Das Proteasom ist ein multikatalytischer, ATP-abhängiger Enzymkomplex, der kurzlebige und regulatorische Proteine in der Zelle abbaut. Im Rahmen der Proteinqualitätskontrolle werden durch das Proteasom auch fehlerhaft synthetisierte bzw. falsch gefaltete oder chemisch geschädigte Proteine degradiert. Zellen hämatopoetischen Ursprungs exprimieren sogenannte Immunoproteasomen, die durch drei alternative katalytische Untereinheiten (LMP2, MECL-1 und LMP7) charakterisiert sind. Unter dem Einfluss von Interferonen kommt es auch in nicht-hämatopoetischen Zellen zur de novo Assemblierung von IP. Sie weisen im Vergleich zu Standardproteasomen einen erhöhten Substratumsatz sowie veränderte Schnittpräferenzen auf. Dadurch können Standard- und Immunoproteasomen verschiedene MHC Klasse I-restringierte antigene Peptide generieren. Die vorliegende Arbeit untersucht die Relevanz der LMP2- bzw. der LMP7- Untereinheit im Rahmen der Coxsackievirus B3 Myokarditis. LMP7-/- Mäuse zeigen eine suffiziente CD8+ T Zell Antwort, die zur vollständigen Viruselimination nach der akuten Entzündungsphase beiträgt. Die reguläre Expression pro-inflammatorischer Zytokine und antiviraler Signalwege sowie CVB3-spezifischer IgG-Antikörper spricht gegen eine spezielle Funktion von IP bei der Induktion einer effektiven Immunantwort in diesem Modell. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass der verminderte Einbau aller IP-Untereinheiten in LMP7-defizienten Mäusen mit einer schweren Inflammation und Myokardschädigung einhergeht. Der verringerte Substratumsatz führt zur Akkumulation von polyubiquitinylierten, oxidativ geschädigten Proteinen sowie zur verstärkten Apoptose IP-defizienter Kardiomyozyten und inflammatorischer Zellen. / The standard proteasome is the major ATP-dependent multi-catalytic protein complex that is important for the proteolytic processing of short-lived and regulatory proteins. It also degrades exogenous or improperly synthesized, misfolded, and damaged proteins. Cells of hematopoietic origin predominantly express an alternative variant - the immunoproteasome, which is characterized by three specific catalytically active subunits (LMP2, MECL-1 and LMP7). In non-immune cells, these immunosubunits are also induced and incorporated into newly assembling IPs upon exposure to interferons. As compared to standard proteasomes, IPs display altered cleavage site preferences, resulting in the generation of a different spectrum of antigenic peptides for MHC class I presentation. The present thesis investigates the impact of LMP2- and LMP7 within the context of viral heart disease, making use of the well-established murine model of coxsackievirus B3 infection. LMP7-deficient mice demonstrate a potent CD8+ T cell capacity to control CVB3 infection, resulting in viral clearance after the acute stage of disease. The expression of pro-inflammatory cytokines, innate antiviral mediators, and CVB3-specific IgG antibodies argue against a specific role of IPs in the induction of an effective immune response against CVB3 infection. However, the impaired incorporation of all three immunosubunits in LMP7-deficient hearts coincides with severe inflammation and myocardial tissue damage. Exposure to IFN-γ gives rise to prolonged accumulation of oxidant-damaged, poly-ubiquitylated proteins in IP-deficient cardiomyocytes and inflammatory cells. Along with the restricted degradation of toxic protein aggregates, inflammatory cells and the adjacent myocardium are prone to increased apoptotic cell death.

