Metabolic syndrome (MetS) – a clustering of pathological conditions, including abdominal obesity, hypertension, dyslipidemia and hyperglycaemia – is closely associated with the development of type 2 diabetes mellitus (T2DM) and a high risk of cardiovascular disease. A combination of multigenetic predisposition and lifestyle choices accounts for the varying inter-individual risk to develop MetS and T2DM, as well as for the individual amount of the increase in cardiovascular risk in those patients. A physically active lifestyle can offset about half of the genetically mediated cardiovascular risk. Yet, the extent to which standardized exercise programmes can reduce cardiovascular risk differs between patients. Exercise parameters, such as frequency, intensity, type and duration or number of repetitions, differentially target metabolic function, vascular healthand physical fitness. In addition, exercise-induced molecular mechanisms are modulated by other patient-specific variables, such as age, diet and medication. This review discusses the molecular and cellular mechanisms underlying the effects of exercise training on cardiovascular risk specifically in patients with MetS and T2DM.

Der transformierende Wachstumsfaktor-β (TGFβ) übt verschiedene Wirkungen auf die Regulierung zahlreicher biologischer Prozesse aus. Insbesondere die zytostatische Wirkung von TGFβ ist wichtig, um die Homöostase in Geweben aufrechtzuerhalten und proliferative Störungen, wie in Krebs, zu verhindern. Frühere Studien zur Regulation des Zellzyklus mit TGFβ wurden auf Populationsebene, oft durch physikalische oder chemische Synchronisation durchgeführt. Dabei wird die Heterogenität auf zellulärer Ebene vernachlässigt und die Anfälligkeit gegen potenzielle Artefakte erhöht. Um zu verstehen, wie einzelne Zellen TGFβ-Signale entschlüsseln und diese in die Entscheidung zur Zellproliferation integrieren, wurden sowohl die Dynamik der TGFβ-Signale als auch die Zellzyklusprogression in asynchronen Zellen durch „Live Cell Imaging“ quantifiziert. In Kombination von experimentellen und theoretischen Studien wurde gezeigt, dass TGFβ einen „Alles-oder-Nichts-G1- Stillstand“ auslöst, der sowohl dosisabhängig als auch phasenabhängig ist. Wenn die Zellen während der S / G2 / M-Phase TGFβ ausgesetzt werden, erfahren sie in der darauf folgenden G1-Phase einen ererbten, verzögerten Stillstand. Zusätzlich sind die Zellen nach einem TGFβ-Stimulationsimpuls für weitere TGFβ-Behandlungen unempfindlich. In Anbetracht der Bedeutung von Einzelzellinformationen und den Herausforderungen bei der automatischen Zellverfolgung wurde ein Rahmenkonzept von „Population to Single Cell“ (P2S-Framework) erarbeitet, um von der Populationsdynamik auf die Abstammung einzelner Zellen zu schließen. Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einblicke in Strategien zur Kontrolle der Zellproliferation durch Manipulation der TGFβ-Signalgebung. / The transforming growth factor-β (TGFβ) exerts diverse effects on regulating numerous biological processes. Especially, the cytostatic effect of TGFβ is important for maintaining tissue homeostasis and preventing proliferative disorders, like cancer. Previous studies on the regulation of cell cycle by TGFβ were conducted at the population level, and often through physical or chemical synchronization, which neglected cellular heterogeneity and might introduce artifacts. To understand how individual cells decode and integrate TGFβ signals into cell proliferation decisions, we quantitatively characterized both TGFβ signaling dynamics and cell cycle progression in asynchronous cells by live cell imaging. Combining experimental and theoretical studies, we demonstrated that TGFβ triggers all-or-none G1 arrest, which is both dose-dependent and phase- dependent. When exposed to TGFβ during S/G2/M phase, cells undergo an inherited, delayed arrest at the next G1 phase. In addition, after one pulse of TGFβ stimulation, cells are refractory to further TGFβ treatments. Considering the importance of single cell information and challenges in automatic cell tracking, we proposed a Population to Single cell framework (P2S framework) to infer single- cell lineages from population dynamics. Taken together, this work provides new insight into strategies to control cell proliferation by manipulating TGFβ signaling.

