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Integrins are heterodimeric transmembrane proteins that provide a bi-directional link between the cell’s internal biological mechanisms and the extracellular environment. During inside-out signalling, intracellular messages converge on the integrin cytoplasmic domain to induce a conformational change. This is transmitted to the extracellular domain where it results in an alteration in affinity for integrin ligands such as fibronectin and laminin. In this way the cell has developed the ability to modulate the critical functions of adhesion and cell movement. In outside-in signalling, the integrin performs a more complex function than simple adhesion; upon binding to ligand, the integrin extracellular domain undergoes a conformational change which is transmitted to the cytoplasmic domain. This alters the integrin’s cytoplasmic domain affinity for intracellular signalling proteins and results in the activation of intracellular second messenger pathways. In this way, the extracellular milieu is able to influence intracellular signalling including those involved in apoptosis. This thesis demonstrates data which provide original insights into bi-directional integrin signalling: Inside-out signalling: Constitutively active Notch1 increases β3-integrin affinity and abrogates Hras-mediated integrin suppression without increasing expression of β3- integrin. Dominant-Negative Rras blocks Notch-mediated integrin activation and Notch1-mediated reversal of Hras and Raf-mediated integrin suppression and this is independent of erk phosphorylation. Notch1 induces Rras activation. Functional adhesion assays confirm that Notch1IC increases K562 adhesion in a β1-integrin dependent manner and this is abrogated by Dominant-Negative Rras. This data supports a mechanism in which Notch1 increases integrin affinity via activation of Rras. Outside-in signalling: Evidence is presented demonstrating that extracellular matrix proteins, laminin and fibronectin, activate β1-integrins to protect SCLC cells against the apoptotic effects of etoposide and ionizing radiation via PI3Kinase activation. This occurs in two ways: 1) PI3Kinase-dependent β1-integrin signalling resulting in phosphorylation of Bad and reduced caspase-9 cleavage and 2) a β1-integrinmediated over-riding of etoposide and radiotherapy-induced cell cycle S phase delay and G2/M arrest. β1-integrin-mediated outside-in survival signalling was investigated further in the in vivo setting; MatrigelTM, a basement membrane product rich in extracellular matrix proteins, promoted SCLC xenograft survival and growth in a β1-integrin and tyrosine kinase-dependent manner. This data provides novel insights into the critical functions that integrins play in adhesion and survival signalling.

The tumour suppressor gene p53 is pivotal in the regulation of program cell death (apoptosis), and point mutations within the gene represent the most common genetic alterations in human cancers. This process can result in the overexpression and/or accumulation of mutated and/or wild-type p53 protein within the cell. Cytotoxic T lymphocytes (CTL) play a critical role in the immune defense by recognising peptide/MHC complexes on the surface of virally infected or tumour cells followed by lysis. Therefore, p53-derived peptides are potential candidates for immunisation strategies designed to induce anti-tumour CTL in patients.

