Islet neogenesis-associated protein signaling in neonatal pancreatic rat islets: involvement of the cholinergic pathway

Islet neogenesis associated protein (INGAP) increases islet mass and insulin secretion in neonatal and adult rat islets. lit the Present Study, we measured the short- and long-term effects of INGAP-PP (a pentadecapeptide having the 104-118 amino acid sequence of INGAP) upon islet protein expression and phosphorylation of components of the PI3K, MAPK and cholinergic pathways, and on insulin secretion. Short-term exposure of neonatal islets to INGAP-PP (90 s, 5, 15, and 30 min) significantly increased Akt1(-Ser473) and MAPK3/1(-Thr202/Tyr204) phosphorylation and INGAP-PP also acutely increased insulin secretion from islets perifused with 2 and 20 mM glucose. Islets cultured for 4 days in the presence of INGAP-PP showed an increased expression of Akt1, Frap1, and Mapk1 mRNAs as well as of the muscarinic M3 receptor subtype, and phospholipase C (PLC)-beta 2 proteins. These islets also showed increased Akt1 and MAPK3/1 protein phosphorylation. Brief exposure of INGAP-P-treated islets to carbachol (Cch) significantly increased P70S6K(-Thr389) and MAPK3/1 phosphorylation and these islets released more insulin when challenged with Cch that was prevented by the M3 receptor antagonist 4-DAMP in a concentration-dependent manner. In conclusion, these data indicate that short- and long-term exposure to INGAP-PP significantly affects the expression and the phosphorylation of proteins involved in islet PI3K and MAPK signaling pathways. The observations of INGAPP-PP-stimulated up-regulation of cholinergic M3 receptors and PLC-beta 2 proteins, enhanced P70S6K and MAIIK3/1 phosphorylation and Cch-induced insulin secretion suggest a participation of the cholinergic pathway in INGAP-PP-mediated effects.

Intrinsically Multivariate Predictive Genes

Canalizing genes possess such broad regulatory power, and their action sweeps across a such a wide swath of processes that the full set of affected genes are not highly correlated under normal conditions. When not active, the controlling gene will not be predictable to any significant degree by its subject genes, either alone or in groups, since their behavior will be highly varied relative to the inactive controlling gene. When the controlling gene is active, its behavior is not well predicted by any one of its targets, but can be very well predicted by groups of genes under its control. To investigate this question, we introduce in this paper the concept of intrinsically multivariate predictive (IMP) genes, and present a mathematical study of IMP in the context of binary genes with respect to the coefficient of determination (CoD), which measures the predictive power of a set of genes with respect to a target gene. A set of predictor genes is said to be IMP for a target gene if all properly contained subsets of the predictor set are bad predictors of the target but the full predictor set predicts the target with great accuracy. We show that logic of prediction, predictive power, covariance between predictors, and the entropy of the joint probability distribution of the predictors jointly affect the appearance of IMP genes. In particular, we show that high-predictive power, small covariance among predictors, a large entropy of the joint probability distribution of predictors, and certain logics, such as XOR in the 2-predictor case, are factors that favor the appearance of IMP. The IMP concept is applied to characterize the behavior of the gene DUSP1, which exhibits control over a central, process-integrating signaling pathway, thereby providing preliminary evidence that IMP can be used as a criterion for discovery of canalizing genes.

p38 MAPK regulates IL-1β induced IL-6 expression through mRNA stability in osteoblasts

