Arteriosklerose führt zu schwerwiegenden klinischen Komplikationen bei Herz-Kreislauf-erkrankungen, welche die führenden Todesursachen in den westlichen Industrieländern sind. Die Arteriosklerose ist typischerweise eine Erkrankung arterieller Gefäße und betrifft nicht die venöse Gefäßwand. Bei der Entstehung von Arteriosklerose spielen die Endothelzellen als Barrierezellen und Regulatoren der Gefäßfunktion eine Schlüsselrolle. Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung ist die Differenzierung der Endothelzellen. Arterielle und venöse Endothelzellen weisen schon im frühen Embryonalstadium unterschiedliche Phänotypen auf. Ein besseres Verständnis der arterio-venösen Differenzierung wäre von großer Bedeutung für antiarteriosklerotische Therapien. Darüber hinaus könnte eine Reprogrammierung (z.B. von Vene in Arterie) entscheidend für neue Therapieansätze bei der Senkung der Restenoserate venöser Bypässe von Patienten mit koronarer Herzkrankheit und bei AV-Shunt-Operationen von dialysepflichtigen Patienten sein. In dieser Arbeit wurden differenzierte humane primäre arterielle und venöse Endothelzellen nach Genmodulation untersucht. Der Fokus der Genmodulation wurde auf das arterielle Markergen Hey2 und auf das venöse Markergen COUP-TFII gelegt. Das arterielle Markergen Hey2 ist ein Zielgen der Notch-Signalkaskade, während der molekulare Mechanismus der Rolle von COUP-TFII bei der venösen Differenzierung noch nicht bekannt ist. Daher wurde der Einfluss des arteriellen Markergens Hey2 und des venösen Markergens COUP-TFII auf die Notch-Signalkaskade untersucht, um ein besseres Verständnis über die molekularen Mechanismen der arterio-venösen Differenzierung zu gewinnen. Da humane primäre Endothelzellen mit kommerziell verfügbaren Transfektionsmitteln schwer transfizierbar sind, wurde zunächst ein lentivirales Vektorsystem etabliert. Hiermit wurde eine erfolgreiche und stabile Genexpression bzw. Genrepression in arteriellen und venösen Endothelzellen ermöglicht. Die Genmodulationen in arteriellen Endothelzellen, die durch die Expression des venösen Markergen COUP-TFII bzw. durch die Repression des arterellen Markergen Hey2 verursacht wurden, führten zu der neuen Erkenntnis, dass das venöse Markergen COUP-TFII in arteriellen Endothelzellen als ein Repressor des arteriellen Markergens Hey2 fungiert. Diese Repression wird durch eine direkte Bindung von COUP-TFII an den Hey2-Promotor vermittelt. Die COUP-TFII Expression bewirkte keine Veränderung in der Expression von Notch4, Dll4 und Nrp1. Dies könnte bedeuten, dass (i) COUP-TFII in arteriellen Endothelzellen kein Regulator von diesen Genen ist, (ii) Kooperationspartner von COUP-TFII fehlen, die in arteriellen Endothelzellen nicht vorhanden sind, oder (iii) der molekulare Mechanismus dieser Gene aufgrund seiner wichtigen Rolle nicht durch die Modifikation eines einzigen Gens beeinflussbar ist, da die Gene der Notch-Signalkaskade redundant kontrolliert werden. In venösen Endothelzellen wurden Genmodulationen durch Expression des arteriellen Markergens Hey2 bzw. durch die Repression des venösen Markergens COUP-TFII durchgeführt. Eine Expression des arteriellen Markergens Hey2 in venösen Endothelzellen konnte nicht die Expression der Gene der Notch-Signalkaskade aktivieren. Dies bedeutet, dass die Regulation dieser Gene durch einen übergeordneten molekularen Mechanismus gesichert ist. Interessanterweise konnte die Expression von Hey2 eine Reduktion der Hey1 Expression bewirken. Dies ist ein alternativer Effekt von Hey2 im Vergleich zu arteriellen Endothelzellen. Eine Repression des venösen Markergens COUP-TFII konnte die Expression der Gene Dll4, EphrinB2 und EphB4 induzieren. Vermutlich ist die Induktion der EphB4 Expression ein Kompensationsmechanismus auf die reduzierte COUP-TFII Expression. COUP-TFII sichert den venösen Phänotyp wahrscheinlich durch die Repression von EphrinB2 und Dll4, wobei die Reduktion