Die Therapie von disseminierten malignen Tumoren durch Chemotherapie allein oder in Kombination mit Bestrahlung oder Hyperthermie führt nur in 20-50% zu einem Ansprechen. Dieser Behandlungserfolg wird häufig dadurch limitiert, daß im Verlauf der Therapie zur Entwicklung einer Chemoresistenz kommt. Ziel der Arbeit war es, eine generelle Analyse der Proteinexpression in der in vitro herbeigeführten Chemoresistenz durchzuführen. Dafür wurden Zellkulturen von Magen-, Kolon-, Pankreas, Mammakarzinom und Fibrosarkom die eine Resistenz gegen Daunorubicin und Mitoxantron besitzen benutzt und mit der zweidimensionalen Gelelektrophorese im immobilisierten pH-Gradienten (pH 4,0-8,0) in der ersten Dimension und einen linearen Polyarcylamidgel (12%) in der zweiten Dimension analysiert. Nach Färbung in Coomassie blau wurde eine rechnergestützte Imageanalyse mit dem PDQuest System durchgeführt. Proteinspots die eine auffällige Änderung zeigten wurden isoliert, und nach enzymatischer Gelhydrolyse mikrosequenziert bzw. durch Massenspektrometrie und anschließender micropore HPLC Analyse identifiziert. Acht Proteine, die in den chemoresistenten Zellinien überexprimiert waren, konnten identifiziert werden: Thioredoxin, Annexin 1; Cofilin, Stratifin(14-3-3sigma), Rho-GDP-Dissoziations Inhibitor, Fettsäurebindendes Protein(E-FABP), Adenin Phosphoribosyl Transferase, und BCSG-1 / The therapy of advanced cancer using chemotherapy alone or in combination with radiation or hyperthermia yields an overall response rate of about 20-50%. This success is often marred by the development of resistance to cytostatic drugs. The aim was to study the global analysis of protein expression in the development of chemoresistance in vitro. We therefore used a cell culture model derived from the gastric, colorectal, pancreatic, mamma carcinoma and fibrosarcoma cell line selected to daunorubicin and mitoxantrone. These cell lines were analysed using two-dimensional electrophoresis in immobilized pH-gradients (pH 4.0-8.0) in the first dimension and linear polyacrylamide gels (12%) in the second dimension. After staining with coomassie brilliant blue, image analysis was performed using the PDQuest system. Spots of interest were isolated using preparative two-dimensional electrophoresis and subjected to microsequencing after enzymatic hydrolysis in gel, mass spectrometric data and sequencing of the peptides after their fractionation using microbore HPLC identified. Eight proteins were identified that were overexpressed in chemoresistant cell lines: Thioredoxin, Annexin 1, Cofilin, Stratifin(14-3-3sigma), Rho-GDP-dissoziation Inhibitor, fatty acid binding protein(E-FABP), adenin phosphoribosyl Transferase, and BCSG-1.

In Tumoren führt die Deregulation von Proteinen der Bcl-2 Familie zur Apoptoseresistenz. Diese kann aus einem Verlust der pro-apoptotischen Proteine Bax bzw. Bak, einer Hochregulation von anti-apoptotischen Bcl-2 Proteinen oder aus einer Inaktivierung von BH3-only Proteinen heraus erfolgen. BH3-only Proteine sequestrieren anti-apoptotische Bcl-2 Proteine und induzieren dadurch die Aktivierung von Bax bzw. Bak. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, die Regulation von Apoptose durch das pro-apoptotische BH3-only-Protein Noxa zu untersuchen. Zusätzlich sollte der Mechanismus der Apoptoseinduktion durch niedermolekulare Bcl-2 Inhibitoren in Tumorzellen untersucht werden. Hier wird gezeigt, dass die putativen Bcl-2 Inhibitoren Gossypol, HA14-1 und zum Teil BH3I-2 unabhängig von Bax und Bak Zelltod induzierten. Dies weist darauf hin, dass die Apoptoseinduktion durch diese niedermolekularen Substanzen zumindest teilweise "off-target" ist, d.h. unabhängig von den Zielstrukturen der Bcl-2 Familie erfolgt. Eine andere Strategie zur Aktivierung des mitochondrialen Apoptosewegs ist die Expression von BH3-only Proteinen. Zunächst wurde die Expression putativer Spleißvarianten des Noxa-Gens auf mRNA- und Proteinebene durchgeführt. Hierbei wurde das bekannte BH3-only Protein Noxa als kurze Spleißvariante (NoxaS) und eine bisher unbekannte, lange Spleißvariante (NoxaL) gefunden. Zur funktionellen Analyse wurden konditionale Expressionsvektoren für beide Noxa-Varianten hergestellt. Die Expression von NoxaS führte zu einer differenziellen Aktivierung von Bak und/oder Bax. NoxaL hingegen verfügt über keine BH3-Domäne, induzierte aber dennoch Apoptose in einem Prostatakarzinom-Zelllinienmodell. Weitergehende Untersuchungen zeigten, dass es hier zu einer BH3-unabhängigen Aktivierung eines Bak-vermittelten Zelltod-Signalwegs kommt. Die vorliegende Arbeit liefert somit neue Erkenntnisse zur Zelltodregulation und experimentellen Apoptoseinduktion über BH3-unabhängige Signalmechanismen. / In many tumors deregulation of Bcl-2 family proteins lead to apoptosis resistance. This deregulation can occur through the loss of pro-apoptotic proteins Bax respectively Bak, through upregulation of anti-apoptotic Bcl-2 proteins or from the inactivation of BH3-only proteins. BH3-only proteins