Osteoblast-derived IL-6 functions in coupled bone turnover by supporting osteoclastogenesis favoring bone resorption instead of bone deposition. Gene regulation of IL-6 is complex occurring both at transcription and post-transcription levels. The focus of this paper is at the level of mRNA stability, which is important in IL-6 gene regulation. Using the MC3T3-E1 as an osteoblastic model, IL-6 secretion was dose dependently decreased by SB203580, a p38 MAPK inhibitor. Steady state IL-6 mRNA was decreased with SB203580 (2 μM) ca. 85% when stimulated by IL-1β (1-5 ng/ ml). These effects require de novo protein synthesis as they were inhibited by cycloheximide. p38 MAPK had minor effects on proximal IL-6 promoter activity in reporter gene assays. A more significant effect on IL-6 mRNA stability was observed in the presence of SB203580. Western blot analysis confirmed that SB203580 inhibited p38 MAP kinase, in response to IL-1β in a dose dependent manner in MC3T3-E1 cells. Stably transfected MC3T3-E1 reporter cell lines (MC6) containing green fluorescent protein (GFP) with the 3′untranslated region of IL-6 were constructed. Results indicated that IL-1β, TNFα, LPS but not parathyroid hormone (PTH) could increase GFP expression of these reporter cell lines. Endogenous IL-6 and reporter gene eGFP-IL-6 3′UTR mRNA was regulated by p38 in MC6 cells. In addition, transient transfection of IL-6 3′UTR reporter cells with immediate upstream MAP kinase kinase-3 and -6 increased GFP expression compared to mock transfected controls. These results indicate that p38 MAPK regulates IL-1β-stimulated IL-6 at a post transcriptional mechanism and one of the primary targets of IL-6 gene regulation is the 3′UTR of IL-6.

Antitumor activity of irradiated riboflavin on human renal carcinoma cell line 786-O

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acetic acid- and phenyl-p-benzoquinone-induced overt pain-like behavior depends on spinal activation of MAP kinases, PI3K and microglia in mice

The acetic acid and phenyl-p-benzoquinone are easy and fast screening models to access the activity of novel candidates as analgesic drugs and their mechanisms. These models induce a characteristic and quantifiable overt pain-like behavior described as writhing response or abdominal contortions. The knowledge of the mechanisms involved in the chosen model is a crucial step forward demonstrating the mechanisms that the candidate drug would inhibit because the mechanisms triggered in that model will be addressed. Herein, it was investigated the role of spinal mitogen-activated protein (MAP) kinases ERK (extracellular signal-regulated kinase), JNK (Jun N-terminal Kinase) and p38, PI3K (phosphatidylinositol 3-kinase) and microglia in the writhing response induced by acetic acid and phenyl-p-benzoquinone, and flinch induced by formalin in mice. Acetic acid and phenyl-p-benzoquinone induced significant writhing response over 20 min. The nociceptive response in these models were significantly and in a dose-dependent manner reduced by intrathecal pre-treatment with ERK (PD98059), JNK (SB600125), p38 (SB202190) or PI3K (wortmannin) inhibitors. Furthermore, the co-treatment with MAP kinase and PI3K inhibitors, at doses that were ineffective as single treatment, significantly inhibited acetic acid- and phenyl-p-benzoquinone-induced nociception. The treatment with microglia inhibitors minocycline and fluorocitrate also diminished the nociceptive response. Similar results were obtained in the formalin test. Concluding. MAP kinases and PI3K are important spinal signaling kinases in acetic acid and phenyl-p-benzoquinone models of overt pain-like behavior and there is also activation of spinal microglia indicating that it is also important to determine whether drugs tested in these models also modulate such spinal mechanisms. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

An experimental study of low-level laser therapy in rat Achilles tendon injury

The aim of this controlled animal study was to investigate the effect of low-level laser therapy (LLLT) administered 30 min after injury to the Achilles tendon. The study animals comprised 16 Sprague Dawley male rats divided in two groups. The right Achilles tendons were injured by blunt trauma using a mini guillotine, and were treated with LLLT or placebo LLLT 30 min later. The injury and LLLT procedures were then repeated 15 hours later on the same tendon. One group received active LLLT (lambda = 904 nm, 60 mW mean output power, 0.158 W/cm(2) for 50 s, energy 3 J) and the other group received placebo LLLT 23 hours after LLLT. Ultrasonographic images were taken to measure the thickness of the right and left Achilles tendons. Animals were then killed, and all Achilles tendons were tested for ultimate tensile strength (UTS). All analyses were performed by blinded observers. There was a significant increase in tendon thickness in the active LLLT group when compared with the placebo group (p < 0.05) and there were no significant differences between the placebo and uninjured left tendons. There were no significant differences in UTS between laser-treated, placebo-treated and uninjured tendons. Laser irradiation of the Achilles tendon at 0.158 W/cm(2) for 50 s (3 J) administered within the first 30 min after blunt trauma, and repeated after 15 h, appears to lead to edema of the tendon measured 23 hours after LLLT. The guillotine blunt trauma model seems suitable for inflicting tendon injury and measuring the effects of treatment on edema by ultrasonography and UTS. More studies are needed to further refine this model.

