragung beteiligt sind. Hierbei sind die TGF-beta-induzierten Änderungen der Zell-Zell-Verbindungen von der Smad- und AKT-Signalgebung abhängig, während die Effekte von TGF-beta auf alpha-SMA über den MEK/ERK-Signalweg vermittelt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen einige neu beobachtete TGF-beta-Effekte im Trabekelmaschenwerk, von denen insbesondere die Veränderungen des Zellskeletts und der Zell-Zell-Verbindungen sowie die möglicherweise stattfindende Depletion des Wnt-Signalweges Bedeutung für die Entstehung des Offenwinkelglaukoms haben könnten. / Primary open angle glaucoma (POAG) is a chronic optic neuropathy with elevated intraocular pressure and ageing as major risk factors. The incidence of POAG is expected to rise in the aging industrial societies. Structural changes in the trabecular meshwork (TM) and elevated TGF-beta 2 levels in the aequous humor have been described in POAG-patients. It has been shown that TGF-beta modulates the amount and the composition of the extracellular matrix and intracellular proteins in the TM. Here we show that TGF-beta 2 modulates the cytosceletal rearrangements and the expression of cadherins in human TM cells. These changes require the canonical Smad-pathway as well as non-canonical signaling by the Pi3K/AKT- and MEK/ERK-pathways. Changes in the cytoskeleton and cell-cell adhesions might influence the mechanotransduction characteristics of TM tissue and thus have effects on the regulation of intraocular pressure with implications in primary open angle glaucoma.

Der Wnt Signalweg spielt eine entscheidende Rolle in der Embryogenese durch Steuerung der Proliferation, Apoptose, Differenzierung und der Festlegung der Körperachsen im frühen Embryo. Eine Fehlregulation des Signalwegs durch Mutationen in einem der Proteine und Gene dieser hochkomplexen Signalkaskade kann fatale Folgen haben, und ist ein erster Schritt auf dem Weg der Krebsentstehung. Dabei spielt das Protein β-Catenin eine Schlüsselrolle im kanonischen Zweig des Wnt Signalwegs. Durch Steuerung seiner Konzentration im Zytoplasma wird die Expression seiner direkten Zielgene reguliert, da β-Catenin im aktiven Signalweg als Co-Transkriptionsfaktor agiert. Durch Sichtbarmachung dieses Proteins durch fluoreszierende Reportergenkonstrukte kann der Aktivitätsstatus des Wnt Signalwegs in der Zelle beobachtet werden. Das ermöglicht zum einen genaue Analysen des Signalwegs, wie zum Beispiel das Studium des Zusammenspiels mit anderen Signalwegen. Vor allem aber erlaubt es die gezielte Suche nach Wnt-Signalwegs-modulierenden Substanzen als potentielle Wirkstoffe in der Krebsmedikamentenentwicklung. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Reportergenkonstrukte für die stabile Transfektion von Zelllinien entwickelt und hinsichtlich eines möglichen Einsatzes sowohl in der Forschung, als auch in Wirkstoffscreenings validiert. Dies umfasst sowohl mehrere Reporter mit β-Catenin als Fusionsprotein, als auch Wnt-Promoter-regulierte eGFP-Reporter, die den Akitvitätsstatus des Wnt-Signalwegs anzeigen. Mit Hilfe dieser Reporter konnten Untersuchungen zur Wirkung des Wnt-Signalwegs auf die Morphologie von transfizierten und nicht-transfizierten MDCK-Zellen durchgeführt werden. Überdies wurde ein promotorregulierter eGFP-Reporter konstruiert, mit welchem transfizierte Zellen mit aktiviertem Wnt-Signalweg aus einem Zellpool gefischt werden können. Diese Methode ist sowohl für den Einsatz in kultivierten Zelllinien, als auch in der Diagnostik nach der Transfektion primärer Zellen geeignet. Auf Grundlage der neuen Zelllinien wurde weiterhin ein neuer Screeningansatz für potentielle Wnt-Signalwegsinhibitoren entwickelt, der auf dem Ausbleichen der Fluoreszenz in einem Well einer Multiwell-Kulturplatte beruht. / The Wnt signaling pathway plays a crucial role in embryogenesis because of its controlling of proliferation, apoptosis, differentiation and defining of the body axes. Mutations in one of the players of this complex pathway are leading to a deregulation, which have fatal consequences in the mentioned fields and are the first steps of a normal cell towards a cancer cell. β-catenin plays a key role in the canonical part of the pathway. Its concentration changes in the cytoplasm regulate the expression of the target genes: when its high concentration leads to a translocation into the nucleus, β-catenin acts as an activator of the transcription complex. By the use fluorescent reporters fused to this protein the activity state of the Wnt signaling pathway can be visualized. This allows the analysis of the pathway and its interaction with others or a specific screen for Wnt modulating substances as potential drugs in the drug development for cancer treatment. In the present doctoral thesis, several reporter constructs were established for transient and stable transfection of cell lines. They were validated regarding to a possible application in drug screening assays and their use for research. In detail this comprises constructs for tracking β-catenin within a living cell as a fusion protein as well as eGFP reporters which are promoter regulated for monitoring the Wnt signaling state. With the help of these reporters several studies were performed: An analysis of the involvement of the Wnt signaling pathway in morphologic changes in MDCK cells, transfected as well as wild-type, was carried out. Further, an eGFP reporter was shown to be able to fish Wnt active cells out of a pool of different cells after transfection. This approach may be applicable as well in cell research as in diagnostics. Based on the newly generated cell lines a novel careening assay approach was established: While bleaching transfected cells, potential Wnt inhibitors may be found and characterized in a screening assay.

