University, Diss., 2001--Jena.

Universiẗat, Diss., 2005--Bielefeld.

München, Techn. Univ., Diss., 2009.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

Universiẗat, Diss., 2004--Köln.

Das Y-Box-bindende Protein 1 (YB-1) ist ein Vertreter der hochkonservierten Familie eukaryotischer Kälteschockproteine und ein DNA/RNA-bindendes Protein. In Abhängigkeit von seiner Lokalisation übernimmt es Aufgaben bei der DNA-Transkription oder mRNA-Translation. YB-1 ist ein potentielles Onkogen beim Multiplen Myelom (MM), dass in primären MM-Zellen exprimiert ist. Für die funktionellen Untersuchungen von YB-1 in der vorliegenden Arbeit wurden humane Myelomzelllinien (HMZL) verwendet, die als in vitro Modell dieser malignen B Zell-Erkrankung dienen. Aufgrund der potentiellen Expression von YB-1 im Zellkern und/oder Zytoplasma von HMZL, wurde zunächst die Lokalisation des Proteins bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass YB 1 in den HMZL ausschließlich im Zytoplasma lokalisiert ist. Eine Translokation von YB-1 in den Nukleus kann durch die Serin-Phosphorylierung (Aminosäure 102) in der Kälteschockdomäne induziert werden. Die analysierten Myelomzelllinien zeigen jedoch kein nukleäres YB 1 und keine S102-Phosphorylierung. Diese Ergebnisse stützen die These, dass die Regulation der mRNA-Translation im Zytoplasma die vorherrschende Funktion von YB-1 beim MM ist. YB-1 könnte über diesen Mechanismus seine anti-apoptotische Wirkung vermitteln und die MM-Zellen vor genotoxischem Stress schützen. Um YB-1-regulierte mRNAs zu identifizieren wurden YB 1-Immunpräzipitationen mit zwei HMZL, einer Maus-Plasmozytomzelllinie und einem primären Maus-Plasmazelltumor durchgeführt. Zu den YB-1-gebundenen mRNAs gehören Translationsfaktoren und ribosomale Proteine, die eine starke Beteiligung von YB-1 beim RNA-Metabolismus bestätigen. In der vorliegenden Arbeit wurden spezifisch zwei mRNA-Kandidaten untersucht, die für den malignen Phänotyp von MM-Zellen wichtig sein können: das translationell kontrollierte Tumorprotein TCTP und MYC. Sowohl TCTP als auch MYC wurden bereits in Zusammenhang mit der Proliferation und Apoptose-Resistenz von malignen Zellen beschrieben. Die immunhistochemische Untersuchung der Knochenmarkbiopsien von MM-Patienten ergab eine gute Ko-Expression von YB-1 und TCTP in intramedullären MM-Zellen, während MYC erst in extramedullärem MM-Tumormaterial verstärkt mit der hohen YB 1-Expression korreliert. Die funktionellen Analysen der Arbeit haben gezeigt, dass YB 1 für die Translation der TCTP- und MYC-mRNA essentiell ist. Es kontrolliert die Verteilung dieser mRNAs zwischen translationell aktiven und inaktiven messenger Ribonukleoprotein-Partikeln. Die shRNA-vermittelte Reduktion von YB-1 führte zur Hemmung der TCTP- und MYC-Translation in der Phase der Initiation. Um den Einfluss der Kandidaten auf das Überleben der HMZL zu untersuchen, wurden proteinspezifische Knockdown-Experimente durchgeführt. Beim shRNA-vermittelten TCTP-Knockdown konnten keine Auswirkungen auf die Proliferation oder Viabilität von MM-Zellen beobachtet werden. Im Gegensatz dazu ist MYC für das Überleben und Wachstum der HMZL ausschlaggebend, denn der MYC-Knockdown induzierte Apoptose. Wie beim YB 1-Knockdown war ein Anstieg der Caspase-Aktivität und der Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials in den HMZL nachweisbar. Da es beim MYC-Knockdown gleichzeitig zur einer Reduktion der YB 1-Protein- und mRNA-Expression kam, wurde der Einfluss von MYC auf die Transkription des YB-1-Gens untersucht. Mit Hilfe von embryonalen Mausfibroblasten, die ein induzierbares MYC als Transgen besitzen, konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von MYC mit einer Zunahme der YB-1-mRNA einher geht. YB-1 ist somit ein direktes Zielgen des Transkriptionsfaktors MYC. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben zum ersten Mal ein gegenseitiges regulatorisches Netzwerk aufgezeigt, in dem YB 1 transkriptionell durch MYC reguliert wird und YB-1 für die Translation der MYC-mRNA essentiell ist. Die Ko-Expression beider Proteine trägt zum Wachstum und Überleben von malignen Plasmazellen bei. / The Y-box binding protein 1 (YB-1) is a member of the highly conserved coldshock-domain protein family and a DNA/RNA-binding protein. Therefore YB-1 can be involved in DNA transcription or mRNA translation depending on its localization in the cell. YB-1 is a potential oncogene in Multiple Myeloma (MM) and is expressed in primary MM cells. Human myeloma cell lines (HMCLs), which serve as the in vitro model for this B-cell malignancy, were used to functionally characterize YB-1 in MM. In this study it was shown that the YB-1 protein is expressed exclusively in the cytoplasm of HMCLs. Its translocation into the nucleus can be induced through the phosphorylation of a serine residue (amino acid 102) in the coldshock-domain of the protein. The analyzed myeloma cell lines are negative for nuclear YB-1 and the S102-phosphorylation. These results support the hypothesis that the regulation of mRNA translation in the cytoplasm is the primary function of YB-1 in MM. Through this mechanism YB-1 could mediate its anti-apoptotic effects and protect MM cells against genotoxic stress. To identify YB-1 regulated mRNAs in the cytoplasm immunoprecipitations of two HMCLs, one mouse plasmacytoma cell line and one primary mouse plasma cell tumor were performed. YB-1 bound mRNAs include translation factors and ribosomal proteins, which confirms the strong participation of YB-1 in the metabolism of RNAs. In the present study two mRNA candidates were specifically investigated which might be important for the malignant phenotype of MM cells: the translationally controlled tumor protein (TCTP) and MYC. Both, TCTP and MYC have been described in conjunction with proliferation and apoptosis-resistance of malignant cells. The immunohistochemical staining of bone marrow biopsies from MM patients revealed a good co-expression of YB-1 and TCTP in intramedullary MM cells, whereas MYC and YB-1 correlate strongly with each other in extramedullary MM tumors. The functional analysis of this study showed, that YB-1 is essential for the translation of TCTP and MYC mRNA. It controls the distribution of these mRNAs between translationally active and inactive messenger ribonucleoprotein particles. The shRNA-mediated reduction of YB-1 expression inhibits TCTP and MYC translation in the initiation phase. To investigate the influence of the candidates for HMCL survival protein-specific knockdown experiments were performed. The TCTP knockdown showed no effect on proliferation or viability of the analyzed MM cells. In contrast, MYC is crucial for MM cell survival and growth, as the knockdown induced apoptosis. Comparable with the performed YB-1 knockdown experiments apoptosis induction was verified here by an increase of activated caspases and disruption of the mitochondrial membrane potential in HMCLs. Interestingly, the knockdown of MYC also reduced YB-1 protein and mRNA expression. To investigate the influence of MYC on YB-1 gene transcription mouse embryonic fibroblasts (MEFs) from MYC transgenic animals were used. The activation of MYC protein in these cells induced YB-1 mRNA expression, showing that YB-1 is a direct target of the transcription factor MYC. The work presented here revealed for the first time a feed-forward loop of YB-1 and MYC expression in MM cells. In this loop YB-1 is transcribed by MYC and YB-1 is essential for MYC mRNA translation. Consequently, both proteins mutually up-regulate each other via combined transcriptional/translational activity to support cell growth and survival of malignant plasma cells.