Endo-PDI is required for TNFα-induced angiogenesis

Protein disulfide isomerase (PDI) and its homologs are oxidoreductases facilitating protein folding in the ER. Endo-PDI (also termed ERp46) is highly expressed in endothelial cells. It belongs to the PDI family but its physiological function is largely unknown. We studied the role of Endo-PDI in endothelial angiogenic responses. Stimulation of human umbilical vein endothelial cells (with TNFα (10ng/ml) increased ERK1/2 phosphorylation. This effect was largely attenuated by Endo-PDI siRNA, whereas JNK and p38 MAP kinase phosphorylation was Endo-PDI independent. Similarly, TNFα-stimulated NF-κB signaling determined by IκBα degradation as well as TNFα-induced ICAM expression was unaffected by Endo-PDI siRNA. The action of Endo-PDI was not mediated by extracellular thiol exchange or cell surface PDI as demonstrated by nonpermeative inhibitors and PDI-neutralizing antibody. Moreover, exogenously added PDI failed to restore ERK1/2 activation after Endo-PDI knockdown. This suggests that Endo-PDI acts intracellularly potentially by maintaining the Ras/Raf/MEK/ERK pathway. Indeed, knockdown of Endo-PDI attenuated Ras activation measured by G-LISA and Raf phosphorylation. ERK activation influences gene expression by the transcriptional factor AP-1, which controls MMP-9 and cathepsin B, two proteases required for angiogenesis. TNFα-stimulated MMP-9 and cathepsin B induction was reduced by silencing of Endo-PDI. Accordingly, inhibition of cathepsin B or Endo-PDI siRNA blocked the TNFα-stimulated angiogenic response in the spheroid outgrowth assays. Moreover ex vivo tube formation and in vivo Matrigel angiogenesis in response to TNFα were attenuated by Endo-PDI siRNA. In conclusion, our study establishes Endo-PDI as a novel, important mediator of AP-1-driven gene expression and endothelial angiogenic function

Regulation der Sphingosinkinase 1 und 2 und der neutralen Ceramidase in renalen Mesangiumzellen der Ratte