Les Parabasalia constituent un groupe d’eucaryotes unicellulaires répartis en 2 classes : les hypermastigines et les trichomonadines. Le premier volet de ma thèse concerne l’étude de la systématique de ce groupe par l’utilisation d’outils moléculaires. En séquençant les gènes codant pour différents marqueurs de nombreux taxons d’intérêt, des phylogénies moléculaires sont construites et comparées à la systématique traditionnelle basée sur un nombre limité de caractères morphologiques. Ces phylogénies moléculaires sont largement en conflit avec la classification actuelle et appelle donc à une révision globale de la taxonomie de ce groupe. Le second volet de mes travaux concerne l’étude des processus de mort cellulaire chez la trichomonadine, Trichomonas vaginalis, l’agent responsable de la trichomonose humaine qui est la maladie transmise sexuellement d’origine non virale la plus répandue à travers le monde. Il est possible d’induire une forme de mort cellulaire distincte de la nécrose chez ce parasite via l’utilisation de drogues pro-apoptotiques comme la staurosporine. Certaines caractéristiques de cette mort cellulaire sont communes à celles observées pour l’apoptose des métazoaires alors que d’autres semblent spécifiques à ce parasite. Ce microorganisme présente en outre deux particularités intéressantes dans le cadre de notre projet. La première est son unicellularité. En effet, on sait aujourd’hui que l’apparition des mécanismes de mort cellulaire a précédé celle de la multicellularité. De ce fait, étudier ces processus de mort cellulaire chez les unicellulaires peut apporter des informations intéressantes sur un problème de biologie générale qui est l’origine de la mort cellulaire chez les métazoaires. La seconde est qu’il est dépourvu de mitochondries et de ce fait pouvoir induire une mort cellulaire chez Trichomonas pourrait remettre en question le rôle central de la mitochondrie dans le processus apoptotique. Nous avons donc initié l’identification et la caractérisation des molécules potentiellement impliquées dans la mort cellulaire chez ce microorganisme. Une recherche in silico menée dans le programme de séquençage du génome de T. vaginalis ne nous a pas permis d’identifier de protéines homologues à celles connues comme étant impliquées dans le processus d’apoptose chez les métazoaires à l’exception de possibles métacaspases qui sont considérées comme des caspases primitives. Ces protéines, au nombre de 11 chez Trichomonas, possèdent toutes le domaine catalytique peptidase C14 et la dyade histidine-cystéine du site catalytique caractéristiques des caspases. Ces métacaspases de Trichomonas peuvent se regrouper en deux classes : l’une englobant celles présentant une extension amino-terminale et l’autre regroupant celles ne présentant pas cette extension. Dans un premier temps, nous avons étudié l’expression relative des 11 gènes codant ces métacaspases par PCR quantitative après induction de l’apoptose par la staurosporine. Nous avons montré une surexpression significative de la plupart de ces gènes. Cette régulation est donc différente de celle généralement observée pour les gènes de caspases. Nous avons ensuite mené une étude biochimique et enzymatique pour un représentant de chacune des deux classes de métacaspases de Trichomonas. Après production de ces protéines en système bactérien, nous avons montré, par western blot, qu’elles ont la propriété de s’autocliver tout comme les métacaspases étudiées chez d’autres organismes et les caspases initiatrices des métazoaires. Ces résultats ont été confirmés par la production de ces deux métacaspases mutées au niveau des deux résidus C et H du site catalytique. De plus, l’étude de l’activité enzymatique de ces protéines révèle une forte spécificité endopeptidase arginine ou lysine spécifique comme pour les autres métacaspases décrites jusqu’à présent et donc différente de celle des caspases qui est aspartate spécifique. [...] / The Parabasalia are a group of unicellular eukaryotes divided into two classes: hypermastigines and trichomonadines. The first part of my thesis is the study of this group’s systematic by using molecular tools. By sequencing the genes coding for different markers of interest in many taxa, molecular studies are constructed and compared with traditional systematics based on a limited number of morphological characters. These molecular phylogenies are largely in conflict with the current classification and therefore it’s necessary