G-Quadruplex (G4)-Strukturen sind sehr stabile und polymorphe DNA und RNA Sekundärstrukturen mit einem konservierten Guanin-reichen Sequenzmotiv (G4-Motiv). Sie bestehen aus übereinander gestapelten planaren G-Quartetts, in denen je vier Guanine durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Da G4-Motive in Eukaryoten an bestimmten Stellen im Genom angereichert vorkommen, wird angenommen, dass die Funktion von G4-Strukturen darin besteht, biologische Prozesse positiv oder negativ zu regulieren. Aufgrund der hohen thermodynamischen Stabilität von G4 Strukturen ist davon auszugehen, dass Proteine in die Faltung, Stabilisierung und Entfaltung dieser Nukleinsäure-Strukturen regulatorisch involviert sind. Bis heute wurden viele Proteine in der Literatur beschrieben, die G4-Strukturen entwinden können. Jedoch konnten bisher nur wenige Proteine identifiziert werden, die in vivo die Faltung fördern oder G4-Strukturen stabilisieren. Durch Yeast One-Hybrid (Y1H)-Screenings habe ich Zuo1 als neues G4 bindendes Protein identifiziert. In vitro Analysen bestätigten diese Interaktion und es stellte sich heraus, dass Zuo1 G4-Strukturen stabilisiert. Übereinstimmend mit den in vitro Daten konnte gezeigt werden, dass Zuo1 signifikant an G4-Motive im Genom von Saccharomyces ceresivisiae bindet. Genomweit überlappen G4-Motive, an die Zuo1 bindet, mit Stellen, an denen die DNA Replikation zum Stillstand kommt und vermehrt DNA Schäden vorkommen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Zuo1 eine Funktion während der DNA Reparatur oder in Zusammenhang mit dem Vorankommen der DNA Replikationsgabel hat, indem G4-Strukturen stabilisiert werden. Diese Hypothese wird außerdem durch genetische Experimente gestützt, wonach in Abwesenheit von Zuo1 die Genominstabilität zunimmt. Aufgrund dieser Daten war es möglich ein Model zu entwickeln, bei dem Zuo1 während der S-Phase G4-Strukturen bindet und stabilisiert wodurch die DNA Replikation blockiert wird. Diese Interaktion findet neben Stellen schadhafter DNA statt und unterstützt somit DNA Reparatur-Prozesse wie beispielsweise die Nukleotidexzisionsreparatur. Als weiteres potentielles G4-bindendes Protein wurde Slx9 in Y1H-Screenings identifiziert. In vitro Experimente zeigten zwar, dass Slx9 mit höherer Affinität an G4-Strukturen bindet im Vergleich zu anderen getesteten DNA Konformationen, jedoch wurde in S. cerevisiae genomweit keine signifikante Bindung an G4-Motive festgestellt. / G-quadruplex (G4) structures are stable and polymorphic DNA and RNA secondary structures with a conserved Guanine-rich sequence motif (G4 motif). They consist of stacked planar G quartets that are held together by hydrogen bondings between four guanines. Because G4 motifs are enriched at specific sites in eukaryotic genomes, G4 structures are suggested to act as functional tools in the cell to regulate biological processes in a positive or negative manner. Considering the high thermodynamic stability of G4 structures it has been suggested that proteins regulate the formation, stabilization, and unfolding of this nucleic acid based structure. Up to now many proteins that unwind G4 structures have been described in the literature. But so far only a few proteins were identified that support the formation or stabilize G4 structures in vivo. Using yeast one-hybrid screenings, I identified Zuo1 as a novel G4-binding protein. In vitro studies confirmed this interaction and revealed that Zuo1 stabilizes G4 structures. In agreement with in vitro data I could show that Zuo1 binds significantly to G4 motifs in the S. cerevisiae genome. Genome-wide G4 motifs which are bound by Zuo1 overlap sites where DNA replication stalls and DNA damage is elevated. These results suggest that Zuo1 functions during the control of DNA repair or DNA replication fork progression by stabilization of G4 structures. This hypothesis is further supported by genetic assays showing that in the absence of Zuo1 genome instability is increased. On the basis of these data we propose a model in which Zuo1 binds and stabilizes G4 structures during S phase and by this block DNA replication. This interaction takes place near DNA damage sites and supports DNA repair processes such as nucleotide excision repair. Additionally, Slx9 was identified in Y1H screenings as a potential G4-binding protein. In vitro analyses showed that Slx9 interacts with higher affinity with G4 structures compared to other tested DNA conformations. However, no significant overlap with G4 motifs could be observed genome-wide in S. cerevisiae.