In den letzten Jahren gewann die Erforschung des Sphingolipidstoffwechsels in den verschiedensten Zellsystemen immer mehr an Bedeutung, da es sich zeigte, dass einige Sphingolipidspezies, vor allem Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat, als wichtige intra- und extrazelluläre Botenstoffe wirken und bei einer Vielzahl unterschiedlicher zellulärer Antworten, wie Apoptose, Proliferation und Migration, eine wichtige Rolle spielen. Während Ceramid eher pro-apoptotisch und wachstumshemmend wirkt, begünstigt Sphingosin-1-Phosphat als „Gegenspieler“ eher die Proliferation und das Zellwachstum. Ceramid kann relativ schnell in Sphingosin-1-Phosphat umgewandelt werden durch die Wirkung zweier Enzymklassen, den Ceramidasen und den Sphingosinkinasen. Konsequenterweise ist die Regulation dieser Enzyme von entscheidender Bedeutung für das zelluläre Gleichgewicht zwischen Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Wirkung von extrazellulären Nukleotiden, die ebenfalls als Regulatoren zahlreicher zellulärer Antworten, wie z.B. Proliferation und Migration, bekannt sind und über entsprechende Oberflächenrezeptoren, die Purinrezeptoren, wirken, auf die Aktivität besonders der Sphingosinkinasen 1 und 2 näher untersucht. Es sollte geklärt werden, ob die Sphingosinkinasen an einigen durch extrazelluläre Nukleotide induzierbaren zellulären Antworten, in diesem Falle der Migration und der Proliferation von Zellen, beteiligt sind. Als Zellsystem wurden Nierenmesangiumzellen verwendet, da diese Zellen bei verschiedenen entzündlichen Nierenerkrankungen (Glomerulonephritiden) eine wichtige Rolle spielen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass extrazelluläre Nukleotide die Aktivität der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen stimulieren können. Zu beobachten ist dabei eine biphasische Aktivitätssteigerung der Sphingosinkinase 1. Die erste Aktivitätssteigerung nach einer Kurzzeitstimulation ist dabei auf eine Phosphorylierung des Enzyms zurückzuführen, während die zweite Aktivitätssteigerung mit einer Aktivierung des Sphingosinkinase 1-Promotors, einer verstärkten mRNA-Expression und einer de novo Proteinsynthese zu erklären ist. Diese Induktion kann durch die Verwendung von Hemmstoffen des PKC- und MAPK-Signalweges, sowie durch Verwendung eines Transkriptions- (Actinomycin D) oder eines Translationsinhibitors (Cycloheximid) blockiert werden. Die Halbwertszeit der mRNA der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen konnte auf ca. 20 Minuten bestimmt werden. Im Gegensatz dazu ist die Sphingosinkinase 2 nicht durch ATP aktivierbar, wohl aber durch diverse Abbauprodukte von ATP, wie AMP und Adenosin, sowie durch UTP und seine Abbauprodukten UDP und UMP. Die neutrale Ceramidase kann nicht durch ATP und UTP aktiviert werden, wohl aber durch P2X7-Rezeptoragonisten (Bz-ATP, αβ-Me-ATP, γS-ATP) und TPA. In einem zweiten Schritt wurde die Rolle der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase bei der durch extrazelluläre Nukleotide induzierten Migration und Proliferation untersucht. Es zeigte sich mit Hilfe von genspezifischer siRNA zur Depletion der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase, sowie durch Verwendung von Kinase-Hemmstoffen und damit einhergehend der Inhibierung der Signalwege und mit Hilfe von verschiedenen Zelllinien isoliert aus Wildtyp-, SPHK 1-überexprimierenden und mSPHK1-defizienten Mäusen, dass die Aktivierung der Sphingosinkinase 1 durch extrazelluläre Nukleotide von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen ist, jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Proliferationsrate der Mesangiumzellen hat. Auch die Aktivität der neutralen Ceramidase ist von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen. Durch Depletion der neutralen Ceramidase scheint Ceramid in den Zellen zu akkumulieren, was die Proliferationsrate reduziert. Für die Proliferation der Mesangiumzellen könnte die Sphingosinkinase 2 als negativer Regulator fungieren, wie die Experimente mit der genspezifischen siRNA unter UTP-Stimulation gezeigt haben. Für die Migration der Mesangiumzellen gilt darüber hinaus, dass auch das Produkt der Sphingosinkinase 1, Sphingosin-1-Phosphat, in der Lage ist, die Migration zu stimulieren. Im Gegensatz dazu spielt Sphingosin-1-Phosphat für die Induktion der Proliferation der hier verwendeten Zellen keine wesentliche Rolle. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass die Sphingosinkinase 1 und vorgeschaltet auch die neutrale Ceramidase bei der Migration von Mesangiumzellen eine zentrale Rolle spielen und damit als therapeutische Angriffspunkte bei der Behandlung von Krankheiten, die durch eine vermehrte Migration gekennzeichnet sind, in Frage kommen.

Die funktionelle Rolle von LRP1 in der tPA-vermittelten Aktivierung von NMDA-Rezeptoren

Das Low Density Lipoprotein Receptor-related Protein 1 (LRP1) scheint neben seiner ursprünglichen Rolle als Lipoproteinrezeptor auch eine fundamentale Rolle bei der Einleitung von Signaltransduktionskaskaden im sich entwickelnden Gehirn zu spielen. Einer seiner Hauptliganden ist die Serinprotease Tissue-type Plasminogen Aktivator (tPA), welche NMDA-Rezeptor-abhängig MAP Kinasenaktivierung induzieren kann. In dieser Studie sollte daher untersucht werden, ob LRP1 und der NMDA Rezeptor in der tPA-vermittelten Signaltransduktion miteinander kooperieren. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl LRP1 als auch der NMDA Rezeptor an der tPA-induzierten Erk1/2 Phosphorylierung beteiligt sind, da dieser Effekt mit den spezifischen Inhibitoren RAP, MK-801 und DL-AP5 blockiert werden konnte. Eine weitere Bestätigung der LRP1-Spezifität zeigte sich durch shRNA knock-down Experimente. Calcium Imaging Experimente ergaben, dass die Applikation von tPA sowohl in primären, hippokampalen Neuronen als auch in der neuronalen Zelllinie HT22 zu einem robusten Einstrom von Calcium in die Zelle führte, welcher mit dem NMDA Rezeptor Inhibitor MK-801 und dem LRP1 Inhibitor RAP blockiert werden konnte. RNAi Experimente und Überexpressionsstudien bestätigten die Beteiligung von PSD-95 als intrazelluläres Adapterprotein, welches die beiden Rezeptoren miteinander verbindet. Als Bindungsstelle für PSD-95 konnte mit Hilfe von LRP1 knock-in Mausneuronen die distale NPxY(2) Domäne am LRP1 C-Terminus identifiziert werden. Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese eines multimeren tPA-LRP1-NMDA Rezeptor Komplexes, der über die primäre Bindung von tPA an LRP1 aktiviert wird und anschließend das Signal an den NMDA Rezeptor weiterleitet. Somit weisen die Ergebnisse dieser Arbeit auf einen neuen, tPA-vermittelten Mechanismus zur Öffnung von Glutamatrezeptoren hin, der eine funktionelle Kooperation von dem Lipoproteinrezeptor LRP1 mit dem NMDA Rezeptor voraussetzt.

