Bakterien der Gattung Shigella sind die Erreger der bakteriellen Ruhr beim Menschen. Der wesent-liche Virulenzfaktor der Shigellen ist ihre Fähigkeit zur Invasion. Die Invasion in Epithel-zellen ist Ausdruck des erregerspezifischen Infektionsprozesses, der gekennzeichnet ist durch eine vom Bakterium induzierte zelluläre Aufnahme über einen Phagozytose-ähnlichen Mechanismus. In dessen Verlauf führt die charakteristische Reorganisation des Zytoskeletts der Zelle zur Ausbildung einer blütenartigen Membranstruktur an der bakteriellen Eintrittsstelle. Als essentielles Glied der Signalisationskaskade vom Bakterium zum zellulären Zytoskelett erwies sich das kleine G-Protein Rho. Es wurde gezeigt, daß Rho als Regulator der Veränderungen des Zytoskeletts selbst an den bakteriellen Invasionslocus rekrutiert wird. Diese Rekrutierung umfaßt drei Isoformen von Rho: RhoA, RhoB und RhoC. Trotz hoher Sequenzhomologie der Isoformen untereinander ( 85% ) existiert ein unterschiedliches Rekrutierungsmuster dieser Isoproteine an der Eintrittsstelle von Shigella flexneri. RhoA akkumuliert vorwiegend um die eindringenden Bakterien herum. Demgegenüber werden RhoB und RhoC in die bakterieninduzierten zellulären Protrusionen rekrutiert. Der Mechanismus dieser isoformspezifischen Rekrutierung ist nicht bekannt. Anhand unserer Experimente konnten wir zeigen, daß das allen kleinen G-Proteinen gemeinsame C-terminale Peptid-Motiv CAAX ( C = Cystein, A = aliphatische Aminosäure, X = Leucin ) eine wesentliche Voraussetzung für die Rekrutierung von Rho darstellt, sich die isoformspezifische Rekrutierung jedoch nicht anhand des CAAX-Motivs erklären läßt. Bedeutsam für die differentielle Rekrutierung der Isoproteine ist vielmehr die präterminale Region des Moleküls. Diese Beobachtung hat weitreichende Konsequenzen für die funktionelle Rolle von Rho bei der Epithelzellinvasion durch Shigella. / Shigella is the etiologic agent of human bacillary, an infectious large bowel disease. A major feature of Shigella's pathogenic potential is the capacity to invade epithelial cells. Shigella entry into epithelial cells is considered a parasite-induced internalization requiring cytosceletal rearrangements; Shigella entry induces a blossom-like membrane structure at the bacterial entry site. This membrane folding process is dependent on the small GTPase rho. It has been shown that three rho isoforms rhoA, rhoB and rhoC are recruited into bacterial entry sites with different localization relative to the membrane structures. While rhoA preferentially accumulates in close vicinity to entering bacteria, rhoB and rhoC are recruited into the tips of Shigella-induced cellular protrusions. We could show that the C-terminal CAAX-region of rho is a prerequisite for recruitment, but not sufficient for different recruitment of rho isoforms. Additional information for differential recruitment patterns seems to come from the preterminal region of rho proteins. This result is of great importance for the functional role of rho during Shigella-invasion into epithelial cells.

