Increased fibroblast telomerase expression precedes myofibroblast alpha-smooth muscle actin expression in idiopathic pulmonary fibrosis

OBJECTIVE: This study sought to identify the relationship between fibroblast telomerase expression, myofibroblasts, and telomerase-mediated regulatory signals in idiopathic pulmonary fibrosis. METHODS: Thirty-four surgical lung biopsies, which had been obtained from patients with idiopathic pulmonary fibrosis and histologically classified as usual interstitial pneumonia, were examined. Immunohistochemistry was used to evaluate fibroblast telomerase expression, myofibroblast alpha-smooth muscle actin expression and the tissue expression of interleukin-4, transforming growth factor-beta, and basic fibroblast growth factor. The point-counting technique was used to quantify the expression of these markers in unaffected, collapsed, mural fibrosis, and honeycombing areas. The results were correlated to patient survival. RESULTS: Fibroblast telomerase expression and basic fibroblast growth factor tissue expression were higher in collapsed areas, whereas myofibroblast expression and interleukine-4 tissue expression were higher in areas of mural fibrosis. Transforming growth factor-beta expression was higher in collapsed, mural fibrosis and honeycombing areas in comparison to unaffected areas. Positive correlations were found between basic fibroblast growth factor tissue expression and fibroblast telomerase expression and between interleukin-4 tissue expression and myofibroblast alpha-smooth muscle actin expression. Negative correlations were observed between interleukin-4 expression and basic fibroblast growth factor tissue expression in areas of mural fibrosis. Myofibroblast alpha-smooth muscle actin expression and interleukin-4 tissue expression in areas of mural fibrosis were negatively associated with patient survival. CONCLUSION: Fibroblast telomerase expression is higher in areas of early remodeling in lung tissues demonstrating typical interstitial pneumonia, whereas myofibroblast alpha-smooth muscle actin expression predominates in areas of late remodeling. These events seem to be regulated by basic fibroblast growth factor and interleukin-4 tissue expression, respectively.

PTEN Directly Activates the Actin Depolymerization Factor Cofilin-1 During PGE(2)-Mediated Inhibition of Phagocytosis of Fungi

Macrophage ingestion of the yeast Candida albicans requires its recognition by multiple receptors and the activation of diverse signaling programs. Synthesis of the lipid mediator prostaglandin E-2 (PGE(2)) and generation of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) also accompany this process. Here, we characterized the mechanisms underlying PGE(2)-mediated inhibition of phagocytosis and filamentous actin (F-actin) polymerization in response to ingestion of C. albicans by alveolar macrophages. PGE(2) suppressed phagocytosis and F-actin formation through the PGE(2) receptors EP2 and EP4, cAMP, and activation of types I and II protein kinase A. Dephosphorylation and activation of the actin depolymerizing factor cofilin-1 were necessary for these inhibitory effects of PGE(2). PGE(2)-dependent activation of cofilin-1 was mediated by the protein phosphatase activity of PTEN (phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10), with which it directly associated. Because enhanced production of PGE(2) accompanies many immunosuppressed states, the PTEN-dependent pathway described here may contribute to impaired antifungal defenses.

Real-time PCR assay targeting the actin gene for the detection of Cryptosporidium parvum in calf fecal samples

