Neben chemotherapeutischen und chirurgischen Maßnahmen ist die Bestrahlung integraler Bestandteil multimodaler Therapiekonzepte bei malignen Tumorerkrankungen. In diesem Zusammenhang spielt der Einblick in physiologische und pathophysiologische Abläufe in menschlichen Zellen und auf molekularer Ebene  eine zunehmende Rolle. Auf diese Weise werden komplexe Stoffwechselwege mit ihren unterschiedlichen Funktionen und ihren aus einzelnen Proteinen bestehenden Komponenten immer besser verstanden. Allerdings entstehen durch die Kenntnis dieser Stoffwechselwege neue Fragen, die Gegenstand medizinischer Forschung sind.  Der TGFβ-Signalweg ist ein wesentlicher intrazellulärer Signalweg, der neben zahlreichen anderen Funktionen einen Einfluss auf die Entstehung bestimmter Tumorerkrankungen hat. Eine Vielzahl an Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNP) ist bekannt sowie die Erkenntnis darüber, dass die Anwesenheit von verschiedenen Varianten eines SNP einen Einfluss auf die Zellvitalität hat je nach Behandlungsbedingung. Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss von Keimbahn-Polymorphismen in Genen des TGFβ-Signalwegs und der DNA-Reparatur auf die Strahlenempfindlichkeit lymphoblastoider Zellen zu untersuchen. Hierzu wurden 54 käuflich erworbene lymphoblastoide Zellen angezüchtet. Jede dieser Zelllinien wurde sechs parallelen Behandlungsbedingungen unterworfen. Neben der unbehandelten Kontrolle und einer mit anti-TGFβ behandelten Kontrolle wurden Zellen einer alleinigen Bestrahlung mit 3 Gy ausgesetzt. Darüber hinaus wurden Zellen 16 Stunden vor der Bestrahlung mit TGFβ1 oder anti-TGFβ vorinkubiert oder unmittelbar nach der Bestrahlung mit TGFβ1 behandelt.  Nach Ablauf einer 24-stündigen Inkubationszeit erfolgte die Zellvitalitätsmessung mittels FACS (fluorescence activated cell sorting)–Analyse. Die Ergebnisse wurden mit Daten von insgesamt 1656 polymorphen Positionen (aus HapMap Datenbank) aus 21 Kandidatengenen korreliert. Auf diese Weise sollte der Einfluss dieser Polymorphismen auf die Zellvitalität ermittelt werden. Sowohl bei SMAD3 als auch bei SMAD7 fanden sich jeweils 2 SNP, die ein perfektes bzw hohes Kopplungsungleichgewicht (linkage disequilibrium) aufwiesen. Insgesamt waren zwölf Polymorphismen aus acht Genen (TGFBR1, SMAD2, SMAD3, SMAD7, BRCA2, MSH2, MSH6 und XRCC1) mit signifikanten Veränderungen der Zellvitalität assoziiert. Das Variantenallel scheint bis auf wenige Ausnahmen einen zytoprotektiven Effekt zu haben. Ausnahmen sind 3 SNP der Gene BRCA2, SMAD3 und SMAD 7, bei denen der Wildtyp mit höherer Zellvitalität einhergeht. Bei alleiniger Bestrahlung wirkten sich SNP aus SMAD3, SMAD7, MSH2 und MSH6 modulierend auf die Zytotoxizität aus, wenn auch statistisch nicht signifikant. Interessanterweise zeigten sich bei Betrachtung der Auswirkung einer Stimulation mit TGFβ1 vor und nach Bestrahlung mit 3 Gy dieselben SNP als statistisch signifikante Modellprädiktoren wie auch bei alleiniger Bestrahlung mit Ausnahme eines SNP aus SMAD3.  Bei Vorinkubation mit TGFβ1 wirkte sich die MSH2-Variante stärker aus. Hier entstand beim Wildtyp ein zusätzlich zytotoxischer Einfluss im Vergleich zur Stimulation nach Bestrahlung. Bei Inhibition durch anti-TGFβ vor der Bestrahlung zeigte noch ein SNP aus MSH6 und ein SNP aus SMAD7 einen zytoprotektiven Effekt.  Einige Ergebnisse dieser Arbeit könnten, sofern sie im Verlauf durch nachfolgende Studien bestätigt bzw. erweitert werden helfen Therapiekonzepte maligner Tumoren zu optimieren und eine individuelle Radiotherapie zu ermöglichen.