Shigellen sind Erreger der bakteriellen Dysenterie beim Menschen. Ein notwendiger Schritt bei der Pathogenese der Shigellose ist die Invasion von Darmepithelzellen durch das Bakterium. Der Mikroorganismus löst dabei in der Wirtszelle Veränderungen des Aktinzytoskeletts aus, die zur Bildung einer blütenähnlichen Membranstruktur und schließlich zur Internalisierung des Pathogens führen. Diese Umbauvorgänge am Zytoskelett sind abhängig von einem Wirtszellprotein, der kleinen GTPase Rho. Drei Isoformen von Rho (A, B und C) sind beschrieben, deren Aminosäuresequenzen zu etwa 90% identisch sind. Während der Zellinvasion durch Shigella akkumulieren verschiedene Rho-Isoformen an unterschiedlichen Lokalisationen des Invasionskomplexes. Dabei werden RhoA vorwiegend um die eindringenden Bakterienherum, RhoB und RhoC hingegen hauptsächlich in die bakterieninduzierten zellulären Protrusionen rekrutiert. Durch Untersuchung von Rho-Hybridkonstrukten konnte gezeigt werden, daß ein prä-C-terminales, acht Aminosäuren umfassendes Modul die Rekrutierungsmuster von RhoA bzw. RhoC bestimmt. Der Austausch zweier Aminosäuren innerhalb des Moduls führte zu einer Konversion des Rekrutierungsmusters von RhoA. Wir konnten zeigen, daß die Rekrutierung von RhoA vom Funktionszustand der GTPase (Bindung von GTP/GDP) sowie von der Phosphorylierung durch die Proteinkinase A unabhängig ist. Schließlich wurde hier nachgewiesen, daß auch RhoD, das zu RhoA, B und C auf der Primärstrukturebene nur zu etwa 50% homolog ist, an die Bakterieneintrittsstelle rekrutiert werden kann. RhoD folgt dabei dem Rekrutierungsmuster von RhoB und RhoC. / Shigella causes bacillary dysentery in humans. Bacterial invasion of enterocytes is an essential step in the pathogenesis of shigellosis. Pathogen-triggered rearrangements of the host cell actin cytoskeleton induce a blossom-like membrane structure for internalisation of the microorganism. Actin remodeling requires activity of the host cell small GTPase rho. Three highly homologous rho isoforms (A, B and C) have been described with amino acid identities of about 90%. During Shigella invasion these rho isoforms accumulate at different sites of the invasion complex. While rhoA is chiefly recruited around entering bacteria, rhoB and rhoC are essentially translocated to the bacteria-induced cellular protrusions. Using a variety of rho hybrid constructs in a HeLa cell transfection-infection assay we were able to show that a pre-C-terminal stretch of eight amino acids determines the recruitment patterns of rhoA and rhoC. Exchange of two amino acids was sufficient for conversion of the rhoA recruitment pattern into a rhoC-like pattern. We could demonstrate that rhoA recruitment is independent of its functional state (GDP- or GTP-bound) or phosphorylation by the proteinkinase A (PKA). Finally, we have shown that rhoD, another member of the rho family which shares only 50% of its primary structure with rhoA, B or C, is also recruited to the bacterial entry site exhibiting a rhoB/C-like pattern of distribution.

Almost all animal cells maintain a thin layer of actin filaments and associated proteins underneath the cell membrane. The actomyosin cortex is subject to internal stress patterns which result from the spatiotemporally regulated activity of non-muscle myosin II motors in the actin network. We study how these active stresses drive changes in cell shape and flows within the cortical layer, and how these cytoskeletal deformations and flows govern processes such as cell migration, cell division and organelle transport. Following a continuum mechanics approach, we develop theoretical descriptions for three different cellular processes, to obtain - in collaboration with experimental groups - a detailed and quantitative understanding of the underlying cytoskeletal mechanics. We investigate the forces and cortex flows involved in adhesion-independent cell migration in confinement. Many types of cell migration rely on the extension of protrusions at the leading edge, where the cells attach to the substrate with specific focal adhesions, and pull themselves forward, exerting stresses in the kPa range. In confined environments however, cells exhibit migration modes which are independent of specific adhesions. Combining hydrodynamic theory, microfluidics and quantitative imaging of motile, non-adherent carcinosarcoma cells, we analyze the mechanical behavior of cells during adhesion-independent migration. We find that the accumulation of active myosin motors in the rear part of these cells results in a retrograde cortical flow as well as the contraction of the cell body in the rear and expansion in the front, and we describe how both processes contribute to the translocation of the cells, depending on the geometric and mechanical parameters of the system. Importantly, we find that the involved propulsive forces are several orders of magnitude lower than during adhesive motility while the achieved migration velocities are similar. Moreover, the distribution of forces on the substrate during non-adhesive migration is fundamentally different, giving rise to a positive force dipole. In contrast to adhesive migration modes, non-adhesive cells move by exerting pushing forces at the rear, acting to expand rather than contract their substrate as they move. These differences may strongly affect hydrodynamic and/or deformational interactions between collectively migrating cells. In addition to the work outlined above, we study contractile ring formation in the actin cytoskeleton before and during cell division. While in disordered actin networks, myosin motor activity gives rise to isotropic stresses, the alignment of actin filaments in the cortex during cell division introduces a preferred direction for motor-filament interactions, resulting in anisotropies in the cortical stress. Actin filaments align in myosin-dependent shear flows, resulting in possible feedback between motor activity, cortical flows and actin organization. We investigate how the mechanical interplay of these different cortical properties gives rise to the formation of a cleavage furrow during cell division, describing the level of actin filament alignment at different points on the cortex with a nematic order parameter, in analogy to liquid crystal physics. We show that cortical anisotropies arising from shear-flow induced alignment patterns are sufficient to drive the ingression of cellular furrows, even in the absence of localized biochemical myosin up-regulation. This mechanism explains the characteristic appearance of pseudocleavage furrows in polarizing cells. Finally, we study the characteristic nuclear movements in pseudostratified epithelia during development. These tissues consist of highly proliferative, tightly packed and elongated cells, with nuclei actively travelling to the apical side of the epithelium before each cell division. We explore how cytoskeletal properties act together with the mechanics of the surrounding tissue to control the shape of single cells embedded in the epithelium, and investigate potential mechanisms underlying the observed nuclear movements. These findings form a theoretical basis for a more detailed characterization of processes in pseudostratified epithelia. Taken together, we present a continuum mechanics description of the actomyosin cell cortex, and successfully apply it to several different cell biological processes. Combining our theory with experimental work from collaborating groups, we provide new insights into different aspects of cell mechanics.