to do a revision of this group’s taxonomy. The second part of my work concerns the study of cell death of one trichomonads, Trichomonas vaginalis. It’s the causative agent of human trichomoniasis which is a sexually transmitted disease of nonviral origin most common worldwide. It is possible to induce a form of cell death distinct from necrosis in the parasite through the use of pro-apoptotic drugs such as staurosporine. Some features of this cell death are common to those observed for metazoan apoptosis, while others seem specific to this parasite. This organism also has two interesting features in the context of our project. One is his unicellularity. In fact, now we know that the apparition of the cell death mechanism preceded that of multicellularity. Therefore, the study of these cell death processes in unicellular organisms can provide valuable information on a general biology problem , the cell death origin in metazoans. The second is that T. vaginalis is devoid of mitochondria and thus can induce cell death in trichomonads could answer the question of the central role of mitochondria in apoptosis. We have therefore initiated the identification and characterization of molecules potentially involved in cell death in this organism. An in silico research conducted in the program to sequence the genome of T. vaginalis does not allow us to identify proteins homologous to those known to be involved in the process of apoptosis in metazoans except metacaspase possible that caspases are considered primitive. These proteins, numbering 11 in Trichomonas, possess all the catalytic domain Peptidase C14 dyad histidine-cysteine catalytic site characteristics of caspases. These metacaspase Trichomonas can be grouped into two classes: one comprising those having an amino-terminal extension and the other comprising those that do not have this extension. Initially, we studied the relative expression of 11 genes encoding these metacaspase Quantitative PCR after induction of apoptosis by staurosporine. We showed a significant overexpression of most of these genes. This regulation is therefore different from that generally observed for genes of caspases. We then conducted a biochemical and enzyme for one representative of each of the two classes of Trichomonas metacaspase. After producing these proteins in bacterial system, we showed by Western blot, they have the property of autocliver like metacaspase studied in other organisms and metazoan initiator caspases. These results were confirmed by the production of these two metacaspase mutated at both C and H residues of the catalytic site. In addition, the study of the enzymatic activity of these proteins reveals a high specificity endopeptidase specific arginine or lysine as for other metacaspase described so far and therefore different from that of caspases is specific aspartate. that of caspases. Finally, we construct a subtractive library to identify other proteins potentially involved in cell death in this protozoan.[...]

Herzmuskelschwäche (Herzinsuffizienz) ist in industralisierten Ländern neben malignen Erkrankungen noch immer die zweithäufigste Todesursache. Das Zusammenspiel der zu einer Herzmuskelschwäche führenden, molekularen Signalwege und die zugrunde liegenden Mechanismen sind trotz intensiver Forschung bisher noch weitgehend unverstanden. Ein detailierteres Verständnis der Entstehung einer Herzinsuffizienz könnte somit entscheidend zur Entwicklung innovativer Therapiestrategien beitragen. Mit Hilfe eines cDNA Expressions Arrays wurde die differentielle Genexpression in einem murinen Herzinsuffizienzmodell untersucht. Die Cysteinprotease Caspase-1 ist eines der in diesem Array identifizierten Kandidatengene. Die verstärkte Expression der Caspase-1 konnte zunächst sowohl für die murine als auch die humane Herzinsuffizienz verifiziert werden. Caspasen werden klassischerweise, ihrer Funktion entsprechend, in proinflammatorische und proapoptotische Caspasen unterteilt. In der Literatur ist Caspase-1 als ein über die Generierung von aktivem IL-1? und IL-18 wirkender, proinflammatorischer Mediator beschrieben. IL-? und IL-18 sind proinflammatorische Zytokine und als solche zentrale Mediatoren bei entzündlichen Prozessen. Während die Funktion der proapoptotischen Caspasen bei Herzmuskelschwäche weitgehend bekannt ist, ist unklar, welche Bedeutung der verstärkten kardialen Expression der Caspase-1 bei der Entstehung und Progression der Herzmuskelschwäche