Caveolae are integral part of the smooth muscle membrane and caveolins, the defining proteins of caveolae, act as scaffolding proteins for several G protein-coupled receptor signaling molecules and regulate cellular signaling through direct and indirect interactions with signaling proteins. Caveolin-1 is the predominant isoform in the smooth muscle and drives the formation of caveolae. However, little is known about the role of caveolin-1 in the regulation of excitation-contraction and excitation-transcription coupling in gastrointestinal smooth muscle. In the present study we have characterized muscarinic m2 and m3 receptor signaling in gastric smooth muscle and tested the hypothesis that caveolin-1 positively regulates muscarinic receptor signaling and contractile protein expression in smooth muscle. The role of caveolae/caveolin-1 in the regulation of muscarinic signaling was examined using complementary approaches: a) methyl b-cyclodextrin (MbCD) to deplete cholesterol in dispersed muscle cells, b) caveolin-1 siRNA to suppress caveolin-1 expression in cultured muscle cells, and c) caveolin-1 knockout (KO) mice. RT-PCR, western blot and radioligand binding studies demonstrated the selective expression of m2 and m3 receptor in gastric smooth muscle cells. Carbachol (CCh), acting via m3 receptors caused stimulation of phosphoinositide (PI) hydrolysis, Rho kinase and ZIP kinase activity, and induced phosphorylation of MYPT1 (at Thr696) and MLC20 (at Ser19), and muscle contraction, and acting via m2 receptors caused inhibition of forskolin stimulated cAMP formation. Stimulation of PI hydrolysis, Rho kinase and ZIP kinase activities, phosphorylation of MYPT1 and MLC20 phosphorylation and muscle contraction in response to CCh was attenuated in dispersed cells treated with MbCD or in cultured cells transfected with caveolin-1 siRNA. Similar inhibition of all responses was obtained in gastric muscle cells from caveolin-1 KO mice compared to gastric muscle cells to WT mice. Although, caveolin-1 had no effect on m2 receptor signaling, agonist-induced internalization of m2, but not m3 receptors was blocked in dispersed cells treated with MbCD or in cultured cells transfected with caveolin-1 siRNA. These results suggest that caveolin-1 selectively and positively regulates Gq/13-coupled m3 receptor signaling, Gi-coupled m2 receptor internalization. The expression of contractile proteins, g-actin and caldesmone and the transcription factors SRF and myocardin that regulate the expression of contractile proteins are down regulated, whereas EGF-stimulated EGF receptor phosphorylation and ERK1/2 activity are up-regulated in cells transfected with caveolin-1 siRNA. These results suggest using pharmacological, molecular and genetic approaches provide conclusive evidence that caveolae and caveolin-1 play an important role in orchestrating G protein coupled receptor signaling to have dual pro- excitation-contraction and excitation-transcription coupling, and anti-proliferative role in gastric smooth muscle.

The rotavirus NSP4 protein is the first described viral enterotoxin. Abundant data from our laboratory reveals that NSP4 binds both the N- and C-termini of caveolin- 1 (aa2-31 and 161-178, respectively). Yeast two-hybrid and peptide binding analysis mapped the caveolin-1 binding site to three hydrophobic residues within the amphipathic a-helix, enterotoxic peptide domain (aa114-135). The research studies herein utilized peptides to investigate the interaction between NSP4 and caveolin-1. Peptides were synthesized corresponding to the amphipathic a-helix and caveolin-1 binding domain of NSP4 (aa112-140) and to the N- (aa2-20 and 19-40) and C- (161-178) termini of caveolin-1, and were utilized in structural and functional studies. Fluorescence binding assays revealed that NSP4 (aa112-140) binds to the N-terminus (aa19-40) of caveolin-1 with a stronger affinity than the C-terminus (aa161-178). In addition, this assay further delineated the NSP4 binding domain on caveolin-1 to aa19-40. Secondary structural changes following NSP4-caveolin-1 peptide-peptide interactions were investigated by circular dichroism analysis. Changes in a-helix formation were observed only upon interaction of the NSP4112-140 peptide with the C-terminal caveolin-1 peptide (C-Cav161- 178). The NSP4112-140 peptide contains a potential cholesterol recognition amino acid consensus (CRAC) sequence. Therefore this peptide was examined for cholesterol binding. Results of the binding assay revealed NSP4 binds cholesterol with a Kd of 7.67 +/- 1.49nM and this interaction occurs via aa112-140. Mutation of amino acid residues within the CRAC motif resulted in weaker binding affinities between each of the corresponding mutant peptides and cholesterol. NSP4 peptides containing mutations within the hydrophobic and charged faces of the amphipathic a-helix, enterotoxic peptide and caveolin-1 binding domain of NSP4 were examined for changes in secondary structure as well as diarrhea induction in mouse pups. Circular dichroism analysis revealed that mutation of hydrophobic residues resulted in a decrease in a-helix formation, whereas mutation of acidic and basic charged residues caused little to no change in a-helical content. When tested for diarrhea induction in mouse pups, the peptides containing mutations of either the hydrophobic or basic charged residues did not cause diarrhea. Taken together, the results of this research suggest a complex interplay between NSP4 secondary structure, caveolin-1 and cholesterol binding and diarrheagenic function.