Gewebezellen sammeln ständig Informationen über die mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung, indem sie aktiv an dieser ziehen. Diese Kräfte werden an Zell-Matrix-Kontakten übertragen, die als Mechanosensoren fungieren. Jüngste Experimente mit Zellen auf elastischen Substraten zeigen, dass Zellen sehr empfindlich auf Veränderungen der effektiven Steifigkeit ihrer Umgebung reagieren, die zu einer Reorganisation des Zytoskeletts führen können. In dieser Arbeit wird ein theoretisches Model entwickelt, um die Selbstorganisation von Zellen in weichen Materialien vorherzusagen. Obwohl das Zellverhalten durch komplexe regulatorische Vorgänge in der Zelle gesteuert wird, scheint die typische Antwort von Zellen auf mechanische Reize eine einfache Präferenz für große effektive Steifigkeit der Umgebung zu sein, möglicherweise weil in einer steiferen Umgebung Kräfte an den Kontakten effektiver aufgebaut werden können. Der Begriff Steifigkeit umfasst dabei sowohl Effekte, die durch größere Härte als auch durch elastische Verzerrungsfelder in der Umgebung verursacht werden. Diese Beobachtung kann man als ein Extremalprinzip in der Elastizitätstheorie formulieren. Indem man das zelluläre Kraftmuster spezifiziert, mit dem Zellen mit ihrer Umgebung wechselwirken, und die Umgebung selbst als linear elastisches Material modelliert, kann damit die optimale Orientierung und Position von Zellen vorhergesagt werden. Es werden mehrere praktisch relevante Beispiele für Zellorganisation theoretisch betrachtet: Zellen in externen Spannungsfeldern und Zellen in der Nähe von Grenzflächen für verschiedene Geometrien und Randbedingungen des elastischen Mediums. Dafür werden die entsprechenden elastischen Randwertprobleme in Vollraum, Halbraum und Kugel exakt gelöst. Die Vorhersagen des Models stimmen hervorragend mit experimentellen Befunden für Fibroblastzellen überein, sowohl auf elastischen Substraten als auch in physiologischen Hydrogelen. Mechanisch aktive Zellen wie Fibroblasten können auch elastisch miteinander wechselwirken. Es werden daher optimale Strukturen als Funktion von Materialeigenschaften und Zelldichte bzw. der Geometrie der Zellpositionen berechnet. Schließlich wird mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen der Einfluss stochastischer Störungen auf die Strukturbildung untersucht. Das vorliegende Model trägt nicht nur zu einem besseren Verständnis von vielen physiologischen Situationen bei, sondern könnte in Zukunft auch für biomedizinische Anwendungen benutzt werden, um zum Beispiel Protokolle für künstliche Gewebe im Bezug auf Substratgeometrie, Randbedingungen, Materialeigenschaften oder Zelldichte zu optimieren. / Adherent cells constantly collect information about the mechanical properties of their extracellular environment by actively pulling on it through cell-matrix contacts, which act as mechanosensors. In recent years, the sophisticated use of elastic substrates has shown that cells respond very sensitively to changes in effective stiffness in their environment, which results in a reorganization of the cytoskeleton in response to mechanical input. We develop a theoretical model to predict cellular self-organization in soft materials on a coarse grained level. Although cell organization in principle results from complex regulatory events inside the cell, the typical response to mechanical input seems to be a simple preference for large effective stiffness, possibly because force is more efficiently generated in a stiffer environment. The term effective stiffness comprises effects of both rigidity and prestrain in the environment. This observation can be turned into an optimization principle in elasticity theory. By specifying the cellular probing force pattern and by modeling the environment as a linear elastic medium, one can predict preferred cell orientation and position. Various examples for cell organization, which are of large practical interest, are considered theoretically: cells in external strain fields and cells close to boundaries or interfaces for different sample geometries and boundary conditions. For this purpose the elastic equations are solved exactly for an infinite space, an elastic half space and the elastic sphere. The predictions of the model are in excellent agreement with experiments for fibroblast cells, both on elastic substrates and in hydrogels. Mechanically active cells like fibroblasts could also interact elastically with each other. We calculate the optimal structures on elastic substrates as a function of material properties, cell density and the geometry of cell positioning, respectively, that allows each cell to maximize the effective stiffness in its environment due to the traction of all the other cells. Finally, we apply Monte Carlo simulations to study the effect of noise on cellular structure formation. The model not only contributes to a better understanding of many physiological situations. In the future it could also be used for biomedical applications to optimize protocols for artificial tissues with respect to sample geometry, boundary condition, material properties or cell density.