Wnt/beta-Catenin-Signalgebung hat große Bedeutung für die Initiation und Progression verschiedener Krebsarten. Unser Labor hat kürzlich ein Mausmodell für Squamöse Speicheldrüsen-Karzinome etabliert, das menschliche Hals-Nasen-Ohren-Karzinome reflektiert, durch kombinierte Mutationen von beta-Catenin und dem Bmp-Rezeptor 1a. Diese Tumore enthielten hohen Level von sich selbst-erneuernden Krebs-Stammzellen. Behandlung mit den Wnt-Inhibitoren ICG-001 blockierte die Selbsterneuerung und induzierte die Differenzierung der Krebs-Stammzellen. In den Krebs-Stammzellen der Maus wurde eine globale Aufregulierung des Histonmarkers H3K4me3 beobachtet, was durch Wnt-Inhibition gehemmt werden konnte. Um die molekularen Mechnismen aufzuklären, wurden die Histon-Methyltransferasen für H3K4me3, d.h., Mitglieder der Mll-Proteinfamilie, in sphären-kultivierten Krebs-Stammzellen durch RT-PCR analysiert: Mll1 war hoch transkribiert, zusammen mit den Hoxa9- und Meis1-Zielgenen. Interessanterweise aktivierte die Expression von Mll1 durch Wnt-Signalgebung die distale Enhancer-Region von Mll1, was durch Luciferase-Reporter-Assays gemessen wurde. Immunopräzipitation zeigte weiter, dass Mll1 im beta-Catenin-Transcriptionsfaktor-Komplex involviert ist: shRNA-Behandlung von Mll1 reduzierte die Sphären-Bildung der Speicheldrüsen-Krebs-Stammzellen der Maus. In doppelt-mutanten Mäusen hat die zusätzliche genetische Ablation von Mll1 die Tumorbildung verhindert und die Selbsterneuerung der Krebs-Stammzellen reduziert. Diese Daten zeigen dass die beta-Catenin-Mll1-Achse die Selbsterneuerung der Stammzellen antreibt und deren Differenzierung verhindert, und zwar via epigenetische Mechanismen. Deshalb wird durch das Targeting von Mll1 und dessen Interaktion mit beta-Catenin und andern Komponenten den gesunden epigenetischen Zustand in den Stammzellen wieder herstellt, was eine neue und vielversprechende Möglichkeit für die Behandlung von Patienten mit Hals-Nasen-Ohren-Tumoren darstellt. / Wnt/beta-catenin signaling has been implicated in the initiation and progression of various human cancers. Our lab has recently established a mouse model of salivary gland squamous cell carcinomas (SCCs), which resembles human head and neck cancer, by combined gain- and loss-of-function mutations of beta-catenin and the Bmp receptor 1a (double mutant tumors). These tumors contained highly self-renewing cancer stem cells (CSCs) that were Wnt-dependent. Treatment with the Wnt inhibitor ICG-001 (interferes with beta-catenin-CBP-Mll1 interaction) blocked the self-renewal and induced differentiation of CSCs. In the mouse salivary gland CSCs, a global up-regulation of the histone mark H3K4me3 was observed, which could be suppressed by Wnt inhibition. To study the potential molecular mechanisms, the H3K4me3 histone methyl-transferases, i.e., members of the Mll protein family were analyzed in freshly isolated, sphere-cultured CSCs by RT-PCR: Mll1 was highly transcribed, together with its target genes Hoxa9 and Meis1. Interestingly, the expression of Mll1 was upregulated by Wnt signaling by activating its distal enhancer regions, which was seen with Luciferase reporter assays. Immuno-precipitation further showed that Mll1 is involved in the beta-catenin/Tcf4 transcription factor complex: shRNA treatment against Mll1 reduced sphere formation of mouse salivary gland CSCs. In double mutant mice, additional genetic ablation of Mll1 (triple mutant tumors) abrogated tumor formation and affected the self-renewal ability of CSCs. Collectively, the data presented in this study show that the beta-catenin-Mll1 axis drives self‐renewal and fends off differentiation of CSCs via epigenetic mechanisms. Therefore, targeting Mll1 or its interaction with beta-catenin and other components may help to restore a healthy epigenetic state in the stem cells, which represent a novel and promising therapeutic approach for the treatment of head and neck SCCs.