Cryptosporidium parvum infection is very important with respect to public health, owing to foodborne and waterborne outbreaks and gastrointestinal illness in immunocompetent and immunocompromised persons. In cattle, infection with this species manifests either as a subclinical disease or with diarrheal illness, which occurs more often in the presence of other infectious agents than when alone. The aim of this study was to develop a real-time polymerase chain reaction (PCR) assay for the detection of C. parvum in calf fecal samples and to compare the results of this assay with those of the method routinely used for the diagnosis of Cryptosporidium spp., nested PCR targeting the 18S rRNA gene. Two hundred and nine fecal samples from calves ranging in age from 1 day to 6 months were examined using real-time PCR specific for the actin gene of C. parvum and by a nested PCR targeting the 18S rRNA gene of Cryptosporidium spp. Using real-time PCR detection, 73.2% (153 out of 209) of the samples were positive for C. parvum, while 56.5% (118 out of 209) of the samples were positive for Cryptosporidium spp. when the nested PCR amplification method was used for the detection. The analytical sensitivity of the real-time PCR was approximately one C. parvum oocyst. There was no significant nonspecific DNA amplification of any of the following species and genotype: Cryptosporidium andersoni, Cryptosporidium baileyi, Cryptosporidium bovis, Cryptosporidium canis, Cryptosporidium galli, Cryptosporidium ryanae, Cryptosporidium serpentis, or avian genotype II. Thus, we conclude that real-time PCR targeting the actin gene is a sensitive and specific method for the detection of C. parvum in calf fecal samples.

Comparison of the Neutrophil Proteome in Trauma Patients and Normal Controls

Background: Neutrophils have an impressive array of microbicidal weapons, and in the presence of a pathogen, progress from a quiescent state in the bloodstream to a completely activated state. Failure to regulate this activation, for example, when the blood is flooded with cytokines after severe trauma, causes inappropriate neutrophil activation that paradoxically, is associated with tissue and organ damage. Acidic proteomic maps of quiescent human neutrophils were analyzed and compared to those of activated neutrophils from severe trauma patients. The analysis revealed 114 spots whose measured volumes differed between activated and quiescent neutrophils, with 27 upregulated and 87 downregulated in trauma conditions. Among the identified proteins, grancalcin, S100-A9 and CACNB2 reinforce observed correlations between motility and ion flux, ANXA3, SNAP, FGD1 and Zfyve19 are involved in vesicular transport and exocytosis, and GSTP1, HSPA1 HSPA1L, MAOB, UCH-L5, and PPA1 presented evidence that activated neutrophils may have diminished protection against oxidative damage and are prone to apoptosis. These are discussed, along with proteins involved in cytoskeleton reorganization, reactive oxygen species production, and ion flux. Proteins such as Zfyve19, MAOB and albumin-like protein were described for the first time in the neutrophil. In this work we achieved the identification of several proteins potentially involved in inflammatory signaling after trauma, as well as proteins described for the first time in neutrophils.

Mutation Spectrum in the Large GTPase Dynamin 2, and Genotype-Phenotype Correlation in Autosomal Dominant Centronuclear Myopathy

Centronuclear myopathy (CNM) is a genetically heterogeneous disorder associated with general skeletal muscle weakness, type I fiber predominance and atrophy, and abnormally centralized nuclei. Autosomal dominant CNM is due to mutations in the large GTPase dynamin 2 (DNM2), a mechanochemical enzyme regulating cytoskeleton and membrane trafficking in cells. To date, 40 families with CNM-related DNM2 mutations have been described, and here we report 60 additional families encompassing a broad genotypic and phenotypic spectrum. In total, 18 different mutations are reported in 100 families and our cohort harbors nine known and four new mutations, including the first splice-site mutation. Genotype-phenotype correlation hypotheses are drawn from the published and new data, and allow an efficient screening strategy for molecular diagnosis. In addition to CNM, dissimilar DNM2 mutations are associated with Charcot-Marie-Tooth (CMT) peripheral neuropathy (CMTD1B and CMT2M), suggesting a tissue-specific impact of the mutations. In this study, we discuss the possible clinical overlap of CNM and CMT, and the biological significance of the respective mutations based on the known functions of dynamin 2 and its protein structure. Defects in membrane trafficking due to DNM2 mutations potentially represent a common pathological mechanism in CNM and CMT. Hum Mutat 33: 949-959, 2012. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Cinnamic acid induces apoptotic cell death and cytoskeleton disruption in human melanoma cells