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Die dynamische Verknüpfung zwischen Plasmamembran und dem unterliegenden Zytoskelett der Zelle ist fundamental für zelluläre Prozesse wie Zellmorphogenese, Zellmotilität und Zelladhäsion. Ezrin als Bestandteil der ERM (Ezrin, Radixin, Moesin) Proteinfamilie verbindet L-α-Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) der Plasmamembran mit filamentösem Aktin (F-Aktin) des Zytoskeletts. Die Ezrinbindung an F-Aktin wird reguliert über den Aktivierungsgrad des Proteins, welcher von der N-terminalen PIP2 Bindung und der Phosphorylierung des Threoninrests 567 abhängt. Aufgrund der Bindung an PIP2 und der Phosphorylierung wechselt Ezrin von einer inaktiven, N- und C-terminal assoziierten Konformation in einen aktivierten, geöffneten Zustand, welcher die C-terminale F-Aktinbindung ermöglicht. Ziel dieser Arbeit war es Aspekte der Verknüpfung zwischen Plasmamembran und Zytoskelett zu untersuchen. Basierend auf Bindung von Ezrin an PIP2-haltige artifizielle Lipidmembranen und der anschließenden F-Aktinbindung, wurden Bindungseigenschaften, die Organisation des F-Aktinnetzwerkes und die durch das Aktinnetzwerk beeinflusste Lipidmembranmechanik untersucht. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wurde der molekulare Aktivierungsprozess von Ezrin anhand der Charakterisierung von Bindungsaffinitäten und der Organisation von Ezrin an Lipidmembranen untersucht. Aufgrund einer reduzierten Proteinhöhe und FRET (FÖRSTER-Resonanzenergietransfer)-Effizienz im Fall der vollständigen Aktivierung (PIP2-Bindung und Phosphorylierung) wurde postuliert, dass Ezrin eine weniger dicht gepackte, geöffnete Konformation gebunden an Lipidmembranen ausbildet. Dies ermöglicht dem Protein C-terminal F-Aktin zu binden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Aktinnetzwerke an festkörperunterstützten Lipidmembranen (SLBs) immobilisiert und über Ezrin an PIP2- oder elektrostatisch an 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-ethylphosphocholin (DOEPC)-haltige SLBs gebunden. Die Netzwerkorganisation wurde mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie untersucht und unter Berücksichtigung der Immobilisierungsstrategie in Hinblick auf den Einfluss der Anzahl an Verknüpfungspunkten und aktinbindender Proteine (Fascin und α-Actinin) analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass beide Immobilisierungsstrategien zu Aktinnetzwerken mit ähnlichen Eigenschaften führten, bezugnehmend auf Maschengröße und Filamentsegmentlänge. Die Aktinnetzwerkdichte konnte direkt über die Anzahl an Verknüpfungspunkten und aktinbindende Proteine (ABPs) reguliert werden, dies demonstriert die physiologische Relevanz der Ergebnisse. Es ist bekannt, dass die Aktindichte in Zellen über PIP2- und ABP-Konzentration gesteuert wird. Im dritten Teil der Arbeit wurde das etablierte Modelsystem auf poröse Substrate übertragen. Unter Kenntnis der vorangegangenen Teile der Arbeit wurde der Einfluss des F-Aktinnetzwerkes auf die Lipidmembranmechanik untersucht. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie wurden Indentationsexperimente an porenüberspannenden Lipidmembranen (PSLBs) durchführt, welche zeigten, dass ein aufliegendes F-Aktinnetzwerk die PSLBs versteift. Dies ließ sich auf die reduzierte laterale Mobilität der Lipide innerhalb der PSLBs aufgrund des Aktinnetzwerkes zurückführen, vergleichbar mit dem Picket-Fence-Modell der Plasmamembran bei welchem die Mobilität der Lipide und (Membran-)Proteine, aufgrund der Kompartimentierung der Membran durch das Aktin-Zytoskelett, eingeschränkt ist.

