Members of the enabled/vasodilator-stimulated phosphoprotein (Ena/VASP) family are important regulators of the actin cytoskeleton dynamics. VASP functions as well as its interactions with other proteins are regulated by phosphorylation at three sites - serine157 (S157), serine239 (S239), and threonine278 (T278) in humans. cAMP- and cGMP- dependent protein kinases phosphorylate S157 and S239, respectively. In contrast, the kinase responsible for T278 was as yet unknown and identified in the first part of this thesis. In a screen for T278 phosphorylating kinases using a phospho-specific antibody against phosphorylated T278 AMP-activated protein kinase (AMPK) was identified in endothelial cells. Mutants of AMPK with altered kinase-activity modulate T278-phosphorylation levels in cells. AMPK-driven T278-phosphorylation impaired stress fiber formation and changed cell morphology in living cells. AMPK is a fundamental sensor of cellular and whole body energy homeostasis. Zucker Diabetic Fatty (ZDF) rats, which are an animal model for type II diabetes mellitus, were used to analyze the impact of phosphorylated T278 in vivo. AMPK-activity and T278-phosphorylation were substantially reduced in arterial vessel walls of ZDF rats in comparison to control animals. These findings demonstrate that VASP is a new AMPK substrate, that VASP phosphorylation mediates the effects of metabolic regulation on actin cytoskeleton rearrangements, and that this signaling system becomes down-regulated in diabetic vessel disorders in rats. In the second part of this thesis, a functional analysis of differential VASP phosphorylations was performed. To systematically address VASP phosphorylation patterns, a set of VASP phosphomimetic mutants was cloned. These mutants enable the mimicking of defined phosphorylation patterns and the specific analysis of single kinase-mediated phosphorylations. VASP localization to the cell periphery was increased by S157- phosphorylation and modulated by phosphorylation at S239 and T278. Latter phosphorylations synergistically reduced actin polymerization. In contrast, S157- phosphorylation had no effect on actin-dynamics. Taken together, the results of the second part show that phosphorylation of VASP serves as a fine regulator of localization and actin polymerization activity. In summary, this study revealed the functions of VASP phosphorylations and established novel links between signaling pathways and actin cytoskeleton rearrangement. / Die Mitglieder der Enabled/Vasodilator-stimulated phosphoprotein (Ena/VASP) Familie sind bedeutende Regulatoren der Aktinzytoskelettdynamik. Die Funktionen und die Protein-Protein-Wechselwirkungen von VASP werden durch Phosphorylierungen an drei Aminosäureresten reguliert. Im Fall von humanem VASP sind dies Serin157 (S157), Serin239 (S239) und Threonin278 (T278). S157 und S239 sind Substrate der cAMP- und cGMP-abhängigen Proteinkinasen. Die Kinase, die T278-Phosphorylierung vermittelt, ist nicht bekannt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung der T278-phosphorylierenden Kinase. Mit Hilfe eines phospho-spezifischen Antikörpers gegen das phosphorylierte T278 (pT278) wurde in Endothelzellen eine systematischen Suche nach T278-phosphorylierenden Kinasen durchgeführt. Dabei wurde die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) entdeckt. Mutanten der AMPK, welche eine veränderte Kinaseaktivität besitzen, erhöhten bzw. reduzierenten das Niveau der pT278. Die T278-Phosphorylierung durch die AMPK reduzierte die Stressfaserbildung und führt zu einer veränderten Zellmorphologie. Die AMPK ist ein fundamentaler Sensor des zellulären und Organismus-umfassenden Energiehaushalts. Zur Analyse der Funktion der pT278 in vivo wurden Zucker Diabetic Fatty (ZDF) Ratten, ein Tiermodell für den Diabetes mellitus Typ II, verwendet. Die AMPK-Aktivität und die pT278 waren in arteriellen Gefäßwänden von ZDF-Ratten im Vergleich zu Kontrolltieren deutlich reduziert. Diese Ergebnisse zeigen, dass VASP ein neues Substrat der AMPK ist, dass die T278-Phosphorylierung metabolische Signale an das Aktin-Zytoskelett koppelt und, dass bei diabetischen Ratten dieser Signaltransduktionsweg supprimiert ist. Im zweiten Teil wurde die Bedeutung der VASP-Phosphorylierungsmuster für die Aktin- bildung und die VASP-Lokalisation untersucht. Hierzu wurden systematisch VASP- Phoshorylierungsmutanten generiert. Diese Mutanten imitieren fixierte Phosphorylierungen oder erlauben einzelne Phosphorylierungen durch die jeweilige Kinase. Die Untersuchungen zeigten, dass S157-phosphoryliertes VASP (pS157) sich an der Zellperipherie anreichert, wobei die S239- und T278-Phosphorylierungen diesen Lokalisationseffekt modulieren. Phosphoryliertes S239 und T278 reduzierten synergistisch die Aktinpolymerisation. Im Gegensatz hierzu beeinflusste pS157 die Aktindynamik nicht. Dies zeigt, dass die VASP- Phosphorylierungen als Feinregulator für die Lokalisation und die Aktinpolymerisationsak- tivität fungierten. Zusammenfassend identifiziert diese Studie die Funktionen der einzelnen VASP- Phosphorylierungen und deckt neue Verbindungen von Signalwegen zur Aktinzytoskelett- Reorganisation auf.