Die Linksventrikuläre Noncompaction des Myokards (LVNC) ist eine seltene primäre Herzmuskelerkrankung. Es wird angenommen, dass es sich um eine embryonale Entwicklungsstörung des Myokards handelt. Mutationen in dem X-chromosomalen Gen TAZ sind verantwortlich für Fälle von frühkindlicher LVNC während die genetische Ursache autosomal-dominant vererbter adulter LVNC weitgehend unbekannt ist. In dieser Arbeit wurde die genetische Ursache der LVNC in der Familie LVNC-105 untersucht. Weiterhin wurden in einem großen Kollektiv von LVNC-Indexpatienten Kandidatengenanalysen durchgeführt. Bei der Familie LVNC-105 zeigte die genomweite Kopplungsanalyse nur signifikant hohe 2-Punkt-LOD-Werte auf Chromosom 11p15. Der maximale 2-Punkt-LOD-Wert betrug 5,06 bei D11S902 und der Lokus konnte auf 3,2 Mb (4,9 cM) eingeengt werden. Unter den 40 Genen des Erkrankungslokus war das Kandidatengen CSRP3, das bereits für 2 andere Kardiomyopathien, die dilatative und die hypertrophe Kardiomyopathie (DCM und HCM), als Krankheitsgen beschrieben wurde. Die Sequenzierung des genomischen Bereichs von CSRP3 zeigte keine Mutation bei den betroffenen Familienmitgliedern. Auch die Analyse von weiteren, im Lokus enthaltenen Gene ergab keine Mutation in kodierenden Exons. Auch Untersuchungen auf Transkriptebene offenbarten keine genetische Veränderung. Bei der Sequenzierung der LVNC-Kandidatengene LDB3, LMNA, Nkx2.5 und\linebreak BMP10 bei 63 erwachsenen Indexpatienten mit isolierter LVNC wurde nur eine Mutation in LDB3 gefunden. Erstmals wurden auch 7 Gene, die für sarkomere Proteine kodieren und als Krankheitsgene für HCM und DCM bekannt sind, mittels DHPLC untersucht. Es wurden Mutationen in einem großen Anteil der LVNC-Indexpatienten (19%) in MYH7, ACTC, TPM1 und TNNT2 identifiziert. Klinische Untersuchungen zeigten bei 7 von 12 Patienten mit Mutationen das Vorliegen einer familiären LVNC. In 4 autosomal-dominanten LVNC-Familien kosegregierten die MYH7 Mutationen mit der Erkrankung. MYH7 war mit einem Anteil von 13% das häufigste Krankheitsgen. Die Mutationen in MYH7 lagen vorwiegend in der ATP-Bindungsstelle. LVNC gehört damit zum Spektrum der Kardiomyopathien, die durch Mutationen in sarkomeren Proteinen hervorgerufen werden können. / Left ventricular noncompaction of the myocardium (LVNC) constitutes a rare primary cardiomyopathy. The mechanistic basis is assumed to be an arrest in embryonic cardiac development. Mutations in the X-linked TAZ gene are responsible for cases of infantile LVNC whereas the genetic base of late-onset LVNC in most patients is still unresolved. The objectives of this dissertation were to investigate the genetic defect in family LVNC-105 with autosomal dominant inherited LVNC and to screen a large cohort of patients with isolated LVNC for mutations in candidate genes. In kindred LVNC-105 genome wide linkage analysis revealed significant two-point LOD scores only at chromosome 11p15. A peak 2-point LOD score of 5.06 was obtained with marker D11S902 and a critical interval of 3.2 Mb (4.9 cM) was determined. Among the 40 genes within the disease region one candidate gene was CSRP3, a disease gene for hypertrophic (HCM) and dilated (DCM) cardiomyopathy. Sequence analysis of the genomic CSRP3 region did not reveal mutations in affected family members. Also, analysis of the coding region of further candidate genes contained within the disease locus did not show mutations. Investigations of the genes on transcript level did not detect alterations. Candidate gene analysis of LDB3, LMNA, Nkx2.5 and BMP10 in 63 index patients with isolated LVNC only one mutation was detected in LDB3. For the first time 7 genes encoding sarcomere proteins, known as disease genes for HCM and DCM, were screened for mutations by DHPLC in LVNC patients. Mutations were found in a significant proportion of the cohort of LVNC index patients (19%) in MYH7, ACTC, TPM1 and TNNT2. Clinical evaluations demonstrated familial disease in 7 of 12 probands with sarcomere gene mutations. MYH7 mutations segregated with the disease in 4 autosomal dominant LVNC kindreds. MYH7 was identified as the most prevalent LVNC disease gene (13%) in this cohort. Modified residues in MYH7 were mainly located within the ATP binding site. In conclusion, LVNC belongs to the spectrum of cardiomyopathies originating in molecular defects of the sarcomere.

