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Collapsin response mediator protein 2 (CRMP2) ist ein gut erforschtes Molekül,
welches in verschiedenen Geweben, wie z.B. dem zentralen Nervensystem (ZNS),
vorkommt. Es wurde bereits gezeigt, dass CRMP2 in den Semaphorin3A-Weg involviert
ist. In diesem Signalweg legen wir den Schwerpunkt auf den Redoxstatus von
CRMP2. Es bewirkt im reduzierten Zustand eine Aktivierung von Aktinpolymerisation
und -quervernetzung, mittels dem Aktin-related-Protein-Komplex (ARP 2/3-Komplex).
Diese Regulation des Zytoskeletts ermöglicht das Ausbilden von Axonen und Quervernetzungen und spielt somit eine entscheidende Rolle in der neuronalen Differenzierung.
In dieser Arbeit sollte die Rolle des CRMP2 in einem Zellmodell für neuronale
Differenzierung näher charakterisiert werden. Als Zellmodell wurden SH-SY5Y-Zellen
gewählt, eine dedifferenzierte Neuroblastomazelllinie, die sich zur Untersuchung neuronaler
Entwicklungsprozesse eignet.
Zunächst wurden initial Versuche zur Validierung einer geeigneten siRNA, für die
posttranskriptionelle Genausschaltung von CRMP2 in HeLa-Zellen, durchgeführt.
Als Kontrolle diente dabei eine unspezifische Kontroll-siRNA. Nach Validierung
wurden die Kontroll-siRNA und die CRMP2-siRNA zur Transfektion von SH-SY5Y-Zellen
eingesetzt. Zur Induktion der Differenzierung in einen Neuronen-ähnlichen Phänotyp
wurden SH-SY5Y-Zellen mit all-trans Retinsäure (RS) oder Dimethylsulfoxid
(DMSO), als Kontrolle, behandelt. Die morphologischen und biochemischen Veränderungen
auf Proteinebene zeigten, dass eine Transfektion der SH-SY5Y-Zellen mit
siCRMP2 zu einem verlängerten Phänotyp mit stärkerer Quervernetzung führt. Die
Analyse der Veränderungen auf Proteinebene mittels Westernblot ergab, dass die
Transfektion von SH-SY5Y-Zellen mit siCRMP2, im Vergleich zu Kontrolle-
siRNA-transfizierten Zellen, zu einer Zunahme von Molecules interacting with
CasL (MICAL1), sowie zu einer Abnahme von cytoplasmic FMR1-interacting protein1
(CyFip1) führte. Beide Proteine sind Bestandteil des Semaphorin3A-Signalweges und
somit ebenfalls an der neuronalen Differenzierung beteiligt. Auch eine Beeinflussung
der Proteine Aktin und Tubulin, zwei Komponenten des Zytoskeletts, konnte nachgewiesen.
Die Transfektion von siCRMP2 führte zu einer Zunahme der Aktin- und Tubulinproteinmengen,
im Vergleich zu den siKontrolle-transfizierten Zellen, auch wenn
diese nicht mit RS behandelt wurden.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Herstellung eines Plasmides zur Expression
eines Proteins mit Redoxsensorfunktion in eukarytotischen Zellen. Mit diesem lässt
sich in vivo die Verteilung von Glutathion ermitteln. Hierfür wurde die Sequenz, welche
das Grx1-roGFP2-Protein kodiert in den Expressionsvektor pExpress eingebracht.
Die Sequenzierung der Basenabfolge im Abgleich mit der Referenzsequenz
von Tobias Dick, zeigte eine 100%ige Übereinstimmung. Die Transfektion dieses
Sensors im Zellmodell war im zeitlichen Rahmen dieser Arbeit nicht mehr möglich und
wird Bestandteil zukünftiger Forschungsarbeiten sein.
Das Endothel ist eine multifunktionale Struktur, die sich an die lokalen Strömungseigenschaften anpassen muss. Dieser komplexe Prozess führt zu verschiedenen Veränderungen der Gestalt und Funktion von Endothelzellen. Neben zahlreichen anderen Strukturen konnte auch von G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) gezeigt werden, dass sie in diesen Prozess involviert sind. Es konnte bereits nachgewiesen werden, dass der G-Protein-gekoppelte Apelin-Rezeptor (APJ) in seiner Expression von endothelialem Scherstress reguliert wird und es wurde postuliert, dass der APJ im Konzept der endothelialen Mechanotransduktion eine Rolle spielt. Dieses Konzept beschreibt die Übersetzung von endothelialem Scherstress in intrazelluläre biochemische Signale. Die vorliegende Arbeit versucht, die bisherigen Erkenntnisse durch die weitere Beleuchtung der APJ-Funktionen in humanen umbilikalen venösen Endothelzelle (HUVEC) zu ergänzen. Es konnte gezeigt werden, dass der APJ in konfluenten Endothelzell-Monolayern in vitro auf der junktionalen Membran lokalisiert ist und mit dem wichtigen endothelialen Mechanotransducer Platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) ko-assoziiert zu sein scheint. Weiterhin zeigen APJ-defiziente im Vergleich zu Wildtyp-APJ HUVEC geringere Elastizitätsmodule auf, was Hinweise auf veränderte biomechanische Eigenschaften gibt. Die short-interfering RNA (siRNA)-vermittelte „Stummschaltung“ des APJ beeinflusst weiterhin die Zytoskelettstruktur, Anheftung und Reorganisation von Zelladhäsionskomplexen. Zusammenfassend verdeutlicht die vorliegende Arbeit, dass die APJ-Expression sowohl die biomechanischen als auch die morphologischen Eigenschaften von Endothelzellen in Anpassung an die lokalen Flussbedingungen zu beeinflussen scheint.
