NF1 ist eine autosomal dominante Erbkrankheit, die durch inaktivierende Mutationen im Neurofibromin-Gen verursacht wird. NF1 manifestiert sich durch eine erhöhte Tumor-Inzidenz des neuralen Gewebes in der Haut (Neurofibroma). Neben diesen häufigeren klinischen Manifestationen haben rund 50% der NF1-Patienten Skelett-Anomalien. Häufiger sind Röhrenknochen betroffen, die klinischen Symptome reichen von Tibia-Krümmung über Spontanfrakturen bis hin zu Nonunions. Diese Studie analysiert den Heilungsverlauf von Femurfrakturen in Nf1Prx1- Mäusen. Der Frakturkallus von Mäusen wurde an den Tagen 7, 10, 14 und 21 durch µCT, Histologie und molekulare Analysen evaluiert. µCT und histologische Analysen haben eine beeinträchtigte Knochenheilung in Nf1Prx1-Mäusen gezeigt. Eine erhöhte periostale Knochenbildung in den frühen Stadien der Heilung war zu beobachten, sowie eine reduzierte, aber anhaltende Knorpelbildung und Bindegewebs-Akkumulation innerhalb der Fraktur. Wir konnten zeigen, dass der normalen Heilungsprozess durch dieses Bindegewebe behindert wird, welches durch alpha smooth muscle actin-positive Myofibroblasten gebildet wird, die ihrerseits aus einer bisher noch nicht identifizierten Muskelfaszie abgeleitet sind. Dieser Zusammenhang wird durch eine Microarray-Analyse der Kallus-Gewebe bestätigt, die ergab, dass durch den Knock-Out Gene reguliert wurden, die in Physiologie, Proliferation und Differenzierung von Muskelzellen involviert sind. Darüber hinaus waren extrazelluläre-Matrix-Gene in den Mutanten hoch regeuliert. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass eine Ähnlichkeit des Heilungsverlauf zwischen dem Nf1Prx1-Mausmodell und NF1-Patienten besteht. Folglich kann an diesem Mausmodell untersucht werden, durch welche Mechanismen die Mutationen im NF1 zu Knochenheilungsstörungen führen. Außerdem konnte in einer Pilotstudie der Effekt des Neurofibromin-Mangels auf die Knochenheilung durch Behandlung mit MEK-Inhibitoren in vitro und in vivo weitestgehend behoben werden / Neurofibromatosis type 1 (NF1) is an autosomal dominant genetic disease resulting from inactivating mutations in the gene encoding the protein neurofibromin. NF1 patients – around 50% – have abnormalities of the skeleton. Long bones are often affected, and the clinical signs range from tibial bowing to spontaneous fractures and even non-unions. Moreover, NF1 mice models could provide the understanding of the cell types involved in the resulting non-union and their behavior. This study analyzed the healing progress of femur fractures in a model of NF1 long bone dysplasia. Fracture callus was assessed at days 7, 10, 14, and 21 by µCT, histology, biomechanics, and molecular analyses. Bone healing was impaired in Nf1Prx1 mice femoral fracture. Results revealed increased periosteal bone deposition at the early stages of healing, decreased but persistent cartilage formation concomitant with fibrous tissue accumulation within the fracture site, decreased torsional stiffness, decreased bone mineral density, and increased fibrous tissue infiltration in the callus of mutant mice. This fibrous tissue accumulation hindered bone fracture healing, and was deposited by alpha smooth muscle actin-positive myofibroblasts, which were derived from a yet unidentified muscle fascia. This is further supported by the microarray analysis of callus tissues showing that genes crucial to muscle cells physiology, proliferation and differentiation were affected. In addition, extracellular matrix related genes were up-regulated in the mutants. In summary, this study shows a resemblance in the healing progression to the Nf1Prx1 mice model and NF1 patients, thereby, confirming the suitability of this mice model to explore the mechanism by which mutations in NF1 lead to non-unions. Moreover, in vitro and in vivo pilot assessments of MEK inhibitor treatment demonstrated a potential remedy for the lack of neurofibromin in bone healing.