von Dll4 vermutlich eine größere Bedeutung hat. Da Dll4 ein Ligand und Aktivator der Notch-Signalkaskade ist, ist seine Repression entscheidend für venöse Endothelzellen. Das arterielle Markergen Hey2 ist für die normale Embryogenese von großer Bedeutung, jedoch ist Hey2 als eines der Zielgene der Notch-Signalkaskade wahrscheinlich nicht in der Lage, molekulare Mechanismen, die zu unterschiedlichen endothelialen Phänotypen führen, zu aktivieren. Um arterielle Endothelzellen zu einem Reprogramming zu bewegen, wären wahrscheinlich Genmodulationen der Mitglieder der Notch-Signalkaskade, die upstream von Hey2 liegen, nötig. Hingegen ist die Rolle des venösen Markergens COUP-TFII in der Regulation der arterio-venösen Differenzierung von entscheidender Bedeutung. COUP-TFII spielt eine direkte Rolle in der Aufrechterhaltung der venösen Identität. Die Repression von COUP-TFII in venösen Endothelzellen bewirkt, dass sich die Expression des Gens Dll4, das die Notch-Signalkaskade aktiviert, in Richtung des arteriellen Expressionsniveaus bewegt. Für eine Reprogrammierung der venösen Endothelzellen in einen arteriellen Phänotyp ist das venöse Markergen COUP-TFII eines der Zielgene.

Arteriosklerose führt zu schwerwiegenden klinischen Komplikationen bei Herz-Kreislauf-erkrankungen, welche die führenden Todesursachen in den westlichen Industrieländern sind. Die Arteriosklerose ist typischerweise eine Erkrankung arterieller Gefäße und betrifft nicht die venöse Gefäßwand. Bei der Entstehung von Arteriosklerose spielen die Endothelzellen als Barrierezellen und Regulatoren der Gefäßfunktion eine Schlüsselrolle. Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung ist die Differenzierung der Endothelzellen. Arterielle und venöse Endothelzellen weisen schon im frühen Embryonalstadium unterschiedliche Phänotypen auf. Ein besseres Verständnis der arterio-venösen Differenzierung wäre von großer Bedeutung für antiarteriosklerotische Therapien. Darüber hinaus könnte eine Reprogrammierung (z.B. von Vene in Arterie) entscheidend für neue Therapieansätze bei der Senkung der Restenoserate venöser Bypässe von Patienten mit koronarer Herzkrankheit und bei AV-Shunt-Operationen von dialysepflichtigen Patienten sein. In dieser Arbeit wurden differenzierte humane primäre arterielle und venöse Endothelzellen nach Genmodulation untersucht. Der Fokus der Genmodulation wurde auf das arterielle Markergen Hey2 und auf das venöse Markergen COUP-TFII gelegt. Das arterielle Markergen Hey2 ist ein Zielgen der Notch-Signalkaskade, während der molekulare Mechanismus der Rolle von COUP-TFII bei der venösen Differenzierung noch nicht bekannt ist. Daher wurde der Einfluss des arteriellen Markergens Hey2 und des venösen Markergens COUP-TFII auf die Notch-Signalkaskade untersucht, um ein besseres Verständnis über die molekularen Mechanismen der arterio-venösen Differenzierung zu gewinnen. Da humane primäre Endothelzellen mit kommerziell verfügbaren Transfektionsmitteln schwer transfizierbar sind, wurde zunächst ein lentivirales Vektorsystem etabliert. Hiermit wurde eine erfolgreiche und stabile Genexpression bzw. Genrepression in arteriellen und venösen Endothelzellen ermöglicht. Die Genmodulationen in arteriellen Endothelzellen, die durch die Expression des venösen Markergen COUP-TFII bzw. durch die Repression des arterellen Markergen Hey2 verursacht wurden, führten zu der neuen Erkenntnis, dass das venöse Markergen COUP-TFII in arteriellen Endothelzellen als ein Repressor des arteriellen Markergens Hey2 fungiert. Diese Repression wird durch eine direkte Bindung von COUP-TFII an den Hey2-Promotor vermittelt. Die COUP-TFII Expression bewirkte keine Veränderung in der Expression von Notch4, Dll4 und Nrp1. Dies könnte bedeuten, dass (i) COUP-TFII in arteriellen Endothelzellen kein Regulator von diesen Genen ist, (ii) Kooperationspartner von COUP-TFII fehlen, die in arteriellen Endothelzellen nicht vorhanden