1,1-Bis(3'-indolyl)-1-(p-substitutedphenyl)methanes containing ptrifluoromethyl (DIM-C-pPhCF3), p-t-butyl (DIM-C-pPhtBu), and phenyl (DIM-CpPhC6H5) substituents have been identified as a new class of peroxisome proliferatoractivated receptor γ (PPARγ) agonists that exhibit antitumorigenic activity. In this study, the PPARγ-active compounds decreased HT-29, HCT-15, RKO, HCT116 and SW480 colon cancer cell survival and KU7 and 253JB-V33 bladder cancer cell survival. In HT- 29, HCT-15, SW480 and KU7 cells, the PPARγ agonists induced caveolin-1 expression and this induction was significantly downregulated after cotreatment with the PPARγ antagonist GW9662. Since overexpression of caveolin-1 is known to suppress cancer cell and tumor growth, the growth inhibitory effects of the DIM compounds in these cell lines are associated with PPARγ-dependent induction of caveolins. These PPARγ-active compounds did not induce caveolin-1 in HCT-116 cells. However, these compounds induced NSAID-activated gene-1 (NAG-1) and apoptosis in this cell line. This represents a novel receptor-independent pathway for C-DIM-induced growth inhibition and apoptosis in colon cancer cells. In SW480 colon cancer cells 2.5-7.5 μM C-DIMs induced caveolin-1 whereas high concentrations (10 μM) induced pro-apoptotic NAG-1 expression. In athymic nude mice bearing SW480 cell xenografts DIM-C-pPhC6H5 inhibited tumor growth and immunohistochemical staining of the tumors show induction of apoptosis and NAG-1 expression. Thus, the PPARγ-active compounds induce both receptor-dependent and-independent responses in SW480 cells which are separable over a narrow range of concentrations and this dual mechanism of action enhances their antiproliferative and anticancer activities. Similar results were obtained for another structural class of PPARγ agonists namely 2-cyano-3,12-dioxoolean-1,9-dien-28-oic acid (CDDO) and the corresponding methyl (CDDO-Me) and imidazole (CDDO-Im) esters. Structure-activity studies show that 1,1-bis(3'-indolyl)-1-(psubstitutedphenyl) methanes containing p-trifluoromethyl (DIM-C-pPhCF3), hydrogen (DIM-C-pPh) and p-methoxy (DIM-C-pPhOCH3) substituents activate Nur77 and induce apoptosis in pancreatic, prostate, and breast cancer cell lines. Nur77 agonists activate the nuclear receptor, and downstream responses include decreased cell survival, induction of cell death pathways including tumor necrosis factor related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) and PARP cleavage. Nur77 agonists also inhibit tumor growth in vivo in athymic nude mice bearing Panc-28 cell xenografts.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 2007. / The entire dissertation/thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file (which also appears in the research.pdf); a non-technical general description, or public abstract, appears in the public.pdf file. Vita. "August 2007" Includes bibliographical references.

Yes / Objectives Systemic sclerosis (SSc) is characterised by tissue fibrosis and vasculopathy with defective angiogenesis. Transforming growth factor beta (TGF-β) plays a major role in tissue fibrosis, including downregulation of caveolin-1 (Cav-1); however, its role in defective angiogenesis is less clear. Pigment epithelium-derived factor (PEDF), a major antiangiogenic factor, is abundantly secreted by SSc fibroblasts. Here, we investigated the effect of TGF-β and Cav-1 on PEDF expression and the role of PEDF in the ability of SSc fibroblasts to modulate angiogenesis. Methods P EDF and Cav-1 expression in fibroblasts and endothelial cells were evaluated by means of immunohistochemistry on human and mouse skin biopsies. PEDF and Cav-1 were silenced in cultured SSc and control fibroblasts using lentiviral short-hairpin RNAs. Organotypic fibroblast–endothelial cell cocultures and matrigel assays were employed to assess angiogenesis. Results P EDF is highly expressed in myofibroblasts and reticular fibroblasts with low Cav-1 expression in SSc skin biopsies, and it is induced by TGF-β in vitro. SSc fibroblasts suppress angiogenesis in an organotypic model. This model is reproduced by silencing Cav-1 in normal dermal fibroblasts. Conversely, silencing PEDF in SSc fibroblasts rescues their antiangiogenic phenotype. Consistently, transgenic mice with TGF-β receptor hyperactivation show lower Cav-1 and higher PEDF expression levels in skin biopsies accompanied by reduced blood vessel density. Conclusions O ur data reveal a new pathway by which TGF-β suppresses angiogenesis in SSc, through decreased fibroblast Cav-1 expression and subsequent PEDF secretion. This pathway may present a promising target for new therapeutic interventions in SSc. / NIHR CDF; EULAR ODP