sequester anti-apoptotic Bcl-2 proteins and hereby activate Bax and Bak. Therefore aim of the present work was to study the regulation of apoptosis by the pro-apoptotic BH3-only protein Noxa. In addition the mechanism of apoptosis induction in different tumor cells by small molecular substances mimicking the function of BH3-only proteins ought to be investigated. Here we show that the putative Bcl-2 inhibitors Gossypol, HA14-1 and partly BH3I-2 induce cell death independent from Bax and Bak. This shows that the induction of apoptosis by these substances is at least partly off target, i.e. occurs independent of the target structures of the Bcl-2 family. Another strategy to activate the mitochondrial signaling pathway is the expression of BH3-only proteins. Initially the expression of putative splicing variants of the noxa gene was carried out on mRNA and protein level. Here the known NoxaS as short splicing variant (NoxaS) and an up to that point unknown long splicing variant (NoxaL) have been found. For functional analysis of the two splicing variants conditional expression vectors have been generated. The overexpression of NoxaS led to a differential activation of Bax and/or Bak. However NoxaL does not contain a BH3 domain but still induced apoptosis in a prostate carcinoma cell system. Advanced studies showed a BH3 independent activation of a Bak mediated cell death signaling pathway. The present work therefore provides new insights into cell death regulation and experimental apoptosis induction via BH3 independent signaling mechanisms.

Das essentielle Spurenelement Selen (Se) wird als einziges Spurenelement über den genetischen Code als Bestandteil der 21. proteinogene Aminosäure Selenocystein (SeCys) in eine kleine Gruppe von Proteinen eingebaut. Als Bestandteil des aktiven Zentrums dieser Selenoproteine ist Se bzw. SeCys essentiell für deren Funktion. Die Biosynthese der Selenoproteine ist durch eine Reihe von Besonderheiten gekennzeichnet, so z.B. durch eine hierarchisch abgestimmte Versorgung der unterschiedlichen Organe mit dem limitierenden Spurenelement bzw. durch eine hierarchische Versorgung der einzelnen Selenoproteine während ihrer Biosynthese. Für die biologische Verwertung und Verteilung ist das Selenoprotein SePP von zentraler Bedeutung. Transkriptomanalysen haben aufgezeigt, dass gerade in Tumoren die Expression von SePP stark erniedrigt ist. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit der Verlust von SePP einen kausalen Einfluss auf die Tumorigenese nimmt. Hierzu wurden zwei transgene Mausmodelle verkreuzt: zum einen Mäuse mit einem partiellen bzw. kompletten genetischen Verlust der SePP-Expression und zum anderen Mäuse mit einer Mutation im APC-Tumorsuppressorgen, welche multiple intestinale Neoplasien (Min) auslöst und als Paradigma in der experimentellen Darmkrebsforschung dient. Der komplette Verlust des SePP-Gens bewirkte eine stark erhöhte Tumorrate im Dünndarm der APCmin-Mäuse. Hierdurch konnte SePP als neuer wichtiger Modulator der APC-abhängigen Tumorigenese etabliert werden. Interessanterweise genügte bereits der Verlust eines einzelnen SePP-Allels, um mehr, größere und weniger differenzierte Adenome im Dünndarm entstehen zu lassen. Diese Beobachtung deutet auf einen entscheidenden Gen-Dosis-Effekt von SePP für die intestinale Tumorigenese hin und könnte damit als weiteres sinnvolles Kriterium zur Feindiagnostik von Darmkrebs dienen. Die molekularbiologischen Untersuchungen der Tumore lassen eine Aktivierung von Zellzyklus-, Angiogenese- und Akutphaseprozessen vermuten. Hierdurch und über die erhöhte Produktion von Wachstumsfaktoren kann die vermehrte Tumorigenese bei SePP-Mangel erklärt werden. Weitergehend konnte auch der Darm, ungeachtet seiner primären Rolle bei der Selenaufnahme, als abhängig von einer regulären SePP-Expression erkannt werden. Somit stellt sich SePP als zentraler Vermittler des Selenmetabolismus dar, und könnte auf lange Sicht als funktioneller Biomarker des Selenstatus für die individuelle Risikoabschätzung etabliert werden. / Selenium (Se) is the only trace element which is encoded in the genome as the 21st proteinogenic amino acid selenocystein (Sec). Se is essential for the catalytic activity of the small group of Sec-containing selenoproteins. The biosynthesis of this group of extraordinary proteins is characterized by several specialities, e.g. the distribution of Se differs between the organs giving rise to a hierarchical biosynthesis of the selenoproteins and there is an intracellular hierarchy of selenoprotein biosynthesis in times of Se depletion. One particular selenoprotein is of central importance for the organification and trafficking of Se within the organism, i.e., Selenoprotein P (SePP). From transcriptome analyses it was deduced that this Se transport protein is markedly reduced in tumours of several origins. The aim of this thesis was to elucidate whether SePP has a causal impact on the tumourigenesis within the intestinal tract. For this purpose, the SePP-KO mouse