Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich Carfilzomib, einem Proteasominhibitor der zweiten Generation. Carfilzomib bindet irreversibel an das Proteasom, hemmt dadurch seine Funktion des Proteinabbaus und löst dadurch eine Reihe von bisher noch nicht vollständig verstandenen zellulären Reaktionen aus, die zu einer Induktion von Apoptose in MM-Zellen führen. Einer der Signaltransduktionswege, die durch Carfilzomib induziert werden, ist der JNK-Signaltransduktionsweg, der unter anderem bei zellulärem Stress in die Entscheidung zwischen Zellprotektion und Apoptose eingebunden ist. Welche Umstände welche Wege triggern, und wie genau dieser Prozess reguliert wird, ist bisher noch weitgehend unklar. Da Carfilzomib zu einer Aktivierung des JNK-Signaltransduktionsweg führt und Apoptose induziert, lag die Frage nach einem möglichen Zusammenhang zwischen beiden Mechanismen nahe. Die vorliegende Arbeit überprüft die Hypothese, dass der JNK-Signaltransduktionsweg entscheidend zur Vermittlung der apoptotischen Effekte von Carfilzomib beiträgt. Die Ergebnisse einer ersten Versuchsreihe schienen die Hypothese zu bestätigen, da wir bei einer artifiziellen, sehr starken Aktivierung des JNK-Signaltransduktionsweges durch Anisomycin eine Verstärkung des durch Carfilzomib-induzierten apoptotischen Effektes beobachten konnten. Weitere Versuche, die sich auf die durch Carfilzomib induzierte Aktivierung des JNK-Signaltransduktionsweges fokussierten, konnten die Annahme in unserer Hypothese klar widerlegen, indem sie zeigten, dass die JNK-vermittelte Phosphorylierung von c-jun an Serin 63 und Serin 73 für die Carfilzomib-induzierte Apoptose nicht notwendig ist. Im Gegenteil, bei Inhibition des JNK-Signaltransduktionsweges waren die apoptotischen Effekte durch Carfilzomib sogar stärker ausgeprägt als durch Carfilzomib-Behandlung allein. Die diesem Effekt zugrundeliegenden molekularen Mechanismen ließen sich im Rahmen der Arbeit nicht aufklären. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die reaktive Aktivierung des JNK-Signaltransduktionsweges unter dem zellulären Stresszustand, den die Proteasominhibition auslöst, eher eine zellprotektive Wirkung zeigt. Der Wegfall dieser protektiven Wirkung vermag die erhöhte Apoptoserate bei JNK-Inhibition zu erklären. Meine Arbeit unterstreicht dabei den weiterzuverfolgenden Ansatz, die zellprotektiven Mechanismen unter Carfilzomib-Behandlung besser zu verstehen. / The present work analyzes the second generation proteasome inhibitor Carfilzomib, a substance that irreversibly binds to the proteasome, inhibiting its protein degradation function and thereby triggering a series of, as yet not fully understood, cellular responses leading to induction of apoptosis in MM cells. One of the signal transduction pathways induced by Carfilzomib is the JNK signal transduction pathway, which has been implicated in the decision pathway between cell protection and apoptosis during cellular stress. The specific circumstances that trigger these pathways and the exact processes for regulation remain largely unclear. As Carfilzomib leads to activation of the JNK signal transduction pathway and induces apoptosis, a correlation between these mechanisms has been postulated. Therefore, the present work tests the hypothesis of whether the JNK signal transduction pathway is crucial in mediating the apoptotic effects of carfilzomib. The results of an initial series of experiments confirmed the hypothesis, as the apoptotic effect induced by carfilzomib was enhanced when the JNK signal transduction pathway was artificially activated to a very high degree by Anisomycin. However, further experiments that focused on Carfilzomib-induced activation of the JNK signal transduction pathway did not support the hypothesis and showed that JNK-mediated phosphorylation of c-jun at serine 63 and serine 73 was not required for carfilzomib-induced apoptosis. In contrast, when the JNK signal transduction pathway was inhibited, the apoptotic effects were even more pronounced by Carfilzomib than by Carfilzomib treatment alone. The molecular mechanisms underlying this effect could not be elucidated within the scope of this work. However, one possible explanation for these results could be that reactive activation of the JNK signal transduction pathway tends to exhibit a cell-protective effect under the cellular stress state induced by proteasome inhibition. The removal of this protective effect may explain the increased rate of apoptosis on JNK inhibition. In this regard, this work underscores the ongoing efforts to understand the cell-protective mechanisms that are impacted by Carfilzomib treatment.