Wachstumsfaktor bedingte Aktivierung des PI3K/Akt/mTOR Signalweg wirkt positiv auf Vermehrung und Überleben. Konstitutive Aktivierung des Signalweges in NHL ist jedoch an Tumorprogression und Therapieresistenz beteiligt. Am Zelllinienmodell wurden zwei mögliche Therapiestrategien der PI3K/Akt/mTOR Inhibition erprobt, PI3K Inhibition mit BKM120 und horizontale Kombination von Zytostatika mit PI3K/Akt/mTOR Inhibitoren Erstens, BKM120 hat Antitumoraktivität in NHL und induziert Zelltod. Auf molekularer Ebene führt BKM120 vermittelte Dephosphorylierung von CDK1 an Y15 zur Aktivierung des M-Phase Komplex CDK1/Zyklin B und Eintritt in die Mitose. Parallel erlaubt die Degradation von Zyklin A und Hochregulation von Zyklin B Progression bis zur Metaphase, hemmt jedoch die Transition in die Anaphase. Anhaltender Metaphasearrest bewirkt programmierten Zelltod über den intrinsischen Signalweg der Apoptose durch Hochregulation der BH3-onlys Puma und Hrk, Aktivierung von Bax/Bak und proteolytische Spaltung von Caspase 9. Verlust von Bax/Bak oder Caspase Inhibition schützt vor BKM120 vermitteltem Zelltod. Bax/Bak defiziente Zellen, welche zusätzlich p53 Mutationen aufweisen, werden polyploid. Die Polyploidie ist ATM-MEK1/2 abhängig und kann mit Caffeine oder U0126blockiert werden. Zur Vermeidung von Polyploidie bedingter Tumorprogression, sollte BKM120 nur in Verbindung mit MAPK/ATM Inhibitoren verwendet werden. Zweitens. Horizontale Kombination PI3K/Akt/mTOR Inhibitoren mit cytotoxischen Substanzen schützt vor Apoptose. Der Schutzeffekt tritt auschließlich bei niedrigen Konzentration auf und ist unabhängig von der Art des Inhibitors bzw. Ebene der Inhibition. Das Onkogen und NFkB Target Pim-2 ist möglicherweise am Schutzmechanismus beteiligt. Durch die PI3K/Akt/mTOR vermittelte Pim-2 Regulation ergibt sich eine neue Rückkopplungsschleife. Im Fazit erschwert die Komplexizität des PI3K/Akt/mTOR Signalweges die Etablierung von Therapien. / Growth factor mediated activation of the PI3K/Akt/mTOR pathway positively regulates proliferation and survival. Constitutive activation in NHL, however, is correlated with tumor progression and therapeutic resistance. Therefore, two possible strategies were tested in a cell line model system, Inhibition of PI3K with BKM120 and PI3K/Akt/mTOR Inhibition in addition to cytostatic drug administration. First, it is demonstrated that the pan PI3K inhibitor BKM120 has antitumor activity in NHL and induces cell death. On molecular level, BKM120 mediated dephosphorylation of CDK1 on Y15 causes activation of the M-phase complex CDK1/Cyclin B and entry into mitosis. In parallel, degradation of Cyclin A and Upregulation of Cyclin B enables progression into metaphase but inhibits transition into anaphase. Prolonged metaphase arrest induces programmed cell death via the intrinsic apoptosis pathway by upregulation of the BH3-onlys Puma and Hrk, activation of Bax/Bak and proteolytic cleavage of caspase-9. Loss of Bax/Bak or caspase inhibition protects from BKM120 induced apoptosis. Bax/Bak deficient cells with additional p53 mutation become polyploid. This polyploidy is ATM-MEK1/2 dependent and can be blocked with Caffeine or U0126. To prevent polyploidy related tumor progression, BKM120 should administered only in combination with ATM or MEK inhibitors. Second, combination of PI3K/Akt/mTOR inhibitors with cytotoxic agents protects from apoptosis. The protective effect is only detectable with low PI3K/Akt/mTOR inhibitor concentrations and independent of inhibitor type or cascade level. The oncogene and NFkB target is possibly involved in apoptosis protection and inhibition of NFkB neutralizes the protective effect. PI3K/Akt/mTOR mediated Pim-2 regulation reveals a new feedback loop within the pathway. In conclusion, the complexity of the PI3K/Akt/mTOR pathway impedes therapeutic targeting.