model with a genetically impaired SePP expression was crossed with the well-established APCmin intestinal tumour model. A stop mutation in the APC tumour suppressor gene causes multiple intestinal neoplasias (Min) in these mice. The combined deletion of SePP caused a sharp increase in tumour incidence in the small intestines of APCmin mice. Interestingly, even the inactivation of only one SePP allele was sufficient to induce more and less well differentiated adenomas in the small intestine. These results indicate that SePP acts as an important modulator of APC dependent tumorigenesis in a gene dose dependent manner. In the long run, SePP might turn out as another valuable biomarker to estimate the individual cancer risk. From a mechanistic point of view, the transcriptome analyses indicate that an impaired SePP expression favors cell cycle progression, angiogenesis and acute phase response. In addition, an elevated production of growth factors in response to SePP deficiency might contribute to the phenotype of bigger and more undifferentiated tumours. Additional analyses of the intestines revealed that the intestinal tract is dependent on a regular SePP expression in order to synthesise its regular set of selenoproteins even so it represents the prime organ of Se absorption. Therefore, SePP represents a central Se transport and storage protein also within the intestinal tract, highlighting its essential role to preserve health and regular Se metabolism.

Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich den molekularen Mechanismus beschrieben, mit dem endogene neuronale Vorläuferzellen antitumorigen gegen Gliomstammzellen wirken. Unsere Forschungsgruppe hat in bereits veröffentlichten Arbeiten gezeigt, dass neuronale Vorläuferzellen zu experimentellen Gehirntumoren migrieren und Tumorzelltod induzieren können. In der nun vorliegenden Arbeit zeige ich, dass die neuronalen Vorläuferzellen nicht nur benefiziell gegen die Hauptpopulation der Tumorzellen wirken, sondern darüber hinaus auch die kleinere Population der sehr aggressiven Tumorstammzellen – mittels Sekretion von BMP7 – supprimieren. Insgesamt zeigt meine Arbeit, dass neuronale Vorläuferzellen die Pathogenität der Gliomstammzellen unterdrücken. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich einen zellautonomen Mechanismus untersucht, der Gliomzellen in vitro und in vivo vermehrt expandieren lässt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Familie der ets-Transkriptionsfaktoren Gliomzellen zur Proliferation anregen, indem sie die Expresion eines Eisentransporters (dem Transferrin-Rezeptor-1) induzieren und damit die intrazelluläre Akkumulation von Eisenionen begünstigen. Die Veränderung des Redox-Gleichgewichts in den Gliomzellen regt die Tumore zu verstärkter Sekretion von Glutamat an. Dadurch werden die Gliome sehr zytotoxisch und induzieren Zelltod in den Zellen des tumorumgebenden Parenchyms. Das untergegangene Nervengewebe schafft damit den Platz, den der Tumor zur Expansion braucht. Insgesamt zeigt meine Arbeit, dass die ets1-induzierte CD71 Expression nicht nur das Tumorwachstum befördert, sondern auch den Platz zum Tumorwachstum schafft. / In my first part,Gliomas cells with stem-like properties (GSCs) control tumor growth and recurrence. Here, I showed that endogenous neural precursor cells (NPCs) perform an anti-tumor response by specifically targeting GSCs: In vitro, NPCs predominantly expressed BMP7; BMP7 was constitutively released from neurospheres and induced canonical BMP-signaling in GSCs. Exposure of human and murine GSCs to neurosphere-derived BMP7 increased GSC differentiation, attenuated GSC-marker expression, GSC self-renewal and the ability for tumor initiation.This anti-tumor response of NPCs protect the brain from gliomas by releasing BMP7, which acts as a paracrine tumor suppressor that represses proliferation, self-renewal and tumor-initiation of GSCs. In the 2nd part, Transferrin receptors (TfR) are overexpressed in brain tumors, but the pathological relevance has not been fully explored. Here, I showed that TfR is an important downstream effector of ets transcription factors that promotes glioma proliferation and increases glioma-evoked neuronal death. TfR mediates iron accumulation and reactive oxygen formation and thereby enhanced proliferation in clonal human glioma lines. TfR-induced oxidant accumulation modified cellular signaling by inactivating a protein tyrosine phosphatase (low-molecular-weight protein tyrosine phosphatase), activating mitogen-activated protein kinase and Akt and by inactivating p21/cdkn1a and pRB. Inactivation of these cell cycle regulators facilitated S-phase entry. Besides its effect on proliferation, TfR also boosted glutamate release, which caused NMDA mediated reduction of neuron cell mass. Overall my results indicate that TfR promotes glioma progression by two mechanisms, an increase in proliferation rate and glutamate production, the latter mechanism providing space for the progressing tumor mass.