zukommt. Zur funktionellen Analyse der verstärkten Expression der Caspase-1 in vivo wurde die Caspase-1 in einem transgenen Mausmodell kardial überexprimiert. Herzen mit verstärkter Expression der Caspase-1 entwickelten ab dem vierten Lebensmonat morphologische und funktionelle Veränderungen, die charakteristisch für eine angehende Herzinsuffizienz sind. Dennoch war, trotz progressiver Kardiomyozytenhypertrophie und Myokardfibrose, zu keinem Zeitpunkt des untersuchten Zeitraumes (ein bis vierzehn Monate alt) eine Zunahme des Ventrikelgewichtes evident. Die funktionelle Analyse der Herzfunktion von neun Monate alten Caspase-1-transgenen Mäusen zeigte eine signifikante Einschränkung der Linksherzkontraktilität. Diese Herzinsuffizienz war schließlich auch makroskopisch an einer starken Linksherzdilatation als auch an einer Reduktion der linksventrikulären Wandstärke erkennbar. Ist die Induktion einer Herzinsuffizienz durch Caspase-1 als proinflammatorischer Mediator im Herzen zu erklären? In einer Reihe von Versuchen konnten keine Hinweise auf eine Induktion inflammatorischer Prozesse durch kardiale Caspase-1 festgestellt werden. Weder eine verstärkte Bildung der proinflammatorischen Zytokine IL-1? und IL-18, noch eine vermehrte Infiltration von Entzündungszellen oder eine verstärkte Proteinexpression weiterer Zytokine waren detektierbar. Ferner waren der oxidative Stresstatus und der nekrotische Gewebeuntergang im linksventrikulären Myokard Caspase-1-transgener Mäuse unverändert. Doch besonders im Herzmuskelgewebe junger Caspase-1-transgener Mäuse zeigte sich eine deutliche, mit fortschreitendem Alter bestehende Zunahme des apoptotischen Zelltods von Herzmuskelzellen. Diese direkte, proapoptotische Wirkung der kardialen Caspase-1 konnte ebenfalls in isolierten Kardiomyozyten von Caspase-1-transgenen Mäusen ex vivo und in vitro, nach adenoviraler Infektion von neonatalen Rattenkardiomyozyten (NRCM) mit Caspase-1, demonstriert werden. Durch Infektion von NRCM mit dem Caspase-1-exprimierenden Adenovirus (Adv-Casp-1) konnte eine selektive Aktivierung des intrinsischen apoptotischen Signaltransduktionsweges durch Caspase-1 nachgewiesen werden. Ist die endogen exprimierte Caspase-1 ein westenlicher Regulator kardialer Apoptose? In dem Kardiomyozytenapoptose-induzierenden Schädigungsmodell der Ischämie/Reperfusion waren die Caspase-1-defizienten Mäuse durch eine Reduktion der Kardiomyozytenapoptose um nahezu 75% gegenüber der Kontrollgruppe deutlich begünstigt. Des Weiteren zeigte die Ausschaltung der endogenen Caspase-1 in dem Herzinsuffizienzmodell des operativen Herzinfarkts eine deutliche Verminderung der reaktiven Kardiomyozytenhypertrophie und eine geringere Einschränkung der Herzkontraktilität. Diese Verbesserung des kardialen Phänotyps spiegelte sich ferner in einer reduzierten Sterblichkeit gegenüber der Kontrollgruppe wieder. Eine Inhibition der Caspase-1 stellt somit ein interessantes therapeutisches Target zur Prävention der Entwicklung einer Herzinsuffizienz dar. / To date, heart failure is still, besides malignant diseases, one of the most frequent causes of death in industrialized countries. Despite intensive research progress, the interplay of molecular signaling pathways and the underlying mechanisms leading to heart failure are still poorly understood. However, more detailed insights in the development of heart failure are essential to develope novel therapeutic strategies. A cDNA-array was performed to identify differentially expressed genes in a murine heart failure model. Thereby, the cystein protease caspase-1 was identified as a novel potential target gene for heart failure development. First, the increased expression of caspase-1 was confirmed for murine and human heart failure. Accordingly to their function, caspases are traditionally divided into proinflammatory and proapoptotic caspases. Due to the generation of active IL-1? and IL-18, caspase-1 has been described as a potent proinflammatory mediator. The proinflammatory cytokines IL-1? and IL-18 are central mediators during inflammatory processes. While the function of the proapoptotic caspases during heart failure has been intensively studied, the role of caspase-1 during the development and progession of heart failure is unknown. To study the functional effect of an increased caspase-1 expression in vivo, transgenic mice with cardiac specific expression of caspase-1 were generated. From four month onwards, hearts with increased transgenic