Platelets are continuously produced from megakaryocytes (MK) in the bone marrow by a cytoskeleton-driven process of which the molecular regulation is not fully understood. As revealed in this thesis, MK/ platelet-specific Profilin1 (Pfn1) deficiency results in micro- thrombocytopenia, a hallmark of the Wiskott-Aldrich syndrome (WAS) in humans, due to accelerated platelet turnover and premature platelet release into the bone marrow. Both Pfn1-deficient mouse platelets and platelets isolated from WAS patients contained abnormally organized and hyper-stable microtubules. These results reveal an unexpected function of Pfn1 as a regulator of microtubule organization and point to a previously unrecognized mechanism underlying the platelet formation defect in WAS patients. In contrast, Twinfilin2a (Twf2a) was established as a central regulator of platelet reactivity and turnover. Twf2a-deficient mice revealed an age-dependent macrothrombocytopenia that could be explained by a markedly decreased platelet half-life, likely due to the pronounced hyper-reactivity of \(Twf2a^{-/-}\) platelets. The latter was characterized by sustained integrin acti- vation and thrombin generation in vitro that translated into accelerated thrombus formation in vivo. To further elucidate mechanisms of integrin activation, Rap1-GTP-interacting adaptor molecule (RIAM)-null mice were generated. Despite the proposed critical role of RIAM for platelet integrin activation, no alterations in this process could be found and it was concluded that RIAM is dispensable for the activation of β1 and β3 integrins, at least in platelets. These findings change the current mechanistic understanding of platelet integrin activation. Outside-in signaling by integrins and other surface receptors was supposed to regulate MK migration, but also the temporal and spatial formation of proplatelet protrusions. In this the- sis, phospholipase D (PLD) was revealed as critical regulator of actin dynamics and podo- some formation in MKs. Hence, the unaltered platelet counts and production in \(Pld1/2^{-/-}\) mice and the absence of a premature platelet release in the bone marrow of \(Itga2^{-/-}\) mice question the role of podosomes in platelet production and raise the need to reconsider the proposed inhibitory signaling by α2β1 integrins on proplatelet formation. Non-muscle myosin IIA (NMMIIA) has been implicated as a downstream effector of the in- hibitory signals transmitted via α2β1 integrins. Besides Rho-GTPase signaling, also \(Mg^{2+}\) and transient receptor potential melastatin-like 7 (TRPM7) channel α-kinase are known regulators of NMMIIA activity. In this thesis, TRPM7 was identified as major regulator of \(Mg^{2+}\) homeostasis in MKs and platelets. Furthermore, decreased \([Mg^{2+}]_i\) led to deregulated NMMIIA activity and altered cytoskeletal dynamics that impaired thrombopoiesis and resulted in macrothrombocytopenia in humans and mice. / Thrombozyten werden kontinuierlich durch einen Zytoskelett-getriebenen Prozess von Megakaryozyten (MK) im Knochenmark gebildet. Die zugrunde liegenden molekularen Me- chanismen sind jedoch weitestgehend unverstanden. In dieser Thesis konnte gezeigt werden, dass eine MK/ Thrombozyten-spezifische Profilin1 (Pfn1) Defizienz eine Mikrothrombozytopenie verursacht, die das Hauptmerkmal des Wiskott- Aldrich Syndroms (WAS) im Menschen ist. Die reduzierte Thrombozytenzahl konnte auf eine beschleunigte Entfernung der Thrombozyten aus der Zirkulation sowie deren vorzeitige Freisetzung im Knochenmark zurückgeführt werden. Sowohl Thrombozyten von Pfn1- defizienten Mäusen, als auch von Patienten mit WAS wiesen abnormal organisierte und hyper-stabile Mikrotubuli auf. Die im Rahmen dieser Thesis gewonnenen Ergebnisse zeigen eine unerwartete Funktion von Pfn1 als Regulator der Mikrotubuliorganisation und weisen auf einen bisher nicht erkannten Mechanismus hin, welcher dem Thrombozytenproduktionsde- fekt in Patienten mit WAS zugrunde liegt. Im Gegensatz hierzu konnte Twinfilin2a (Twf2a) als zentraler Regulator der Thrombozyten- reaktivität und Lebenspanne etabliert werden. Mäuse mit einer Twf2a Defizienz zeigten eine progressive Makrothrombozytopenie, die durch eine stark reduzierte Lebenspanne der Thrombozyten erklärt werden konnte. Letzteres war höchstwahrscheinlich durch eine erhöhte Empfindlichkeit von Twf2a-defizienten Thrombozyten gegenüber von aktivierenden Stimuli bedingt. Die Hyperreaktivität von Twf2a-defizienten Thrombozyten zeigte sich durch eine verlängerte Aktivierung der Integrine und erhöhter Thrombingenerierung in vitro sowie be- schleunigter Thrombusbildung in vivo. Um die Mechanismen der Integrinaktivierung besser zu charakterisieren, wurden Rap1-GTP- interacting adaptor molecule (RIAM)-null Mäuse generiert. Obwohl RIAM eine zentrale Rolle in der thrombozytären Integrinaktivierung zugeschriebenen wurde, konnten keine Defekte in diesem Prozess in RIAM-null Thrombozyten identifiziert werden. Dies führte zu der Schluss- folgerung, dass RIAM für die Aktivierung von β1 und β3 Integrinen in Thrombozyten nicht benötigt wird. Diese Erkenntnisse verändern das gegenwärtige mechanistische Verständnis der Integrinaktivierung in Thrombozyten. Die outside-in Signalgebung durch Integrine und andere Oberflächenrezeptoren reguliert die Migration sowie die zeitliche und räumliche Bildung von proplatelets durch MKs. In dieser Thesis konnte gezeigt werden, dass Phospholipase D (PLD) ein zentraler Regulator der Aktindynamik und Podosomenbildung in MKs ist. Die normale Thrombozytenzahl und -Produktion in \(Pld1/2^{-/-}\) Mäusen sowie die fehlende vorzeitige Freisetzung von Thrombozytenim Knochenmark von \(Itga2^{-/-}\) Mäusen, stellen die Funktion von Podosomen in der Throm- bozytenproduktion in Frage. Ferner zeigen diese Ergebnisse, dass die Rolle der inhibitori- schen Signalgebung durch α2β1 Integrine in der proplatelet-Bildung noch einmal überdacht werden muss. Non-muscle myosin IIA (NMMIIA) wird als Effektorprotein im α2β1 Integrinsignalweg ange- sehen. Neben Signalen, die durch Rho-GTPasen vermittelt werden, regulieren auch \(Mg^{2+}\) und die α-Kinase des transient receptor potential melastatin-like 7 (TRPM7) Kanals die Akti- vität von NMMIIA. Im Rahmen dieser Thesis wurde TRPM7 als Hauptregulator der \(Mg^{2+}\) Homöostase in MKs und Thrombozyten identifiziert. Darüber hinaus führten erniedrigte intra- zelluläre \(Mg^{2+}\) Konzentrationen zu einer veränderten NMMIIA Aktivität und Zytoskelettdyna- mik. Diese Defekte beeinträchtigten die Thrombopoese und verursachten eine Makrothrom- bozytopenie im Menschen und der Maus.

Univ., Diss.--Regensburg, 2001.

Universiẗat, Diss., 2001--Mainz. / Auch als gedr. Diss.