Identifizierung und Charakterisierung von Intermediärfilament-Organisatoren in Caenorhabditis elegans

Intermediärfilamente (IFs) sind neben Mikrotubuli und Aktinfilamenten die dritte filamentäre Komponente des Zytoskeletts. Sie wirken als mechanische Stabilisatoren, sind außerdem an Zelldifferenzierung, Proliferation und Apoptose beteiligt und tragen zu Zellpolarität bei. IFs sind dynamische Strukturen, die zelltypspezifisch in unterschiedlichen Anordnungen und Abundanzen vorkommen und von Signalkaskaden beeinflusst werden. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieser fein abgestimmten Prozesse sind weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit sollte deswegen ein Tiermodell entwickelt werden, um Regulatoren der IF-(Netzwerk)-Organisation in vivo zu untersuchen und zu identifizieren. Dazu wurde C. elegans ausgewählt, da es sich hierbei um einen genetisch gut charakterisierten und leicht manipulierbaren Organismus handelt, in dessen Genom elf Gene für zytoplasmatische IFs kodieren. Zunächst wurden stabil transgene C. elegans-Linien generiert, die fluoreszierende IFs exprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass das darmspezifische IFB-2::CFP im Bereich des apikalen Junktionskomplex verankert ist und nahezu vollständig im subapikalen Terminalgeflecht der Enterozyten lokalisiert, das als Teil der endotube besonders stabil und widerstandsfähig ist. Wenn diese Tiere mit dsRNA gegen das ebenfalls im Terminalgeflecht exprimierte IF ifc-2 behandelt wurden, entwickelten sich blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens, die auf eine Schwächung der rigiden und formgebenden endotube hinwiesen und damit einen direkten in vivo-Beweis für die stressprotektive Funktion des intestinalen IF-Netzwerks lieferten. Die leichte Detektierbarkeit des IFB-2::CFP-Musters wurde in einem optischen Screen ausgenutzt, bei dem nach chemischer Mutagenese nach Veränderungen im IF-Muster gefahndet wurde. Hierbei wurden drei Mutanten isoliert. In Komplementationsanalysen stellte sich heraus, dass es sich in zwei Fällen um Allele desselben Gens handelt. Die Identifizierung der betroffenen Gene gelang durch eine PCR-basierte Kartierung von single nucleotide polymorphisms nach Verpaarung mit dem Hawaii-Stamm (snp-mapping) und anschließender RNAi-Analyse der Einzelgene in den identifizierten Chromosomenabschnitten. Im einen Fall handelte es sich um das sma-5-Gen, einer Serin/Threonin-Kinase mit Homologie zu den MAP-Kinasen MAPK7/ERK5 der Säuger. Hier wurden, ebenso wie beim ifc-2 (RNAi)-Phänotyp, progressive blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens beobachtet. Die beiden anderen Allele tragen Mutationen in einem bisher nicht näher charakterisierten Gen. In diesen Würmern kommt es zu einem vollständigen Auflösung des IFB-2::CFP-Netzwerks mit prominenten Akkumulationen um die apikalen Junktionen. Das Darmlumen ist stellenweise geweitet und das elektronendichte Terminalgeflecht fehlt fast vollständig, die Integrität des Darmepithels ist jedoch nicht kompromittiert. Die anderen IFs des Terminalgeflechts sind ebenfalls fehlverteilt, und die intestinale Expression von Aktin ist stark reduziert. Expressionskonstrukte des Gens zeigten weiterhin, dass es darmspezifisch synthetisiert wird und mit den IFs im Terminalgeflecht kolokalisiert. Das Protein ist, ähnlich wie das IF-assoziierte Filaggrin der Säuger ausgesprochen histidinreich. Es enthält außerdem eine Prolin-reiche Domäne, die Teil einer potentiellen Aktin-Bindedomäne ist. Auf Grund all dieser Eigenschaften wird die Bezeichnung IFO-1 (intermediate filament organizer) für das neue Protein vorgeschlagen, das möglicherweise als struktureller Zytoskelett-Linker wirkt. Die vorgestellten Ergebnisse untermauern die Bedeutung von C. elegans für die Identifizierung von Faktoren, die IF-Netzwerke regulieren, und die Möglichkeit, Defekte im lebenden Gesamtorganismus zu bestimmen.