Motoneuron diseases form a heterogeneous group of pathologies characterized by the progressive degeneration of motoneurons. More and more genetic factors associated with motoneuron diseases encode proteins that have a function in RNA metabolism, suggesting that disturbed RNA metabolism could be a common underlying problem in several, perhaps all, forms of motoneuron diseases. Recent results suggest that SMN interacts with hnRNP R and TDP-43 in neuronal processes, which are not part of the classical SMN complex. This point to an additional function of SMN, which could contribute to the high vulnerability of spinal motoneurons in spinal muscular atrophy (SMA) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The current study elucidates functional links between SMN, the causative factor of SMA (spinal muscular atrophy), hnRNP R, and TDP-43, a genetic factor in ALS (amyotrophic lateral sclerosis). In order to characterize the functional interaction of SMN with hnRNP R and TDP-43, we produced recombinant proteins and investigated their interaction by co-immunoprecipitation. These proteins bind directly to each other, indicating that no other co-factors are needed for this interaction. SMN potentiates the ability of hnRNP R and TDP-43 to bind to ß-actin mRNA. Depletion of SMN alters the subcellular distribution of hnRNP R in motoneurons both in SMN-knockdown motoneurons and SMA mutant mouse (delta7 SMA). These data point to functions of SMN beyond snRNP assembly which could be crucial for recruitment and transport of RNA particles into axons and axon terminals, a mechanism which may contribute to SMA pathogenesis and ALS. ALS and FTLD (frontotemporal lobar degeneration) are linked by several lines of evidence with respect to clinical and pathological characteristics. Both sporadic and familial forms are a feature of the ALS-FTLD spectrum, with numerous genes having been associated with these pathological conditions. Both diseases are characterized by the pathological cellular aggregation of proteins. Interestingly, some of these proteins such as TDP-43 and FUS have also common relations not only with ALS-FTLD but also with SMA. Intronic hexanucleotide expansions in C9ORF72 are common in ALS and FTLD but it is unknown whether loss of function, toxicity by the expanded RNA or dipeptides from non ATG-initiated translation is responsible for the pathophysiology. This study tries to characterize the cellular function of C9ORF72 protein. To address this, lentiviral based knockdown and overexpression of C9ORF72 was used in isolated mouse motoneurons. The results clearly show that survival of these motoneurons was not affected by altered C9ORF72 levels, whereas adverse effects on axon growth and growth cone size became apparent after C9ORF72 suppression. Determining the protein interactome revealed several proteins in complexes with C9ORF72. Interestingly, C9ORF72 is present in a complex with cofilin and other actin binding proteins that modulate actin dynamics. These interactions were confirmed both by co-precipitation analyses and in particular by functional studies showing altered actin dynamics in motoneurons with reduced levels of C9ORF72. Importantly, the phosphorylation of cofilin is enhanced in C9ORF72 depleted motoneurons and patient derived lymphoblastoid cells with reduced C9ORF72 levels. These findings indicate that C9ORF72 regulates axonal actin dynamics and the loss of this function could contribute to disease pathomechanisms in ALS and FTLD. / Motoneuronerkrankungen bilden eine heterogene Gruppe von Pathologien, die durch die progressive Degeneration von Motoneuronen charakterisiert sind. Zunehmend werden genetische Faktoren in Assoziation mit Motoneuronerkrankungen identifiziert, die eine Funktion im