Platelet activation and aggregation at sites of vascular injury involves massive cytoskeletal re-organization, which is required for proper platelet function. Moreover, the cytoskeleton plays central roles in megakaryo- and thrombopoiesis. Thus, cytoskeletal protein aberrations can be the underlying reason for many pathological phenotypes. Although intensive research is carried out to identify the key players involved in cytoskeletal reorganization, the signaling cascades orchestrating these complex processes are still poorly understood. This thesis investigates the role of three actin-binding proteins, Coactosin-like (Cotl) 1, Profilin (Pfn) 1 and Thymosin (T) β4, in platelet formation and function using genetically modified mice. ADF-H-containing proteins such as Twinfilin or Cofilin are well characterized as regulators of thrombopoesis and cytoskeletal reorganization. Although Cotl1 belongs to the ADF-H protein family, lack of Cotl1 did not affect platelet count or cytoskeletal dynamics. However, Cotl1-deficiency resulted in significant protection from arterial thrombus formation and ischemic stroke in vivo. Defective GPIb-vWF interactions and altered second wave mediator release present potential reasons for the beneficial effect of Cotl1-deficiency. These results reveal an unexpected function of Cotl1 as a regulator of thrombosis and hemostasis, establishing it as a potential target for a safe therapeutic therapy to prevent arterial thrombosis or ischemic stroke. Recent studies showed that the organization of the circumferential actin cytoskeleton modulates calpain-mediated αIIbβ3 integrin closure, thereby also controlling αIIbβ3 integrin localization. The second part of this thesis identified the actin-sequestering protein Pfn1 as a central regulator of platelet integrin function as Pfn1-deficient platelets displayed almost abolished αIIbβ3 integrin signaling. This translated into a profound protection from arterial thrombus formation and prolonged tail bleeding times in vivo which was caused by enhanced calpain-dependent integrin closure. These findings further emphasize the importance of a functional actin cytoskeleton for intact platelet function in vitro and in vivo. Tβ4 is a moonlighting protein, acting as one of the major actin-sequestering proteins in cells of higher eukaryotes and exerting various paracrine functions including anti-inflammatory, immunomodulatory and pro-angiogenic effects. Although excessively studied, its role for cytoskeletal dynamics, the distinction between endo- and exogenous protein function and its uptake and release mechanisms are still poorly understood. Constitutive Tβ4-deficiency resulted in thrombocytopenia accompanied by a largely diminished G-actin pool in platelets and divergent effects on platelet reactivity. Pre-incubation of platelets with recombinant Tβ4 will help to understand the function of endo- and exogenous protein, which is under current investigation. / Die Aktivierung und Aggregation von Thrombozyten bei Gefäßverletzungen zieht massive Umstrukturierungen des Zytoskeletts nach sich, die eine Voraussetzung für die intakte Funktion der Zellen darstellen. Des Weiteren nimmt das Zytoskelett