Anticancer activities of cinnamic acid derivatives include induction of apoptosis by irreversible DNA damage leading to cell death. The present work aimed to compare the cytotoxic and genotoxic potential of cinnamic acid in human melanoma cell line (HT-144) and human melanocyte cell line derived from blue nevus (NGM). Viability assay showed that the IC50 for HT-144 cells was 2.4 mM, while NGM cells were more resistant to the treatment. The growth inhibition was probably associated with DNA damage leading to DNA synthesis inhibition, as shown by BrdU incorporation assay, induction of nuclear aberrations and then apoptosis. The frequency of cell death caused by cinnamic acid was higher in HT-144 cells. Activated-caspase 3 staining showed apoptosis after 24 hours of treatment with cinnamic acid 3.2 mM in HT-144 cells, but not in NGM. We observed microtubules disorganization after cinnamic acid exposure, but this event and cell death seem to be independent according to M30 and tubulin labeling. The frequency of micronucleated HT-144 cells was higher after treatment with cinnamic acid (0.4 and 3.2 mM) when compared to the controls. Cinnamic acid 3.2 mM also increased the frequency of micronucleated NGM cells indicating genotoxic activity of the compound, but the effects were milder. Binucleation and multinucleation counting showed similar results. We conclude that cinnamic acid has effective antiproliferative activity against melanoma cells. However, the increased frequency of micronucleation in NGM cells warrants the possibility of genotoxicity and needs further investigation.

Increased fibroblast telomerase expression precedes myofibroblast α-smooth muscle actin expression in idiopathic pulmonary fibrosis

OBJECTIVE: This study sought to identify the relationship between fibroblast telomerase expression, myofibroblasts, and telomerase-mediated regulatory signals in idiopathic pulmonary fibrosis. METHODS: Thirty-four surgical lung biopsies, which had been obtained from patients with idiopathic pulmonary fibrosis and histologically classified as usual interstitial pneumonia, were examined. Immunohistochemistry was used to evaluate fibroblast telomerase expression, myofibroblast α-smooth muscle actin expression and the tissue expression of inter leu kin-4, transforming growth factor-β, and basic fibroblast growth factor. The point-counting technique was used to quantify the expression of these markers in unaffected, collapsed, mural fibrosis, and honeycombing areas. The results were correlated to patient survival. RESULTS: Fibroblast telomerase expression and basic fibroblast growth factor tissue expression were higher in collapsed areas, whereas myofibroblast expression and interleukine-4 tissue expression were higher in areas of mural fibrosis. Transforming growth factor-β expression was higher in collapsed, mural fibrosis and honeycombing areas in comparison to unaffected areas. Positive correlations were found between basic fibroblast growth factor tissue expression and fibroblast telomerase expression and between interleukin-4 tissue expression and myofibroblast α-smooth muscle actin expression. Negative correlations were observed between interleukin-4 expression and basic fibroblast growth factor tissue expression in areas of mural fibrosis. Myofibroblast α-smooth muscle actin expression and interleukin-4 tissue expression in areas of mural fibrosis were negatively associated with patient survival. CONCLUSION: Fibroblast telomerase expression is higher in areas of early remodeling in lung tissues demonstrating typical interstitial pneumonia, whereas myofibroblast α-smooth muscle actin expression predominates in areas of late remodeling. These events seem to be regulated by basic fibroblast growth factor and interleukin-4 tissue expression, respectively.

Quantification of cellular action fibers alignment from confocal microscopic images.

