Cystein rich protein 61 (CYR61/CCN1) und Connective tissue growth factor (CTGF/CCN2) stellen aufgrund ihrer Multifunktionalität zwei sehr interessante Vertreter aus der derzeit sechs Mitglieder umfassenden Familie der CCN-Proteine (CCN- CYR61/CCN1, CTGF/CCN2, NOV/CCN3, WISP1-3/CCN4-6) dar. Seit der Entdeckung von CYR61 und CTGF konnten die überlappenden, aber meist nicht redundanten zellspezifischen Effekte in verschiedenen Zellsystemen nachgewiesen werden. Die Einflüsse auf zahlreiche Prozesse wie Proliferation und Migration, aber auch Angiogenese und das Überleben von Zellen lassen eine weitreichende Bedeutung im Zusammenhang mit vielen Entwicklungsprozessen vermuten, so auch der des muskuloskelettalen Systems und der Entwicklung der Lunge.
In der vorliegenden Arbeit wurden für die nähere Charakterisierung von CYR61 und CTGF humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) und die humane primäre Lungenendothelzelllinie HPMEC-ST1.6R (human pulmonary microvascular endothelial cells) gewählt. Beide Zellsysteme sind für die Untersuchung der Funktionsfähigkeit in den verschiedenen Kompartimenten bestens geeignet. So ist die Zelllinie HPMEC-ST1.6R den primären Endothelzellen, im Vergleich mit anderen in der Forschung eingesetzten Zelllinien, in Bezug auf spezifische Oberflächenmarker am nächsten. Mesenchymale Stammzellen bilden als multipotente Zellen das Rückrat des muskuloskelettalen Systems und sind an der Homöostase des menschlichen Stütz- und Bewegungsapparates maßgeblich beteiligt.
Um experimentell nutzbare Konzentrationen an rekombinanten Proteinen zu erhalten, wurde ein Baculovirus-Expressionsystems gewählt. Nach der erfolgreichen Klonierung der CTGF/Fc-Tag Sequenz in einen Expressionsvektor konnte dies auch durch Produktion in SF21-Insektenzellen erreicht und erstmalig rekombinantes CTGF/Fc von hoher Reinheit gewonnen werden. Allerdings konnte eine beständige Funktionsfähigkeit der aufgereinigten Proteine mittels eines Proliferationstestes nachfolgend nur bedingt bestätigt werden.
Für die weitere Versuchsplanung, einer Untersuchung der Auswirkung von rekombinantem CTGF (rCTGF) bzw. CYR61 (rCYR61) auf die Zielzellen, musste zunächst die zelleigene ctgf bzw. cyr61 Expression herunterreguliert werden, um einen endogenen Störeffekt auszuschließen. Durch den Einsatz spezifischer shRNAs konnte ctgf/CTGF sowohl in den hMSC-, wie auch den HPMEC-ST1.6R-Zielzellen deutlich herunterreguliert und nachfolgend eine markant reduzierte Proliferation beobachtet werden. Ein Effekt für die Regulation von cyr61 blieb aus.
In dieser Arbeit wurden anschließend erstmals mittels Microarray-Analysen Veränderungen im Genexpressionsmuster der ctgf herunterregulierten hMSC- bzw. Lungenendothelzellen gegenüber Kontrollzellen untersucht. Des Weiteren war die Auswirkung einer Behandlung von ctgf herunterregulierten Zielzellen mit rCTGF gegenüber unbehandelten Kontrollzellen von Interesse. Für beide Zellsysteme konnten signifikante Genregulationen nach der Behandlung mit CTGF spezifischen shRNAs gegenüber den Kontrollzellen detektiert werden, mit interessanten Genclustern im Bereich der TGF-beta (transforming growth factor ß) Signalgebung, sowie der fokalen Adhäsion (z.B. VEGF). Eine Behandlung mit rCTGF hingegen zeigte gegenüber den unbehandelten Kontrollzellen in der Auswertung der Microarray-Analyse keine signifikante Veränderung im Genexpressionsmuster.
In dieser Arbeit wurden, neben einer effektiven Gewinnung von rekombinantem CTGF und der Herunterregulation der endogenen ctgf Expression, wichtige Erkenntnisse zur Biologie von CTGF (und CYR61) in mesenchymalen Stammzellen hMSC und der Lungenendothelzelllinie HPMEC-ST1.6R erlangt. Die erhaltenen Microarray-Daten bieten eine fundierte Grundlage für zahlreiche fortführende Untersuchungen. / Cystein rich protein 61 (CYR61/CCN1) and connective tissue growth factor (CTGF/CCN2) are two very interesting members of the CNN family (CCN- CYR61/CCN1, CTGF/CCN2, NOV/CCN3, WISP1-3/CCN4-6) consisting of six members so far. Since its discovery the overlapping, but mostly non-redundant effects of CYR61 and CTGF were shown in different cell systems. Both proteins are linked to many different processes like proliferation and migration, but also angiogenesis and survival. They seem to be involved in very fundamental biological processes, amongst other the development of the musculoskeletal system and the lung and were analyzed in this study.
To distinguish the two proteins CYR61 and CTGF, primary human mesenchymal stem cells (hMSC) and a human pulmonary endothelial cell line (HPMEC-ST1.6R) were chosen. Both cell systems are suited very well for getting more information about the function in these different compartments. So the cell line HPMEC-ST1.6R is more related to primary endothelial cells in reference to the cell surface markers, compared to other cell lines used for experimental research. Mesenchymal stem cells form the backbone of the musculoskeletal system and are involved in the homeostasis of this complex system.
Getting adequate concentrations of recombinant proteins for the upcoming experiments a baculovirus expression system was chosen. After successful cloning of the CTGF/Fc-Tag sequence into an expression vector, recombinant CTGF/Fc of high purity was obtained for the first time, produced in SF21 insect cells. However the stable functioning of the proteins was partly confirmed by proliferation tests.
To study the effect of recombinant CTGF or CYR61 in further experiments, the endogenous ctgf or cyr61expression had to be downregulated to avoid negative effects. By using specific shRNAs ctgf/CTGF has been downregulated in hMSC as well as HPMEC-ST1.6R cells and subsequently a reduced proliferation was observed. No effect was detected for the regulation of cyr61.
In this study for the first time changes in regulation of gene expression after downregulation of ctgf in hMSC and HPMEC-ST1.6R cells were studied by microarray analyses. Furthermore to discover the effect of treating ctgf downregulated cells with recombinant CTGF compared to control cells was another aim of this experimental series. For both cell systems, significant gene regulations were detected after treatment with CTGF specific shRNAs with interesting gene cluster for TGFß-signaling as well as focal adhesion (e.g. VEGF). In contrast, no significant change in gene regulation was detected by microarray analysis after treating the target cells with rCTGF compared to non-treated cells.
In summary, besides the effective preparation of rCTGF and the marked downregulation of ctgf gene expression, this study provides fundamental information about CTGF and its biology in hMSC and HPMEC-ST1.6R cells, as well. Based on the numerous detected gene regulations in the microarray analyses the study provides a basis for further experiments.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:9871 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Laug, Roderich |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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