In-vivo-Tumorbiologie mittels 68 Ga-PET: Beurteilung der p-Glykoprotein-Aktivität in Weichgewebe-Tumoren sowie Diagnose und Therapie von Knochenmetastasen

Krebs ist eine der häufigsten Krankheiten und stellt eine der wichtigsten medizinischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Eine frühzeitige Diagnose ist dabei essentiell für eine individuell angepasste Therapie zur Verbesserung der Lebensqualität und -erwartung der Patienten. Hierbei kommen der 68Ge/68Ga-Generator und das daraus resultierende PET-Nuklid 68Ga immer stärker in den Fokus von Wissenschaft und Medizin. rnrnFür eine erfolgreiche Therapie stellt die Chemoresistenz (Multi-Drug-Resistance) zahlreicher Tumore eine schwerwiegende Komplikation dar. Für das Therapieversagen ist die Aktivierung des Transportproteins p-Glykoprotein (pGP) maßgeblich mit verantwortlich. Mit Hilfe der Schiff’schen Base [68Ga]MFL6.MZ konnte die Aktivitätsänderung von pGP unter verschiedener Beeinflussung erstmals in vivo beobachtet werden. So zeigte sich, dass sich unter azidotischen Bedingungen in Tumoren die Aktivität des pGP erhöht und somit vermehrt auch Zytostatika, die pGP-Substrate sind, aus den Tumoren transportiert werden. Durch Aufklärung der Abhängigkeit der pGP-Aktivität von dessen Signalkaskade konnte gezeigt werden, dass durch eine Blockade der MAP-Kinase p38 eine Erniedrigung der pGP-Aktivität zu verzeichnen ist. Die ebenfalls in der Signalkaskade eingebundene MAP-Kinase ERK1/2 hingegen spielt hier nur eine untergeordnete Rolle.rnrnNeben dem Versagen der Chemotherapie stellt auch die Metastasierung eines Malignoms massive Einschnitte in die Lebensqualität von Erkrankten dar. Befallen die Metastasen das Skelett eines Menschen, wird dies zumeist erst spät registriert. 68Ga-markierte Bisphosphonate bieten nun die Möglichkeit, Patienten quantitativ auf Knochenmetastasen hin untersuchen zu können. So konnten zu Beginn einfache Phosphonate wie EDTMP und DOTP nicht die nötige in vivo Stabilität bzw. hohe radiochemische Ausbeuten liefern und sind damit für die Anwendung am Menschen uninteressant. Jedoch die DOTA-basierten Bisphosphonate allen voran der Ligand BPAMD zeigen ein großes Potential. In vivo-Versuche an Ratten mit Knochenmetastasen zeigten, dass sich [68Ga]BPAMD an den Metastasen anreichert und einen sehr guten Kontrast zum gesunden Knochen darstellt. Der Tracer konnte erstmals am Menschen angewendet werden und zeigte in ausgewählten Regionen eine höhere Anreicherung als eine zuvor durchgeführte PET-Aufnahme mit [18F]Fluorid. Der Ligand BPAMD bietet außerdem den Vorteil, neben 68Ga auch andere dreiwertige Radionuklide wie das therapeutische 177Lu komplexieren zu können. Durch Studien zur Komplexbildung und Stabilität konnte auch [177Lu]BPAMD in der klinischen Anwendung erprobt werden und zeigte eine Anreicherung an den Knochenmetastasen. So ist es nun möglich, Knochenmetastasen mittels 68Ga-PET zu diagnostizieren, eine entsprechende Dosisberechnung anzustellen und anschließend mit dem gleichen Liganden eine Therapie mit [177Lu]BPAMD durchzuführen.