Im Fokus der Dissertation stand die Evaluierung molekularer Möglichkeiten zur Findung geeigneter Biomarker für das Prostatakarzinom (PCa). Zunächst wurde die epigenetische Promotormethylierung der Gene GSTP1, RARbeta2, APC und PITX2 im Hinblick eines möglichen Methylierungsfeldeffektes untersucht. Die RARβ2-Promotormethylierung konnte als potentieller Marker zur Tumorvorhersage im histologisch normal erscheinenden Gewebe bestimmt werden. GSTP1 zeigte eine äußerst spezifische Tumormethylierung, was dessen diagnostisches Potenzial unterstreicht. Die Methylierung korrelierte zudem mit pathologischen Parametern. Ein Screening im Array-Format identifizierte weitere Gene, deren Promotormethylierung diagnostisch interessant sein könnten. Des Weiteren wurden Genexpressionsanalysen angiogenetischer und Endothel-assoziierter Faktoren durchgeführt, deren diagnostische und prognostische Aussagekraft für das PCa ermittelt wurden. Dabei konnte für Caveolin-1 (CAV1) eine signifikante Herunterregulierung der mRNA-Menge im Tumor gezeigt werden. Die Bisulfit-Sequenzierung von sieben CpG-Dinukleotiden im CAV1-Promotor ergab zwischen Tumor- und tumorangrenzendem Gewebe differenzielle Methylierungsmuster, die zu einer verminderten CAV1-Transkription führen könnten. Zudem führte eine 5-Aza-2-desoxycytidin-Behandlung der CAV1-defizienten LNCaP-Zelllinie zur Reexpression. Weiterhin assoziierte CAV1 invers mit pathologischen Parametern und zeigte prognostische und diagnostische Relevanz. Immunhistologisch wurde CAV1 z.T. deutlich verringert in Endothelzellen und Fibroblasten des Tumors nachgewiesen. Ko-Kultivierungsversuche von HUVEC mit konditionierten Zellmedien ergaben z.T. signifikant reduzierte CAV1-Mengen in HUVEC. Die Ergebnisse zeigen, dass epigenetische Veränderungen wertvolle Informationen zur Diagnostik, Prognostik und Progression des PCa liefern. Zudem konnte CAV1 als potentieller Marker des PCa identifiziert werden. / The focus of the thesis was to evaluate molecular possibilities to find suitable biomarkers for prostate cancer (PCa). First, the epigenetic promoter methylation patterns of several genes (GSTP1, RARbeta2, APC and PITX2, respectively) were investigated for a possible methylation field effect. The RARbeta2 promoter methylation could be determined as a possible marker for tumor prediction in histologically normal-appearing tissue. GSTP1 showed a highly specific tumor methylation, underlining its diagnostic potential. The methylation also correlated with pathological parameters. Screening in an array format identified other genes whose promoter hypermethylation could be diagnostically interesting. Furthermore, gene expression analysis of angiogenic and endothelial-associated factors was performed to determine their diagnostic and prognostic potentials for PCa. For CAV1, a significant down-regulation of its mRNA level could be determined in the tumor. Bisulfite sequencing of seven CpG dinucleotides in the CAV1 promoter showed different methylation patterns between tumor and tumor adjacent tissue that could cause a reduced transcription. Furthermore, treatment of the CAV1-deficient LNCaP cell line with 5-aza-2-deoxycytidine led to CAV1 reexpression. Additionally, CAV1 inversely associated with pathological parameters and showed prognostic and diagnostic relevance. Immunohistochemical analysis clearly demonstrated decreases in CAV1 protein expression in endothelial cells and fibroblasts of the tumor. Conditioned media of cultivated tumor cells partly induced downregulation of the CAV1 protein level in HUVEC. The results show that epigenetic and angiogenic processes play crucial roles and provide valuable information for diagnosis, prognosis and progression of PCa. Moreover, CAV1 could be identified as a potential marker of prostate cancer.

Neisseria gonorrhoeae verursacht die sexuell übertragbare Krankheit Gonorrhoe und ist ein Typ-IV-Pili (Tfp) exprimierendes Bakterium, das den Urogenitaltrakt besiedelt. Frühe Infektionsstadien piliierter N. gonorrhoeae (P+GC) sind durch die Tfp-vermittelte Adhärenz an Wirtszellen gekennzeichnet, dann erfolgt die Bildung von Mikrokolonien auf Wirtszellepithelien. Hier wird gezeigt, dass die Wirtszellen an der effizienten Bildung der extrazellulären Mikrokolonien beteiligt sind. P+GC die fixierte Wirtszellen infizieren weisen eine verzögerte Mikrokoloniebildung gegenüber einer Infektion lebender Wirtszellen auf. Kortikales Aktin wird zusammen mit Signalproteinen innerhalb der Wirtszellen zu den adhärierten Bakterien rekrutiert, darunter das Hauptstrukturprotein von Caveolae-Membrandomänen, Caveolin-1 (Cav1). Eine Reduzierung der Expression von Cav1 führt zu