The cellular rheology has recently undergone a rapid development with particular attention to the cytoskeleton mechanical properties and its main components - actin filaments, intermediate filaments, microtubules and crosslinked proteins. However it is not clear what are the cellular structural changes that directly affect the cell mechanical properties. Thus, in this work, we aimed to quantify the structural rearrangement of these fibers that may emerge in changes in the cell mechanics. We created an image analysis platform to study smooth muscle cells from different arteries: aorta, mammary, renal, carotid and coronary and processed respectively 31, 29, 31, 30 and 35 cell image obtained by confocal microscopy. The platform was developed in Matlab (MathWorks) and it uses the Sobel operator to determine the actin fiber image orientation of the cell, labeled with phalloidin. The Sobel operator is used as a filter capable of calculating the pixel brightness gradient, point to point, in the image. The operator uses vertical and horizontal convolution kernels to calculate the magnitude and the angle of the pixel intensity gradient. The image analysis followed the sequence: (1) opens a given cells image set to be processed; (2) sets a fix threshold to eliminate noise, based on Otsu's method; (3) detect the fiber edges in the image using the Sobel operator; and (4) quantify the actin fiber orientation. Our first result is the probability distribution II(Δθ) to find a given fiber angle deviation (Δθ) from the main cell fiber orientation θ0. The II(Δθ) follows an exponential decay II(Δθ) = Aexp(-αΔθ) regarding to its θ0. We defined and determined a misalignment index α of the fibers of each artery kind: coronary αCo = (1.72 ‘+ or =’ 0.36)rad POT -1; renal αRe = (1.43 + or - 0.64)rad POT -1; aorta αAo = (1.42 + or - 0.43)rad POT -1; mammary αMa = (1.12 + or - 0.50)rad POT -1; and carotid αCa = (1.01 + or - 0.39)rad POT -1. The α of coronary and carotid are statistically different (p < 0.05) among all analyzed cells. We discussed our results correlating the misalignment index data with the experimental cell mechanical properties obtained by using Optical Magnetic Twisting Cytometry with the same group of cells.

Neuronal differentiation and epithelial integrity: the role of Drosophila Short stop

The nervous system is the most complex organ in animals and the ordered interconnection of neurons is an essential prerequisite for normal behaviour. Neuronal connectivity requires controlled neuronal growth and differentiation. Neuronal growth essentially depends on the actin and microtubule cytoskeleton, and it has become increasingly clear, that crosslinking of these cytoskeletal fractions is a crucial regulatory process. The Drosophila Spectraplakin family member Short stop (Shot) is such a crosslinker and is crucial for several aspects of neuronal growth. Shot comprises various domains: An actin binding domain, a plakin-like domain, a rod domain, calcium responsive EF-hand motifs, a microtubule binding Gas2 domain, a GSR motif and a C-terminal EB1aff domain. Amongst other phenotypes, shot mutant animals exhibit severely reduced dendrites and neuromuscular junctions, the subcellular compartmentalisation of the transmembrane protein Fasciclin2 is affected, but it is also crucially required in other tissues, for example for the integrity of tendon cells, specialised epidermal cells which anchor muscles to the body wall. Despite these striking phenotypes, Shot function is little understood, and especially we do not understand how it can carry out functions as diverse as those described above. To bridge this gap, I capitalised on the genetic possibilities of the model system Drosophila melanogaster and carried out a structure-function analysis in different neurodevelopmental contexts and in tendon cells. To this end, I used targeted gene expression of existing and newly generated Shot deletion constructs in Drosophila embryos and larvae, analyses of different shot mutant alleles, and transfection of Shot constructs into S2 cells or cultured fibroblasts. My analyses reveal that a part of the Shot C-terminus is not essential in the nervous system but in tendon cells where it stabilises microtubules. The precise molecular mechanism underlying this activity is not yet elucidated but, based on the findings presented here, I have developed three alternative testable hypothesis. Thus, either binding of the microtubule plus-end tracking molecule EB1 through an EB1aff domain, microtubulebundling through a GSR rich motif or a combination of both may explain a context-specific requirement of the Shot C-terminus for tendon cell integrity. Furthermore, I find that the calcium binding EF-hand motif in Shot is exclusively required for a subset of neuronal functions of Shot but not in the epidermal tendon cells. These findings pave the way for complementary studies studying the impact of [Ca2+] on Shot function. Besides these differential requirements of Shot domains I find, that most Shot domains are required in the nervous system and tendon cells alike. Thus the microtubule Gas2 domain shows no context specific requirements and is equally essential in all analysed cellular contexts. Furthermore, I could demonstrate a partial requirement of the large spectrin-repeat rod domain of Shot in neuronal and epidermal contexts. I demonstrate that this domain is partially required in processes involving growth and/or tissue stability but dispensable for cellular processes where no mechanical stress resistance is required. In addition, I demonstrate that the CH1 domain a part of the N-terminal actin binding domain of Shot is only partially required for all analysed contexts. Thus, I conclude that Shot domains are functioning different in various cellular environments. In addition my study lays the base for future projects, such as the elucidation of Shot function in growth cones. Given the high degree of conservation between Shot and its mammalian orthologues MACF1/ACF7 and BPAG1, I believe that the findings presented in this study will contribute to the general understanding of spectraplakins across species borders.