eine zentrale Rolle in der Megakaryo- und Thrombopoese ein. Daher können Anomalien zytoskeletaler Proteine eine Vielzahl von Krankheitsbildern verursachen. Obwohl intensiv an den beteiligten Proteinen geforscht wird, sind die Signalkaskaden, die den komplexen Vorgang der Umstrukturierung des Zytoskeletts steuern, noch weitgehend unbekannt. In dieser Dissertation wurden drei Aktin-bindende Proteine, Coactosin-like (Cotl) 1, Profilin (Pfn) 1 und Thymosin (T) β4, hinsichtlich ihrer Rolle für die Bildung und Funktion von Thrombozyten mittels genetisch veränderter Mäuse untersucht. Proteine wie Twinfilin oder Cofilin, die ADF-H-Domänen enthalten, sind oftmals an der Thrombopoese sowie an zytoskeletaler Umstrukturierung beteiligt. Obgleich Cotl1 der ADF-H Proteinfamilie zugehörig ist, konnte in Cotl1-defizienten Mäusen weder eine Veränderung der Thrombozytenzahlen, noch der zytoskeletalen Dynamik festgestellt werden. Unerwarteter-weise zog eine Cotl1-Defizienz in vivo einen Schutz vor arterieller Thrombose und Schlaganfall nach sich. Defekte GPIb-vWF-Interaktionen sowie eine veränderte Freisetzung von sekundären intrazellulären Mediatoren zeigen mögliche Gründe für den schützenden Effekt einer Cotl1-Defizienz auf. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Cotl1 ein zentraler Regulator von Thrombose und Hämostase ist und etabliert es damit als potentielle antithrombotische Zielstruktur für eine effektive und sichere Behandlung von kardio- und zerebrovaskulären Erkrankungen. Studien zeigten, dass die Organisation des kortikalen Aktin-Zytoskeletts die Calpain-vermittelte αIIbβ3-Integrin-Inaktivierung moduliert und dadurch die Lokalisation der Integrine kontrolliert. Der zweite Teil dieser Dissertation identifizierte das Aktin-komplexierende Molekül Pfn1 als zentralen Regulator der Integrinfunktion in Thrombozyten, da Pfn1-defiziente Thrombozyten eine stark verminderte Reaktivität nach αIIbβ3-Integrin Aktivierung zeigten. Dies führte zu einem profunden Schutz vor arterieller Thrombusbildung und verlängerten Blutungszeiten in vivo, der durch eine verstärkte Calpain-vermittelte Integrin-Inaktivierung verursacht wurde. Diese Befunde unterstreichen erneut die zentrale Bedeutung eines funktionales Aktin-Zytoskeletts für die Aufrechterhaltung der Thrombozytenfunktion in vitro und in vivo. Tβ4 ist ein bivalentes Protein, das einerseits eine Funktion als Aktin-komplexierendes Protein in Zellen höherer Eukaryoten ausübt und andererseits unterschiedliche parakrine Funktionen hat, zu denen entzündungshemmende, immunmodulierende und pro-angiogene Wirkungen zählen. Obwohl intensiv an Tβ4 geforscht wird, ist seine Bedeutung für die Dynamik des Zytoskeletts sowie die Unterscheidung zwischen endo- und exogener Proteinfunktion und seine Aufnahme- und Freisetzungsmechanismen kaum verstanden. Konstitutive Tβ4-Defizienz zog eine Thrombozytopenie, begleitet von einem stark verminderten G-Aktin-Gehalt in Thrombozyten und gegensätzlichen Effekten auf die Thrombozytenreaktivität, nach sich. Der Effekt von rekombinant exprimiertem Tβ4 auf Thrombozyten, der derzeit untersucht wird, wird zum besseren Verständnis der endo- und exogenen Proteinfunktion, beitragen.