einer verstärkten Aufnahme von P+GC in die Wirtszellen, wohingegen die Expression von Cav1 in Cav1-negativen Zellen eine Internalisierung verhindert. Internalisierte Bakterien weisen dabei geringere Überlebensraten auf je länger sie in den Wirtszellen verbleiben. Die Rekrutierung von Cav1 ist eine unmittelbare und kontinuierliche zelluläre Antwort auf eine Infektion mit P+GC, welche die Phosphorylierung von Cav1 an Tyrosin 14 bedingt. Zusätzlich erforderte die Cav1-vermittelte Blockierung der Internalisierung der Bakterien und die Verankerung von Cav1 mit dem Zytoskelett eine Tyrosinphosphorylierung von Cav1. Eine Analyse möglicher Interaktionspartner von phosphoryliertem Cav1 zeigte eine direkte Interaktion mit Vav2. Sowohl Vav2 als auch sein Substrat, die kleine GTPase RhoA, blockieren die Aufnahme von Bakterien in die in Wirtszellen. Die Aktivierung von RhoA nach P+GC Infektion erfordert die Expression von Cav1, was auf einen Cav1-Vav2-RhoA Signalweg hindeutet. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit sechs neue, eine SH2-Domäne-beinhaltende Interaktionspartner von phosphoryliertem Cav1 identifiziert. / Neisseria gonorrhoeae causes the sexually transmitted disease gonorrhea and colonizes mucosal epithelia of the human urogenital tract. The early stages of infection with piliated N. gonorrhoeae (P+GC) are characterized by Tfp-mediated adherence to host cells, followed by formation of bacterial microcolonies on the surface of host cells. This study provides evidence that host cell participation is required for the efficient formation of extracellular microcolonies during Neisseria infection. P+GC infecting fixed host cells demonstrate altered motility and delayed microcolony formation compared to infecting living host cells. Cortical actin and various signal transducing proteins are recruited to the site of bacterial attachment within host cells, one of them being the major structural protein of plasma membrane caveolae, Caveolin-1 (Cav1). Down-regulation of Cav1 results in increased uptake of P+GC into host cells whereas expression of the protein in Cav1-negative cells blocks bacterial internalization. Host cell entry results in decreased viability of internalized bacteria over time. Cav1 recruitment is demonstrated to be an immediate and continuous cellular response to P+GC infection that involves Cav1 phosphorylation on its tyrosine 14 residue. Prevention of bacterial uptake mediated by Cav1 as well as tight association of Cav1 with the cytoskeleton also requires tyrosine phosphorylation. A broad analysis of interaction partners of phosphorylated Cav1 revealed a direct interaction with the Rho-family guanine nucleotide exchange factor Vav2. Both Vav2 and its substrate, the small GTPase RhoA, are involved in preventing bacterial uptake and RhoA activation after P+GC infection requires Cav1 expression, thus providing evidence for a Cav1-Vav2-RhoA signaling cascade. Moreover, six novel SH2-domain containing interaction partners of tyrosine phosphorylated Cav1 have been identified, all of which have been implicated in modulating the cytoskeleton.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die purinergen Rezeptoren P2X4R und P2X7R. Die P2XR werden durch ATP aktiviert und stellen unselektive Kationenkanäle dar, die auch für Ca2+ durchlässig sind. Beiden P2XR-Subtypen werden in den Alveolarepithel Typ I (AT I)-Zellen der Lunge exprimiert und aufgrund ihrer Kanalaktivitäten in Zusammenhang mit der alveolären Flüssigkeitshomöostase gebracht. Bei bisherigen Untersuchungen wurde jedoch die mögliche Assoziation und Modulation der P2XR durch Mikrodomänen der Zellmembran außer Acht gelassen. Ein Modell von Garcia-Marcos zeigt, dass P2X7R in Zellen der Glandula submandibularis zum Teil mit Mikrodomänen assoziiert ist. Die funktionellen Eigenschaften von P2X7R sind dabei von der Lokalisation in der Zellmembran abhängig (Garcia-Marcos et al., 2006). Die Caveolen sind eine spezielle Form von Mikrodomänen, die in der Zellmembran der AT I-Zellen auftreten. Das Hauptstrukturprotein der Caveolen im Lungenepithel ist Caveolin-1 (Cav-1). Über die Verteilung von P2X4R und P2X7R in den AT I-Zellen war bislang sehr wenig bekannt. Unsere Arbeitsgruppe identifizierte bei einer Sequenzanalyse potentielle Cav-1-Bindemotive in der Aminosäureabfolge beider P2XR (Couet et al., 1997). Die Assoziation mit den Caveolen würde die P2XR in die räumliche Nähe verschiedener Signalmoleküle bringen und die Beteiligung an downstream Events ermöglichen. Für die folgenden Analysen wurde die Alveolarepithelzelllinie E10 genutzt, da die E10-Zellen AT I-typische Eigenschaften besitzen und P2X4R, P2X7R sowie die Caveoline Cav-1 und Cav-2 aufweisen. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen der Zellmembran sowie die wechselseitige Beziehung der P2XR. Besonders wurde dabei auf die Assoziation der P2XR mit Cav-1 eingegangen. Zusätzlich wurde in vitro die Interaktion der C-terminalen Bereiche der beiden P2XR mit Membranlipiden untersucht. Einige Membranlipide sind eng mit weiteren Signalmolekülen verknüpft. Aus diesem Grund wurde die Auswirkungen der Reduzierung von P2X4R und P2X7R auf den Proteingehalt der Ca2+-aktivierbaren downstream-Effektoren PKCβI und CaM analysiert. Die Auswertungen der Ergebnisse ergaben Folgendes: P2X4R und P2X7R sind Subtyp-spezifisch in den Mikrodomänen der Zellmembran von E10-Zellen verteilt. Mit Hilfe von biochemischen und immunfluoreszenz-mikroskopischen Methoden konnte die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen nachgewiesen werden. P2X7R ist zum Teil mit Cav-1 assoziiert, wobei Förster Resonanz Energie Transfer (FRET)-Analysen ergaben, dass beide Proteine partiell einen Abstand von kleiner als 10 nm zueinander aufweisen. Durch die Subtyp-spezifische Verteilung könnte die Funktionalität der P2XR-Subtypen spezifisch durch die Bestandteile der Mikrodomänen moduliert und reguliert werden (Martens et al., 2001). P2X4R und P2X7R sind in hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert. Die Ausbildung von hochmolekularen Proteinkomplexen wird in Zusammenhang mit der Assoziation von Proteinen mit Mikrodomänen diskutiert (Zurzolo et al., 2003). Die Untersuchung der molekularen Organisation von P2X4R und P2X7R in E10-Zellen mittels blue native- und high resolution clear native-PAGE zeigte, dass beide P2XR mit hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert sind. P2X7R konnte in drei Komplexen nachgewiesen werden. Im ersten Komplex von ~760 kDa liegt P2X7R mit Cav-1 assoziiert vor, während der dominant auftretende, zweite P2X7R-Subkomplex von ~580 kDa vermutlich nicht mit dem co-migrierten Cav-1/Cav-2-Komplex in Verbindung steht. Der dritte P2X7R-assoziierte Komplex war zusammen mit P2X4R bei ~430 kDa nachweisbar und Immunpräzipitationen bestätigten, dass P2X4R und P2X7R in einem Komplex miteinander assoziiert sind (Weinhold et al., 2010). P2X4R und P2X7R stehen in Wechselbeziehung zueinander. Diese Ergebnisse der siRNA-induzierte Herabregulation von P2X4R und P2X7R lassen vermuten, dass die beiden Rezeptoren direkt oder indirekt miteinander verbunden sind. So führte die Reduzierung von P2X4R zur Erhöhung des P2X7R-Proteingehaltes. Dabei nimmt P2X7R in der Zellmembran zu und verändert seine Verteilung nicht. Umgekehrt nimmt der Proteingehalt von P2X4R in den E10-Zellen zu, wenn P2X7R herabreguliert wird. Die Zunahme von P2X4R in der Zellmembran konnte zwar durch die Biotinylierung der Oberflächenproteine nachgewiesen werden, aber die Verteilung von P2X4R verschob sich zugunsten des intrazellulären P2X4R-Anteils. Vermutlich führt die Reduzierung von P2X7R zu Störungen im exo-/endozytotischen System. Die wechselseitige Zunahme der P2XR in den Mikrodomänen weist zudem auf einen kompensatorischen Mechanismus hin. Negativ geladene Phospholipide interagieren direkt mit den C-terminalen Abschnitten der P2XR. Mit den in vitro Bindetests konnte gezeigt werden, dass die C-terminalen Enden von P2X4R und P2X7R direkt mit den negativ geladenen Phosphoinositiden PI(4)P, PI(4,5)P2, PI(3,4,5)P3 sowie mit Phosphatidsäure, Phosphatidylserin, Phosphatidylglycerol, Cardiolipin und 3 Sulfogalactosylceramid interagieren können. Die Regulation der P2XR durch diese Phospholipide, vor allem PI(4,5)P2, und die Beteiligung der P2XR an Lipid-vermittelten Signalwegen in Epithelzellen, stellen einen möglichen Link zu weiteren downstream-Signalen dar. Die Reduzierung von P2X7R beeinflusst den Proteingehalt der downstream-Effektoren PKCβI und CaM. Sowohl im Lungengewebe von P2rx7(-/-) Mäusen als auch nach der Reduzierung von P2X7R in den E10-Zellen zeigte sich, dass der Proteingehalt der Signalmoleküle PKCβI und CaM vermindert war. Reduzierung von P2X4R hatte dagegen kaum Einfluss auf PKCβI und führte zur Erhöhung des CaM-Proteingehaltes, vermutlich hervorgerufen durch die Zunahme von P2X7R. Beide downstream-Effektoren sind in Mikrodomänen (Caveolen) der Zellmembran lokalisiert und können sowohl durch Lipid-vermittelte Signale als auch durch einen Kanal-vermittelten Ca2+-Einstrom aktiviert und reguliert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigten, dass P2X4R und P2X7R in AT I-Zellen der Lunge nicht nur Kanaleigenschaften besitzen, sondern durch die Assoziation mit unterschiedlichen Mikrodomänen an verschiedene Signalwege gekoppelt sind. Trotzdem ist bisher wenig über die Funktionen der P2XR in AT I-Zellen