Entstehung und Dynamik des Keratinfilament-Netzwerks

Das zytoplasmatische Zytoskelett besteht aus drei Filamentsystemen, die aus Aktin, Tubulin und Intermediärfilamentproteinen aufgebaut sind und dreidimensionale Netzwerke ausbilden. Das Intermediärfilamentsystem, dem vor allem mechanische Stabilisierungsfunktionen zugesprochen werden, unterscheidet sich von den anderen durch seine Fähigkeit, spontan aus seinen Polypeptiduntereinheiten ohne weitere Kofaktoren zu polymerisieren und durch seinen unpolaren Aufbau. Es ist bis heute unbekannt, wie Intermediärfilamentnetzwerke in vivo moduliert werden und wie ihre Anordnung in den Kontext des Gesamtzytoskeletts koordiniert wird. Am Beispiel der epithelialen Intermediärfilamentproteine, den Keratinen, sollte daher untersucht werden, wie und wo neue Intermediärfilamente entstehen, welche Bedeutung den anderen Filamentsystemen bei dem Netzwerkaufbau und –Turn-Over zukommen und wie die Netzwerkbildung gesteuert wird. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Zellklone hergestellt, die fluoreszierende Keratine synthetisieren. In der Zelllinie SK8/18-2, deren gesamtes Netzwerk aus derartigen Chimären aufgebaut ist, konnten anhand von mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen der Fluoreszenzmuster Keratinfilamentvorläufer (KFP) identifiziert und deren Dynamik direkt in lebenden Zellen verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die KFP in einem Plasmamembran-nahen Bereich entstehen, in dem sie zuerst als punktförmige Partikel detektiert werden. Nach einer initialen, sphäroidalen Wachstumsphase elongieren die Partikel zu kleinen Filamentstückchen. Diese können miteinander fusionieren und werden über ihre Enden in das periphere Netzwerk integriert. Der Wachstumsprozess ist gekoppelt an eine kontinuierliche, langsame Bewegung in Richtung auf das Zellzentrum. Diese Motilität sistiert vollständig nach pharmakologisch induziertem Abbau der Aktinfilamente. In Zeitraffer-aufnahmen kann jedoch in derartig behandelten Zellen ein wesentlich schnellerer Transport, der in verschiedene Richtungen verläuft und durch lange Ruhephasen unterbrochen wird, beobachtet werden. Dieser Modus, der gelegentlich auch in unbehandelten Zellen gefunden wurde, ist abhängig von intakten Mikrotubuli. Erst durch Zerstörung der Aktinfilamente und der Mikrotubuli erlischt die Motilität der KFPs vollständig. Bei der Suche nach Regulatoren der Keratinnetzwerkbildung wurde die p38 MAPK als zentraler Faktor identifiziert. Erstmals konnte eine direkte räumliche und zeitliche Korrelation zwischen einer spezifischen Enzymaktivität durch Nachweis der phosphorylierten p38 MAPK, der daraus folgenden Phosphorylierung eines Keratins, hier Serin 73 des Keratin 8, und der daraus resultierenden Veränderung des Netzwerkaufbaus, d. h. der Ausbildung von Keratingranula, nachgewiesen werden. Diese koordinierten Veränderungen wurden in unterschiedlichen Stresssituationen in verschiedenen Zellsystemen und in Zellen mit mutierten Keratinen beobachtet. Genetische (shRNA) und pharmakologische Manipulationen der p38 MAPK-Aktivität deuten auf einen engen kausalen Zusammenhang hin.