Zum Nachweis einer interindividuellen Variabilität bei der Therapie mit Clopidogrel wurden in dieser Promotionsarbeit Patienten mit ausreichender Therapiedauer auf eine verbleibende Aktivierbarkeit der Thrombozyten untersucht. Hierfür wurde eine auf Phosphorylierung des Proteins VASP basierender Assay, der mittlerweile auch kommerziell verfügbar ist, eingesetzt. Dieser auf einer durchflusszytometrische Analyse beruhende Test zeigte bei 10 % der untersuchten Patienten eine Restaktivierbarkeit der Thrombozyten trotz ausreichender Thienopyridin-Einnahme. Die statistische Analyse erbrachte den Nachweis von zwei Untergruppen: Eine Untergruppe zeigte trotz Clopidogrel-Therapie eine fast normale Aktivierbarkeit der Thrombozyten („non-responder“), die andere zeigt eine teilweise Thrombozytenfunktionshemmung („low-responder“). In der statistischen Analyse wurde eine deutliche Signifikanz der Ergebnisse mittels Students-t-Test festgestellt. Aus zufällig ausgewählten Proben der „non-responder“ und der adäquat reagierenden Patienten konnte eine Veränderung intrazelluläre Signalwege nicht nachgewiesen werden. Nach Veröffentlichung der Gensequenz für den P2Y12 Rezeptor erfolgte die entsprechende Genanalyse bei diesen Patienten. Es konnten 2 stumme Polymophismen nachgewiesen werden, diese jedoch sowohl in der Gruppe der Responder als auch bei Low-/Non-Respondern. Somit wurde in dieser Promotionsarbeit das mittlerweile von verschiedenen Arbeitsgruppen diskutierte, bei etwa 10 % der Patienten auftretende Therapieversagen von Thienopyridinen bestätigt. Eine Genveränderung oder Änderungen intrazellulärer Signalwege konnte als molekulare Ursache nicht gezeigt werden. / To detect interindividual varabilities during clopidogrel treatment we investigated patients with sufficient treatment duration for remaining activation of platelets. For detection we used an VASP (vasodilator-stimulated phosphoprotein) based assay, which is commercially available. This assay works with flow cell detection system (FACS) and showed in 10 % of all investigated patients remaining platelet activatiation even though thienopyridine treatment was sufficint. The statistic analysis showed two sub-groups of remaining platelet acitivity: one consisted of patients with completely regular platelet acitivity (non-responder), the other showed partial remaining acitivity (low-responder). The statistic analysis using a student-t-test proved a solid significance of the results. Randomly chosen probes out of the non-responder sub-group and the regular reacting patients showed no changes in intra-cellular pathways. The in 2000 newly published gene-sequence of the P2Y12 receptor was utilized to look for mutations/variations. Two silent polymorphism were detected in both (low- and non-responder) sub-groups. In this thesis we added to the increasingly published number of articles reporting a 10 % non-responding to thienopyridine treatment. For this variation no gene sequence alternation or change in intracellular pathway singalling were found responsible.