Platelets are small anucleated cell fragments that originate from megakaryocytes (MKs), which are large cells located in the bone marrow (BM). MKs extend long cytoplasmic protrusions, a process which is called proplatelet formation, into the lumen of the sinusoidal vessels where platelets are sized by the bloodstream. During the process of platelet biogenesis, segments of the MK penetrate the endothelium and, through cytoskeletal remodeling inside the MK, proplatelet fragments are released. Rho GTPases, such as RhoA and RhoB, are critically involved in cytoskeletal rearrangements of both the actin and the tubulin cytoskeleton. The first part of this thesis concentrated on the protein RhoB and its involvement in cytoskeletal organization in MKs and platelets. Single knockout (KO) mice lacking RhoB had a minor microthrombocytopenia, which means a smaller platelet size and reduced platelet number, accompanied by defects in the microtubule cytoskeleton in both MKs and platelets. In particular, tubulin organization and stability, which is regulated by posttranslational modifications of α-tubulin, were disturbed in RhoB-/- platelets. In contrast, RhoB-/- MKs produced abnormally shaped proplatelets but had unaltered posttranslational modifications of α-tubulin. The second part focused on the influence of RhoA and RhoB on MK localization and platelet biogenesis in murine BM. Many intact RhoA-/- MKs are able to transmigrate through the endothelial layer and stay attached to the vessel wall, whereas only 1% of wildtype (wt) MKs are detectable in the intrasinusoidal space. Concomitant deficiency of RhoA and RhoB reverts this transmigration and results in macrothrombocytopenia, MK clusters around the vessel in the BM and defective MK development. The underlying mechanism that governs MKs to distinct localizations in the BM is poorly understood, thus this thesis suggests that this process may be dependent on RhoB protein levels, as RhoA deficiency is coincided with increased RhoB levels in MKs and platelets. The third part of this thesis targeted the protein PDK1, a downstream effector of Rho GTPases, in regard to MK maturation and polarization throughout thrombopoiesis. MK- and platelet-specific KO in mice led to a significant macrothrombocytopenia, impaired actin cytoskeletal reorganization during MK spreading and proplatelet formation, with defective MK maturation. This was associated with decreased PAK activity and, subsequently, phosphorylation of its substrates LIMK and Cofilin. Together, the observations of this thesis highlight the importance of Rho GTPases and their downstream effectors on the regulation of the MK and platelet cytoskeleton. / Thrombozyten sind kleine Zellfragmente ohne Zellkern, die von Megakaryozyten (MKs) produziert werden. MKs sind riesige Zellen im Knochenmark, welche lange zytoplasmatische Ausläufer in die sinusoidalen Blutgefäße strecken, woraus durch den Blutstrom Thrombozyten abgeschnürt werden. Während der Thrombozyten-Biogenese penetrieren Teile des MKs das Endothel und durch zytoskeletales Umorganisieren innerhalb des MKs werden Proplättchen-Fragmente gebildet. Rho GTPasen wie die Proteine RhoA und RhoB sind maßgebliche Regulatoren des Zytoskeletts, sowohl des Aktins als auch des Tubulin Zytoskeletts. Der erste Teil dieser Thesis konzentrierte sich auf das Protein RhoB und dessen Einfluss auf die Organisation des Zytoskeletts. Mäuse mit einer Defizienz für das Protein RhoB zeigen eine Microthrombozytopenie und eine Reduktion der Thrombozytenzahl und -größe. Dies ist begleitet von Defekten des Mikrotubuli Zytoskeletts sowohl in MKs als auch in Blutplättchen. In Thrombozyten waren insbesondere Tubulin Organisation und Stabilisation betroffen, welche durch posttranslationale Modifizierungen von α-Tubulin bestimmt wurde. RhoB-negative MKs hingegen produzierten abnormal geformte Proplättchen, hatten jedoch unveränderte posttranslationale Modifizierungen von α-Tubulin. Der zweite Teil dieser Thesis fokussierte sich auf den Einfluss von RhoA und RhoB auf die Lokalisation von MKs im Knochenmarkt von Mäusen. Eine große Anzahl von RhoA-negativen MKs können durch das Endothel in die Blutgefäße wandern und bleiben dort adhärent, während nur etwa 1% wildtypischer MKs am Blutgefäß detektierbar sind. Gleichzeitige Defizienz von RhoA und RhoB revertiert die Translokation von RhoA-negativen MKs und führt in Mäusen zu Makrothrombozytopenie, die Formierung von MK Clustern um die Gefäßwand im Knochenmarkt und eine fehlerhafte MK Entwicklung. Der Mechanismus, der MKs zu bestimmten Positionen im Knochenmarkt führt, ist bisher kaum verstanden. In dieser Thesis konnte gezeigt werden, dass dieser Prozess von dem Level an RhoB Protein abhängig sein könnte, da eine Defizienz von RhoA zu einer Hochregulierung von RhoB in MKs und Thrombozyten führte. Der dritte Teil dieser Thesis zielte auf ein Signalprotein der Rho GTPasen ab, dem Protein PDK1. Es wurde die Rolle von PDK1 in der Regulation von MK Reifung und Polarisation während der Bildung von Thrombozyten untersucht. Ein MK und Thrombozyten spezifischer KO von PDK1 führte zu einer signifikanten Makrothrombozytopenie, einem gestörten Aktin Zytoskelett, während des MK Spreadings und der Proplättchen Bildung, begleitet von einer fehlerhaften MK Reifung. Dies war mit einer Reduktion in der Aktivität von PAK und folglich dem Phosphorylierungsstatus seiner Substrate LIMK und Cofilin assoziiert. Die Beobachtungen dieser Doktorarbeit arbeiteten die Relevanz von Rho GTPasen und ihren Signalproteinen für die Regulation des MK und Thrombozyten Zytoskelettes im Maus-Modell hervor.