Phosphorylierung und Dephosphorylierung gehören zu den zentralen Regulationsmechanismen jeder Zelle. Während einer der bekanntesten Signalwege, der Mitogen-aktivierte Protein-Kinase(MAPK)-Signalweg bereits intensiv untersucht wurde, ist über die MAPK-Phosphatasen als wesentliche Inaktivatoren dieser Signalwegfamilie bisher nur wenig bekannt. Die MAPK-Signalwege sind in Tumoren häufig aktiv. Dies ließe sich durch aktivierende Mutationen der Kinasen oder ihrer übergeordneten Rezeptoren erklären. Ein anderer Ansatz geht von der stromalen Entzündungsreaktion aus, die viele solide Tumoren begleitet. Zytokine, die durch die Entzündungszellen gebildet werden, sind physiologische Aktivatoren der MAPK und eine fehlende Gegenregulation durch inaktivierende Phosphatasen würde ebenso zu hoher Aktivität der MAPK führen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein solches Entzündungsgeschehen in Ovarialkarzinomzellinien simuliert und die Reaktion der Phosphatasen MKP-1 und MKP-3 auf proinflammatorische Zytokine untersucht. MKP-1 und MKP-3 reagierten mit erheblichen Unterschieden auf die Zugabe proinflammatorischer Zytokine, das Reaktionsmuster reichte von starker Aktivierung (MKP-1 in SKOV-3 und OVCAR-3) bis hin zu verringerter Aktivität der Phosphatasen (MKP-1 in OAW42 und CAOV-3). Zur Ergänzung der Zellkulturstudien wurde die Expression der Phosphatase MKP-1 in primären Ovarialkarzinomen, Zystadenomen sowie gesunden Ovarien immunhistochemisch untersucht. Der Proteinnachweis in insgesamt 101 Gewebeproben ergab eine signifikant geringere Expression der Phosphatase MKP-1 in Karzinomen im Vergleich zu normalem Ovarialepithel oder Zystadenomen. Innerhalb der Gruppe der Karzinome zeigte die MKP-1-Expression dennoch eine hohe Varianz, hierbei waren Malignome mit deutlicher MKP-1-Expression mit einer wesentlich schlechteren Prognose der Erkrankung verbunden. Die Phosphatase war in der multivariaten Analyse des rezidivfreien Überlebens ein unabhängiger Prognoseparameter (RR=4,03; 95%CI=1,72-9,48; p=0,001). Ein kürzeres rezidivfreies Überleben ist häufig mit der frühen Entwicklung von Chemoresistenzen verbunden. Ein möglicher Zusammenhang zwischen der Phosphatase MKP-1 und Chemoresistenz wurde in Zellkulturversuchen unter Verwendung von Cisplatin, einem wesentlichen Bestandteil der Standardchemotherapie bei Ovarialkarzinomen, untersucht. Die Expression der MKP-1 konnte durch Zugabe von Cisplatin deutlich induziert werden. Bemerkenswerterweise zeigten resistente Zellinien dabei eine frühe Reaktion, sensible Zellen reagierten deutlich verzögert. Diese frühe Induktion der MKP-1 könnte die therapeutisch induzierte Apoptose blockieren. Weitere Erkenntnisse über die daran beteiligten Signalwege sowie pharmakologische Inhibitoren der Phosphatasen sind daher vielversprechende Ansätze zur Optimierung der Chemotherapie. / Protein phosphorylation and dephosphorylation is a central regulatory system of cells. The mitogen-activated-protein-kinase(MAPK)-pathway as a typical example is one of the most investigated signalling pathways in cancers. In contrast, much less is known about MAPK-phosphatases, their physiological inactivators. MAPK pathways are frequently up-regulated in cancers. This might be explained by activating mutations of kinases or of up-stream receptors. Another view is based on the inflammatory stroma infiltrate that accompanies most solid carcinomas. Cytokines produced by inflammatory cells are physiological activators of MAPK pathways and missing balance of inactivating phosphatases would also result in up-regulated MAPK pathways. In this study, such an inflammatory situation was simulated in cell culture models and expression patterns of MAPK-phosphatases MKP-1 and MKP-3 were investigated after addition of proinflammatory cytokines. The expression of MKP-1 and MKP-3 after cytokine addition differed widely between the ovarian cancer cell lines investigated, ranging