Almost all animal cells maintain a thin layer of actin filaments and associated proteins underneath the cell membrane. The actomyosin cortex is subject to internal stress patterns which result from the spatiotemporally regulated activity of non-muscle myosin II motors in the actin network. We study how these active stresses drive changes in cell shape and flows within the cortical layer, and how these cytoskeletal deformations and flows govern processes such as cell migration, cell division and organelle transport. Following a continuum mechanics approach, we develop theoretical descriptions for three different cellular processes, to obtain - in collaboration with experimental groups - a detailed and quantitative understanding of the underlying cytoskeletal mechanics. We investigate the forces and cortex flows involved in adhesion-independent cell migration in confinement. Many types of cell migration rely on the extension of protrusions at the leading edge, where the cells attach to the substrate with specific focal adhesions, and pull themselves forward, exerting stresses in the kPa range. In confined environments however, cells exhibit migration modes which are independent of specific adhesions. Combining hydrodynamic theory, microfluidics and quantitative imaging of motile, non-adherent carcinosarcoma cells, we analyze the mechanical behavior of cells during adhesion-independent migration. We find that the accumulation of active myosin motors in the rear part of these cells results in a retrograde cortical flow as well as the contraction of the cell body in the rear and expansion in the front, and we describe how both processes contribute to the translocation of the cells, depending on the geometric and mechanical parameters of the system. Importantly, we find that the involved propulsive forces are several orders of magnitude lower than during adhesive motility while the achieved migration velocities are similar. Moreover, the distribution of forces on the substrate during non-adhesive migration is fundamentally different, giving rise to a positive force dipole. In contrast to adhesive migration modes, non-adhesive cells move by exerting pushing forces at the rear, acting to expand rather than contract their substrate as they move. These differences may strongly affect hydrodynamic and/or deformational interactions between collectively migrating cells. In addition to the work outlined above, we study contractile ring formation in the actin cytoskeleton before and during cell division. While in disordered actin networks, myosin motor activity gives rise to isotropic stresses, the alignment of actin filaments in the cortex during cell division introduces a preferred direction for motor-filament interactions, resulting in anisotropies in the cortical stress. Actin filaments align in myosin-dependent shear flows, resulting in possible feedback between motor activity, cortical flows and actin organization. We investigate how the mechanical interplay of these different cortical properties gives rise to the formation of a cleavage furrow during cell division, describing the level of actin filament alignment at different points on the cortex with a nematic order parameter, in analogy to liquid crystal physics. We show that cortical anisotropies arising from shear-flow induced alignment patterns are sufficient to drive the ingression of cellular furrows, even in the absence of localized biochemical myosin up-regulation. This mechanism explains the characteristic appearance of pseudocleavage furrows in polarizing cells. Finally, we study the characteristic nuclear movements in pseudostratified epithelia during development. These tissues consist of highly proliferative, tightly packed and elongated cells, with nuclei actively travelling to the apical side of the epithelium before each cell division. We explore how cytoskeletal properties act together with the mechanics of the surrounding tissue to control the shape of single cells embedded in the epithelium, and investigate potential mechanisms underlying the observed nuclear movements. These findings form a theoretical basis for a more detailed characterization of processes in pseudostratified epithelia. Taken together, we present a continuum mechanics description of the actomyosin cell cortex, and successfully apply it to several different cell biological processes. Combining our theory with experimental work from collaborating groups, we provide new insights into different aspects of cell mechanics.