The platelet cytoskeleton ensures normal size and discoid shape under resting conditions and undergoes immediate reorganization in response to changes in the extracellular environment through integrin-based adhesion sites, resulting in actomyosin-mediated contractile forces. Mutations in the contractile protein non-muscle myosin heavy chain IIA display, among others, macrothrombocytopenia and a mild to moderate bleeding tendency in human patients. It is insufficiently understood which factors contribute to the hemostatic defect found in MYH9-related disease patients. Therefore, a better understanding of the underlying biophysical mechanisms in thrombus formation and stabilization is warranted. This thesis demonstrates that an amino acid exchange at the positions 702, 1424 and 1841 in the heavy chain of the contractile protein non-muscle myosin IIA, caused by heterozygous point mutations in the gene, resulted in macrothrombocytopenia and increased bleeding in mice, reflecting the clinical hallmark of the MYH9-related disease in human patients. Basic characterization of biological functions of Myh9 mutant platelets revealed overall normal surface glycoprotein expression and agonist-induced activation when compared to wildtype platelets. However, myosin light chain phosphorylation after thrombin-activation was reduced in mutant platelets, resulting in less contractile forces and a defect in clot retraction. Altered biophysical characteristics with lower adhesion and interaction forces of Myh9 mutant platelets led to reduced thrombus formation and stability. Platelets from patients with the respective mutations recapitulated the findings obtained with murine platelets, such as impaired thrombus formation and stiffness. Besides biological and biophysical characterization of mutant platelets from mice and men, treatment options were investigated to prevent increased bleeding caused by reduced platelet forces. The antifibrinolytic agent tranexamic acid was applied to stabilize less compact thrombi, which are presumably more vulnerable to fibrinolysis. The hemostatic function in Myh9 mutant mice was improved by interfering with the fibrinolytic system. These results show the beneficial effect of fibrin stabilization to reduce bleeding in MYH9-related disease. / Das thrombozytäre Zytoskelett gewährleistet eine normale Zellgröße und diskoide Form unter ruhenden Bedingungen. Als Reaktion auf Veränderungen in der extrazellulären Umgebung wird das Zytoskelett durch Integrin-basierte Adhäsionsstellen reorganisiert, was zu Aktomyosin-vermittelten kontraktilen Kräften führt. Mutationen in der schweren Kette des kontraktilen nicht-muskulären Proteins Myosin IIA führen bei Patienten u. a. zu einer Makrothrombozytopenie und einer leichten bis mittelschweren Blutungsneigung. Es ist unzureichend geklärt, welche Faktoren zum hämostatischen Defekt bei Patienten mit MYH9-bedingter Erkrankung beitragen. Daher ist ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden biophysikalischen Mechanismen bei der Thrombusbildung und -stabilisierung erforderlich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Austausch von einzelnen Aminosäuren an den Positionen 702, 1424 und 1841 im kontraktilen Protein Myosin IIA, hervorgerufen durch Punktmutationen im kodierenden Gen, zu einer Makrothrombozytopenie und zu einer verlängerten Blutungszeit in Mäusen führt. Dies spiegelt die klinischen Merkmale der MYH9-assoziierte Erkrankungen bei Patienten wider. Die basale Charakterisierung der biologischen Funktionen von Myh9-mutierten Thrombozyten im Vergleich zu Wildtyp-Thrombozyten ergab eine insgesamt normale Oberflächenglykoproteinexpression und Agonisten-induzierte Aktivierung. Interessanterweise war die Phosphorylierung der leichten Myosinkette in den mutierten Thrombozyten nach Aktivierung reduziert, was zu einer geringeren Kontraktionskraft und damit zu einem Defekt beim Zusammenziehen des Gerinnsels führte. Mit Hilfe von biophysikalischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass geringere Adhäsions- und Interaktionskräfte von Thrombozyten mit Punktmutationen im Myh9 Gen zu einer verminderten Thrombusbildung und -stabilität führen. Thrombozyten von Patienten mit den entsprechenden Mutationen rekapitulierten die mit murinen Thrombozyten erhaltenen Ergebnisse, wie z. B. eine beeinträchtigte Thrombusbildung und -steifigkeit. Neben der biologischen und biophysikalischen Charakterisierung der Thrombozyten von Mäusen und Menschen mit den Punktmutationen wurden Behandlungsmöglichkeiten untersucht, um die erhöhte Blutungsneigung aufgrund der verminderten Thrombozytenkräfte zu verhindern. Das Antifibrinolytikum Tranexamsäure wurde eingesetzt, um weniger kompakte Thromben zu stabilisieren, die vermutlich anfälliger für Fibrinolyse sind. Die hämostatische Funktion von Mäusen mit Myh9-Mutationen konnte durch die Gabe von Tranexamsäure verbessert werden. Diese Ergebnisse zeigen die positive Wirkung der Fibrinstabilisierung zur Verringerung von Blutungsneigungen bei MYH9-assoziierte Erkrankungen.