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle des Rezeptors VEGFR-2, Flk-1, im neuronalen Kontext untersucht. In einem ersten Schritt wurde in embryonalen Stammzellen der Maus das fluoreszierende Protein eGFP unter der Kontrolle regulatorischer Sequenzen des flk-1-Promotors, -Enhancers exprimiert. Nach der Differenzierung zu Sphäroiden wurden Endothelzellen nachgewiesen, die sowohl eGFP als auch das zelltypspezifische Oberflächenantigen CD31 ausprägen. Ebenso wurden nach der neuronalen Differenzierung in Gegenwart von Stromazellen eGFP-exprimierende Zellen identifiziert. Diese standen mit Zellen, die das für neuronale Vorläuferzellen charakteristische Protein Nestin ausprägten, in einem räumlichen Zusammenhang. Die Vorgehensweise, die Inaktivierung des flk-1-Gens mit der Differenzierung embryonaler Stammzellen in vitro zu kombinieren, sollte hier die Interpretation des Phänotyps des flk-1-defizienten Mausmodells ermöglichen. Der Rezeptor war während der neuronalen Differenzierung der Stammzellen auf Stromazellen in vitro für die Regulation der Anzahl der Vorläuferzellen essentiell. Ferner spielte der Rezeptor im Rahmen eines weiteren Differenzierungsmodells, das auf der Zugabe relevanter Wachstumsfaktoren beruht, eine instruktive Rolle im Hinblick auf die Identität der Neuronen. Kriterium war hier die differentielle Expression Homeobox-enthaltender Transkriptionsfaktoren. In einem zweiten Schritt wurden mit Hilfe dieses Modells differentiell-exprimierte Gene von Stammzellen des Wildtyps sowie Zellen mit einer Inaktivierung des flk-1-Gens nach der neuronalen Differenzierung durch subtraktive Hybridisierung in Verbindung mit der PCR identifiziert. Tatsächlich wurde das Protein PEA-15 nicht nur differentiell exprimiert sondern auch als Bestandteil des VEGFR-2-vermittelten Signalwegs identifiziert. Die biologischen Funktionen des Proteins PEA-15 wurden durch VEGF-vermittelte Phosphorylierung reguliert. Die Stimulation durch VEGF führte zunächst zu einer Aktivierung des Proteinkinase B-, Akt-Signalwegs. Für die Stimulation des Akt-Signalwegs war die Phosphorylierung der intrazellulären Tyrosinreste Y1052 und Y1057 des Rezeptors essentiell. Damit einhergehend wurde PEA-15 gegenüber der proteasomalen Degradation stabilisiert. Es wurde gezeigt, daß das Protein PEA-15 die Teilungsaktivität von Zellen beeinflusst. Die VEGF- vermittelte Stimulation führte zur Phosphorylierung der Mitogen-aktivierten Proteinkinasen ERK1 und ERK2. Die weitere Phosphorylierung der Substrate dieser Kinasen im Zellkern wurde durch Interaktion mit PEA-15 unterdrückt. Die Regulation des c-fos-Promotors war zugleich Indikator der Inhibition der Phosphorylierung betreffender Substrate sowie der proliferativen Aktivität. Auf diese Weise ist die Phosphorylierung von PEA-15 nach Stimulation durch VEGF für die Selektivität des Flk-1-vermittelten Signalwegs von unmittelbarer Bedeutung. Die Regulation der biologischen Funktion von PEA-15 erklärt die differentielle Ausprägung im Rahmen der neuronalen Differenzierung embryonaler Stammzellen in vitro. So war die Anzahl GFAP- beziehungsweise PEA-15-exprimierender Zellen nach Differenzierung muriner Stammzellen mit einer Inaktivierung des flk-1-Gens deutlich geringer. Die differentielle Expression identifizierter Gene wurde im Mausmodell nach konditionaler Inaktivierung des flk-1-Gens überprüft. Tatsächlich wurde Vimentin in verschiedenen Arealen des Gehirns differentiell ausgeprägt. Ein Zusammenhang zwischen der differentiellen Expression des Proteins PEA-15, der Anzahl GFAP-exprimierender Zellen und der Ausprägung des Rezeptors Flk-1 ergab sich aus der Identifikation einer Zellpopulation in der subgranulären Zone des Gyrus Dentatus. Dort wurde in flk-1-defizienten, adulten Mäusen eine geringere Anzahl GFAP-exprimierender Zellen nachgewiesen. Schließlich wurden sowohl im Cerebellum als auch im Cortex histologische Unterschiede deutlich, die sich im adulten Organismus aus der Inaktivierung des Rezeptors Flk-1 ergeben. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß der Rezeptor VEGFR-2, Flk-1, im neuronalen Kontext eine Rolle spielt, die sich nicht ausschließlich auf die Vermittlung eines Schutzmechanismus gegenüber der neuronalen Apoptose beschränkt, sondern auch auf eine Beteiligung an der Neurogenese hinweist. Die Vorgehensweise, mit Hilfe der subtraktiven Hybridisierung Bestandteile Rezeptor-vermittelter Signalwege vor dem Hintergrund der Differenzierung embryonaler Stammzellen zu identifizieren, verdeutlicht die Eignung der Methode auch bei komplexen Zellpopulationen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle des Rezeptors VEGFR-2, Flk-1, im neuronalen Kontext untersucht. In einem ersten Schritt wurde in embryonalen Stammzellen der Maus das fluoreszierende Protein eGFP unter der Kontrolle