RNA Metabolismus besitzen, was dafür spricht, dass ein gestörter RNA Metabolismus ein gemeinsames zugrunde liegendes Problem in mehreren, vielleicht allen, Formen von Motoneuronerkrankungen sein könnte. Neuere Ergebnisse legen nahe, dass SMN mit hnRNP R und TDP-43 in neuronalen Prozessen interagiert, die nicht Teil der klassischen Rolle des SMN Komplexes sind. Dies deutet auf eine zusätzliche Funktion von SMN hin, die zur hohen Störanfälligkeit von spinalen Motoneuronen in spinaler Muskelatrophie (SMA) und amyotropher Lateralsklerose (ALS) beitragen könnte. Die vorliegende Arbeit beleuchtet funktionelle Beziehungen zwischen SMN, dem auslösenden Faktor der SMA, und hnRNP R, sowie TDP-43, einem weiteren genetischen Faktor bei ALS. Um die funktionelle Interaktion von SMN mit hnRNP R und TDP-43 zu charakterisieren, wurden rekombinante Proteine hergestellt und ihre Interaktion durch co-Immunpräzipitation untersucht. Diese Proteine binden direkt an einander, was darauf hindeutet, dass für diese Interaktion keine weiteren co-Faktoren erforderlich sind. SMN potenziert die Fähigkeit von hnRNP R und TDP-43, β-Aktin mRNA zu binden. Depletion von SMN verändert die subzelluläre Verteilung von hnRNP R in Motoneuronen sowohl in SMN-knock-down Motoneuronen, als auch in der SMA Mausmutante (delta7 SMA). Diese Daten deuten auf Funktionen von SMN jenseits der snRNP Assemblierung hin, die entscheidend für die Rekrutierung und den Transport von RNA Partikel in Axonen und Axon Terminalen sein könnten, einem Mechanismus, der zur Pathogenese von SMA und ALS beitragen könnte. ALS und FTLD (fronto-temporale Lobus Degeneration) sind aufgrund mehrerer Nachweislinien bezüglich klinischer und pathologischer Charakteristika vernetzt. Sowohl sporadische als auch familiäre Formen sind Merkmal des ALS-FTLD Spektrums, wobei zahlreiche Gene mit diesen pathologischen Erscheinungen assoziiert wurden. Beide Krankheiten sind durch pathologische zelluläre Proteinaggregation charakterisiert. Interessanterweise haben einige dieser Proteine, wie TDP-43 und FUS, einen gemeinsamen Bezug nicht nur mit ALS-FTLD, sondern auch mit SMA. Intronische Hexanukleotid-Expansionen in C9ORF72 sind häufig in ALS und FTLD, es ist jedoch unbekannt, ob Funktionsverlust, Toxizität aufgrund der verlängerten RNA, oder Dipeptide von non-ATG initiierter Translation für die Pathophysiologie verantwortlich sind. Die vorliegende Arbeit versucht die zelluläre Funktion von C9ORF72 Protein zu charakterisieren. Hierfür wurde lentiviraler knock-down und Überexpression von C9ORF72 in isolierten Motoneuronen eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Überleben dieser Motoneurone durch veränderte C9ORF72 Konzentrationen nicht beeinflusst wurde, wohingegen negative Auswirkungen auf Axonwachstum und Wachstumskegelgröße nach C9ORF72 Suppression deutlich wurden. Die Bestimmung des Protein Interaktoms identifizierte mehrere Proteinkomplexe mit C9ORF72. Interessanterweise liegt C9ORF72 in einem Komplex mit Cofilin und anderen Aktin-bindenden Protein vor, welche die Aktin Dynamik modulieren. Diese Interaktionen wurden sowohl durch Analyse von co-Präzipitationen als auch besonders durch funktionelle Studien bestätigt, die eine veränderte Aktin Dynamik in Motoneuronen mit reduzierter C9ORF72 Konzentration zeigten. Wichtig ist die Beobachtung, dass die Phosphorylierung von Cofilin in C9ORF72 depletierten Motoneuronen und in Lymphoblastoid-Zellen mit reduzierter C9ORF72 Konzentration verstärkt ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass C9ORF72 die axonale Aktin Dynamik reguliert und dass der Verlust dieser Funktion zu Krankheits-Pathomechanismen in ALS und FTLD beitragen könnte.

Techn. University, Diss., 2002--Dresden.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.