Die Rolle des Zelladhäsionsmoleküls L1 in der Tumorprogression

Das neuronale Adhäsionsmolekül L1 wird neben den Zellen des Nervensystems auf vielen humanen Tumoren exprimiert und ist dort mit einer schlechten Prognose für die betroffenen Patienten assoziiert. Zusätzlich zu seiner Funktion als Oberflächenmolekül kann L1 durch membranproximale Spaltung in eine lösliche Form überführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von L1 auf die Motilität von Tumorzellen untersucht. Lösliches L1 aus Asziten führte zu einer Integrin-vermittelten Zellmigration auf EZM-Substraten. Derselbe Effekt wurde durch Überexpression von L1 in Tumorlinien beobachtet. Weiterhin führt die L1-Expression zu einer erhöhten Invasion, einem verstärkten Tumorwachstum in NOD/SCID Mäusen und zur konstitutiven Aktivierung der MAPK ERK1/2. Eine Mutation in der zytoplasmatischen Domäne von hL1 (Thr1247Ala/Ser1248Ala)(hL1mut) führte hingegen zu einer Blockade dieser Funktionen. Dies weist daraufhin, dass nicht nur lösliches L1, sondern auch die zytoplasmatische Domäne von L1 funktionell aktiv ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Mechanismus, der L1-vermittelten Signaltransduktion untersucht. Die zytoplasmatische Domäne von L1 gelangt nach sequenzieller Proteolyse durch ADAM und Presenilin-abhängiger γ-Sekretase Spaltung in den Zellkern. Diese Translokation im Zusammenspiel mit der Aktivierung der MAPK ERK1/2 durch L1-Expression führt zu einer L1-abhängigen Genregulation. Die zytoplasmatische Domäne von hL1mut konnte ebenfalls im Zellkern detektiert werden, vermittelte jedoch keine Genregulation und unterdrückte die ERK1/2 Phosphorylierung. Die L1-abhängige Induktion von ERK1/2-abhängigen Genen wie Cathepsin B, β3 Integrin und IER 3 war in Zellen der L1-Mutante unterdrückt. Die Expression des Retinsäure-bindenden Proteins CRABP-II, welches in hL1 Zellen supprimiert wird, wurde in der L1-Mutante nicht verändert. Weitere biochemische Untersuchungen zeigen, dass die zytoplasmatische Domäne von L1 Komplexe mit Transkriptionsfaktoren bilden kann, die an Promoterregionen binden können. Die dargestellten Ergebnisse belegen, dass L1-Expression in Tumoren an drei Funktionen beteiligt ist; (i) L1 erhöht Zellmotilität, (ii) fördert Tumorprogression durch Hochregulation von pro-invasiven und proliferationsfördernden Genen nach Translokation in den Nukleus und (iii) schützt die Zellen mittels Regulation pro- bzw. anti-apoptotischer Gene vor Apoptose. Die mutierte Phosphorylierungsstelle im L1-Molekül ist essentiell für diese Prozesse. Die Anwendung neuer Therapien für Patienten mit L1-positiven Karzinomen kann mit Hinblick auf die guten Erfolge der Antikörper-basierenden Therapie mit dem mAk L1-11A diskutiert werden.