Die Knochenhomöostase erfolgt durch das Zusammenspiel mehrerer Zelltypen. Während die Osteoblasten für den Knochenaufbau verantwortlich sind, resorbieren die Osteoklasten Knochengewebe. Beide Vorgänge werden durch die Osteozyten streng reguliert. Eine Störung im strikt regulierten Gleichgewicht zwischen Knochenabbau und Knochenaufbau kann daher zu Knochenkrankheiten wie Osteoporose führen. Auf molekularer Ebene erfolgt die Kommunikation zwischen den einzelnen Zelltypen über zwei wichtige Signalwege, den der „Bone Morphogenetic Protein“-Superfamilie (BMPs) und den der Wnt-Proteine. Die Signalübertragung wird hierbei durch sekretierte Faktoren induziert, die an Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden. Deren Aktivierung führt zu einem intrazellulären Signal, welches letztlich die Expression von Zielgenen reguliert. Beide Signalwege werden auf mehreren Ebenen, extrazellulär, membranständig und intrazellulär reguliert. Das 2003 identifizierte Sclerostin ist ein Vertreter der extrazellulären Regulatorproteine und wurde aufgrund seiner Zugehörigkeit zur DAN-Familie zunächst fälschlicherweise als direkter Inhibitor des BMP-Signalwegs eingestuft. Mittlerweile wird allerdings davon ausgegangen, dass Sclerostin den Wnt-Signalweg negativ reguliert, indem es die Wnt Ko-Rezeptoren LRP5 und LRP6 bindet, die beide zu der Familie der „Low-density lipoprotein receptors“ gehören. Über den molekularen Inhibitionsmechanismus von Sclerostin war jedoch zum Startpunkt dieser Dissertationsarbeit wenig bekannt. Daher wurde Sclerostin im Rahmen dieser Arbeit biophysikalisch und biochemisch charakterisiert. Die Aufklärung mittels NMR-Spektroskopie ergab für Sclerostin eine Struktur, die sich in drei Regionen gliedert: den Cystinknoten, sowie einen „Loop“-Bereich und die Fingerregion. Vom zentralen Cystinknoten gehen drei Peptid-Schleifen in zwei entgegengesetzte Richtungen aus. Schleife eins und drei bilden eine definierte ß-Faltblattstruktur und ähneln zwei Fingern einer Hand. Die zweite Schleife, welche vom Cystinknoten isoliert in die entgegengesetzte Richtung verläuft („Loop“), ist wie die beiden langen N- und C-Termini flexibel und unstrukturiert. Die in Zusammenarbeit mit der Firma AbD-Serotec entstandenen Fab-Fragmente ermöglichten die Bestimmung des Bindeepitops der Sclerostin/LRP5-Interaktion im Bereich der unstrukturierten dritten Schleife von Sclerostin. Die Struktur von Sclerostin und die Identifikation des Bindeepitops auf Sclerostinseite geben nun erste Einblicke in den molekularen Mechanismus der Sclerostin/LRP5-Interaktion. Diese Kenntnis kann für die Entwicklung von Kleinmolekülinhibitoren mittels rationalem Drugdesign genutzt werden, welche, wie auch der in Kooperation entwickelte die Sclerostinaktivität neutralisierende Antikörper AbD09097, hochinteressante Ansätze für neuartige anabole Therapien von Krankheiten mit Knochenschwund darstellen. / Different cell types like osteoblasts, osteoclasts and osteocytes maintain bone homeostasis. While osteoblasts build up bone, osteoclasts resorb bone tissue and both actions are tightly regulated by the osteocytes. Imbalance between bone formation and resorption will lead to various bone diseases, e.g. osteoporosis. On a molecular level communication between these cell types occurs through two major signalling pathways, i.e. the bone morphogenetic proteins (BMPs) and the Wnt-factors. In both pathways signal transduction is induced by secreted factors, which bind to cell surface receptors. This activation leads to an intracellular signal that finally regulates expression of target genes. Both pathways are tightly regulated at various cellular levels, extracellular, at the membrane as well as intracellular. Sclerostin, which was identified in 2003, is a member of the extracellular modulator proteins. Initially it was wrongly classified as a direct inhibitor of the BMP-signalling pathway due to its classification as a member of the DAN-family. Meanwhile it became apparent that sclerostin targets the Wnt-pathway by binding to the Wnt co-receptors LRP5 and LRP6, which belong to the family of low-density lipoprotein receptors. At the beginning of this work very little was known about the molecular mechanism how sclerostin inhibits the Wnt-pathway. The structure analysis of sclerostin employing NMR-spectroscopy revealed in a modular architecture, which can be divided into three regions: the central, characteristic cystine knot, the loop-region and the two fingers. From the cystine knot three loops emanate in two opposite directions. Loop one and loop three form defined ß-sheet structures resembling two fingers of a hand. Loop two, which runs into the opposite direction, is unstructured and highly flexible like the long N- and C-termini. Antibody fab-fragments, which were generated in collaboration with AbD-Serotec, facilitated the mapping of the binding-epitop of sclerostin to LRP5/6, highlighting an extended area of the unstructured loop region of sclerostin as the LRP5/6 binding site. The high-resolution structure of sclerostin and the identification of the LRP5-binding-epitop yield first insights into the molecular mechanism of sclerostin-LRP5 interaction. This knowledge can now be used to develop small-molecule inhibitors by rational drug design, which are, like the sclerostin activity neutralising fab-fragment AbD09097, highly interesting targets for new bone-anabolic therapies of diseases characterised by bone loss.