regulatorischer Sequenzen des flk-1-Promotors, -Enhancers exprimiert. Nach der Differenzierung zu Sphäroiden wurden Endothelzellen nachgewiesen, die sowohl eGFP als auch das zelltypspezifische Oberflächenantigen CD31 ausprägen. Ebenso wurden nach der neuronalen Differenzierung in Gegenwart von Stromazellen eGFP-exprimierende Zellen identifiziert. Diese standen mit Zellen, die das für neuronale Vorläuferzellen charakteristische Protein Nestin ausprägten, in einem räumlichen Zusammenhang. Die Vorgehensweise, die Inaktivierung des flk-1-Gens mit der Differenzierung embryonaler Stammzellen in vitro zu kombinieren, sollte hier die Interpretation des Phänotyps des flk-1-defizienten Mausmodells ermöglichen. Der Rezeptor war während der neuronalen Differenzierung der Stammzellen auf Stromazellen in vitro für die Regulation der Anzahl der Vorläuferzellen essentiell. Ferner spielte der Rezeptor im Rahmen eines weiteren Differenzierungsmodells, das auf der Zugabe relevanter Wachstumsfaktoren beruht, eine instruktive Rolle im Hinblick auf die Identität der Neuronen. Kriterium war hier die differentielle Expression Homeobox-enthaltender Transkriptionsfaktoren. In einem zweiten Schritt wurden mit Hilfe dieses Modells differentiell-exprimierte Gene von Stammzellen des Wildtyps sowie Zellen mit einer Inaktivierung des flk-1-Gens nach der neuronalen Differenzierung durch subtraktive Hybridisierung in Verbindung mit der PCR identifiziert. Tatsächlich wurde das Protein PEA-15 nicht nur differentiell exprimiert sondern auch als Bestandteil des VEGFR-2-vermittelten Signalwegs identifiziert. Die biologischen Funktionen des Proteins PEA-15 wurden durch VEGF-vermittelte Phosphorylierung reguliert. Die Stimulation durch VEGF führte zunächst zu einer Aktivierung des Proteinkinase B-, Akt-Signalwegs. Für die Stimulation des Akt-Signalwegs war die Phosphorylierung der intrazellulären Tyrosinreste Y1052 und Y1057 des Rezeptors essentiell. Damit einhergehend wurde PEA-15 gegenüber der proteasomalen Degradation stabilisiert. Es wurde gezeigt, daß das Protein PEA-15 die Teilungsaktivität von Zellen beeinflusst. Die VEGF- vermittelte Stimulation führte zur Phosphorylierung der Mitogen-aktivierten Proteinkinasen ERK1 und ERK2. Die weitere Phosphorylierung der Substrate dieser Kinasen im Zellkern wurde durch Interaktion mit PEA-15 unterdrückt. Die Regulation des c-fos-Promotors war zugleich Indikator der Inhibition der Phosphorylierung betreffender Substrate sowie der proliferativen Aktivität. Auf diese Weise ist die Phosphorylierung von PEA-15 nach Stimulation durch VEGF für die Selektivität des Flk-1-vermittelten Signalwegs von unmittelbarer Bedeutung. Die Regulation der biologischen Funktion von PEA-15 erklärt die differentielle Ausprägung im Rahmen der neuronalen Differenzierung embryonaler Stammzellen in vitro. So war die Anzahl GFAP- beziehungsweise PEA-15-exprimierender Zellen nach Differenzierung muriner Stammzellen mit einer Inaktivierung des flk-1-Gens deutlich geringer. Die differentielle Expression identifizierter Gene wurde im Mausmodell nach konditionaler Inaktivierung des flk-1-Gens überprüft. Tatsächlich wurde Vimentin in verschiedenen Arealen des Gehirns differentiell ausgeprägt. Ein Zusammenhang zwischen der differentiellen Expression des Proteins PEA-15, der Anzahl GFAP-exprimierender Zellen und der Ausprägung des Rezeptors Flk-1 ergab sich aus der Identifikation einer Zellpopulation in der subgranulären Zone des Gyrus Dentatus. Dort wurde in flk-1-defizienten, adulten Mäusen eine geringere Anzahl GFAP-exprimierender Zellen nachgewiesen. Schließlich wurden sowohl im Cerebellum als auch im Cortex histologische Unterschiede deutlich, die sich im adulten Organismus aus der Inaktivierung des Rezeptors Flk-1 ergeben. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß der Rezeptor VEGFR-2, Flk-1, im neuronalen Kontext eine Rolle spielt, die sich nicht ausschließlich auf die Vermittlung eines Schutzmechanismus gegenüber der neuronalen Apoptose beschränkt, sondern auch auf eine Beteiligung an der Neurogenese hinweist. Die Vorgehensweise, mit Hilfe der subtraktiven Hybridisierung Bestandteile Rezeptor-vermittelter Signalwege vor dem Hintergrund der Differenzierung embryonaler Stammzellen zu identifizieren, verdeutlicht die Eignung der Methode auch bei komplexen Zellpopulationen.

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