BH3-only Proteine, eine pro-apoptotische Untergruppe der Bcl-2 Proteinfamilie, sind zentrale Mediatoren von apoptotischen Signalen durch die Regulierung intrinsischer Apoptose-signalwege. Unsere Arbeitsgruppe hat vor kurzem gezeigt, dass Apoptose, die durch den p14ARF Tumorsuppressor induziert wird über die p53-abhängige Aktivierung des BH3-only Proteins Puma/Bbc3 vermittelt wird. Interessanterweise induziert p14ARF aber auch in p53 defizienten Zellen Zellzyklusarrest und Apoptose. Die dahinterliegenden Signalwege sind jedoch nicht bekannt. In dieser Arbeit berichten wir, dass das BH3-only Protein Bmf (Bcl-2 modifying factor) beim p14ARF-induzierten Zelltod in p53 defizienten Zellen eine wichtige Rolle spielt. Expression von p14ARF führt zu einer Induktion der PERK Kinase, daran anschließender Phosphorylierung von eIF2α sowie Aktivierung der stromabwärts liegenden Transkriptionsfaktoren ATF4 und CHOP. Diese Signalkaskade ist normalerweise Teil einer zellulären Antwort auf fehl- oder ungefaltete Proteine im Endoplasmatischen Retikulum (ER), der sogenannten ‘unfolded protein response’ (UPR), die zum einen durch verminderte Translationsinitiation und Hochregulierung von Chaperonen die Menge der fehlgefalteten Proteine reduzieren soll. Allerdings induziert p14ARF keinen ER Stress, sondern den PERK‒CHOP Signalweg. Die Transkriptionsfaktoren ATF4 und CHOP binden direkt in der Promotorregion von bmf und sind für dessen transkriptionelle Regulation verantwortlich. Unsere Daten zeigen, dass der PERK‒eIF2α‒ATF4‒CHOP Signalweg eine wesentliche Rolle bei der Induktion von Apoptose durch p14ARF spielt. Dieser Weg könnte ein Sicherungsmechanismus sein, der es den Zellen auch nach Verlust von p53 erlaubt Apoptose einzuleiten, nachdem p14ARF durch Onkogene hochreguliert wurde. / BH3-only proteins, a pro-apoptotic subgroup of the Bcl-2 family of proteins, are central mediators of apoptosis signals by regulating the intrinsic apoptosis pathway. We have recently shown, that apoptosis triggered by the p14ARF tumour suppressor protein is mediated by the p53-dependent activation of the BH3-only protein Puma/Bbc3. Nevertheless, expression of p14ARF in p53-family deficient cells is capable of inducing both cell cycle arrest and apoptosis, but the signalling pathways initiated remain elusive. Here, we report that the BH3-only protein Bmf (Bcl-2 modifying factor) is involved in cell death in p53-deficient cells triggered by p14ARF. Expression of p14ARF leads to the induction of the PERK kinase, subsequent phosphorylation of eIF2α and activation of transcription factors ATF4 and CHOP. This signalling cascade is usually part of the ‘unfolded protein response’ (UPR), which is activated upon ER stress to reduce the amount of misfolded proteins by reduction of global protein translation initiation and upregulation of chaperones. Of note, p14ARF does not induce ER stress but activates the PERK‒CHOP pathway. ATF4 and CHOP transcription factors directly bind to the promotor region of bmf and induce its transcription. These data suggest that the PERK‒eIF2α‒ATF4‒CHOP signalling pathway may play a substantial role in mediating p14ARF-triggered apoptosis. This pathway could play the role of a ‘fail-safe’ mechanism that allows cells, even after loss of p53, to undergo apoptosis induced by upregulation of p14ARF by oncogenes.