Molekulare Mechanismen Proteinkinase C-induzierter Nox4-Hochregulation in humanen Endothelzellen

Eine verstärkte Transkription von NADPH-Oxidasen (Nox) wird mit der Entstehung von atherosklerotischer Veränderungen in Verbindung gebracht. Die Arbeit unserer Gruppe zeigte, dass die Aktivität der Proteinkinase C (PKC) zu einer Nox4-Hochregulation führt, der dominanten NOX Isoform in endothelialen Zellen. Die vorliegende Arbeit zielte auf die Aufdeckung der dowm-stream gelegenen Mechanismen. Die Behandlung von humanen EA.hy 926-Zellen mit dem PKC Aktivator Phorbol-12-Myristat-13-Acetat (PMA) für 48 h führte in eine signifikante Nox4-mRNA-Hochregulation, welche mittels PKC-Inhibitoren oder PKC alpha siRNA abgewendet werden konnte. PMA führte zu einer andauernden Aktivierung der MAP-Kinase Erk1/2. Die PMA vermittelte Nox4-Expression konnte durch Erk1/2-Inhibitoren oder durch Erk1/2-Knock-down geblockt werden. Down-stream konnte die Involvierung der Erk1/2-Substarte Elk-1 und c-Fos mittels siRNA-Experimente gezeigt werden. Darüber hinaus blockte die Inhibierung der Histondeacetylasen (HDACs) mit Scriptaid oder durch HDAC3-Knock-down mittels siRNA die PMA-induzierte Nox4-Expression in EA.hy 926-Zellen, weswegen eine Rolle für HADC3 in der Regulation der Nox4-Expression angezeigt wurde. Abschließend reduzierte ein Knock-down von p53 (siRNA) deutlich die basale Expression von Nox4, hatte aber nur einen kleinen Effekt auf die PMA-induzierte Nox4-Expression. Zusammenfassend zeigen die Daten der vorliegenden Arbeit, dass in einer PKC alpha induzierten Nox4-mRNA-Hochregulation Erk1/2, Elk-1, cFos und HDAC3 involviert sind.

A model of the roles of essential kinases in the induction and expression of late long-term potentiation.

The induction of late long-term potentiation (L-LTP) involves complex interactions among second-messenger cascades. To gain insights into these interactions, a mathematical model was developed for L-LTP induction in the CA1 region of the hippocampus. The differential equation-based model represents actions of protein kinase A (PKA), MAP kinase (MAPK), and CaM kinase II (CAMKII) in the vicinity of the synapse, and activation of transcription by CaM kinase IV (CAMKIV) and MAPK. L-LTP is represented by increases in a synaptic weight. Simulations suggest that steep, supralinear stimulus-response relationships between stimuli (e.g., elevations in [Ca(2+)]) and kinase activation are essential for translating brief stimuli into long-lasting gene activation and synaptic weight increases. Convergence of multiple kinase activities to induce L-LTP helps to generate a threshold whereby the amount of L-LTP varies steeply with the number of brief (tetanic) electrical stimuli. The model simulates tetanic, -burst, pairing-induced, and chemical L-LTP, as well as L-LTP due to synaptic tagging. The model also simulates inhibition of L-LTP by inhibition of MAPK, CAMKII, PKA, or CAMKIV. The model predicts results of experiments to delineate mechanisms underlying L-LTP induction and expression. For example, the cAMP antagonist RpcAMPs, which inhibits L-LTP induction, is predicted to inhibit ERK activation. The model also appears useful to clarify similarities and differences between hippocampal L-LTP and long-term synaptic strengthening in other systems.

Regulation of mucin gene expression by CREB via a nonclassical retinoic acid signaling pathway.

