Die wichtigsten Barrieren des peripheren Nerven sind die Myelin-Barriere und die Blut-Nerven-Schranke. Sie übernehmen eine bedeutende Aufgabe beim Schutz des Nerven vor externen Einflüssen, dem Bewahren der nervalen Homöostase und der Aufrechterhaltung der Nervenleitungsgeschwindigkeit. Eine Öffnung der peripheren Barriere wird oft mit neuropathischen Schmerzen assoziiert. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich mittels Immunfluoreszenzfärbung, Permeabilitätstest, Western Blot und Polymerase-Kettenreaktion die Barrierefunktion des peripheren Nervensystems bei weiblichen Cldn12-KO Mäusen untersucht. Sowohl bei den WT Mäusen als auch bei den Cldn12-KO Mäusen konnte eine intakte Barrierefunktion des peripheren Nerven nachgewiesen werden. / The most important barriers of the peripheral nerve are the myelin-barrier and the blood-nerve-barrier. They play an important role in protecting the nerve from external influences, maintaining nerve homeostasis and nerve conduction speed. Opening the peripheral barrier is often associated with neuropathic pain. In this thesis I examined the barrier function of the peripheral nervous system in female Cldn12-KO mice using immunofluorescence staining, permeability test, western blot, and polymerase chain reaction. An intact barrier function of the peripheral nerve could be demonstrated in both the WT mice and the Cldn12-KO mice.

Protocadherine spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems und sind an Prozessen der Zellmigration und -differenzierung, sowie der Hemmung von Zellwachstum beteiligt. Um die Funktion und Regulation von Protocadherin gamma C3 (PcdhγC3) an mikrovaskulären Endothelzellen des Großhirns (cEND) und des Kleinhirns (cerebEND) zu untersuchen, wurden die PcdhγC3-Knock-out (KO) Zelllinien mit der CRISPR/Cas9 Methode etabliert. Der KO führt zu verminderten Barriereeigenschaften der Blut-Hirn-Schranke (BHS), was sich in einer erhöhten Permeabilität für Fluoreszein und einem verringerten transendothelialen elektrischen Widerstand (TEER) widerspiegelt. Es konnte eine Veränderung der Wachstumsrate und dem Adhäsionsverhalten der KO-Zellen nachgewiesen werden. Auch die Expression der Tight-Junction-Proteine, sowie einiger Komponenten des Wnt und mTOR Signalwegs wurden durch den KO von PcdhgC3 beeinflusst. / Protocadherins (Pcdhs) play an important role in neuronal development, cell migration and differentiation, as well as inhibition of cell growth. To investigate the function and regulation of Protocadherin gamma C3 (PcdhgC3) on microvascular endothelial cells of the cerebrum (cEND) and cerebellum (cerebEND), PcdhgC3 knock-out (KO) cell lines were generated, using the CRIPS/Cas9 method. The Knock-out lowers the barrier function oft he blood-brain-barrier (BBB), which can be seen in lower transendothelial electrical resistance (TEER) and higher permeabilitiy for fluorescein. We detectet a change in the growth rate and the cellular adhesion of the KO-cells. Also the expression of tight-junction proteins, as well as parts oft the Wnt and mTOR signalling pathway are altered by the KO of PcdhgC3.

Bacterial vaginosis (BV), a common female reproductive tract (FRT) condition characterized by an overgrowth of anaerobic species concurrent with the disappearance of commensal Lactobacilli species, is associated with a 60% increased risk of HIV-1 transmission. However, the role of the FRT epithelia in bacterial vaginosis-associated bacteria (BVAB)-augmented HIV- 1 transmission is unclear. To evaluate the increased risk of HIV-1 acquisition, we treated FRT epithelia with Atopobium vaginae, a prevalent BVAB, to determine the nature of the host response to BVAB exposure. Treatment of endocervical cells with A. vaginae resulted in a 1500-fold increase in the expression of the antimicrobial peptide hBD-2, an inflammatory cytokine response, and delocalization of the tight junction protein ZO-1 from cell borders. Conditioned media (CM) from the coculture of FRT epithelia and A. vaginae also generated an inflammatory immune response and lowered the transepithelial electrical resistance in polarized endocervical monolayers. Changes in HIV-1 infection were measured in TZM-bl reporter cells, which contain a luciferase gene under the control of an HIV-1 long terminal repeat (LTR) region that is activated by the binding of Tat, an HIV-1 protein that drives viral replication. NFκB is a major host-derived transcription factor that regulates the expression of many genes involved in inflammation and the innate immune response. Interestingly, NFκB has been reported to bind Tat-activated response elements within the LTR of HIV-1, driving viral transcription. TZM-bl cells were treated with CM in the absence of HIV-1, which resulted in increased luciferase production that could be suppressed by the NFκB inhibitor TPCA-1. These data suggest that epithelially derived products from the coculture of FRT cells and A. vaginae enhance HIV-1 infection by causing cervical barrier dysfunction and increasing HIV replication efficiency through NFκB.