Numerous signalling pathways orchestrate the development, the functions, and the survival of cells, mostly in response to external stimuli. An overwhelming amount of data supports the concept of specific, spatio-temporal redox signalling pathways that affect the redox state of protein cysteinyl side chains and thus the biological function of these proteins. Glutaredoxins (Grxs) and thioredoxins (Trxs) catalyse reversible thiol-disulphide exchange reactions. The cytosolic Grx2 isoform Grx2c is essential for brain development and axonal outgrowth. A reversible dithiol-disulphide switch of CRMP2 has been identified as one of the major targets regulated by Grx2c. This CRMP2 redox switch is toggled in neuronal differentiation. Reduction of CRMP2 thiols induces profound conformational changes, modifying interactions and downstream elements of this redox switch. In [article I] and [manuscript V], we identified the Cys504 of CRMP2 to be the redox regulated residue. We used various in vitro assays with recombinant protein and molecular dynamics simulations to characterise the conformational change. The changes involve the solvent accessible surface area of at least one known phosphorylation site at the C-terminus of the protein. In [article III], we analysed the function of Grx2 and Trx1 in a model for perinatal asphyxia. Trx family proteins exhibit a very complex, cell-type and tissue specific expression pattern following hypoxia/ischemia and reoxygenation, especially Trx1 and Grx2. The results imply the clinical relevance for both proteins in perinatal asphyxia as well as many other neurological disorders. In agreement with the results presented in [articleI], Grx2 may be required for the re-establishment of neuronal integrity and connectivity. Cell shape, all forms of intracellular transport, and cell movement depend on the cytoskeleton, particularly on the fine tuned complex regulation of the dynamic re-arrangement of actin filaments and microtubules. In [article IV], we discuss the redox regulation of this dynamic cytoskeletal remodelling. Taking recent discoveries into account, we focus on redox signalling mechanisms, e.g. reversible thiol and methionyl switches. These switches are specifically controlled by enzymes such as Trx1 and Grx2c, for instance, and not the result of random modification by unspecific oxidants. Methionyl sulphoxidation of actin can be reversed by methionyl sulphoxide reductase (MsrA), promoting actin polymerisation. Human cells express two different Msr enzymes (MsrA and MsrB), that can reduce S- and R-methionyl sulphoxide, respectively. In the gram-positive Streptococcus pneumoniae, on the other hand, both Msr genes and thus enzymes were fused during evolution. In [article II], we characterised the surface-exposed thioredoxin family lipoproteins Etrx1 and 2 and regulators of this Msr (SpMsrAB). A loss of function of both Etrx proteins or SpMsrAB dramatically reduced pneumococcal virulence, enhanced the bacterial uptake by macrophages, and accelerated pneumococcal killing by H2O2 or free methionine sulphoxide. Identification and characterisation of components of this redox regulated system may contribute to the design of new antimicrobials. In [manuscript VI], we investigated the effects of Grx2c expression on cell morphology, migration, and invasion behaviour of cancer cells. Grx2c expressing cancer cells developed dramatic changes in phenotype, including alterations in cytoskeletal dynamics and significantly increased motility and invasiveness. We used quantitative proteomics and phopshoproteomic approaches to characterise the underlying mechanisms. Proteins and pathways regulating cytoskeletal dynamics, cell adhesion, and receptor-mediated signal transduction were detected to be specifically altered. We started a clinical pilot study with patients suffering from clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). Grx2c was expressed with significantly higher frequency in ccRCC compared to healthy kidney tissue, associated with a strong trend for locally more advanced tumour stages and a clear tendency for a decreased cancer-specific survival, compared to patients without detectable Grx2c. These results were supported by data from "The Cancer Genome Atlas". In synopsis, the results presented and discussed in these articles and manuscripts, support the concept of specific redox signalling in different models and model organisms. They also demonstrate the importance of the specific redox control of signalling pathways that, in the case of errors or misinterpretations, contribute to pathophysiological alterations. The regulation of the CRMP2 redox switch by Grx2c, for instance, is physiologically essential for brain development, but might lead to cancer progression, if "switched on" in adult tissue. Identification of further interaction partners as well as the development of compounds modulating this redox switch and CRMP2s conformations, will be part of our future research.