expression of caspase-1 displayed morphological and functional changes characteristic for heart failure. Despite progressive cardiomyocyte hypertrophy and myocardial fibrosis, the ventricular weight was not increased at any age studied (one to fourteen months old). The analysis of cardiac function revealed a significant impairment of left ventricular contractility at nine months of age. Finally, the manifest heart failure was also seen in a massive dilatation of the left ventricle and a reduced left ventricular wall thickness. Is the induction of heart failure originating from caspase-1 being a proinflammatory mediator in the heart? In a set of experiments, no indices for a induction of proinflammatory processes via cardiac caspase-1 were seen. Neither increased formation of the proinflammatory cytokines IL-1? and IL-18 nor enhanced infiltration of inflammatory cells nor increased production of other cytokines was detectable. Moreover, there were no signs for a raised oxidative stress and necrotic cell death in left ventricular tissue of caspase-1-transgenic mice. Heart sections of young caspase-1-transgenic mice in particular, displayed a pronounced and robust increase in cardiomyocyte apoptosis that was persistent at all ages studied. The direct proapoptotic effect of cardiac caspase-1 was corroborated by assessing apoptosis in isolated caspase-1-transgenic cardiomyocytes ex vivo and by further in vitro experiments with neonatal rat cardiomyocytes (NRCM). Moreover, adenovirally expressed caspase-1 in NRCM induced a selective activation of the intrinsic apoptotic signaling pathway. Can the proapoptotic function of overexpressed caspase-1 also be seen for the endogenous caspase-1? Caspase-1-deficient mice were protected from ischemia-reperfusion induced cardiomyocyte apoptosis by almost 75%, as compared to the corresponding wild-type control group. In the setting of heart failure after myocardial infarction, the deletion of endogenous caspase-1 significantly ameliorated reactive hypertrophic growth of cardiac myocytes and partly preserved cardiac contractility. Furthermore, the improved cardiac phenotype was reflected in a reduced mortality of caspase-1-deficient mice after myocardial infarction. To conclude, the inhibition of caspase-1 represents a potential therapeutic strategy to inhibit development and progression of heart failure.

In multizellulären Organismen ist die Apoptose, eine Art des programmierten Zelltods, ein hoch spezifischer, natürlicher Prozess um unerwünschte, überschüssige oder beschädigte Zellen auf einem geordneten, nicht entzündlichen, Weg zu beseitigen. Auch im menschlichen Körper werden täglich Milliarden an Zellen durch Apoptose abgebaut. Dadurch kann der Organismus die Zellzahl und Gewebegröße regulieren. Eine Fehlregulation der Apoptose kann weitreichende Konsequenzen haben. Während es bei einer unzureichenden Apoptose zu Autoimmunität und Tumoren kommen kann, führt ein gesteigerter Zelltod zu Immunschwäche oder akuten und chronischen degenerativen Erkrankungen. Aus diesem Grund ist die Erforschung der genauen Regulation des programmierten Zelltods von großer Bedeutung. Die Mitochondrien spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulation des programmierten Zelltods. Während des Ablaufs der Apoptose kommt es zur Freisetzung von Mediatoren der Apoptose aus diesen Organellen. Diese Moleküle sind dann an der Aktivierung von Caspasen beteiligt, welche die Degradation von Proteinen und als Folge davon der DNA bewerkstelligen. Die Proteine der Bcl-2 Familie, zu der pro- und anti-apoptotische Mitglieder gehören, kontrollieren die Integrität der Mitochondrien hauptsächlich durch Protein-Protein und Protein-Membran Interaktionen. Viele anti-apoptotische Mitglieder der Bcl-2 Familie sind mittels einer C-terminalen Transmembrandomäne in der Lage an die äußere Mitochondrienmembran zu binden. A1, ein anti-apoptotisches Mitglied dieser Proteinfamilie, besitzt allerdings keine typische Transmembrandomäne. Die Funktion und Lokalisation des Proteins werden sehr kontrovers diskutiert. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, die Lokalisation und Funktion von A1 zu analysieren. Um ein umfassendes Bild zu bekommen, wandten wir gentechnische Methoden zur Modifizierung des A1 C-Terminus an. Die intrazelluläre Lokalisation des Proteins wurde mittels konfokaler Mikroskopie untersucht. Die Bedeutung des proteasomalen Abbaus von A1 wurde schließlich durch Inhibitionsexperimente charakterisiert. Durch eine Fusion des C-terminalen Endes von A1 mit dem „enhanced green fluorescent protein“ haben wir die Funktion und Lokalisierungseigenschaften des A1 C-terminus mittels Durchflusszytometrie und konfokaler Mikroskopie untersucht. Wir konnten zeigen, dass das C-terminale Ende das so entstandene chimäre Protein deutlich destabilisieren konnte. Eine Blockade des proteasomalen Abbaus führte zu einer Stabilisierung des Fusionsproteins. Des Weiteren konnte in der konfokalen Mikroskopie eine diffuse Verteilung des chimären Proteins in 293T Zellen nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass das C-terminale Ende von A1 keine Lokalisation an spezifische intrazelluläre Organellen vermitteln kann, jedoch für die Instabilität und den proteasomalen Abbau des Proteins verantwortlich ist. Eine Analyse der Lokalisation des Gesamtproteins A1 in 293T Zellen mittels konfokaler Mikroskopie konnte eine Verteilung von A1 zugunsten des Zytoplasmas mit Anreicherung an den Mitochondrien nachweisen. Obwohl das C-terminale Ende von A1 für sich keine spezifische intrazelluläre Lokalisation vermittelt, zeigte das Protein eine Kolokalisation an den Mitochondrien. Somit scheinen noch andere N-terminale Bereiche des Proteins an der Lokalisation von A1 beteiligt zu sein. Zusammenfassend konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass der C-Terminus von A1 eine wichtige Rolle für die Stabilität des anti-apoptotischen Bcl-2 Familienmitglieds spielt. / In multicellular organisms, apoptosis (one kind of programmed cell death) is a highly regulated natural process that can remove unwanted, redundant, or damaged cells in an orderly non-inflammatory way. In a typical human being, billions of cells undergo apoptosis every day. That way the organism can control the cell number and the size of a tissue. A dysregulation of apoptosis can have extensive consequences. While insufficient apoptosis can manifest as autoimmunity or cancer, accelerated cell death can lead to immunodeficiency or acute and chronic degenerative diseases. Therefore, analysis of apoptosis is of great importance. Mitochondria play a key role in the regulation of cell death. In the progress of apoptosis, mediators of apoptosis can be released from these organelles. These mediators then participate in the activation of caspases, enzymes that degrade proteins and as a consequence regulate the degradation of DNA. Proteins of the Bcl-2 family consisting of pro- and anti-apoptotic members, control the integrity of the mitochondria mainly by protein-protein and protein-membrane interactions. Many anti-apoptotic members of the Bcl-2 family are able to bind to the outer mitochondrial membrane by a C-terminal transmembrane domain. A1, an anti-apoptotic member of this protein family, lacks this typical transmembrane domain. Function and localization of this protein are discussed very controversially. Therefore, the aim of this thesis was to analyze the localization and function of A1. The intracellular distribution of various versions of genetically modified A1 proteins was analyzed by confocal microscopy. Eventually, the contribution of the proteasomal degradation pathway in regulating the amount of A1 inside cells was investigated by applying relevant inhibitors. By fusing the C-terminal end of A1 to the enhanced green fluorescent protein, we analyzed the function and localization features of the A1 C-terminus by confocal microscopy and flow-cytometry. We could show that the C-terminal end of A1 made the chimeric protein very unstable. Treating the cells with a proteasomal inhibitor lead to a stabilization of the fusion protein. Furthermore the chimeric protein showed a diffuse distribution in 293T cells. These results indicate that the C-terminus of A1 is not sufficient to mediate localization to special intracellular organelles, but is responsible for the instability and proteasomal degradation of the protein. By analyzing the localization of the full length protein A1 in 293T cells by confocal microscopy we could demonstrate that A1 is mainly found in the cytosol with accumulation at the mitochondria. As the C-terminus of A1 by itself was not sufficient for specific intracellular targeting of the protein, other N-terminal regions of A1 seem to contribute in targeting the protein to these organelles. Taken together, we could show that the C-terminus of A1 plays an important role for the stability of this anti-apoptotic Bcl-2 family member.