Role of Rab5 in synaptic vesicle recycling

During synaptic transmission, NT-filled synaptic vesicles are released by Ca2+-triggered exocytosis at the active zone. Following exocytosis, SV membrane is immediately re-internalized and synaptic vesicles (SVs) are regenerated by a local recycling mechanism within the presynaptic terminal. It is debated whether an endosomal compartment is involved in this recycling process. In contrast, it is well known from cultured mammalian cells, that endocytic vesicles fuse to the early sorting endosome. The early endosome is a major sorting station of the cell where cargo is send into the degradative pathway to late endosome and lysosome or towards recycling. Each trafficking step is mediated by a certain protein of the Rab family. Rab proteins are small GTPases belonging to the Ras superfamily. They accumulate at their target compartments and have thereby been used as markers for the different endocytic organelles in cultured mammalian cells. Rab5 controls trafficking from the PM to the early endosome and has thereby been used as marker for this compartment. A second marker is based on the specific binding of the FYVE zinc finger protein domain to the lipid PI(3)P that is specifically generated at the early endosomal membrane. This study used the Drosophila NMJ as a model system to investigate the SV recycling process. In particular, three questions were addressed: First, is an endosomal compartment present at the synapse? Second, do SVs recycle through an endosome? Third, is Rab5 involved in SV recycling? We used GFP fusions of Rab5 and 2xFYVE to visualize endosomal compartments at the presynaptic terminal of Drosophila third instar larval NMJs. Furthermore, the endosomes are located within the pool of recycling SVs, labeled with the styryl-dye FM5-95. Using the temperature-sensitive mutation in Dynamin, shibirets, we showed that SV recycling involves trafficking through an intermediate endosomal compartment. In cultured mammalian cells, interfering with Rab5 function by expressing the dominant negative version, Rab5SN causes the fragmentation of the endosome and the accumulation of endocytic vesicles. In contrast, when Rab5 is overexpressed enlarged endosomal compartments were observed. In Drosophila, the endosomal compartment was disrupted when loss of function and dominant negative mutants of Rab5 were expressed. In addition, at the ultrastructural we observed an accumulation of endocytic vesicles in Rab5S43N expressing terminals and enlarged endosomes when Rab5 was overexpressed. Furthermore, interfering with Rab5 function using the dominant negative Rab5S43N caused a decrease in the SV recycling kinetics as shown by FM1-43 experiments. In contrast, overexpression of Rab5 or GFP-Rab5 caused an increase in the FM1-43 internalization rate. Finally, standard electrophysiological techniques were used to measure synaptic function. We found that the Rab5-mediated endosomal SV recycling pathway generates vesicles with a higher fusion efficacy during Ca2+-triggered release, compared to SVs recycled when Rab5 function was impaired. We therefore suggest a model in which the endosome serves as organelle to control the SV fusion efficacy and thereby the synaptic strength. Since changes in the synaptic strength are occuring during learning and memory processes, controlling endosomal SV recycling might be a new molecular mechanism involved in learning and memory.

The role of Ken&Barbie in JAK/STAT signalling during development of Drosophila melanogaster