Student Number : 9000554P - PhD thesis - School of Molecular Medicine and Haematology - Faculty of Science / Dynamic cellular activity is fundamental to all life. Virtually all life processes, are modulated by the reversible phosphorylation of proteins, mediated by protein kinases and phosphoprotein phosphatases, respectively. This thesis focuses on three enzymes, namely: phosphoprotein phosphatase 1, phosphoprotein phosphatase 2A and protein tyrosine phosphatase-1B. Temporal variations in the expression of the enzyme proteins were examined in the human acute promyelocytic leukaemic cell line, HL-60. The cells were induced to differentiate along the macrophage pathway using phorbol-12-myristate- 13-acetate and along the granulocytic pathway using dimethyl sulfoxide, all-trans retinoic acid and 9-cis retinoic acid. Modulation of the rhythmic patterns of protein and messenger RNA was monitored in the absence and presence of inducing agents. Expression of protein in cell extracts prepared at various time intervals was determined by western immunoblotting, while mRNA expression was assessed by northern blotting and RT-PCR. The probe used for northern blotting was generated during the RT-PCR procedure. In addition, PTP-1B mRNA was cloned into an expression vector to produce recombinant protein. Results indicate that the expression of phosphoprotein phosphatase 1, phosphoprotein phosphatase 2A and protein tyrosine phosphatase-1B protein is dynamically regulated in proliferating HL-60 cells and modulated after being induced to differentiate along either the macrophage or granulocytic pathway. Similar changes were also noted with PTP-1B mRNA when using northern blot analysis. Using molecular cloning techniques, PTP-1B mRNA was successfully cloned into pGex-4T-1 expression vector to produce recombinant PTP-1B protein, which was checked by sequence and western blot analysis.

Proteins of the Ena/VASP protein family are important regulators of actin and participate in cell-cell and cell-matrix adhesions. To date, the physiological importance of Ena/VASP proteins for integrity of the cardiovascular system has remained unclear. To study cardiovascular functions of Mena and VASP, we used an established VASP knockout mouse in combination with a novel gene-trap-based model to ablate Mena function. In the mutated Mena mouse, the endogenous Mena gene is disrupted by the insertion of a β-galactosidase construct and β-galactosidase expression is under the control of the endogenous Mena promoter. X-gal staining of mouse organs revealed Mena promoter activity in smooth muscle layers of vessels, intestines and bronchioles, but also in cells of the brain, in cardiomyocytes and in the respiratory epithelium of bronchioles. In wild-type mice, Western blotting revealed differing protein expression patterns of VASP and Mena. Mena expression was observed in almost every tissue, predominantly in heart, lung, stomach, large intestine, testis, brain and eye. Additionally, the neuronalspecific Mena isoform was expressed in brain, eye, and slightly in heart and stomach. VASP protein, in contrast, was predominantly detected in spleen and thrombocytes. In gene-trapped mice, Mena expression was largely reduced in heart, lung and stomach but only slightly decreased in brain and testis. Immunofluorescence microscopy revealed colocalisation of Mena and F-actin at intercalated discs of cardiomyocytes and strong colocalisation of Mena and α- smooth-muscle-actin in vessels and bronchioles. Functional