Atomic force microscopy of biomimetic systems

This thesis was driven by the ambition to create suitable model systems that mimic complex processes in nature, like intramolecular transitions, such as unfolding and refolding of proteins, or intermolecular interactions between different cell compo-nents. Novel biophysical approaches were adopted by employing atomic force mi-croscopy (AFM) as the main measurement technique due to its broad diversity. Thus, high-resolution imaging, adhesion measurements, and single-molecule force distance experiments were performed on the verge of the instrumental capabilities. As first objective, the interaction between plasma membrane and cytoskeleton, me-diated by the linker protein ezrin, was pursued. Therefore, the adsorption process and the lateral organization of ezrin on PIP2 containing solid-supported membranes were characterized and quantified as a fundament for the establishment of a biomimetic model system. As second component of the model system, actin filaments were coated on functionalized colloidal probes attached on cantilevers, serving as sensor elements. The zealous endeavor of creating this complex biomimetic system was rewarded by successful investigation of the activation process of ezrin. As a result, it can be stated that ezrin is activated by solely binding to PIP2 without any further stimulating agents. Additional cofactors may stabilize and prolong the active conformation but are not essentially required for triggering ezrin’s transformation into an active conformation. In the second project, single-molecule force distance experiments were performed on bis-loop tetra-urea calix[4]arene-catenanes with different loading rates (increase in force per second). These macromolecules were specifically designed to investigate the rupture and rejoining mechanism of hydrogen bonds under external load. The entangled loops of capsule-like molecules locked the unbound state of intramolecular hydrogen bonds mechanically, rendering a rebinding observable on the experimental time scale. In conjunction with Molecular Dynamics simulations, a three-well potential of the bond rupture process was established and all kinetically relevant parameters of the experiments were determined by means of Monte Carlo simulations and stochastic modeling. In summary, it can be stated that atomic force microscopy is an invaluable tool to scrutinize relevant processes in nature, such as investigating activation mechanisms in proteins, as shown by analysis of the interaction between F-actin and ezrin, as well as exploring fundamental properties of single hydrogen bonds that are of paramount interest for the complete understanding of complex supramolecular structures.

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.