Ein hoher Verzehr von Obst und Gemüse scheint das Risiko der Inzidenz verschiedener Erkrankungen zu reduzieren. Es wird vermutet, dass eine Gruppe sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe, die Flavonoide, hierfür verantwortlich sind. Mögliche Effekte auf die intestinale Barrierefunktion dieser Substanzklasse sind jedoch weitgehend ungeklärt. Parazelluläre Eigenschaften epithelialer Zellen werden hauptsächlich durch die Zell-Zell-Kontakte der Tight Junction (TJ) insbesondere durch die Proteine Occludin und die Claudine definiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Effekte des am häufigsten vorkommenden Flavonoids Quercetin auf die Barrierefunktion der Kolonkarzinom-Zelllinie Caco-2 zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass Quercetin konzentrationsabhängig (50-200 µM) den transepithelialen Widerstand erhöhte. Die Wirkung von 200 µM Quercetin war bereits nach 4 h Inkubation erkennbar und erreichte nach 48 h maximale Werte. Der Wirkverlust, welcher nach 72 h Inkubation eintrat, konnte durch eine tägliche Gabe des Flavonoids verhindert werden. Weiterhin zeigte sich, dass der Quercetin-induzierte Widerstandsanstieg durch mukosale oder serosale Zugabe gleichermaßen auslösbar war. Western Blot-Analysen der TJ-Proteine Occludin, Claudin-1, -3, -4 und -7 ergaben, dass der durch Quercetin-induzierte Widerstandsanstieg insbesondere mit einer Zunahme der Expression des abdichtenden TJ-Proteins Claudin-4 einherging. Quercetin erhöhte ebenfalls die mRNA-Expression von Claudin-4 (quantitative RT-PCR) und bewirkte eine Aktivierung des Claudin-4-Promotors (Luciferase-Reportergen-Analysen). Mittels Immunfluoreszenz-Färbungen und Laserscanning-Mikroskopie konnte ein vermehrter Einbau von Claudin-4 in die TJ nachgewiesen werden. Funktionelle Untersuchungen mittels radioaktiven Fluxmessungen zeigten, dass das Flavonoid die parazelluläre Permeabilität für Natrium und Chlorid reduzierte, aber die Durchlässigkeit von Mannitol als parazellulärer Marker unverändert blieb. Wir konnten hiermit erstmals nachweisen, dass Quercetin die Expression des abdichtenden TJ-Proteins Claudin-4 in den TJ-Komplex verstärkte, wodurch die Ionen-Durchlässigkeit für Natrium und Chlorid vermindert wurde. Das führte zu einer Abdichtung der intestinalen Barriere. Dieser direkte Effekte von Quercetin könnte eine neue Möglichkeit für die Behandlung oder Prävention von Diarrhöe-bedingten intestinalen Barrieredefekten darstellen. / High dietary intake of fruits and vegetables is associated with a reduced disease risk. A group of secondary plant compounds, the flavonoids, are supposed to be important in this respect, but there is still limited information about their effects on intestinal barrier function. Paracellular properties of epithelial cells are defined for the most part by the tight junctional complex with the corresponding tight junction (TJ) proteins occludin and the claudin gene family. Therefore, the aim of our study was to elucidate the effects of quercetin, a common flavonoid, on the barrier function of the colonic epithelial cell line Caco-2. Addition of quercetin to the Caco-2 monolayer applied to the mucosal and serosal culture medium increased transepithelial resistance in a concentration-dependent manner (50-200 µM). The effect of 200 µM quercetin was already observable after 4 hours and reached maximal levels after 48 hours. The loss of action after 72 hours was blocked by a daily addition of the flavonoid. The effect of quercetin was not different after mucosal or serosal addition. Western blot analysis of occludin, claudin-1, -3, -4, and -7 revealed that the resistance rise was associated specifically with an elevated expression of the barrier-sealing TJ protein claudin-4. The mRNA expression and the promotor activity of claudin-4 were found increased by the flavonoid using quantitative RT-PCR and luciferase reporter gene assays. Immunofluorescent staining analyzed by confocal laser scanning microscopy primarily revealed a strong increase of claudin-4, localized within the TJ as well as in subjunctional regions. Radioactive tracer fluxes revealed a reduced paracellular permeability of sodium and chloride by quercetin, whereas the permeability of the uncharged solute mannitol was not altered. We demonstrated that the flavonoid quercetin increases the expression of claudin-4 within the tight junctional complex, which caused a decrease of the paracellular permeability for sodium and chloride. This leads to a sealing of the intestinal barrier for ions. Thus, this novel direct effect of quercetin may be utilized for the treatment or prevention of diarrhea-causing intestinal barrier defects in inflammatory bowel diseases.