Cell-cell interactions during embryonic development are crucial in the co-ordination of growth, differentiation and maintenance of many different cell types. To achieve this co-ordination each cell must properly translate signals received from neighbouring cells, into spatially and temporally appropriate developmental responses. A surprisingly limited number of signal pathways are responsible for the differentiation of enormous variety of cell types. As a result, pathways are frequently 'reused' during development. Thus, in mammals the JAK/STAT pathway is required during early embryogenesis, mammary gland formation, hematopoiesis and, finally, plays a pivotal role in immune response. In the canonical way, the JAK/STAT pathway is represented by a transmembrane receptor associated with a Janus kinase (JAK), which upon stimulation by an extra-cellular ligand, phosphorylates itself, the receptor and, finally, the signal transducer and activator of transcription (STAT) molecules. Phosphorylated STATs dimerise and translocate to the nucleus where they activate transcription of target genes. The JAK/STAT pathway has been conserved throughout evolution, and all known components are present in the genome of Drosophila melanogaster. Besides hematopoietic and immunity functions, the pathway is also required during development for processes including embryonic segmentation, tracheal morphogenesis, posterior spiracle formation etc. This study describes Drosophila Ken&Barbie (Ken) as a selective regulator of JAK/STAT signalling. ken mutations identified in a screen for modulators of an eye overgrowth phenotype, caused by over-expression of the pathway ligand unpaired, also interact genetically with the pathway receptor domeless (dome) and the transcription factor stat92E. Over-expression of Ken can phenocopy developmental defects known to be caused by the loss of JAK/STAT signalling. These genetic interactions suggest that Ken may function as a negative regulator of the pathway. Ken has C-terminal Zn-finger domain, presumably for DNA binding, and N-terminal BTB/POZ domain, often found in transcriptional repressors. Using EGFP-fused construct expressed in vivo revealed nuclear accumulation of Ken. Therefore, it is proposed that Ken may act as a suppresser of STAT92E target genes. An in vitro assay, termed SELEX, determined that Ken specifically binds to a DNA sequence, with the essential for DNA recognition core overlapping that of STAT92E. This interesting observation suggests that not all STAT92E sites may also allow Ken binding. Strikingly, when effects of ectopic Ken on the expression of putative JAK/STAT pathway target genes were examined, only a subset of the genes tested, namely vvl, trh and kni, were down-regulated by Ken, whereas some others, such as eve and fj, appeared to be unresponsive. Further analysis of vvl, one of the genes susceptible to ectopic Ken, was undertaken. In the developing hindgut, expression of vvl is JAK/STAT pathway dependent, but remains repressed in the posterior spiracles, despite the stimulation of STAT92E by Upd in their primordia. Importantly, ken is also expressed in the developing posterior spiracles. Strikingly, up-regulation of vvl is observed in these tissues in ken mutant embryos. These imply that while ectopic Ken is sufficient to repress the expression of vvl in the hindgut, endogenous Ken is also necessary to prevent its activation in the posterior spiracles. It is therefore conceivable that ectopic vvl expression in the posterior spiracles of the ken mutants may be the result of de-repression of endogenous STAT92E activity. Another consequence of these observations is a fine balance that must exist between STAT92E and Ken activities. Apparently, endogenous level of Ken is sufficient to repress vvl, but not other, as yet unidentified, JAK/STAT pathway targets, whose presumable activation by STAT92E is required for posterior spiracle development as the embryos mutant for dome, the receptor of the pathway, show severe spiracle defects. These defects are also observed in the embryos mis-expressing Ken. Though it is possible that the posterior spiracle phenotype caused by higher levels of Ken results from a JAK/STAT pathway independent activity, it seems to be more likely that Ken acts in a dosage dependent manner, and extra Ken is able to further antagonise JAK/STAT pathway target genes. While STAT92E binding sites required for target gene expression have been poorly characterised, the existence of genome data allows the prediction of candidate STAT92E sites present in target genes promoters to be attempted. When a 6kb region containing the putative regulatory domains flanking the vvl locus are examined, only a single potential STAT92E binding site located 825bp upstream of the translational start can be detected. Strikingly, this site also includes a perfect Ken binding sequence. Such an in silico observation, though consistent with both Ken DNA binding assay in vitro and regulation of STAT92E target genes in vivo, however, requires further analysis. The JAK/STAT pathway is implicated in a variety of processes during embryonic and larval development as well as in imago. In each case, stimulation of the same transcription factor results in different developmental outcomes. While many potential mechanisms have been proposed and demonstrated to explain such pleiotropy, the present study indicates that Ken may represent another mechanism, with which signal transduction pathways are controlled. Ken selectively down-regulates a subset of potential target genes and so modifies the transcriptional profile generated by activated STAT92E - a mechanism, which may be partially responsible for differences in the morphogenetic processes elicited by JAK/STAT signalling during development.

Identifizierung und Optimierung von Biomarkern der Karzinogenese des duktalen Pankreaskarzinoms, des Kolonkarzinoms und des Prostatakarzinoms