from strong induction in SKOV-3 and OVCAR-3 to down-regulation of phosphatases in OAW42 and CAOV-3. In addition to cell culture experiments, expression of MKP-1 was examined immunohistochemically in primary ovarian cancers, adenomas and normal ovaries (total of 101 samples). There was a lower expression of phosphatase MKP-1 in ovarian cancers compared to surface epithelium of normal ovaries and cystadenomas. However, MKP-1 expression in the group of carcinomas showed a high variation, including also a number of negative cases. Among all investigated cancer samples, those with a higher expression of MKP-1 were associated with poorer prognosis. Multivariate survival analysis revealed this phosphatase as an independant prognostic factor for progression-free survival (RR=4,03; 95%CI=1,72-9,48; p=0,001). Short progression-free survival is usually associated with early development of chemoresistance. Consequently, poor prognosis might result from different efficiencies of initial adjuvant chemotherapeutical treatments. Based on this presumption, the effects of cisplatin, a typically used drug against ovarian cancer, were investigated in cell culture. The phosphatase MKP-1 was highly inducable by cisplatin, remarkably as early reaction in cisplatin-resistant cell lines and with distinct delay in sensitive cells. This early induction of MKP-1 in resistant cells might block drug-induced apoptosis. Further studies about influencing pathways and pharmacological inhibitors of phosphatase MKP-1 might be promising efforts to optimize chemotherapy.

Ein Signalweg während der neuronalen Entwicklung im adulten Gehirn ist der PI3K-PTEN-Akt Signalweg. Akt ist eine Kinase die drei verschiedene Isoformen besitzt, welche durch die Phosphorylierung von S473 und T308 aktiviert werden. KO Modelle der Isoformen haben gezeigt, dass nicht alle Funktionen von anderen Isoformen kompensiert werden können. Die genaue Rolle der einzelnen Isoformen in einem neuronalen Zusammenhang ist nur wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit war, eine detaillierte Analyse der einzelnen Akt Isoformen nach der Aktivierung des PI3K-PTEN Signalweges. Dazu wurde im Labor eine neue Methode zur isoelektrischen Fokussierung etabliert., welche Proteine nach ihrer Ladung trennt und somit eine Analyse der Dynamik von Akt Phosphorylierungen in neuronalen Zellen erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit konnten wir bisher unerkannte Merkmale der Akt Aktivierung und Phosphorylierung identifizieren. Wir konnten zeigen, dass die S473 und T308 Phosphorylierung in Neuroblastomazellen unabhängig voneinander auftreten kann und, dass verschiedene Akt1 Moleküle unterschiedlich auf die Inhibition von PI3K reagieren. Außerdem konnten wir Verschiebungen in der Aktivierung und in der Expression der unterschiedlichen Isoformen während der postnatalen Gehirnentwicklung der Ratte feststellen. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Aktivierung von Akt von dem Signal und dem Alter der Neurone abhängig ist. Noch nicht vollständig differenzierte Neurone reagieren vor allem auf BDNF Stimulation, wohingegen adulte, differenzierte Neurone hauptsächlich auf EGF reagieren und dort explizit Akt2 über EGFR und PI3K-p110α Signale aktiviert wird. Im Gegensatz dazu führt der Verlust von PTEN zu einer Aktivierung von hauptsächlich Akt1. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit einen komplexen Zusammenhang der Phosphorylierung von Akt auf, welcher Signal- und Entwicklungsabhängig ist bei dem unterschiedliche Akt Populationen auf Wachstumsfaktoren und auf PTEN Verlust reagieren. / A major pathway involved in neuronal development is the PI3K-PTEN-Akt pathway. Akt comprises three isoforms, which are activated by phosphorylation of the residues S473 and T308. KO animals for the isoforms have shown differential as well as redundant functions of the three isoforms. However, their individual role in neuronal signaling pathways has not yet been studied in great detail. The aim of this study was to obtain further insight into differential Akt isoform signaling in response to changes in the activity of PI3K and PTEN pathway. A new isoelectric focusing method was established, which allowed us to separate Akt proteins according to their charge, therefore, providing a refined read-out to study dynamics of Akt phosphorylation in a neuronal background. In the course of this project we were able to identify previously undescribed features of Akt phosphorylation and activation. First, we could provide evidence for an uncoupling of the two activating phosphorylation events at S473 and T308 in neuroblastoma cells and differential sensitivities of Akt1 forms towards PI3K inhibition. Secondly, we found a transient shift in Akt isoform activation and abundance during postnatal rat brain development. Thirdly, we were able to show that the activation of different Akt isoforms is dependent of the upstream signal as well as the age of the neuron. Immature neurons were found to be highly responsive to BDNF treatment, whereas mature neurons were most responsive to EGF stimulation leading exclusively to activation of Akt2 in an EGFR- and PI3K/p110α-dependent manner. Stimulation of Akt phosphorylation by the loss of PTEN led to an activation of mainly Akt1 forms, which suggests inherent differences in the Akt pools that are accessible to growth factors dependent PI3Ks as compared to the pools that are controlled by PTEN. In summary, this thesis demonstrates the presence of complex phosphorylation events of Akt in a developmental- and signal-dependent manner in neurons.

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Die Gliazellen des enterischen Nervensystems galten lange Zeit lediglich als Packmaterial der Neuronen. Erst in den letzten Jahren rückte dieser Zelltyp in das Interesse der Forschung, weil mehrere Studien eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der Darmwandintegrität postulierten. Da bisher wenig über die immunphysiologischen Eigenschaften der enterischen Gliazellen bekannt war, wurde in dieser Arbeit deren Bedeutung bei der angeborenen intestinalen Immunantwort untersucht. Hierfür wurden Primärkulturen von enterischen Gliazellen eingesetzt, welche aus dem Plexus myentericus adulter Ratten stammten. Es wurde erstmalig nachgewiesen, dass enterische Gliazellen über Toll like und NOD-Rezeptoren (TLR 2, TLR 4, TLR 6, TLR 7, TLR 9, NOD 1, NOD 2) pathogene bakterielle Muster (PAMPs) erkennen. Dabei zeigte sich, dass eine enge Vernetzung zwischen den Toll-like-Rezeptoren besteht. Einerseits findet eine Liganden-spezifische Regulierung der Toll-like-Rezeptoren statt, anderseits beeinflussen TLR spezifische Liganden die mRNA-Expression weiterer Toll-like-Rezeptoren. In der Analyse der intrazellulären Signalweiterleitung konnte die Existenz verschiedener Adaptor- und Interaktionsmoleküle wie RICK und Myd88 sowie der IKK / NF κB Signalweg mit Degradierung von IκB α nach Aktivierung durch LPS belegt werden. Aktivierte enterische Gliazellen sind eine Quelle für pro- und anti-inflammatorische Interleukine (IL-1α, IL 1β, IL 6, IL-10, IL-12), TNF α und Chemokine (Ccl-2, Cxcl-9, Cxcl-10). Sie können somit weitere immunkompetente Zellen rekrutieren und agieren vermutlich als Schnittstelle zwischen der angeborenen und erworbenen Immunantwort. Die Ergebnisse dieser Arbeit implizieren, dass es sich bei enterischen Gliazellen um einen zusätzlichen immunregulatorischen Zelltyp im Darm handelt, welcher aktiv bei der angeborenen Immunabwehr mitwirkt. Neben pro inflammatorischen Eigenschaften tragen enterische Gliazellen auch zur Darmprotektion während Entzündungsprozessen bei. Daraus ergibt sich eine komplexe Funktionalität der enterischen Gliazellen bei der immunologischen Homöostase im Darm.

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