Die größte Proteinfamilie des TJ-Komplexes stellen die 27 bisher beim Säuger bekannten Claudine dar. Claudin-3 (CLDN3) ist ein ubiquitär exprimiertes TJ-Protein, dessen Rolle in vivo jedoch unbekannt ist. Um Einblicke in dessen physiologische Funktion zu bekommen, wurde für diese Arbeit ein Claudin-3-defizientes Mausmodell mittels der konditionalen Gentargeting-Technologie generiert. Zur Erstellung des Targetingvektors wurde eine „Recombineering“-basierte Methode ausgewählt. Die Cldn3-deletierten Mäuse waren lebensfähig und in der Lage sich fortzupflanzen. Jedoch unterlag die Genotypverteilung aus den Verpaarungen heterozygoter Tiere nicht den Mendelschen Regeln. Es wurden weniger Cldn3(-/-) Tiere geboren. Funktionelle Analysen von Leber und Nieren, mit Ausnahme eines erhöhten Urin pH-Wertes, lieferten keine Auffälligkeiten. Elektrophysiologische Analysen am Colon zeigten keine Unterschiede zwischen Cldn3(-/-) und Cldn3(+/+) Mäusen. Der transepitheliale Widerstand, die Permeabilität für Natrium- und Chloridionen sowie für große ungeladene Moleküle waren in den Knockout-Mäusen unverändert. Die histologische Auswertung von Speicheldrüse, Niere und Leber zeigte jedoch bei alternden Tieren eine vermehrte Migration von Zellen lymphatischen Ursprungs ins Gewebe. Die Infiltrate waren zum größten Teil perivaskulär lokalisiert und weisen eine follikelähnliche Form auf. Immunohistologische Färbungen identifizierten die Zellen als T- und B-Zellen. Microarray-basierte Transkriptomanalysen in acht Wochen alten Tiere zeigten, dass vermutlich andere Claudine den Verlust von Cldn3 kompensieren. In der Leber wurden neben differenziell regulierten TJ-Proteinen auch Transkripte identifiziert, die mit der Zelladhäsion, Zellkommunikation und Signalweitergabe assoziiert sind. Die ersten Daten des Cldn3-Defizienzmodells liefern eine interessante Basis für weitere Studien in eine ganz neue Richtung. / Claudins are the largest and most important protein family within the TJ. Claudin-3 (CLDN3) is a ubiquitously expressed TJ protein, which functional role in vivo is still unknown. To gain insight into its physiological function a claudin-3 deficient mouse model has been generated using the conditional gene targeting technology. A "recombineering"-based method was chosen to create the targeting vector. The Cldn3 deficient mice were viable and fertil. Genotype distribution from hereozygous mating did not follow Mendelian rules: fewer Cldn3(-/-) animals were born and possible pointing at a prenatal lethality. Functional studies of liver and kidney, with the exception of elevated urine pH, revealed no abnormalities. Electrophysiological analyzes on colon shown no differences between the Cldn3(-/-) and Cldn3(+/+) mice. The transepithelial resistance, the permeability of sodium and chloride as well as uncharged molecules were unchanged in the knockout mice. Histological analyses of salivary gland, kidney and liver in aging animals showed an increased migration of cells with lymphathic origin into the tissue. The infiltrates were mostly localized perivascular and have a follicle form and would be identified as T- and B-lymphocytes via immunohistological analysis. Microarray-based analyses of eight week old animals suggest, that other Claudins are differentially expressed, thereby compensating for the loss of Cldn3. In the liver we identified differentially regulated TJ proteins, as well as deregulated transcripts that are associated with cell adhesion, cell communication and signal transduction. The first data of the Cldn3 knockout mouse model showed this a basis for further studies in a novel direction.