Untersuchungen des Keratinfilament-Turnovers in lebenden Zellen

Das Zytoskelett eukaryotischer Zellen besteht aus drei verschiedenen Protein-Netzwerken: den Aktinfilamenten, Mikrotubuli und Intermediärfilamenten. Intermediärfilamente wurden ursprünglich als statische Strukturen angesehen, die die mechanische Stabilisierung der Zellen übernehmen. In den letzten Jahren hat sich dieses Bild jedoch geändert: Intermediärfilament-Netzwerke sind hochdynamisch und unterliegen kontinuierlichen Veränderungen, welche durch Phosphorylierungen reguliert werden. Sie interagieren mit anderen Zytoskelett-Proteinen und greifen in die Regulation von Schlüsselsignalwegen, die Zellwachstum und Zellteilung sowie Apoptose und Stressantwort bestimmen, ein. Die Mechanismen der Filamentplastizität konnten bisher jedoch nicht vollständig aufgeklärt werden. So ist beispielsweise unklar, wo Auf- und Abbau der Filamente stattfindet und welche Faktoren an der Netzwerkmodulation beteiligt sind. Ziel meiner Arbeit war es, einen Beitrag zur Aufklärung dieser Mechanismen am Beispiel der epithelialen Keratin-Intermediärfilamente zu leisten. Mit Hilfe von mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen von fluoreszenzmarkierten Zellklonen wurden Nukleationszentren in der Zellperipherie identifiziert, in denen Keratinfilamentvorläufer gebildet werden. Es handelt sich dabei um fokale Adhäsionskomplexe, die als Anheftungsstellen zwischen der extrazellulären Matrix und dem intrazellulären Aktinfilament-System dienen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Filamentvorläufer-Entstehung für alle untersuchten Keratinisoformen gültig ist und in epitelialen als auch nicht-epithelialen Zelltypen abläuft. Knock-Down der Adhäsionskomponente Talin verhinderte die Keratinfilamentbildung. Modulation der fokalen Adhäsionskinase, die den Auf- und Abbau der Adhäsionskomplexe koordiniert, beeinflusste ebenso die Bildung der Keratinfilamentnetzwerke. Es konnte weiterhin beobachtet werden, dass die N-terminalen Isoformen IE und IF des Zytolinkers Plectin in fokalen Adhäsionen lokalisieren und damit möglicherweise an der Vernetzung von Keratinfilamentvorläufern, Zelladhäsionen und Aktinfilamenten beteiligt sind. Letztlich stellte sich heraus, dass die Bildung der Keratinfilamentvorläufer unabhängig von Proteintranslation ist. In den mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen wurde im Anschluss an die Keratinfilamentbildung ein kontinuierlicher zentripetaler Transport der wachsenden Vorläuferpartikel beobachtet. An Hand von pharmakologischen Experimenten konnte gezeigt werden, dass dieser Transport Aktinfilament-abhängig ist. Zeitgleich kommt es zu Partikelfusion und Integration in das periphere Netzwerk, das sich weiterhin in Richtung auf das Zellzentrum bewegt. Mit Hilfe von Photoaktivierungsversuchen und Zellfusionsexperimenten konnte die Hypothese bestätigt werden, dass der Abbau der einwandernden Keratinfilamente in lösliche, rasch diffusible Zwischenstufen den kontinuierlichen peripheren Neuaufbau ermöglicht. Aus den Beobachtungen und bereits bekannten Ergebnissen wurde ein Modell des Keratin-Zyklus entwickelt, das die folgenden Stadien umfasst: Nukleation von Keratinfilamentvorläufern an fokalen Adhäsionen in der Zellperipherie, Elongation und Fusion der Keratinfilamentvorläufer bei zeitgleichem Aktinfilament-abhängigem zentripetalen Transport, Integration der Keratinfilamentvorläufer in das periphere Netzwerk, Bündelung der Filamente, Filamentabbau in lösliche Untereinheiten und Neubeginn des Zyklus in der Zellperipherie. Eine Störung dieses Zyklus liegt bei mutierten Keratinen vor, welche die Ursache von Blasen-bildenden Hauterkrankungen sind. In der vorliegenden Arbeit wurde am Beispiel von Keratin 6a-Mutanten, welche die Hauterkrankung Pachyonychia congenita verursachen, gezeigt, dass bei diesen Keratinen die Nukleation zwar im Bereich der Adhäsionskomplexe regelrecht abläuft, die anschließende Elongation und Netzwerkbildung aber gestört ist, so dass statt dessen kurzlebige, hyperphosphorylierte Granula entstehen. Der resultierende frustrane Keratin-Zyklus in der Zellperipherie ist stark beschleunigt und kann durch p38-Inhibierung gestoppt werden. Bei Proteasomeninhibierung wird der Zyklus in Richtung der Granulabildung verschoben. In dieser Arbeit wird erstmals das Keratin-Tretmühlen-Modell vorgestellt, das den regulierbaren Auf- und Abbau-Zyklus des Keratinnetzwerks beschreibt. Damit liegen testbare Hypothesen für die Aufklärung der Keratinfilament-Plastizität in physiologischen und pathologischen Situationen vor, die nach unseren ersten Ergebnissen auch von Relevanz für andere Intermediärfilamenttypen sind.