Anders als menschengemachte Maschinen verfügen Zellen über keinen festgeschriebenen Bauplan und die Positionen einzelner Elemente sind häufig nicht genau festgelegt, da die Moleküle diffusiven Zufallsbewegungen unterworfen sind. Darüber hinaus sind einzelne Bauteile auch nicht auf eine einzelne Funktion festgelegt, sondern können parallel in verschiedene Prozesse einbezogen sein. Basierend auf Selbstorganisation und Selbstassemblierung muß die Organisation von Anordnung und Funktion einer lebenden Zelle also bereits in ihren einzelnen Komponenten inhärent enthalten sein. Die intrazelluläre Organisation wird zum großen Teil durch ein internes Biopolymergerüst reguliert, das Zytoskelett. Biopolymer-Netzwerke und –Fasern durchdringen die gesamte Zelle und sind verantworlich für mechanische Integrität und die funktionale Architektur. Unzählige essentielle biologische Prozesse hängen direkt von einem funktionierenden Zytoskelett ab. Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besser Verständnis und den Nachbau zweier verschiedener funktionaler Module lebender Zellen anhand stark reduzierter Modellsysteme. Als zentrales Element wurde Aktin gewählt, da dieses Biopolymer eine herausragende Rolle in nahezu allen eukaryotischen Zellen spielt. Mit dem ersten Modellsystem wird der bewegliche Aktin-Polymerfilm an der Vorderkante migrierender Zellen betrachtet. Die wichtigsten Elemente dieser hochdynamischen Netzwerke sind bereits bekannt und wurden in dieser Arbeit benutzt um ein experimentelles Modellsystem zu etablieren. Vor allem aber lieferten detailierte Computersimulationen und ein mathematisches Modell neue Erkenntnisse über grundlegende Organisationsprinzipien dieser Aktinnetzwerke. Damit war es nicht nur möglich, experimentelle Daten erfolgreich zu reproduzieren, sondern das Entstehen von Substrukturen und deren Charakteristika auf proteinunabhängige, generelle Mechanismen zurückzuführen. Das zweite studierte System betrachtet die Selbstassemblierung von Aktinnetzwerken durch entropische Kräfte. Aktinfilamente aggregieren hierbei durch Kondensation multivalenter Ionen oder durch Volumenausschluss hochkonzentrierter inerter Polymere. Ein neu entwickelter Experimentalaufbau bietet die Möglichkeit in gut definierten zellähnlichen Volumina, Konvektionseinflüsse zu umgehen und Aggregationseffekte gezielt einzuschalten. Hierbei wurden neuartige, regelmäßige Netzwerkstrukturen entdeckt, die bislang nur im Zusammenhang mit molekularen Motoren bekannt waren. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die Physik der Flüssigkristalle entscheidend zu weiteren Variationen dieser Netzwerke beiträgt. Dabei wird ersichtlich, dass entstehende Netzwerke in ihrer Architektur direkt die zuvor herrschenden Anisotropien der Filamentlösung widerspiegeln.:1 Introduction 1 2 General background 7 2.1 General concepts 7 2.1.1 Coarse-graining as hierarchical reduction 8 2.1.2 Functional modules and redundancies 10 2.1.3 Emergence 11 2.1.4 Self-organization and self-assembly 13 2.1.5 Bottom-up and top-down 13 2.2 The cytoskeleton 15 2.2.1 From actin monomers to filaments 16 2.2.2 Accessory proteins and actin networks 21 2.3 Biopolymer pattern formation 25 2.3.1 Random networks and nematic phases 25 2.3.2 Linker and motor induced networks 28 3 Lamellipodial actin network formation 33 3.1 Background: crawling cell migration 33 3.1.1 Leading edge actin structures 35 3.1.2 Lamellipodial self-organization into oriented branches? 40 3.1.3 Lamellipodial modeling 41 3.1.4 Beyond the lamellipodium: adhesion and network contraction 42 3.2 Methods: lamellar treadmilling model 45 3.2.1 Assumptions 45 3.2.2 Choice of model parameters 51 3.2.3 Computer simulation (implementation) 52 3.2.4 Mathematical modeling 56 3.3 Modeling results 63 3.3.1 Reproduction of motile cell characteristics 64 3.3.2 Self-organization into lamellipodium and lamellum 65 3.3.3 Filament severing and annealing influence network properties 70 3.3.4 Unconfined network growth 74 3.4 Feasible model extensions 76 3.4.1 Alternative nucleation mechanisms 77 3.4.2 Convergence zone through myosin-driven network contraction 80 3.5 