hinsichtlich der Beteiligung an apoptotischen Prozessen, der Proliferation, der Differenzierung oder Migration und Wundheilung bekannt (Barth and Kasper, 2009). Aufgrund der komplexen Funktion, vor allem durch die Assoziation mit Cav-1 und der Wechselbeziehung mit dem P2X4R, wird der P2X7R für zukünftige Forschungen im alveolären Lungenepithel von Bedeutung sein. Barth K, Kasper M (2009) Membrane compartments and purinergic signalling: occurrence and function of P2X receptors in lung. FEBS J 276:341-353. Couet J, Li S, Okamoto T, Ikezu T, Lisanti MP (1997) Identification of peptide and protein ligands for the caveolin-scaffolding domain. Implications for the interaction of caveolin with caveolae-associated proteins. J Biol Chem 272:6525-6533. Garcia-Marcos M, Perez-Andres E, Tandel S, Fontanils U, Kumps A, Kabre E, Gomez-Munoz A, Marino A, Dehaye JP, Pochet S (2006) Coupling of two pools of P2X7 receptors to distinct intracellular signaling pathways in rat submandibular gland. J Lipid Res 47:705-714. Martens JR, Sakamoto N, Sullivan SA, Grobaski TD, Tamkun MM (2001) Isoform-specific localization of voltage-gated K+ channels to distinct lipid raft populations. Targeting of Kv1.5 to caveolae. J Biol Chem 276:8409-8414. Weinhold K, Krause-Buchholz U, Rödel G, Kasper M, Barth K (2010) Interaction and interrelation of P2X7 and P2X4 receptor complexes in mouse lung epithelial cells. Cell Mol Life Sci 67:2631-2642. Zurzolo C, van Meer G, Mayor S (2003) The order of rafts. Conference on microdomains, lipid rafts and caveolae. EMBO Rep 4:1117-1121.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die purinergen Rezeptoren P2X4R und P2X7R. Die P2XR werden durch ATP aktiviert und stellen unselektive Kationenkanäle dar, die auch für Ca2+ durchlässig sind. Beiden P2XR-Subtypen werden in den Alveolarepithel Typ I (AT I)-Zellen der Lunge exprimiert und aufgrund ihrer Kanalaktivitäten in Zusammenhang mit der alveolären Flüssigkeitshomöostase gebracht. Bei bisherigen Untersuchungen wurde jedoch die mögliche Assoziation und Modulation der P2XR durch Mikrodomänen der Zellmembran außer Acht gelassen. Ein Modell von Garcia-Marcos zeigt, dass P2X7R in Zellen der Glandula submandibularis zum Teil mit Mikrodomänen assoziiert ist. Die funktionellen Eigenschaften von P2X7R sind dabei von der Lokalisation in der Zellmembran abhängig (Garcia-Marcos et al., 2006). Die Caveolen sind eine spezielle Form von Mikrodomänen, die in der Zellmembran der AT I-Zellen auftreten. Das Hauptstrukturprotein der Caveolen im Lungenepithel ist Caveolin-1 (Cav-1). Über die Verteilung von P2X4R und P2X7R in den AT I-Zellen war bislang sehr wenig bekannt. Unsere Arbeitsgruppe identifizierte bei einer Sequenzanalyse potentielle Cav-1-Bindemotive in der Aminosäureabfolge beider P2XR (Couet et al., 1997). Die Assoziation mit den Caveolen würde die P2XR in die räumliche Nähe verschiedener Signalmoleküle bringen und die Beteiligung an downstream Events ermöglichen. Für die folgenden Analysen wurde die Alveolarepithelzelllinie E10 genutzt, da die E10-Zellen AT I-typische Eigenschaften besitzen und P2X4R, P2X7R sowie die Caveoline Cav-1 und Cav-2 aufweisen. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen der Zellmembran sowie die wechselseitige Beziehung der P2XR. Besonders wurde dabei auf die Assoziation der P2XR mit Cav-1 eingegangen. Zusätzlich wurde in vitro die Interaktion der C-terminalen Bereiche der beiden P2XR mit Membranlipiden untersucht. Einige Membranlipide sind eng mit weiteren Signalmolekülen verknüpft. Aus diesem Grund wurde die Auswirkungen der Reduzierung von P2X4R und P2X7R auf den Proteingehalt der Ca2+-aktivierbaren downstream-Effektoren PKCβI und CaM analysiert. Die Auswertungen der Ergebnisse ergaben Folgendes: P2X4R und P2X7R sind Subtyp-spezifisch in den Mikrodomänen der Zellmembran von E10-Zellen verteilt. Mit Hilfe von biochemischen und immunfluoreszenz-mikroskopischen Methoden konnte die Assoziation von P2X4R und P2X7R mit Mikrodomänen nachgewiesen werden. P2X7R ist zum Teil mit Cav-1 assoziiert, wobei Förster Resonanz Energie Transfer (FRET)-Analysen ergaben, dass beide Proteine partiell einen Abstand von kleiner als 10 nm zueinander aufweisen. Durch die Subtyp-spezifische Verteilung könnte die Funktionalität der P2XR-Subtypen spezifisch durch die Bestandteile der Mikrodomänen moduliert und reguliert werden (Martens et al., 2001). P2X4R und P2X7R sind in hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert. Die Ausbildung von hochmolekularen Proteinkomplexen wird in Zusammenhang mit der Assoziation von Proteinen mit Mikrodomänen diskutiert (Zurzolo et al., 2003). Die Untersuchung der molekularen Organisation von P2X4R und P2X7R