In multizellulären Organismen bilden Epithel- und Endothelzellen die äußere Begrenzung innerer und äußerer Körperoberflächen bzw. kleiden die Blutgefäße aus. So schaffen sie abgegrenzte Organkompartimente mit individuellen, der jeweiligen Funktion angepassten Bedingungen. Dazu muss die parazelluläre Diffusion von Stoffen eingeschränkt werden. Die Abdichtung des parazellulären Spalts erfolgt durch tight junctions (TJ). Claudine (Cld) bilden das strukturelle Rückgrat der TJ. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig gezeigt, dass einzelne Aminosäuren der zweiten extrazellulären Schleife (2. EZS) eines Claudins für die parazelluläre Dichtigkeit essentiell sind. Da endogene TJ-Stränge fast ausschließlich aus mindestens zwei verschiedenen Claudinen aufgebaut sind, wurde die Wirkung von Aminosäuresubstitutionen in der 2. EZS von Cld5 auf die parazelluläre Dichtigkeit in einer claudinheterogenen Umgebung analysiert. Dafür wurden verschiedene Cld5-Mutanten stabil in MDCK-II-Zellen exprimiert. Die Aminosäuresubstitutionen in der 2. EZS von Cld5 führten nicht nur zum Verlust der durch Cld5wt bedingten parazellulären Abdichtung, sondern darüber hinaus zu einer geringeren parazellulären Dichtigkeit im Vergleich zur Vektorkontrolle. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde mit einem Peptid, dessen Sequenz der C-terminalen Hälfte der 1. EZS von Cld1 entsprach (Cld153-81), eine reversible Öffnung der TJ von epithelialen Zelllinien erzielt. Mit dem N-terminal verkürzten Clostridium perfringens Enterotoxin-Fragment CPE194-319 wurde ebenfalls eine Reduktion der parazellulären Dichtigkeit von Epithelzellen erzielt. Insgesamt tragen die Untersuchungen dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis der durch Claudine vermittelten Abdichtung des parazellulären Spalts bei. Darüber hinaus bieten Cld153-81 und CPE194-319 neue Perspektiven für eine gezielte therapeutische Öffnung der TJ, um beispielsweise die Wirkstoffzufuhr ins Gehirn zu verbessern. / Epithelial and endothelial cells form the external lining of outer and inner body surfaces and blood vessels of multicellular organisms. Thus, they create separate compartments each exhibiting an environment optimally adjusted to their respective function. To build up such compartments epithelial and endothelial cells have to restrict the paracellular diffusion of substances. The paracellular cleft is sealed by tight junctions (TJ). In electron microscopical images TJs appear as a network of intermembranous strands in the apical region of the lateral cell membrane of epithelial and endothelial cells. Claudins (Cld) form the structural backbone of TJs. The present study provided evidence for the first time that single amino acids of the second extracellular loop (ECL) of a claudin are essential for the paracellular tightness of epithelial cells. The effect of single amino acid substitutions of the second ECL of Cld5 were studied in cells expressing various other endogenous claudins except Cld5. Point mutants of Cld5 were stably expressed in MDCK-II cells. While the expression of Cld5wt caused increased paracellular tightness, this effect was completely abolished by the Cld5 point mutants. Furthermore, the mutants even decreased the paracellular permeation of certain substances compared with the vector control. Further findings of the present study demonstrated that a peptide corresponding to the C-terminal half of the first ECL of Cld1 is capable of opening the TJ in a reversible manner. Using an N-terminal fragment of clostridium perfringens enterotoxin (CPE194-319) a reduction of the paracellular tightness of epithelial cells was demonstrated. Taken together, the findings of the present study contribute to a better understanding of the sealing of the paracellular cleft by claudins. Furthermore, Cld153-81 und CPE194-319 open new perspectives for a targeted therapeutic opening of the TJs suited for enhancing the transport of active substances into diseased tissue.