analysis of Mena/VASP-mutated and wild-type mice using electrocardiography suggested that the depletion of either Mena or VASP does not interfere with normal heart function. However, in double-deficient mice, the resting heart rate was significantly increased, probably reflecting a mechanism to compensate defects in ventricle contraction and to maintain a normal cardiac output. In agreement, cardiac catheter investigations suggested dilated cardiomyopathy in doubledeficient mice. Thus, although Western blot analysis showed differing protein expression patterns of Mena and VASP, these findings suggest that Mena and VASP mutually compensate for each other. Concerning Mena, we propose an important role of the protein in vessel walls, cardiomyocytes and bronchioles. / Proteine der Ena/VASP-Familie sind wichtige Regulatoren der Aktin-Dynamik und sind Bestandteile von Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kontakten. Bis heute ist die physiologische Bedeutung der Ena/VASP-Proteine speziell im kardiovaskulären System noch nicht geklärt. Um die kardiovaskuläre Funktion von Mena (mammalian Ena) und VASP zu untersuchen, nutzten wir eine etablierte VASP-Knockout-Maus in Kombination mit einem neuen Gene-trap-Maus-Modell, welches die Mena-Funktion ausschaltet. In der mutierten Mena-Maus wird das endogene Mena-Gen durch die Insertion eines β-Galaktosidase-Konstrukts gespalten, sodass die Mena-Funktion ausfällt und die β-Galaktosidase-Expression unter der Kontrolle des endogenen Mena-Promoters steht. X-Gal-Färbungen von Mausorganen ließen Mena-Promoter-Aktivität in glatter Muskulatur von Gefäßen, Darm und Bronchiolen, aber auch in Zellen des Gehirns, in Kardiomyozyten und im respiratorischen Flimmerepithel der Bronchiolen erkennen. In Wildtyp-Mäusen, zeigten Western-Blot-Untersuchungen unterschiedliche Protein-Expressionsmuster für VASP und Mena. Mena-Expression wurde in fast allen Geweben entdeckt, hauptsächlich in Herz, Lunge, Magen, Dickdarm, Hoden, Gehirn und in den Augen. Zusätzlich wurde die neuronale Mena-Isoform im Gehirn, in den Augen und ein wenig auch in Herz und im Magen exprimiert. Im Gegensatz dazu, wurde VASP hauptsächlich in Thrombozyten und in Milzgewebe gefunden. In den auf dem Gene-trap basierenden Mäusen war die Expression von Mena im Herz, in der Lunge und im Magen deutlich reduziert, während nur eine leichte Verringerung im Gehirn und im Hodengewebe festzustellen war. Immunfluoreszenz-Mikroskopie legten Kolokalisation von Mena und F-Aktin an Glanzstreifen von Kardiomyozyten und deutliche Kolokalisation von Mena und glattmuskulärem Aktin in Gefäßen und Bronchien dar. Funktionsanalysen von Mena/VASPmutierten und Wildtyp-Mäusen anhand von EKG-Aufzeichnungen, ließen vermuten, dass ein Verlust von entweder Mena oder VASP die normale Herzfunktion nicht negativ beeinträchtigt. Wohingegen die Ruheherzrate von doppeldefizienten Mäusen deutlich erhöht war, was möglicherweise auf einen Mechanismus zur Kompensation der defizienten Ventrikelkontraktion zurückzuführen ist, um ein normales Herz-Zeit-Volumen aufrecht zu erhalten. Dies stimmt mit Herzkatheter-Untersuchungen überein, die auf eine Dilatative Kardiomyopathie bei doppeldefizienten Mäusen hindeuteten. Folglich ist davon auszugehen, dass Mena- und VASP-Proteine füreinander kompensieren können, obwohl Western-Blot-analysen unterschiedliche Expressionsmuster gezeigt haben. Mena betreffend, vermuten wir eine wichtige Rolle des Proteins in Gefäßwänden, in Kardiomyozyten und in Bronchien.