During zebrafish gastrulation, highly coordinated cellular rearrangements lead to the formation of the three germ layers, ectoderm, mesoderm and endoderm. Recent studies have identified silberblick (slb/wnt11) as a key molecule that regulates gastrulation movement through a conserved pathway, which shares significant similarity with a signalling pathway that establishes epithelial planar cell polarity (PCP) in Drosophila (Heisenberg et al., 2000; Veeman et al., 2003), suggesting a role for cell polarity in regulating gastrulation movements. However, the cellular and molecular mechanisms by which slb/wnt11 functions during zebrafish gastrulation are still not fully understood. In the first part of the thesis, the three-dimensional movement and morphology of individual cells in living embryos during the course of gastrulation were recorded and analysed using high resolution confocal microscopy. It was shown that in slb/wnt11 mutant embryos, hypoblast cells within the forming germ ring display slower, less directed migratory movements at the onset of gastrulation, which are accompanied by defects in the orientation of cellular processes along the individual movement directions of these cells. The net movement direction of the cells is not changed, suggesting that slb/wnt11-mediated orientation of cellular processes serves to facilitate and stabilize cell movements during gastrulation. By using an in vitro reaggregation assay on mesendodermal cells, combined with an analysis of the endogenous expression levels and distribution of E-cadherin in zebrafish embryos at the onset of gastrulation, E-cadherin mediated adhesion was found to be a downstream mechanism regulating slb/wnt11 function during gastrulation. Interestingly, the effects of slb/wnt11 on cell adhesion appear to be dependent on Rab5-mediated endocytosis, suggesting endocytic turnover of cell-cell contacts as one possible mechanism through which slb/wnt11 mediates its effects on gastrulation movements. - Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: QuickTimeMovies (ca. 23 MB)- Übersicht über Inhalte siehe Dissertation S. 92 - 93"

Wnt11 is a key signalling molecule that regulates cell polarity/migration during vertebrate development and also promotes the invasive behaviour of adult cancer cells. It is therefore essential to understand the mechanisms by which Wnt11 signalling regulates cell behaviour. The process of vertebrate gastrulation provides an excellent developmental system to study Wnt11 function in vivo. It is known that Wnt11 mediates coordinated cell migration during gastrulation via the non-canonical Wnt pathway that shares several components with a the planar cell polarity pathway (PCP) in Drosophila. However, the mechanisms by which these PCP components facilitate Wnt11 function in vertebrates is still unclear. While in Drosophila, the asymmetric localization of PCP components is crucial for the establishment of cell polarity, no asymmetric localization of Wnt11 pathway components have so far been observed in vertebrates. To shed light on the cellular and molecular mechanisms underlying Wnt11 signalling, I developed an assay to visualize Wnt11 activity in vivo using live imaging of Wnt11 pathway components tagged to fluorescent proteins. This allowed me to determine the sub-cellular distribution of these components and to correlate the effect of Wnt11 activity with the behaviour of living embryonic cells. I found that Wnt11 locally accumulates together with its receptor Frizzled7 (Fz7) at sites of cell-cell contacts and locally recruits the intra-cellular signalling mediator Dishevelled (Dsh) to those sites. Monitoring these apparent Wnt11 signalling centres through time-lapse confocal microscopy revealed, that Wnt11 activity locally increases the persistency of cell-cell contacts. In addition, I found that the atypical cadherin Flamingo (Fmi) is required for this process. Fmi accumulates together with Wnt11/Fz7 at sites of cell-cell contact and locally increased cell adhesion, via a mechanism that appears to be independent of known downstream effectors of Wnt11 signalling such as RhoA and Rok2. This study indicates that Wnt11 locally interacts with Fmi and Fz7 to control cell-contact persistency and to facilitate coherent and coordinated cell migration. This provides a novel mechanism of non-canonical Wnt signalling in mediating cell behaviour, which is likely relevant to other developmental systems. (Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: 50 MB: Movies - Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB)

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