in E10-Zellen mittels blue native- und high resolution clear native-PAGE zeigte, dass beide P2XR mit hochmolekularen Proteinkomplexen assoziiert sind. P2X7R konnte in drei Komplexen nachgewiesen werden. Im ersten Komplex von ~760 kDa liegt P2X7R mit Cav-1 assoziiert vor, während der dominant auftretende, zweite P2X7R-Subkomplex von ~580 kDa vermutlich nicht mit dem co-migrierten Cav-1/Cav-2-Komplex in Verbindung steht. Der dritte P2X7R-assoziierte Komplex war zusammen mit P2X4R bei ~430 kDa nachweisbar und Immunpräzipitationen bestätigten, dass P2X4R und P2X7R in einem Komplex miteinander assoziiert sind (Weinhold et al., 2010). P2X4R und P2X7R stehen in Wechselbeziehung zueinander. Diese Ergebnisse der siRNA-induzierte Herabregulation von P2X4R und P2X7R lassen vermuten, dass die beiden Rezeptoren direkt oder indirekt miteinander verbunden sind. So führte die Reduzierung von P2X4R zur Erhöhung des P2X7R-Proteingehaltes. Dabei nimmt P2X7R in der Zellmembran zu und verändert seine Verteilung nicht. Umgekehrt nimmt der Proteingehalt von P2X4R in den E10-Zellen zu, wenn P2X7R herabreguliert wird. Die Zunahme von P2X4R in der Zellmembran konnte zwar durch die Biotinylierung der Oberflächenproteine nachgewiesen werden, aber die Verteilung von P2X4R verschob sich zugunsten des intrazellulären P2X4R-Anteils. Vermutlich führt die Reduzierung von P2X7R zu Störungen im exo-/endozytotischen System. Die wechselseitige Zunahme der P2XR in den Mikrodomänen weist zudem auf einen kompensatorischen Mechanismus hin. Negativ geladene Phospholipide interagieren direkt mit den C-terminalen Abschnitten der P2XR. Mit den in vitro Bindetests konnte gezeigt werden, dass die C-terminalen Enden von P2X4R und P2X7R direkt mit den negativ geladenen Phosphoinositiden PI(4)P, PI(4,5)P2, PI(3,4,5)P3 sowie mit Phosphatidsäure, Phosphatidylserin, Phosphatidylglycerol, Cardiolipin und 3 Sulfogalactosylceramid interagieren können. Die Regulation der P2XR durch diese Phospholipide, vor allem PI(4,5)P2, und die Beteiligung der P2XR an Lipid-vermittelten Signalwegen in Epithelzellen, stellen einen möglichen Link zu weiteren downstream-Signalen dar. Die Reduzierung von P2X7R beeinflusst den Proteingehalt der downstream-Effektoren PKCβI und CaM. Sowohl im Lungengewebe von P2rx7(-/-) Mäusen als auch nach der Reduzierung von P2X7R in den E10-Zellen zeigte sich, dass der Proteingehalt der Signalmoleküle PKCβI und CaM vermindert war. Reduzierung von P2X4R hatte dagegen kaum Einfluss auf PKCβI und führte zur Erhöhung des CaM-Proteingehaltes, vermutlich hervorgerufen durch die Zunahme von P2X7R. Beide downstream-Effektoren sind in Mikrodomänen (Caveolen) der Zellmembran lokalisiert und können sowohl durch Lipid-vermittelte Signale als auch durch einen Kanal-vermittelten Ca2+-Einstrom aktiviert und reguliert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigten, dass P2X4R und P2X7R in AT I-Zellen der Lunge nicht nur Kanaleigenschaften besitzen, sondern durch die Assoziation mit unterschiedlichen Mikrodomänen an verschiedene Signalwege gekoppelt sind. Trotzdem ist bisher wenig über die Funktionen der P2XR in AT I-Zellen hinsichtlich der Beteiligung an apoptotischen Prozessen, der Proliferation, der Differenzierung oder Migration und Wundheilung bekannt (Barth and Kasper, 2009). Aufgrund der komplexen Funktion, vor allem durch die Assoziation mit Cav-1 und der Wechselbeziehung mit dem P2X4R, wird der P2X7R für zukünftige Forschungen im alveolären Lungenepithel von Bedeutung sein. Barth K, Kasper M (2009) Membrane compartments and purinergic signalling: occurrence and function of P2X receptors in lung. FEBS J 276:341-353. Couet J, Li S, Okamoto T, Ikezu T, Lisanti MP (1997) Identification of peptide and protein ligands for the caveolin-scaffolding domain. Implications for the interaction of caveolin with caveolae-associated proteins. J Biol Chem 272:6525-6533. Garcia-Marcos M, Perez-Andres E, Tandel S, Fontanils U, Kumps A, Kabre E, Gomez-Munoz A, Marino A, Dehaye JP, Pochet S (2006) Coupling of two pools of P2X7 receptors to distinct intracellular signaling pathways in rat submandibular gland. J Lipid Res 47:705-714. Martens JR, Sakamoto N, Sullivan SA, Grobaski TD, Tamkun MM (2001) Isoform-specific localization of voltage-gated K+ channels to distinct lipid raft populations. Targeting of Kv1.5 to caveolae. J Biol Chem 276:8409-8414. Weinhold K, Krause-Buchholz U, Rödel G, Kasper M, Barth K (2010) Interaction and interrelation of P2X7 and P2X4 receptor complexes in mouse lung epithelial cells. Cell Mol Life Sci 67:2631-2642. Zurzolo C, van Meer G, Mayor S (2003) The order of rafts. Conference on microdomains, lipid rafts and caveolae. EMBO Rep 4:1117-1121.