Mapping the elastic response of epithelial apical cell membranes suspended across porous array

As the elastic response of cell membranes to mechanical stimuli plays a key role in various cellular processes, novel biophysical strategies to quantify the elasticity of native membranes under physiological conditions at a nanometer scale are gaining interest. In order to investigate the elastic response of apical membranes, elasticity maps of native membrane sheets, isolated from MDCK II (Madine Darby Canine kidney strain II) epithelial cells, were recorded by local indentation with an Atomic Force Microscope (AFM). To exclude the underlying substrate effect on membrane indentation, a highly ordered gold coated porous array with a pore diameter of 1.2 μm was used to support apical membranes. Overlays of fluorescence and AFM images show that intact apical membrane sheets are attached to poly-D-lysine coated porous substrate. Force indentation measurements reveal an extremely soft elastic membrane response if it is indented at the center of the pore in comparison to a hard repulsion on the adjacent rim used to define the exact contact point. A linear dependency of force versus indentation (-dF/dh) up to 100 nm penetration depth enabled us to define an apparent membrane spring constant (kapp) as the slope of a linear fit with a stiffness value of for native apical membrane in PBS. A correlation between fluorescence intensity and kapp is also reported. Time dependent hysteresis observed with native membranes is explained by a viscoelastic solid model of a spring connected to a Kelvin-Voight solid with a time constant of 0.04 s. No hysteresis was reported with chemically fixated membranes. A combined linear and non linear elastic response is suggested to relate the experimental data of force indentation curves to the elastic modulus and the membrane thickness. Membrane bending is the dominant contributor to linear elastic indentation at low loads, whereas stretching is the dominant contributor for non linear elastic response at higher loads. The membrane elastic response was controlled either by stiffening with chemical fixatives or by softening with F-actin disrupters. Overall, the presented setup is ideally suitable to study the interactions of the apical membrane with the underlying cytoskeleton by means of force indentation elasticity maps combined with fluorescence imaging.

Dynamics of epithelial monolayers assessed by acoustic and impedimetric whole cell biosensors

Mit der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit wurde die detailierten Analyse von Migrationsdynamiken epithelilaler Monolayer anhand zweier neuartiger in vitro Biosensoren verfolgt, der elektrischen Zell-Substrat Impedanz Spektroskopie (electrical cell-substrate impedance sensing, ECIS) sowie der Quarz Kristall Mikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM). Beide Methoden erwiesen sich als sensitiv gegenüber der Zellmotilität und der Nanozytotoxizität.rnInnerhalb des ersten Projektes wurde ein Fingerprinting von Krebszellen anhand ihrer Motilitätsdynamiken und der daraus generierten elektrischen oder akkustischen Fluktuationen auf ECIS oder QCM Basis vorgenommen; diese Echtzeitsensoren wurdene mit Hilfe klassicher in vitro Boyden-Kammer Migrations- und Invasions-assays validiert. Fluktuationssignaturen, also Langzeitkorrelationen oder fraktale Selbstähnlichkeit aufgrund der kollektiven Zellbewegung, wurden über Varianz-, Fourier- sowie trendbereinigende Fluktuationsanalyse quantifiziert. Stochastische Langzeitgedächtnisphänomene erwiesen sich als maßgebliche Beiträge zur Antwort adhärenter Zellen auf den QCM und ECIS-Sensoren. Des weiteren wurde der Einfluss niedermolekularer Toxine auf die Zytoslelettdynamiken verfolgt: die Auswirkungen von Cytochalasin D, Phalloidin und Blebbistatin sowie Taxol, Nocodazol und Colchicin wurden dabei über die QCM und ECIS Fluktuationsanalyse erfasst.rnIn einem zweiten Projektschwerpunkt wurden Adhäsionsprozesse sowie Zell-Zell und Zell-Substrat Degradationsprozesse bei Nanopartikelgabe charackterisiert, um ein Maß für Nanozytotoxizität in Abhangigkeit der Form, Funktionalisierung Stabilität oder Ladung der Partikel zu erhalten.rnAls Schlussfolgerung ist zu nennen, dass die neuartigen Echtzeit-Biosensoren QCM und ECIS eine hohe Zellspezifität besitzen, auf Zytoskelettdynamiken reagieren sowie als sensitive Detektoren für die Zellvitalität fungieren können.