Vitamin A and its metabolite retinoic acid (RA) are essential elements for normal lung development and the differentiation of lung epithelial cells. We previously showed that RA rapidly activated cyclic AMP response element-binding protein (CREB) in a nonclassical manner in normal human tracheobronchial epithelial (NHTBE) cells. In the present study, we further demonstrated that this nonclassical signaling of RA on the activation of CREB plays a critical role in regulating the expression of airway epithelial cell differentiation markers, the MUC2, MUC5AC, and MUC5B genes. We found that RA rapidly activates the protein kinase Calpha isozyme and transmits the activation signal to CREB via the Raf/MEK/extracellular signal-regulated kinase/p90 ribosomal S6 kinase (RSK) pathway. Activated RSK translocated from the cytoplasm to the nucleus, where it phosphorylates CREB. Activated CREB then binds to a cis-acting replication element motif on the promoter (at nucleotides [nt] -878 to -871) of the MUC5AC gene. The depletion of CREB using small interfering RNA abolished not only the RA-induced MUC5AC but also RA-induced MUC2 and MUC5B. Taken together, our findings demonstrate that CREB activation via this nonclassical RA signaling pathway may play an important role in regulating the expression of mucin genes and mediating the early biological effects of RA during normal mucous differentiation in NHTBE cells.

Phosphorylation in the regulation of muscle-specific transcription

The contents of this dissertation include studies on the mechanisms by which FGF and growth factor down-stream kinases inactivate myogenin; characterization of myogenin phosphorylation and its role in regulation of myogenin activity; analysis the C-terminal transcriptional activation domain of myogenin; studies on the nuclear localization of myogenin and characterization of proteins that interact with PKC.^ Activation of muscle transcription by the MyoD family requires their heterodimerization with ubiquitous bHLH proteins such as the E2A gene products E12 and E47. I have shown that dimerization with E2A products potentiates phosphorylation of myogenin at serine 43 in its amino-terminus and serine 170 in the carboxyl-terminal transcription activation domains. Mutations of these sites resulted in enhanced transcriptional activity of myogenin, suggesting that their phosphorylation diminishes myogenin's transcriptional activity. Consistent with the role of phosphorylation at serine 170, analysis of the carboxyl-terminal transcriptional activation domain by deletion has revealed a stretch of residues from 157 to 170 which functions as a negative element for myogenin activity.^ In addition to inducing phosphorylation of myogenin, E12 also localizes myogenin to the nucleus. The DNA binding and dimerization mutants of myogenin show various deficiencies in nuclear localization. Cotransfection of E12 with the DNA binding mutants, but not a dimerization mutant, greatly enhances their nuclear binding. These data suggest that the nuclear localization signal is located in the DNA binding region and myogenin can also be nuclear localized by virtue of dimerizing with a nuclear protein.^ FGF is one of the most potent inhibitors of myogenesis and activates many down-stream pathways to exert its functions. One of these pathway is the MAP kinase pathway. Studies have shown that Raf-1 and Erk-1 kinase inactivate transactivation by myogenin and E proteins independent of DNA binding. The other is the PKC pathway. In transfected cells, FGF induces phosphorylation of thr-87 that maps to the previously identified PKC sites in the DNA binding domain of myogenin. Myogenin mutant T-N87 could resist the inhibition directed to the bHLH domain by FGF, suggesting that FGF inactivates myogenin by inducing phosphorylation of this site. In C2 myotubes, where FGF receptors are lost, the phosphatase inhibitor, okadaic acid, and phorbal ester PdBu, can also induce the phosphorylation of thr-87. This result supports the previous observation and suggests that in myotubes, other mechanisms, such as innervation, may inactivate myogenin through PKC induced phosphorylation.^ Many functions of PKC have been well documented, yet, little is known about the activators or effectors of PKC or proteins that mediate PKC nuclear localizations. Identification of PKC binding proteins will help to understand the molecular mechanism of PKC function. Two proteins that interact with the C kinase (PICKS) have been characterized, PICK-1 and PICK-2. PICK1 interacts with two conserved regions in the catalytic domain of PKC. It is localized to the perinuclear region and is phosphorylated in response to PKC activation. PICK2 is a novel protein with homology to the heat shock protein family. It interacts extensively with the catalytic domain of PKC and is localized in the cytoplasm in a punctate pattern. PICK1 and PICK2 may play important roles in mediating the actions of PKC. ^