Background: The incidence of coronary heart diseases, including atherosclerosis, increases with ageing. The factors which influence arterial function, and which may be changed with ageing, are multiple but effects of perivascular adipose tissue (PVAT) on large arteries have not previously been considered. A key role for nitric oxide (NO) in mediating the anti-contractile capacity of PVAT has been suggested. Caveolin-1 (Cav-1) modulates the production of NO in vivo by tonic inhibition of eNOS. The influence of aortic PVAT and the contribution of NO to vascular reactivity in ageing C57BL/6 mice, atherosclerotic ApoE knockout mice (ApoE-/-), Cav-1 knockout mice (Cav-1-/-) and atheroprotected ApoECav-1 double knockout mice (ApoE-/-Cav-1-/-) is unknown. Hypothesis: The influence of PVAT on vascular function is modulated by ageing and the development of atherosclerosis via NO bioavailability. Methods: Male mice were used in this study. C57BL/6 mice were obtained at 4 weeks of age and maintained on a normal rodent diet (ND) for 8, 16 or 26 weeks. ApoE-/- and Cav-1-/- mice were bred from in-house colonies and ApoE-/-Cav-1-/- mice were generated by interbreeding ApoE-/- and Cav-1-/- mice. Upon weaning, ApoE-/-, Cav-1-/- and ApoE-/-Cav-1-/- mice were maintained on either a ND or Western-type diet (WD) for 8, 16 or 26 weeks. Vascular reactivity studies on isolated aortic ring preparations were performed in the presence or absence of PVAT. The contribution of NO to the vascular reactivity of aortic PVAT was determined using pharmacological inhibition of NO synthase. Aortic PVAT was assessed for evidence of morphological and/or compositional changes associated with ageing or a WD. Results: NO mediated an anti-contractile effect of aortic PVAT in C57BL/6 mice fed a ND up to 16 weeks. The anti-contractile capacity of aortic PVAT was lost after 26 weeks on a ND and preceded endothelial dysfunction. Loss of the PVAT anti-contractile effect was accompanied by alterations in PVAT morphology and composition. Aortic PVAT from ND-fed ApoE-/- mice was dysfunctional and did not exert an anti-contractile effect. Furthermore, a WD did not alter the influence of PVAT on vascular reactivity in ApoE-/- mice and PVAT morphology and composition was unchanged. NOS inhibition did not alter the contractile responses. The aortic PVAT of ND-fed Cav-1-/- mice did not exert an anti-contractile effect and PVAT composition was unchanged with increasing age. However, after 26 weeks on a WD, aortic PVAT from Cav-1-/- mice potentiated contractions to phenylephrine and white adipocyte hypertrophy was observed. NOS inhibition revealed a pro-contractile effect of aortic PVAT from Cav-1-/- mice. Loss of Cav-1-/- conferred significant protection against the development of atherosclerosis in WD-fed ApoE-/-Cav-1-/- mice despite a proatherogenic lipid profile. Aortic PVAT from ND-fed ApoE-/-Cav-1-/- mice did not exhibit an anti-contractile capacity and PVAT morphology was unchanged with ageing. Additionally, a WD did not influence the effect of PVAT on vascular reactivity in ApoE-/-Cav-1-/- mice although white adipocyte hypertrophy was observed after 26 weeks of high fat feeding. NOS inhibition revealed a pro-contractile effect of aortic PVAT in 8-week ND-fed ApoE-/-Cav-1-/- mice. Conclusions: This work has produced novel insights into the influence of aortic PVAT and NO on vascular reactivity and the morphology of aortic PVAT in ageing C57BL/6 mice, atherosclerotic ApoE-/- mice, Cav-1-/- mice and athero-protected ApoE-/-Cav-1-/- double knockout mice. Ageing to pre-middle age in C57BL/6 mice results in a loss of the anti-contractile effect of PVAT prior to endothelial dysfunction. This is associated with altered NO bioavailability and changes to the morphology and composition of PVAT. This may reveal potential therapeutic targets to restore the anti-contractile capacity of PVAT if comparable age-related PVAT dysfunction is observed in humans. Aortic PVAT of ApoE-/- mice does not exert an anti-contractile effect which may be attributed to decreased basal eNOS activity. A WD does not alter the vascular reactivity of PVAT. In addition, aortic PVAT from Cav-1-/- mice does not exhibit an anti-contractile capacity yet it exerts a pro-contractile effect after 26 weeks on a WD. The aortic PVAT of ApoE-/-Cav-1-/- mice does not modulate vascular reactivity and this is unaltered with feeding of a WD although white adipocyte hypertrophy was observed within the PVAT. The critical role of Cav-1 in the initiation and progression of atherosclerosis is reinforced by the atheroprotected phenotype of the ApoE-/-Cav-1-/- mice even though a severely proatherogenic lipid profile is observed in both the ND and WD-fed mice. Therapeutically targeting LDL transcytosis into the arterial wall could potentially prevent or halt the development of atherosclerosis. Aortic PVAT of ND-fed Cav-1-/- and ApoE-/-Cav-1-/- mice may not be dysfunctional but unable to modulate vascular reactivity due to attenuated vasoconstrictor responses of PVAT-denuded aortic rings as a result of excess NO, although this requires further investigation.