Das Vasodilatator stimulierte Phosphoprotein (VASP) ist ein Zytoskelett-assoziiertes Protein der Ena (Enabled)/VASP-Proteinfamilie. Seine Funktionen bezüglich Aktin- Polymerisation, Thrombozyten-Aggregation, Wachstumskegel-Führungsprozessen und Motilität sowohl von Zellen als auch von Listerien sind bisher nur unvollständig charakterisiert. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, wie die VASP-F-Aktin Interaktion in vitro durch die Phosphorylierung zweier Aminosäuren von VASP reguliert wird. Transfektions-Experimente mit VASP und RhoA deuten eine mögliche Beteiligung von VASP im Signalweg von RhoA an. Zudem führen Überexpression und Deletion von VASP in Zellen zu demselben Stressfaser-Phänotyp, der unabhängig vom stimulierenden Einfluss von Serum ist. In VASPdefizienten Fibroblasten ist außerdem die Membranrigidität und die Phosphorylierung der leichten Kette des Myosins erhöht, was auf ein stabileres und stärker kontrahiertes Aktin- Zytoskelett in diesen Zellen schließen lässt. Die Regulation und Organisation des Aktin- Zytoskeletts beeinflusst auch die zelluläre Adhäsion, die in VASP-defizienten Zellen verändert ist. VASP-defiziente Zellen adhärieren signifikant stärker an Fibronektinbeschichtete Perlen als Wildtyp-Zellen. Der Widerstand dieser Perlen gegenüber mechanischen Kräften ist in VASP (-/-) Zellen signifikant erhöht. Dieser Unterschied beruht in erster Linie auf dem verstärkten Aktin-Zytoskelett in diesen Zellen und ist unabhängig von Mikrotubuli. Messungen mit rekonstituierten Zelllinien zeigen zudem eine VASPAbhängigkeit dieses Effekts. Der GTPase Rap1 kommt eine wichtige Bedeutung bei der Integrin-abhängigen Adhäsion von Zellen zu. Aktivierung von Epac, einem Guanin-Nukleotid- Austauschfaktor von Rap1, führt in Wildtyp-Zellen zur Verstärkung des Widerstandes gegenüber mechanischen Kräften, die auf Fibronektin-beschichtete Perlen wirken, ohne dabei die Membranrigidität zu verändern. Diese Kraft-Verstärkung wird weder vom Aktin- noch vom Mikrotubuli-Zytoskelett beeinflusst. Es exisitiert daher ein Mechanismus, bei dem die Länge von elastischen Membranfortsätzen unabhängig von der Membranfestigkeit und dem Aktin-Zytoskelett reguliert wird. Diese Experimente zeigen, dass VASP eine wichtige Rolle bei der Stabilität und Kontraktilität des Aktin-Zytoskeletts, der Membranrigidität sowie bei der zellulären Adhäsion spielt. Die vorliegenden Ergebnisse weisen darauf hin, dass hierbei weniger die direkte Interaktion von VASP mit dem Aktin-Zytoskelett von Bedeutung ist, sondern viel mehr seine mögliche Funktion als Gerüstprotein (Scaffold), das eine geregelte Signaltransduktion organisiert. / The actin-cytoskeleton associated protein VASP (vasodilator stimulated phosphoprotein) is a founding member of the Ena (enabled)/VASP protein family. Its function in actinpolymerisation, platelet aggregation, axon-guidance, cell motility and Listeria monocytogenes is yet not completely understood. In this work I could show that the phosphorylation of two amino acid residues of VASP diminishes its interaction with F-actin. Transfection experiments with VASP and RhoA suggest a possible role for VASP in the RhoA signalling pathway. Both, overexpression and deletion of VASP results in a similar stressfiber phenotype, which is independent of the stimulatory effect of serum. Furthermore membrane rigidity and myosin light chain phosphorylation in VASP deficient cells is increased, indicating a more contracted and rigid cytoskeleton in these cells. Cell adhesion is influenced by the regulation and organisation of the actin-cytoskeleton. VASP deficient cells not only adhere significantly stronger to fibronectin-coated beads but also resistance to displacement by mechanical forces is enhanced. This effect results from greater stability of the actin-cytoskeleton while there is no evidence for microtubuli involvement. Experiments with reconstituted VASP (-/-) cell lines proof this effect being VASP-dependent. The GTPase Rap1 is an important regulator of integrin-dependent cell adhesion. Activation of Epac, a guanine nucleotid exchange factor for Rap1, in wildtyp cells leads to enhanced resisting forces to mechanical displacement of fibronectin-coated beads while membrane rigidity remains unchanged. This phenomenon is neither dependent on F-actin nor microtubuli indicating a modulation of membrane tethers independently of membrane rigidity. These results show that VASP is an important regulator of actin-cytoskeletal stability and contractility, as well as membrane rigidity and cell adhesion. Furthermore these data suggest a possible role for VASP as a scaffold protein organising intracellular signal transduction.