Die chronisch ischämische Herzkrankheit und der Myokardinfarkt (MI) sind die häufigsten Gründe für schwere Krankheit und vorzeitigen Tod in den entwickelten Ländern. Langfristig kommt es als Folge des Infarktes zur Kollateralgefäßbildung und zur Entwicklung einer kompensatorischen Herzhypertrophie. Eine Vielzahl von adaptativen Veränderungen in diesem Prozess konnte identifiziert werden. Wir konnten zeigen, dass in der akuten Phase nach MI Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeit des Myokards erhöht waren. Die Expression der Hitzeschockproteine (HSP) 25 und 72 war verstärkt und korrelierte mit der Relaxationsgeschwindigkeit. In der chronischen Phase nach MI entwickelte sich eine signifikante Herzhypertrophie, die mit verminderter Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeit einherging. Für die verlangsamte Relaxation war die verminderte Aktivität der Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen Retikulums (SERCA) als entscheidender Faktor anzusehen. Bei transgener Überexpression von Renin / Angiotensinogen ist die Relaxationsgeschwindigkeit des Myokards war wie auch nach MI durch geringere SERCA- Protein Expression vermindert. Die Empfindlichkeit der kontraktilen Funktion gegenüber Sauerstoffmangel und Reoxygenierung war nach MI gegenüber dem Kontrollmyokard geringer. Dafür konnten die verstärkte Expression der antioxidativ wirksamen HSPs und die erhöhte Aktivität der Glutathionperoxidase und der Superoxiddismutase, eine Verschiebung des Kreatinkinase (CK)- Isoenzymmusters und eine verminderte SERCA- Aktivität verantwortlich gemacht werden. Die Repolarisation der Aktionspotentiale der Kardiomyozyten war nach MI gegenüber den Kontrolltieren signifikant verlangsamt. Bereits eine 10-fach geringere artifizielle Dehnung des Gewebes führte nach MI im Vergleich zu Kontrolltieren zum Auftreten von Nachdepolarisationen und Extra-Aktionspotentialen. Ausschließlich in MI ließ sich durch die artifizielle Dehnung Vorhofflimmern auslösen, d.h. nach Myokardinfarkt war der mechano- elektrische Feedback Mechanismus empfindlicher. Die dehnungsinduzierten Veränderungen konnten durch Gadolinium unterdrückt werden, was auf eine Beteiligung von dehnungsaktivierten Ionenkanälen an den beobachteten Phänomenen schließen ließ. Auch kardiale Fibroblasten zeigten nach MI signifikante Änderungen ihrer elektrophysiologischen Eigenschaften, was zur Arrhythmieentstehung beitragen kann. Mittels molekularer Analysen konnten wir zeigen, dass der unter Sauerstoffmangel stabilisierte Transkriptionsfaktor Hif-1alpha in der Lage ist, den Promoter des Wilms' Tumor Suppressor Gens 1 (WT1) direkt transkriptionell zu aktivieren. Das führte zu verstärkter Expression von WT1 in den Herzen nach Myokardinfarkt, und zu verstärkter Expression von WT1 in Herz und Niere bei systemischer normobarer Hypoxie. Die WT1 Expression im Herzen nach MI ließ sich in den Koronargefäßen lokalisieren. Koexpression mit Proliferations- und Vaskulogenesemarkern ließ vermuten, dass WT1 nach MI eine wichtige Rolle für die Neovaskulogenese spielt. Die gewonnenen Ergebnisse tragen zum Verständnis der pathophysiologischen Veränderungen bei kardialer Hypertrophie nach Myokardinfarkt bei und eröffnen möglicherweise langfristig neue therapeutische Ansätze. / Chronic ischemic heart disease and myocardial infarction are the most common causes for morbidity and mortality in industrialized countries. A survived myocardial infarction (MI) results in a long run in collateral formation and the development of cardiac hypertrophy. A variety of adaptive responses in this process had been identified. We could show that in the acute phase after Mi in rats, contraction- and relaxation rates of the myocardium are increased. The higher relaxation rate correlates to an increased expression of heat shock proteins. In the chronic phase after MI, with the development of cardiac hypertrophy, contraction and relaxation rates decrease. The decrease in the relaxation rate could be attributed to a reduced activity of the Ca- ATPase of the sarcoplasmic reticulum (SERCA2). Transgenic overexpression of renin / angiotensinogen also resulted in a reduced SERCA2 expression and, consequently, lower relaxation rate. The susceptibility of contractile function to hypoxia - reoxygenation was reduced after MI compared to sham operated control animals. The lower susceptibility to hypoxia - reoxygenation could be attributed to an increased expression of heat shock proteins, higher activities of the antioxidant enzymes glutathionperoxidase and superoxiddismutase, shifts in the isoenzyme distribution of the creatine kinase, and a reduced SERCA2 activity. Repolarization of cardiomyocyte action potentials was found to be delayed after MI. A 10-fold lower artificial stretch of the tissue after MI than after sham operation caused afterdepolarizations and extra action potentials. Higher artificial stretch caused atrial fibrillation only after MI suggesting an intensified mechano-electrical feedback mechanism after MI. Stretch- induced electrical abnormalities could be suppressed by gadolinium suggesting the involvement of stretch-activated ion channels in the electrical abnormalities. Also electrophysiological properties of cardiac fibroblasts were significantly altered after MI, which may contribute to the increased risk for arrhythmia after infarction. Furthermore, we could show that the Hif-1alpha transcription factor, which is stabilized under hypoxic conditions is capable to directly activate the Wilms'' tumor suppressor 1 (WT1) transcriptionally. This leads to an increased expression of WT1 in the heart after MI and in heart and kidneys after systemic hypoxia. After MI, WT1 is expressed mainly in coronary vessels. Co-expression of WT1 with markers of proliferation and vasculogenesis suggests a role of WT1 in neovasculogenesis. These findings contribute to our understanding of pathophysiological alterations in the development of cardiac hypertrophy after MI and may contribute to the development of new therapeutic approaches.