Chronisch entzündliche Darmerkrankungen stellen eine Gruppe von chronischen, häufig in Schüben verlaufenden Erkrankungen mit rezidivierenden Entzündungen des Gastrointestinaltraktes dar. Es konnte gezeigt werden, dass eine gestörte Barrierefunktion einen wichtigen Schritt für die Pathogenese darstellt und dass das Zytokin Tumornekrosefaktor alpha (TNF) eine entscheidende Rolle dabei spielt. Die Rolle der kleinen GTPase RhoA bei der TNF-induzierten Barrieredysfunktion ist aufgrund der Komplexität der Signalwege nicht vollständig verstanden. Daher sollte der Einfluss von RhoA und der RhoA Effektorkinase PKN auf diese Prozesse in vitro mit Hilfe eines induzierbaren Expressionssystems untersucht werden, welches die kontrollierte Expression einer konstitutiv aktiven (KA) RhoA- und PKN-Mutante sowie einer dominant negativen (DN) PKN-Mutante ermöglichte. Die Induktion der KA RhoA Expression führte zu einer Störung der epithelialen Barriere. Eine simultane Interferon-gamma und TNF-Behandlung resultierte ebenfalls in einer gestörten Barrierefunktion, welche in KA RhoA Zellen weniger stark ausgeprägt war. Die TNF-Behandlung führte zu einer Aktivierung von PKN, weshalb dieses Protein ein Kandidat für die Vermittlung dieser Effekte darstellte. Inhibition von PKN mit Inhibitoren oder der Expression der DN Mutante führten zu einer Aggravierung der TNF-induzierten Barrieredysfunktion, welche durch eine Verringerung des transepithelialen elektrischen Widerstandes und eine erhöhte Ionenpermeabilität charakterisiert war. Diese Veränderungen wurden von einer Erhöhung des Myosin Leichtketten und NF-kappaB p65-Phosphorylierungsniveaus sowie von morphologischen Veränderungen begleitet. Im Gegensatz dazu konnten diese Veränderungen durch die Expression der KA PKN Variante abgeschwächt bzw. verhindert werden. Diese Ergebnisse liefern Hinweise auf eine potenzielle Rolle der RhoA Effektorkinase PKN bei der Modulation der TNF-induzierten Barrieredysfunktion in intestinalen Epithelzellen. / Inflammatory bowel diseases are relapsing systemic inflammatory diseases of the gastrointestinal tract associated with high morbidity and costs. A plethora of studies demonstrated that impaired intestinal barrier function is a key step in the pathogenesis of inflammatory bowel diseases and that the cytokine tumor necrosis factor alphpa (TNF) is of pivotal importance for this effect. Although the small GTPase RhoA has been implicated in the control of tight junction function, its role in TNF induced barrier dysfunction is not entirely understood due to the complexity of its downstream signaling pathways. Therefore, the contribution of RhoA and its effector kinase PKN on TNF induced barrier dysfunction was investigated in vitro. An inducible expression system that allowed the doxycyline controlled expression of a constitutively active (CA) RhoA and PKN mutant as well as a dominant negative (DN) PKN mutant was generated. Induction of CA RhoA expression led to an impaired epithelial barrier. Simultaneous Interferon-gamma and TNF treatment also resulted in barrier perturbation, but this defect was attenuated when CA RhoA was expressed. As treatment with TNF resulted in activation of the RhoA effector kinase PKN, this protein constitutes a candidate molecule for the mediation of these effects. Inhibition of PKN by inhibitory compounds as well as expression of a dominant negative PKN mutant aggravated TNF-induced barrier dysfunction, characterized by a decline in transepithelial electrical resistance and increased ion permeability. These alterations were accompanied by an increase in myosin light-chain and NF-kappaB p65 subunit phosphorylation level as well as morphological changes of the tight junctions. Conversely, expression of a CA PKN mutant attenuated or prevented these changes. These results provide support for a potential role of the RhoA effector kinase PKN in modulating the barrier disrupting effects of TNF in the intestinal epithelium.