Das Ubiquitin-Proteasom-System eukaryotischer Zellen spielt eine zentrale Rolle beim Abbau von fehlgefalteten und nicht mehr benötigten Proteinen. Damit erfüllt es regulatorische Funktionen bei zellulären Prozessen wie z.B. dem Zellzyklus und der Transkription. Das Protein Proteasominhibitor 31 (PI31) wurde als Inhibitor des Proteasoms in vitro charakterisiert. Des weiteren wurde gezeigt, daß überexprimiertes PI31 im murinen System ein Modulator der Assemblierung des Immunoproteasoms (i20S) ist. Über die Funktion und Regulation von PI31 im humanen System war bisher nichts bekannt und wurde deshalb in dieser Arbeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß neben dem PI31-Transkript mindestens neun weitere alternative Spleißvarianten des humanen PI31 Gens PSMF1 existieren. Die PI31-Isoformen V2 bis V10 unterscheiden sich von PI31 (V1) teils durch eine fehlende N-terminale Domäne oder einen veränderten C-Terminus. Die Isoform V5 wird als einzige gewebespezifisch in Testikeln exprimiert und ist im Zellkern lokalisiert. Ausschließlich die Überexpression der Isoform V3 führt zur Inhibition der proteasomalen Aktivität in vivo. Ein modulatorischer Einfluß von PI31 oder einer der Isoformen auf die Assemblierung des humanen i20S bestätigte sich dagegen nicht. Die Überexpression von PI31 und V3 in humanen Zellen führte indes zu einer Akkumulation und verzögerten Degradation von proteasomalen Substraten. Es wurde außerdem gezeigt, daß die Expression von humanem PI31 durch virusassoziierte Stimuli wie dsRNA und Typ I-Interferone induziert werden kann. Für die 3kb lange 3’UTR der PI31-mRNA konnte zusätzlich nachgewiesen werden, daß sie inhibitorisch auf die Expression wirkt und somit eine regulatorische Funktion besitzt. In Zusammenhang mit der von Kirk et al. (2008) gezeigten Heterodimerisierung von PI31 mit dem F-Box Protein Fbxo7, weisen die hier vorgestellten Ergebnisse auf eine Funktion von PI31 und dessen Isoformen bei der Ubiquitinierung von proteasomalen Substraten hin. / The ubiquitin–proteasome pathway is the major intracellular system for protein degradation. It plays an important role in the regulation of cellular processes like cell cycle control, signal transduction and gene transcription. The protein proteasome inhibitor 31 (PI31) was initially characterized as a potent inhibitor of proteasomal activity in vitro. Furthermore it was shown that PI31 modulates the assembly of the murine immunoproteasome (i20S). The function and regulation of PI31 in the human system is so far unexplored and therefore the topic of this study. It was shown that at least nine alternatively spliced variants of the PI31 gene PSMF1 exist additionally to the PI31 transcript. The PI31 isoforms V2 to V10 differ from PI31 (V1) in parts of the N-terminus and in a modified C-terminus. Only the isoform V5 is tissue specific expressed in testis and localized in the nucleus. After overexpression only the isoform V3 has the ability to inhibit the proteasomal activity in vivo. In contrast to the murine system neither PI31 nor the isoforms showed a modulatory effect on the assembly of the i20S. The overexpression of PI31 and V3 in human cells results instead in the accumulation and delayed degradation of proteasomal substrates. Furthermore the expression of human PI31 can be induced by virus associated stimuli like dsRNA and type I interferones. In addition, for the 3kb long 3’UTR of the PI31-mRNA an inhibitory effect on the expression and therefore a regulatory role was shown. Together with data from Kirk et al. (2008), who show the heterodimerization of PI31 with the F-box protein Fbxo7, the presented results suggest a function of PI31 and its isoforms in the process of ubiquitination of proteasomal substrates.