Das Herz ist das erste Organ, das sich während der Embryonalentwicklung bildet und durch die Verteilung von Nährstoffen und Sauerstoff für die Lebenserhaltung von Geweben und Organen verantwortlich ist. Die Herzentwicklung benötigt die koordinierte Rekrutierung von zwei Herzvorläufer-Populationen, dem ersten und zweiten Herzfeld, welche sich aus einer gemeinsamen Vorläuferzellpopulation während der Gastrulation bilden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Bmp- und Wnt-Signalwege auf die frühe Herzentwicklung in Mäusen untersucht. Dafür wurden mit Hilfe der Cre/LoxP-Technik inaktivierende und aktivierende Mutationen im Bmp-Rezeptor Ia (BmpRIa) und im zentralen Modulator des Wnt-Signalweges, beta-Catenin, in Zellen des Mesoderms eingeführt, aus dem beide Herzfelder hervorgehen. Inaktivierende Mutationen im BmpRIa führen zum Verlust von erster Herzfeldderivate und zum Expressionsverlust von Genen, welche für die Aufrechterhaltung und Spezialisierung des ersten Herzfeldes in den späteren linken Ventrikel wichtig sind. In Mäusen mit inaktivierenden Mutationen in beta-Catenin bildet sich das erste Herzfeld korrekt, während die Entwicklung des zweiten Herzfeldes, z.B. die rechtsgerichtete Windung des linearen Herzrohres sowie Bildung des Ausflusstrakts und rechten Ventrikels, gestört ist. Die Genexpression von Bmp4 und Islet1 in Vorläufern des zweiten Herzfeldes ist stark reduziert, während aktivierende Mutationen in beta-Catenin diese verstärken und die Bildung des linearen Herzrohres stören. Diese Ergebnisse zeigen, dass beta-Catenin für die Entwicklung des zweiten Herzfeldes entscheidend ist, und dass die Aktivierung des Wnt/beta-Catenin-Signalweges zeitlich und räumlich präzise reguliert werden muss, damit sich ein windendes lineares Herzrohr entwickeln kann. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die BmpRIa- und Wnt/beta-Catenin-Signalwege unterschiedliche Rollen während der Musterbildung in der frühen Herzentwicklung spielen. / The vertebrate heart is the first organ that forms during embryonic development. Heart formation requires the coordinated recruitment of multiple cardiac progenitor cell populations derived from both the first and second heart fields, which arise from a common progenitor at gastrulation. In this study we have ablated the Bmp receptor 1a (BmpRIa) and the Wnt effector beta-Catenin in the developing heart of mice using MesP1-cre, which acts in early mesoderm progenitors that contribute to both first and second heart fields. Remarkably, the entire cardiac crescent and later the primitive ventricle were absent in MesP1-cre; BmpR1a loss-of-function mutants. While myocardial progenitor and differentiation markers were detected in the small, remaining cardiac field in these mutants, first heart field markers, which are required for the maintenance and specification of first heart field derivatives, were not expressed. We conclude from these results that Bmp receptor signaling is crucial for the specification of the first heart field. In MesP1-cre; beta-Catenin loss-of-function mutants, cardiac crescent formation as well as first heart field markers were not affected, although cardiac looping and right ventricle formation were blocked. Expression of Isl1 and Bmp4 in second heart field progenitors was strongly reduced. In contrast, in gain-of-function mutation of beta-Catenin using MesP1-cre we revealed an expansion of Isl1 and Bmp4 expressing cells, although the heart tube was not formed. We conclude from these results that Wnt/beta-Catenin signaling regulates second heart field development, and that a precise amount and/or timing of Wnt/beta-Catenin signaling is required for proper heart tube formation and cardiac looping. In conclusion, we have shown that Bmp and canonical Wnt signaling have distinct roles during early cardiogenesis in mice.