Doctor of Philosophy / Department of Anatomy and Physiology / Bruce Schultz / Transforming growth factor β1 (TGF-β1) is a cytokine that reportedly affects the severity of cystic fibrosis lung disease. The goal of this project was to define the effect of TGF-β1 on vas deferens, an organ that is universally affected in male cystic fibrosis patients. In the first study, experiments were conducted using freshly isolated porcine vas deferens epithelial cells. Primary porcine vas deferens epithelial cells exposed to TGF-β1 exhibited a significantly reduced basal transepithelial electrical resistance (Rte). TGF-β1-induced reduction in Rte was prevented by SB431542, a TGF-β receptor I inhibitor, indicating that the effect of TGF-β1 requires the activation of TGF-β receptor I. Western blot and immunohistochemistry results showed the expression of TGF-β receptor I in native vas deferens epithelia, indicating that the impaired barrier function and anion secretion that were observed in cultured vas deferens cells can likely be observed in the native context. Immunohistochemical outcomes showed that TGF-β1 exposure led to loss of organization of tight junction proteins occludin and claudin-7. These outcomes suggest that TGF-β1 impairs the barrier integrity of epithelial cells lining the vas deferens. In a parallel study that employed PVD9902 cells that are derived from porcine vas deferens, TGF-β1 exposure significantly reduced anion secretion stimulated by forskolin, forskolin/IBMX, and 8-pCPT-cAMP, suggesting that TGF-β1 affects downstream targets of the cAMP signaling pathway. Real-time RT-PCR and western blot analysis showed that TGF-β1 exposure reduced both the mRNA and the protein abundance of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). Pharmacological studies showed that the inhibitory effect of TGF-β1 on forskolin-stimulated anion secretion was abrogated by SB431542 and attenuated by SB203580, a p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) inhibitor. These outcomes suggest that TGF-β1, via the activation of TGF-β receptor I and p38 MAPK signaling, reduces CFTR expression, and thus impairs CFTR-mediated anion secretion. Outcomes from these studies suggest that, in epithelial cells lining the vas deferens, TGF-β1 exposure leads to an impaired physical barrier and/or reduced anion secretion, which is expected to modify the composition and the maintenance of the luminal environment and thus, is expected to reduce male fertility.

Die Integrität der Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist bei vielen Erkrankungen des humanen zentralen Nervensystems (ZNS) beeinträchtigt. Unter verschiedenen neuroinflammatorischen Bedingungen, wie bei zerebralen Ischämien, Traumata, Hirntumoren oder der Multiplen Sklerose (MS), kommt es zum Verlust der protektiven Schrankenfunktion. Zu den ersten Anzeichen des BHS-Zusammenbruchs zählt der Verlust der Zell-Zell-Adhäsion: der Adhärens- und Occludenskontakte. Therapeutische Maßnahmen dieser Krankheiten beinhalten Behandlungen mit Glukokortikoiden (GCs), wobei der Mechanismus und die Wirkungsweise dieser Substanzen bis heute nicht vollkommen aufgeklärt sind. In der zerebralen Hirnendothelzelllinie cEND [Forster C, Silwedel C, Golenhofen N, Burek M, Kietz S, Mankertz J & Drenckhahn D. (2005). Occludin as direct target for glucocorticoid-induced improvement of blood-brain barrier properties in a murine in vitro system. J Physiol 565, 475-486] wurde eine Funktionsverbesserung der Endothelbarriere durch die Expressionerhöhung von Occludin nach GC-Behandlung bereits analysiert. Daraufhin wurden andere Kandidaten des apikalen Junktionssystems gesucht, die positiv auf GC-Gabe ansprechen. Der erste Teil der Arbeit präsentiert den positiven Einfluss der Dexamethason-Behandlung auf die Expression des Adhärenskontakt-Proteins VE- (Vascular-Endothelial) Cadherin in cEND-Zellen. Dabei wurde eine Reorganisation des Zytoskeletts, eine verstärkte Verankerung des VE-Cadherins an das Zytoskelett, sowie eine einhergehende Morphologieänderung der behandelten Zellen beobachtet. Untersuchungen der Transkriptionsaktivierung des VE-Cadherin-Promoters nach Dexamethason-Behandlung, wiesen auf einen indirekten Steroid-Effekt hin, der zu einer Erhöhung der VE-Cadherin-Proteinsynthese führte. Somit sind GCs wichtig für die Proteinsynthese und -organisation beider Kontaktproteinarten: der Adhärens- und Occludenskontakte in mikrovaskulären Hirnendothelzellen. Die Beeinträchtigung der BHS-Integrität mit Veränderungen der Occludenskontaktexpression zählt zu den frühen Ereignissen bei der Entstehung einer Inflammation des ZNS, wie beispielsweise bei der MS. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die Herunterregulation von Occludenskontaktproteinen in der cEND-Zelllinie untersucht. Dabei wurden cEND-Zellen mit Seren von Patienten, die sich in zwei verschiedenen Stadien der MS befanden, behandelt: in der akuten Exazerbationsphase oder der Remissionsphase, und auf die Protein- und Genexpression mit und ohne Dexamethasons-Behandlung untersucht. Es konnte ein negativer Effekt auf den Barrierewiderstand und die Occludenskontaktexpression, sowie eine erhöhte MMP-9-Genexpression nach Krankheitssereninkubation gezeigt werden. Die Dexamethason-Behandlung ergab eine geringe, aber keine vollständige Rekonstitution der Barrierefunktion. Anhand dieser Studie konnte jedoch erstmals eine Erniedrigung der Protein- und mRNA-Synthese von Claudin-5 und Occludin in Remissionspatientenseren inkubierten cEND-Zellen demonstriert werden. Somit könnten diese Erkenntnisse zur Prädiagnose einer bevorstehenden Exazerbationsphase der MS eingesetzt werden. Eine Langzeit-GC-Behandlung führt zu zahlreichen Nebenwirkungen, u. a. zum Bluthochdruck, welcher aufgrund einer eingeschränkten Produktion des vasodilatativen Faktors Stickstoffmonoxid, NO, im myokardialen Endothel hervorgerufen wird. Veränderungen in der NO-Produktion, wie auch anderer Faktoren der NO-Signalkaskade in der myokardialen Endothelzelllinie MyEND unter Einfluss von Dexamethason standen im Zentrum des dritten Teils dieser Arbeit. Während keine Veränderungen in der Expression der endothelialen NO-Synthase, eNOS, nach GC-Behandlung gezeigt werden konnten, wurden repressive Einflüsse von Dexamethason auf die Enzymaktivität der eNOS in MyEND-Zellen untersucht. GC-Gabe führte zur einer herabgesetzten Synthese des essenziellen Co-Faktors der eNOS, des Tetrahydrobiopterins, BH4, sowie zu einer Herunterregulation der GTP-Cyclohydrolase-1 (GTPCH-1), des geschwindigkeitsbestimmenden Enzyms der BH4-Produktion. Im Gegensatz zu bisherigen Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen, konnte in der vorliegenden Studie belegt werden, dass die Herunterregulation der GTPCH-1 mRNA-Level auf den Liganden-abhängigen proteasomalen Abbau des Glukokortikoid-Rezeptors (GR) zurückzuführen ist. Das 26S-Proteasom moduliert die GR-abhängige Genexpression durch Kontrolle des Umsatzes und des Recyclings des Rezeptors selbst, wodurch eine regulierte Hormonresponsivität gewährleistet wird. Die Aufhebung des Liganden-abhängigen Abbaus des GR-Proteins durch gezielte Proteasominhibition, sowie durch eine Überexpression des ubiquitinylierungsdefekten GR-Konstruktes, K426A-GR, in Dexamethason-behandelten MyEND-Zellen resultierte in einer Erhöhung der GTPCH-1-Expression, sowie einer gesteigerten eNOS-Aktivität. Die hier beschriebenen Ergebnisse erlauben einen innovativen Einblick in die Erkenntnisse zur GC-vemittelten Hypertonie. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass GC-Behandlungen von mikrovaskulären Hirnendothelzellen zu einer Stabilisierung der Endothelbarriere führen. Unter pathologischen Bedingungen, wie der MS, wird der protektive GC-Effekt durch andere Faktoren beeinträchtigt / The integrity of the blood-brain barrier (BBB) is compromised in many disorders of the human central nervous system. A breakdown of the blood-brain barrier under conditions of neuroinflammation and cerebral ischemia, but also traumas, brain tumours and multiple Sclerosis (MS), leads to loss of the protective function of the barrier. In its breakdown one of the first observable changes is the loss of intercellular adhesion and concomitant an increase of permeability. Although therapeutic strategies for diseases with impaired BBB function include the treatment with glucocorticoids (GCs) but the mechanism explaining GC action still remains unclear. Recent studies showed the influence of GCs on the expression of the tight junction protein occludin in the brain capillary endothelial cell line cEND, contributing to improvement in endothelial barrier functions. In this study, we investigated GC effects on the expression of the adherens junction proteins VE- (vascular-endothelial) cadherin. It was possible to show a positive influence of dexamethasone administration on VE-cadherin protein levels as well as a rearrangement and the anchorage of VE-cadherin protein to the cytoskeleton. Investigation of transcriptional activation of the VE-cadherin promoter by dexamethasone, however, did not point to direct glucocorticoid-mediated VE-cadherin gene induction. But it rather suggested indirect steroid effects leading to increased VE-cadherin protein synthesis. We thus propose that glucocorticoid effects on VE-cadherin protein synthesis and organization are important for the formation of both adherens and tight junctions, and for improved barrier properties in microvascular brain endothelial cells. Abnormalities in the expression profile of tight junctions in cerebral endothelium constituting barrier functions occur early during neuroinflammation, as Multiple Sclerosis (MS). In the second part of this study, the disruption of tight junction proteins in the cEND cell line was analysed. cEND cells were incubated