Die Erforschung der Biologie maligner Tumoren beschränkte sich über lange Zeit auf die Suche nach genetischen Veränderungen. Dies hat sich in den letzten Jahren grundlegend geändert, da sich aus dem Wissen um die molekularen Veränderungen in den frühesten histomorphologisch erkennbaren Vorläuferläsionen neue Möglichkeiten zur Früherkennung und Prävention maligner Tumoren ergeben. Darüber hinaus gewinnen Aspekte zur Aufklärung des Krebs- und Progressionsrisikos zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung für die Beantwortung dieser medizinischen und tumorbiologischen Fragestellungen war die Etablierung zielgerichteter molekularbiologischer und zytogenetischer Untersuchungsverfahren, die sich auch an Gewebeproben mit geringer Zellzahl, vor allem aus formalinfixierten, in Paraffin eingebetteten Geweben durchführen lassen. Dabei sollten, wenn möglich zeitgleich, multiple Gene in ein und derselben Zellprobe analysierbar sein. Da die individuelle Mutationsbeladung (mutation load) einzelner morphologisch gesunder Gewebe, als Ausdruck eines möglicherweise erhöhten Krebsrisikos, zumeist nur an Einzelzellen bestimmt werden kann, waren hier zur Untersuchung einzelner Gene weitergehend optimierte molekulargenetische Untersuchungstechniken erforderlich. In vorliegender sollten neue Biomarker mittels der DNA-Mikroarray-Technik identifiziert werden, die für eine Aussage über den Krankheitsverlauf verwendet werden können. Dabei wurden Expressionsprofile von normaler Kolonschleimhaut mit Schleimhaut von Kolonkarzinom Patienten verglichen. An diesem Beispiel sollte ferner geprüft werden, in wie weit sich formalin-fixiertes Gewebe (FFPE-Gewebe) derselben Patienten zur Expressionsdiagnostik eignen, um eventuelle retrospektive Studien durchführen zu können. Des Weiteren wurden, ebenfalls mittels DNA-Mikroarray-Technik, Gen-Expressionsprofile am Beispiel des Prostatakarzinoms erstellt, um einen Hinweis auf die Entstehung der Hormon-Therapieresistenz im Verlauf dieser Erkrankung zu erhalten. Es sollte geklärt werden, ob es z.B. Hinweise auf irreguläre Stoffwechselprozesse gibt, chromosomale Translokationsprozesse bzw. differenziell regulierte Gencluster, die einen Hinweis auf die Therapieresistenz liefern könnten. Ferner sollte methodisch analysiert werden, ob die Art der Gewebegewinnung, d.h. transurethrale Resektion im Vergleich zur chirurgischen Totalresektion der Prostata, vergleichbare Gen-Expressionsdaten liefert.

Characterization of Lipid Droplets and Functional Analysis of Lipid Droplet-Associated Proteins in Dictyostelium discoideum