Experimental bottom-up approach 82 3.6 Discussion: Arp2/3 induced actin networks 87 4 Actin network patterns in confined systems 91 4.1 Background: counterion condensation and depletion forces 91 4.1.1 Actin, a polyelectrolyte: counterion condensation 92 4.1.2 Actin and molecular crowding: depletion forces 95 4.2 Methods: Experimental design and data analysis 97 4.2.1 Protein purification and handling 98 4.2.2 Droplet formation 98 4.2.3 Volume monitoring and pattern analysis 100 4.3 Actin pattern formation 105 4.3.1 Counterion-induced network formation 105 4.3.2 Depletion force induced network formation 111 4.4 First modeling attempts: bundling simulation 116 4.4.1 Model concept and assumptions 116 4.5 Discussion: Counterion and depletion-based network assembly 119 5 Discussion & Outlook 125 Appendix 129 A. Variation of filament orientation 129 B. Analytical solution of the mathematical model 131 C. Pre-alignment of filaments 132 D. Protocols 134 d1. Acetone Powder Prep 134 d2. Actin prep 135 d3. Actin labling with rhodamine dye 137 Bibliography 141 Acknowledgements 157

Shigellen sind die Erreger der bakteriellen Ruhr beim Menschen, ihrem einzigen bisher bekannten Wirt. Ein wesentlicher Virulenzfaktor von Shigellen ist ihre Fähigkeit, in Epithelzellen des Intestinaltraktes einzudringen. Dabei induziert Shigella in der Wirtszelle Zytoskelettrearrangements, die zur Ausbildung einer blütenartigen Membranstruktur um das Bakterium herum führen, die schließlich über dem eindringenden Bakterium konfluiert und damit den Mikroorganismus internalisiert. Die Zytoskelettveränderungen sind essenziell für den Internalisierungsmechanismus und werden von der kleinen GTPase Rho gesteuert, wobei die Rho-Aktivität zeitlich und räumlich streng reguliert wird, um eine überschießende Bildung von F-Aktin auf Kosten des zellulären G-Aktin-pools zu verhindern. Myr5, ein atypisches Myosin der Klasse IX, ist das erste beschriebene Myosin mit einem Rho inaktivierenden GAP-Modul. Deshalb vermuteten wir, dass der Rho-Antagonist Myr5 während der Shigelleninvasion funktionell von Bedeutung sein könnte. Wir konnten zeigen, dass Myr5 bei der Shigelleninvasion in die zellulären Protrusionen rekrutiert wird. Dort kolokalisierte Myr5 mit F-Aktin und den Rho-Isoformen B und C, nicht jedoch mit RhoA. Die Rekrutierung von Myr5 in die Invasionszone erfolgte unabhängig von der Myosin-Kopf- und der GAP-Funktion. Die Resultate funktioneller quantitativer Untersuchungen zu einer möglichen Rolle während der bakteriellen Invasion sind kompatibel mit der Hypothese, dass sowohl die GAP-Funktion als auch die Myosin-Kopf-Funktion von Myr5 während unterschiedlicher Phasen der Shigelleninvasion von Bedeutung sind. / Shigella causes bacillary dysentery in humans, the only known host. A major feature of its pathogenic potential is the capacity to invade intestinal epithelial cells. Shigella entry into epithelial cells is considered a parasite induced internalization process requiring cytoskeletal rearrangements. Shigella induces a blossom-like membrane structure consisting of membrane sheaths that coalesce above and thus internalize the invasive microorganism. Cytoskeletal remodeling is an essential part of the entry process and is regulated by the small GTPase rho. Temporal and special regulation of rho activity is important to prevent excessive generation of F-actin in depense of the cellular G-actin pool. The class IX myosin myr5 is characterized by a GTPase activating protein (GAP)-module in the tail region. The GAP-module of myr5 is able to inactivate rho. We therefore hypothesized a potential role of myr5 in the regulation of rho activity during Shigella entry into epithelial cells. We could show that myr5 is recruited into bacterial entry spot. Myr5 colocalized with F-actin, rhoB and rhoC but not rhoA. Shigella-induced recruitment of myr5 did not require a functional myosin head or GAP-domain. The results of quantitative functional studies of a potential role of myr5 during bacterial entry suggest a dual role of the myosin head function and the GAP module of myr5 during different steps of the internalization process.