Amyotrophic lateral sclerosis and spinal muscular atrophy are the two most common motoneuron diseases. Both are characterized by destabilization of axon terminals, axon degeneration and alterations in neuronal cytoskeleton. Accumulation of neurofilaments has been observed in several neurodegenerative diseases but the mechanisms how elevated neurofilament levels destabilize axons are unknown so far. Here, I show that increased neurofilament expression in motor nerves of pmn mutant mice causes disturbed microtubule dynamics. Depletion of neurofilament by Nefl knockout increases the number and regrowth of microtubules in pmn mutant motoneurons and restores axon elongation. This effect is mediated by interaction of neurofilament with the stathmin complex. Depletion of neurofilament increases stathmin-Stat3 interaction and stabilizes the microtubules. Consequently, the axonal maintenance is improved and the pmn mutant mice survive longer. We propose that this mechanism could also be relevant for other neurodegenerative diseases in which neurofilament accumulation is a prominent feature. Next, using Smn-/-;SMN2 mouse as a model, the molecular mechanism behind synapse loss in SMA is studied. SMA is characterized by degeneration of lower α-motoneurons in spinal cord; however, how reduction of ubiquitously expressed SMN leads to MN-specific degeneration remains unclear. SMN is involved in pre-mRNA splicing (Pellizzoni, Kataoka et al. 1998) and its deficiency in SMA affects the splicing machinery. Neuromuscular junction denervation precedes neurodegeneration in SMA. However, there is no evidence of a link between aberrant splicing of transcripts downstream of Smn and reduced presynaptic axon excitability observed in SMA. In this study, we observed that expression and splicing of Nrxn2, that encodes a presynaptic protein is affected in the SMA mouse and that Nrxn2 could be a candidate that relates aberrant splicing to synaptic motoneuron defects in SMA. / Die Amyotrophe Lateralsklerose und die spinale Muskelatrophie sind die beiden häufigsten Formen der Motoneuronerkrankungen. Sie sind charakterisiert durch eine Destabilisierung der Axonendigungen, durch Axondegeneration und durch Änderungen im neuronalen Zytoskelett. Eine Anhäufung von Neurofilamenten konnte in einigen neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet werden. Der genaue Mechanismus, welcher zu einer Destabilisierung des Axons führt, ist bis heute jedoch unklar. Hiermit zeige ich, dass eine gesteigerte Expression von Neurofilamenten in motorischen Nerven von pmn mutierten Mäusen zu einer Störung der Mikrotubuli – Dynamik führt. Ein Neurofilamentabbau durch Nefl knockout steigert die Anzahl an neu wachsenden Mikrotubuli in pmn mutierten Motoneuronen und führt zu erneutem Axonwachstum. Dieser Effekt wird durch eine Interaktion zwischen dem Neurofilament und dem Stathmin Komplex vermittelt. Ein Abbau des Neurofilaments führt zu einer Erhöhung der Stathmin-Stat3 Interaktion und zu einer Stabilisierung der Mikrotubuli. Demzufolge ist die Versorgung der Axone verbessert und die pmn mutierten Mäuse überleben länger. Wir vermuten, dass dieser Mechanismus auch für andere neurodegenerative Erkrankungen, bei denen Neurofilamentanhäufung ein dominantes Merkmal ist, relevant sein könnte. Des Weiteren studierte ich mit Hilfe des Smn-/-;SMN2 Mausmodels, den molekularen Mechanismus der sich hinter dem Synapsenverlust bei SMA verbirgt. SMA ist charakterisiert durch eine Degeneration der unteren -Motoneuronen im Rückenmark. Es ist jedoch unklar, wie ein Verlust des ubiquitär exprimierten SMN Proteins zu einer MN-spezifischen Degeneration führt. Smn ist involviert in den Prozess des pre-mRNA Splicing (Pellizzoni, Kataoka et al. 1998) und ein Verlust des Proteins führt zu einer Störung des Splicing. Eine Denervierung der motorischen Endplatte führt zu einer Neurodegeneration in SMA. Es gibt jedoch keinen Hinweis auf eine kausale Verbindung zwischen anomalem Splicen von stromabwärts gelegenen Transkripten des Smn und einer Reduktion präsynaptischer Axone, wie man es bei SMA beobachten kann. In dieser Studie konnten wir beobachten, dass Expression und Splicing von Nrxn2, welches für ein präsynaptisches Protein kodiert, in SMA Mäusen betroffen ist und dass Nrxn2 ein Kandidat sein könnte, der eine Verbindung zwischen Störungen im Splice Prozess und synaptischen Motoneuron-Defekten in der SMA herstellen könnte.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 2006.

Universiẗat, Diss., 2003--München.