Lipid droplets (LDs) are the universal storage form of fat as a reservoir of metabolic energy in animals, plants, bacteria and single celled eukaryotes. Dictyostelium LD formation was investigated in response to the addition of different nutrients to the growth medium. LDs were induced by adding exogenous cholesterol, palmitic acid (PA) as well as growth in bacterial suspension, while glucose addition fails to form LDs. Among these nutrients, PA addition is most effective to stimulate LD formation, and depletion of PA from the medium caused LD degradation. The neutral lipids incorporated into the LD-core are composed of triacylglycerol (TAG), steryl esters, and an unknown neutral lipid (UKL) species when the cells were loaded simultaneously with cholesterol and PA. In order to avoid the contamination with other cellular organelles, the LD-purification method was modified. The isolated LD fraction was analysed by mass spectrometry and 100 proteins were identified. Nineteen of these appear to be directly involved in lipid metabolism or function in regulating LD morphology. Together with a previous study, a total of 13 proteins from the LD-proteome were confirmed to localize to LDs after the induction with PA. Among the identified LD-proteins, the localization of Ldp (lipid droplet membrane protein), GPAT3 (glycerol-3-phosphate acyltransferase 3) and AGPAT3 (1-acylglycerol-3-phosphate-acyltransferase 3) were further verified by GFP-tagging at the N-termini or C-termini of the respective proteins. Fluorescence microscopy demonstrated that PA-treatment stimulated the translocation of the three proteins from the ER to LDs. In order to clarify DGAT (diacylglycerol acyltransferase) function in Dictyostelium, the localization of DGAT1, that is not present in LD-proteome, was also investigated. GFP-tagged DGAT1 localized to the ER both, in the presence and absence of PA, which is different from the previously observed localization of GFP-tagged DGAT2, which almost exclusively binds to LDs. The investigation of the cellular neutral lipid level helps to elucidate the mechanism responsible for LD-formation in Dictyostelium cells. Ldp and two short-chain dehydrogenases, ADH (alcohol dehydrogenase) and Ali (ADH-like protein), are not involved in neutral lipid biosynthesis. GPAT, AGPAT and DGAT are three transferases responsible for the three acylation steps of de novo TAG synthesis. Knock-out (KO) of AGPAT3 and DGAT2 did not affect storage-fat formation significantly, whereas cells lacking GPAT3 or DGAT1 decreased TAG and LD accumulation dramatically. Furthermore, DGAT1 is responsible for the accumulation of the unknown lipid UKL. Overexpression of DGAT2 can rescue the reduced TAG content of the DGAT1-KO mutant, but fails to restore UKL content in these cells, indicating that of DGAT1 and DGAT2 have overlapping functions in TAG synthesis, but the role in UKL formation is unique to DGAT1. Both GPAT3 and DGAT1 affect phagocytic activity. Mutation of GPAT3 increases it but a DGAT1-KO decreases phagocytosis. The double knockout of DGAT1 and 2 also impairs the ability to grow on a bacterial lawn, which again can be rescued by overexpression of DGAT2. These and other results are incorporated into a new model, which proposes that up-regulation of phagocytosis serves to replenish precursor molecules of membrane lipid synthesis, whereas phagocytosis is down-regulated when excess fatty acids are used for storage-fat formation.  

Diagnostische Kompetenzen angehender Biologie-Lehrkräfte im Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung

Das Beurteilen von Schülerleistungen, das Erfassen ihrer unterschiedlichen Lernvoraussetzungen und das Beobachten und Beurteilen von Schülerlernprozessen stellen wichtige Handlungsroutinen im Alltag von Lehrkräften dar. Dem gegenüber steht die Tatsache, dass sich noch bis vor einigen Jahren nur wenige Arbeiten und Projekte explizit mit der Diagnosekompetenz von angehenden und praktizierenden Lehrkräften beschäftigt haben. Die vorliegende Arbeit, die ein Teilprojekt innerhalb eines größeren interdisziplinären Projektes zur Diagnosekompetenz von Lehramtsstudierenden darstellt, möchte einen Beitrag leisten zur Debatte um die diagnostische Kompetenz. Ihr Hauptaugenmerk richtet sie dabei auf die diagnostische Kompetenz von Biologie-Lehramtsstudierenden im Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. Im Zuge der notwenigen theoretischen Konzeptionierung präsentiert die Arbeit einen im Gesamtprojekt erarbeiteten Vorschlag für eine Modellierung der (fachbezogenen) Diagnosekompetenz von Lehramtsstudierenden. Ergänzend dazu findet im Rahmen der Arbeit eine Klärung der in der Forschungsliteratur oftmals uneinheitlich benutzten Begrifflichkeiten zur diagnostischen Kompetenz statt. Weiterhin wird ein Vergleich von verschiedenen in der Literatur verwendeten Konzeptualisierungsansätzen vorgenommen. Da in der Forschungsliteratur keine geeigneten Instrumente zum Erfassen der hier im Speziellen betrachteten diagnostischen Kompetenz vorlagen, mussten diese im Rahmen der Arbeit neu entwickelt werden. Ein wesentlicher Ansatz dabei war eine Unterscheidung von status- und prozessdiagnostischen Kompetenzen und die Entwicklung entsprechend geeigneter Erhebungsinstrumente. Die neu entwickelten Testinstrumente wurden bei zwei Studierenden-Jahrgängen an verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf ihres Studiums eingesetzt. Im Test zur Messung ihrer statusdiagnostischen Kompetenzen hatten die Studierenden Schülerlösungen aus dem Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung zu analysieren und zu beurteilen. Dabei zeigte sich als ein zentraler Befund, dass die Probanden das Leistungsniveau der Schülerlösungen umso schlechter korrekt beurteilen konnten, je höher es war. Weiterhin wurde deutlich, dass die diagnostische Kompetenz der Lehramtsstudierenden für die typischen Teilschritte im Rahmen der Erkenntnisgewinnung unterschiedlich hoch ausgeprägt ist. So fiel es ihnen am leichtesten, die Schülerlösungen zum Teilschritt „Datenanalyse“ zu beurteilen, wohingegen sie deutlich größere Schwierigkeiten hatten, das Leistungsniveau der Schülerlösungen zum Teilschritt „Planen einer Untersuchung“ korrekt einzuschätzen. Im Test zum Erfassen der prozessdiagnostischen Fähigkeiten der Studierenden wurde ihnen ein Experimentierprozess zweier Schüler vorgelegt. Auffällig in Bezug auf ihre diagnostische Kompetenz waren die massiven Schwierigkeiten beim Beurteilen des Schülerumgangs mit den Variablen. Im Vergleich der status- und prozessdiagnostischen Fähigkeiten erwies sich die Prozessdiagnostik als die für die Studierenden schwierigere Tätigkeit. Ein wesentliches Plus in Bezug auf das Gewinnen von Informationen über die diagnostische Kompetenz brachte der Einsatz von Videoanalysen zusätzlich zu den beschriebenen paper-pencil basierten Testinstrumenten. Über eine Analyse der Testbearbeitungsprozesse der Studierenden wurde untersucht, aus welchen Beweggründen und auf Basis welcher Annahmen diese zu ihren diagnostischen Urteilen gekommen waren. Mit Hilfe der auf diese Weise gewonnenen prozessbezogenen Informationen war es möglich, die spezifischen Schwierigkeiten der Studierenden beim Diagnostizieren genauer herauszuarbeiten. Neben den genannten Untersuchungen zu den Ausprägungen von diagnostischer Kompetenz im Bereich Erkenntnisgewinnung wurden im Rahmen der Arbeit auch ihre postulierten Bedingungsfaktoren untersucht: das fachmethodische Vorwissen der Studierenden und ihr Wissenschaftsverständnis. Nur für ersteres konnte ein wenngleich geringer, aber doch signifikanter Zusammenhang festgestellt werden. Ergänzend zum Blick auf die möglichen Bedingungsfaktoren wurden auch Zusammenhänge zwischen der diagnostischen Kompetenz und verschiedenen ausgewählten Personen- und Kontextvariablen untersucht (z.B. die von den Studierenden gewählte Lehramtsform, ihre Fächerkombination, ihr Geschlecht und ihre Abiturnote). Von allen untersuchten Variablen erwies sich die von den Studierenden gewählte Lehramtsform als derjenige Faktor, der den wenngleich ebenfalls nur schwachen, aber doch durchgängig vorhandensten Zusammenhang aufwies. Zusätzlich zu der (objektiven) Erfassung der diagnostischen Kompetenzen mit Hilfe der Messinstrumente präsentiert die Arbeit Ergebnisse zum Verlauf der subjektiven Selbsteinschätzungen der Studierenden hinsichtlich ihres diagnostischen Wissens. Es zeigte sich, dass die Studierenden das Studium für die Ausbildung ihrer diagnostischen Kompetenz als weniger hilfreich empfinden als für den Aufbau der anderen Bereiche ihres Professionswissens. Die Arbeit endet mit einem Fazit zu den Testinstrument-Entwicklungen und den in den verschiedenen Untersuchungen gewonnenen Befunden, verbunden mit einem Ausblick auf mögliche Implikationen für die Lehrerausbildung und sich anschließende Forschungsvorhaben.