with sera from patients, which were in two different states of MS: in the acute exacerbation or the remission phase of the disease, and protein levels and gene expression of claudin-5, occludin and VE-cadherin with and without dexamethasone treatment were investigated. There arised a downregulation of claudin-5 and occludin on protein and mRNA levels and an accompanying upregulation of MMP-9 activity revealed. A minor reconstitution of barrier functions related to dexamethasone treatment could be shown. However, no reconstitution could be detected to the control level. Especially, observations in downregulation of claudin-5 and occludin in cEND cells incubated with sera from patients in remission phase of MS could not be demonstrated before. Thus, this finding is proposed to be a new useful prediagnostic tool for an early detection of upcoming exacerbation phase. One of the numerous side effects of GC therapy is hypertension arising from reduced release of the endothelium-derived vasodilator nitric oxide, NO, being in the centre of the third part of this study. While effects of dexamethasone on endothelial NO synthase, eNOS, expression itself could not be demonstrated, repressive effects of dexamethasone on eNOS enzyme activity were shown in the myocardial endothelial cell line MyEND. Following GC-treatment we observed decreased levels of the essential cofactor of eNOS, tetrahydrobiopterin, BH4. We also determined a downregulation of GTP cyclohydrolase-1, GTPCH-1, the key enzyme of BH4 synthesis. In contrast to recent data from other groups, we postulate that this downregulation of GTPCH-1 mRNA levels is not a direct downregulation effect of GC action. But it is rather a consequence of the ligand-dependent proteasomal degradation of the GC receptor, GR. The 26S-proteasome modulates GR-dependent gene transcription by regulation of its turnover and the recycling of receptor/transcriptional DNA complexes, thereby ensuring continued regulation of hormone responsivity. In this work, the inhibition of proteasome-mediated proteolysis of GR by using inhibitors of the 26S-proteasome, or overexpression of a point-mutated, ubiquitination-defective GR construct, K426A-GR, which attenuates endothelial GC responsivity, was demonstrated. The abrogation of ligand-dependent degradation of GR protein resulted in increased levels of GTPCH-1 hence expression, leading to an increased eNOS-activity. These results provide a new insight into the research of GC-induced hypertension. Taken together, these data demonstrate, that GC treatment in microvascular brain endothelial cells leads to barrier stabilisation, but under conditions of MS there are many other factors like cytokines and chemokines, which abrogate this positive action.

Thesis advisor: Daniel A. Kirschner / The myelin sheath of the central nervous system contains a network of interlamellar tight junctions known as the radial component. Ablation of claudin-11, a tight junction protein, results in the absence of the radial component and compromises the passive electrical properties of the myelin sheath. Although tight junctions are known to regulate paracellular diffusion, this barrier function has not been directly demonstrated for the radial component, and some evidence suggests that the radial component may also, or instead, mediate adhesion between myelin membranes. To investigate the physical properties of claudin-11 tight junctions, we first compared fresh, unfixed Claudin 11-null and control nerves using X-ray diffraction. In Claudin 11-null tissue, we detected no changes in myelin structure, stability, or membrane interactions, which argues against the notion that myelin tight junctions exhibit significant adhesive properties. To examine myelin permeability in the absence of the radial component, we measured the kinetics of osmotic compaction and recovery in knockout and control myelin. We found that myelin lacking claudin-11 responded more rapidly to osmotic stress, indicating an increase in permeability to water and small osmolytes. To further test this hypothesis, we explored the possibility of measuring the diffusion of water through myelin using neutron diffraction, a technique that had been pioneered in myelin decades ago but was largely unused because of previous limitations in neutron technology. After establishing that present-day neutron instruments were capable of measuring diffusion in myelin, we applied this technique to samples from mice lacking claudin-11. Consistent with our X-ray diffraction studies, we found that H2O-D2O exchange was more rapid in Claudin 11-null mice compared to controls. Thus, our data indicate that the radial component serves primarily as a diffusion barrier and elucidate the mechanism by which tight junctions govern myelin function. / Thesis (PhD) — Boston College, 2016. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Biology.