Neuroprotektion und Verbesserung der zerebralen Durchblutung stellen die beiden zentralen therapeutischen Ansätze für den ischämischen Schlaganfall dar. In dieser Arbeit stellen wir ein neues experimentelles Konzept vor, welches das neuronale und endotheliale Zytoskelett als therapeutisches Target zur Schlaganfallbehandlung identifiziert. Ungebremster intrazellulärer Kalziumeinstrom durch aktivierte N-methyl-D-aspartat (NMDA)-Rezeptoren und spannungsabhängige Ca++-(VDCC)-Kanäle ist ein entscheidender Trigger für den Zelltod nach Schlaganfall. Die Aktivität dieser Kanäle wiederum wird dynamisch durch Veränderungen des Aktin-Zytoskeletts modifiziert, welches u.a. durch das aktindegradierende Protein Gelsolin vermittelt wird. Neurone, denen Gelsolin fehlt (Gelsolin-Null), zeigen einen vermehrten Zelltod und erhöhten Ca++-Einstrom nach Sauerstoff/Glukose Deprivation und weiterhin erhöhte zytosolische Ca++-Spiegel in den Nervenendigungen nach Depolarisation in vitro. Nach transienter zerebraler Ischämie wiesen Gelsolin-Null Mäuse deutlich größere Infarkte im Vergleich zu den Kontrollen auf. Eine akute Behandlung mit Cytochalasin D, einem Pilztoxin, das spezifisch Aktinfilamente depolymerisiert, reduzierte das Schlaganfallvolumen in Gelsolin-Null und Wildtypmäusen auf das gleiche Volumen. Gelsolinaktivierung und Aktindepolymerisierung schützen somit vor Exzitotoxizität und Zelltod nach zerebraler Ischämie. Ein entscheidender Regulator des zerebralen Blutflusses ist die endotheliale NO Synthase (eNOS). Mäuse, denen dieses Enzym fehlt (eNOS-Null Mäuse), entwickeln grössere Infarkte nach fokaler zerebraler Ischämie. In unserer Arbeit zeigen wir, daß das G-Protein Rho Veränderungen im Zytosklett von Endothelzellen bewirkt, die zur eNOS Herunterregulierung führen. Die Behandlung von Mäusen mit Rho Inhibitoren, wie Statinen (HMG-CoA Reduktasehemmern), C3 Transferase von C. botulinum, oder aber mit dem (oben genannten) aktindepolymerisierenden Toxin Cytochalasin D führten zu einer höheren eNOS Aktivität, vermehrtem zerebralem Blutfluß und kleineren Infarkten nach zerebraler Ischämie. Diese neuroprotektiven Effekte konnten nicht in eNOS-Null Mäusen erzielt werden, was dieses Enzym als den entscheidenden Effektor dieses prophylaktischen Ansatzes identifiziert. Zusammenfassend stellen sowohl das neuronale Zytoskelett (durch Schutz vor Ca++-Influx) als auch das endotheliale Zytoskelett (über einen eNOS-abhängigen Mechanimus) ein neurartiges Target zur Schlaganfalltherapie dar. Diese ermöglichen neuartige Behandlungsstrategien sowohl in der Akutphase als auch zur Prophylaxe. Insbesondere die Tatsache, daß mit den Statinen bereits zugelassene spezifische Therapeutika zur Verfügung stehen, unterstreicht die unmittelbare klinische Relevanz der Untersuchungen. / Neuroprotection and reperfusion are the basic therapeutic concepts for the treatment of ischemic stroke. Here, we present a novel strategy which identifies both the neuronal and endothelial cytoskeleton as potential therapeutic targets. Increased Ca++ influx through activated NMDA receptors and voltage-dependent Ca++ channels (VDCC) is a major determinant of cell injury after brain ischemia. The activity of these channels is modulated by dynamic changes in the actin cytoskeleton, which may occur in part through the actions of the actin filament-severing protein gelsolin. We show that gelsolin null neurons have enhanced cell death and rapid, sustained elevation of Ca++ levels after glucose/oxygen deprivation as well as augmented cytosolic Ca++ levels in nerve terminals after depolarization in vitro. Moreover, major increases in infarct size are seen in gelsolin null mice after reversible middle cerebral artery occlusion compared to controls. In addition, treatment with cytochalasin D, a fungal toxin that depolymerizes actin filaments, reduced the infarct size of both gelsolin null and control mice to the same final volume. Hence, enhancement or mimickry of gelsolin activity may be neuroprotective during stroke. Cerebral blood flow is regulated by endothelium-derived nitric oxide (NO), and endothelial NO synthase-deficient (eNOS-/- "knockout") mice develop larger cerebral infarcts following middle cerebral artery (MCA) occlusion. We report that the small G-protein rho mediates disruption of the endothelial actin cytoskeleton that leads to upregulation of eNOS. Mice treated with Rho inhibitors like statins (HMG-CoA reductase inhibitors), C3 transferase from C. botulinum, or with the actin cytoskeleton disruptor cytochalasin have higher eNOS expression and activity, increased cerebral blood flow and smaller ischemic lesions following MCA occlusion. No neuroprotection was observed with these agents in eNOS-/- mice. These findings suggest that therapies which target the endothelial actin cytoskeleton may have beneficial effects in ischemic stroke. Both the neuronal and the endothelial actin cytoskeleton were identified as novel therapeutic targets following cerebral ischemia stroke. This may have implications for the treatment and prophylaxis of ischemic stroke in man.