Im Rahmen der Präparation und Lagerung von TKs entstehen bei Thrombozyten morphologische, funktionelle und hämostatische Defizite, die unter dem Begriff storage lesion zusammengefasst werden. In dieser Dissertation wurde untersucht, ob durch Zugabe des kurzzeitig und reversibel wirksamen NO-Donors DEA/NO zu Apherese-TKs Zeichen der storage lesion über eine 5-tägige Lagerung vermindert werden können. Dafür wurde den Apherese-TKs direkt nach der Herstellung 5 nM DEA/NO zugesetzt. An den Tagen 0 (nach Abklingen der NO-Donor-Wirkung), 2 und 5 wurden verschiedene funktionelle Systeme der Thrombozyten analysiert. Verglichen mit früheren Untersuchungen von unbehandelten TKs ergab sich unter Einsatz von DEA/NO eine abgeschwächte Aktivierung der inhibitorischen Signalwege mit geringerem Anstieg der VASP-Phosphorylierung und des cGMP-Spiegels sowie mit stabilem PDE5A-Gehalt. Gemessen anhand der P-Selektin-Expression und der Fibrinogenbindung zeigte sich ein unverändert niedriger Präaktivierungsgrad der Thrombozyten bei erhaltener Stimulierbarkeit. Bei der Oberflächenexpression von purinergen Rezeptoren war der Rückgang der stimulierten Mobilisation während der 5-tägigen Lagerung im Vergleich zu unbehandelten TKs vermindert. Damit war unter dem Einfluss von DEA/NO eine Abschwächung von Phänomenen der storage lesion zu beobachten. Für eine mögliche klinische Anwendung des NO-Donors DEA/NO bei der TK-Herstellung sind allerdings weitere Studien bezüglich Wirksamkeit und möglicher unerwünschter Wirkungen in vivo notwendig. Darüber hinaus muss eine technische Lösung für die sterile Zugabe von DEA/NO gefunden werden. / During the preparation and storage of apheresis-derived PC (APC), platelets develop morphological, functional and hemostatic deficits (platelet storage lesion). In this dissertation, it was investigated whether the addition of the NO donor DEA/NO with a short-term, reversible inhibitory effect to APC could reduce the signs of storage lesion over a 5-day storage period. Therefore 5 nM DEA/NO were added to APC directly after apheresis. On days 0 (after termination of the NO donor effect), 2 and 5, different phenomena of the platelet storage lesion were analyzed. Compared to previous studies of untreated APC, the use of DEA/NO resulted in an attenuated activation of the inhibitory signaling pathways with a lower increase in VASP phosphorylation and cGMP levels and with a stable PDE5A content. Measured by P-selectin expression and fibrinogen binding, the level of platelet preactivation remained unchanged at a low level while the activation capacity was maintained. In the surface expression of purinergic receptors, the decrease of stimulated mobilization was reduced during the 5-day storage period compared to untreated APC. Thus, under the influence of DEA/NO, an attenuation of storage lesion phenomena was observed. Regarding the clinical application of the NO donor DEA/NO in manufacturing of APC, further studies are required in respect to the efficacy and possible adverse effects in vivo. Furthermore, a technical solution for the sterile addition of DEA/NO to APC needs to be established.

Thesis (Ph.D.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2007. / Includes bibliographical references (leaves 119-134). Also available in electronic version.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2006. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 188-225).

Diatoms are unicellular photosynthetic algae that display intricately patterned cell walls made of amorphous silicon dioxide (silica). Long-chain polyamines and highly phosphorylated proteins, silaffins and silacidins, are believed to play an important role in biosilica formation. The phosphate moieties on silaffins and silacidins play a significant role in biomineral formation, yet no kinase has been identified that phosphorylates these biomineral forming proteins. This dissertation describes the characterization of a novel kinase from the diatom Thalassiosira pseudonana, tpSTK1, which is upregulated during silica formation. A recombinantly expressed histidine-tagged version of tpSTK1 was capable of phosphorylating recombinant silaffins but not recombinant silacidin in vitro. Through establishing methods for subcellular fraction of T. pseudonana membranes in combination with antibody inhibition assay, it was discovered that native tpSTK1 phosphorylates silaffins but not silacidins in vitro (i.e. it exhibits the same substrate specificity as recombinant tpSTK1). As tpSTK1 is an abundant protein in the ER lumen (~ 0.5 % of total ER protein) it seems highly likely to function as a silaffin kinase in vivo. TpSTK1 lacks clear sequence homologs in non-diatom organisms and is the first molecularly characterized kinase that appears to be involved in biomineralization. The predicted kinase domain (KD) of tpSTK2, the only T. pseudonana homolog of tpSTK1, was recombinantly expressed and tested for phosphorylation activity. Recombinant tpSTK2-KD and native tpSTK2 exhibited detectable activity with myelin basic protein, but did not phosphorylate silaffins or silacidins in vitro. Western blot analysis demonstrated that native tpSTK2 was not present in the ER, but associated with the cytosol and Golgi membrane containing subcellular fractions.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri--Columbia, 2001. / "May 2001." Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 97-110). Also available on the Internet.

Thesis (M. Phil.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2003. / Includes bibliographical references (leaves 82-99). Also available in electronic version. Access restricted to campus users.