sind, oder (iii) der molekulare Mechanismus dieser Gene aufgrund seiner wichtigen Rolle nicht durch die Modifikation eines einzigen Gens beeinflussbar ist, da die Gene der Notch-Signalkaskade redundant kontrolliert werden. In venösen Endothelzellen wurden Genmodulationen durch Expression des arteriellen Markergens Hey2 bzw. durch die Repression des venösen Markergens COUP-TFII durchgeführt. Eine Expression des arteriellen Markergens Hey2 in venösen Endothelzellen konnte nicht die Expression der Gene der Notch-Signalkaskade aktivieren. Dies bedeutet, dass die Regulation dieser Gene durch einen übergeordneten molekularen Mechanismus gesichert ist. Interessanterweise konnte die Expression von Hey2 eine Reduktion der Hey1 Expression bewirken. Dies ist ein alternativer Effekt von Hey2 im Vergleich zu arteriellen Endothelzellen. Eine Repression des venösen Markergens COUP-TFII konnte die Expression der Gene Dll4, EphrinB2 und EphB4 induzieren. Vermutlich ist die Induktion der EphB4 Expression ein Kompensationsmechanismus auf die reduzierte COUP-TFII Expression. COUP-TFII sichert den venösen Phänotyp wahrscheinlich durch die Repression von EphrinB2 und Dll4, wobei die Reduktion von Dll4 vermutlich eine größere Bedeutung hat. Da Dll4 ein Ligand und Aktivator der Notch-Signalkaskade ist, ist seine Repression entscheidend für venöse Endothelzellen. Das arterielle Markergen Hey2 ist für die normale Embryogenese von großer Bedeutung, jedoch ist Hey2 als eines der Zielgene der Notch-Signalkaskade wahrscheinlich nicht in der Lage, molekulare Mechanismen, die zu unterschiedlichen endothelialen Phänotypen führen, zu aktivieren. Um arterielle Endothelzellen zu einem Reprogramming zu bewegen, wären wahrscheinlich Genmodulationen der Mitglieder der Notch-Signalkaskade, die upstream von Hey2 liegen, nötig. Hingegen ist die Rolle des venösen Markergens COUP-TFII in der Regulation der arterio-venösen Differenzierung von entscheidender Bedeutung. COUP-TFII spielt eine direkte Rolle in der Aufrechterhaltung der venösen Identität. Die Repression von COUP-TFII in venösen Endothelzellen bewirkt, dass sich die Expression des Gens Dll4, das die Notch-Signalkaskade aktiviert, in Richtung des arteriellen Expressionsniveaus bewegt. Für eine Reprogrammierung der venösen Endothelzellen in einen arteriellen Phänotyp ist das venöse Markergen COUP-TFII eines der Zielgene.

<p>Cellular structural mechanics play a key role in homeostasis by transducing mechanical signals to regulate gene expression and by providing adaptive structural stability for the cell. The alteration of nuclear mechanics in various laminopathies and in natural aging can damage these key functions. Arterial endothelial cells appear to be especially vulnerable due to the importance of shear force mechanotransduction to structure and gene regulation as is made evident by the prominent role of atherosclerosis in Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) and in natural aging. Computational models of cellular mechanics may provide a useful tool for exploring the structural hypothesis of laminopathy at the intracellular level. This thesis explores this topic by introducing the biological background of cellular mechanics and lamin proteins in arterial endothelial cells, investigating disease states related to aberrant lamin proteins, and exploring computational models of the cell structure. It then presents a finite element model designed specifically for investigation of nuclear shear forces in arterial endothelial cells. Model results demonstrate that changes in nuclear material properties consistent with those observed in progerin-expressing cells may result in substantial increases in stress concentrations on the nuclear membrane. This supports the hypothesis that progerin disrupts homeostatic regulation of gene expression in response to hemodynamic shear by altering the mechanical properties of the nucleus.</p>