Étude du rôle de l’auto-antigène nucléaire centromérique B (CENP-B) et des auto-anticorps anti-CENP-B dans l’activation des cellules musculaires lisses vasculaires : implication potentielle dans la pathophysiologie de la sclérose systémique

La sclérose systémique (ScS) est une maladie auto-immune dont l’un des principaux auto-anticorps, dirigé contre la protéine centromérique B (CENP-B), est fortement associé à l’hypertension artérielle pulmonaire, l’une des causes majeures de décès dû à la ScS. L’hypertension résulte de l’occlusion progressive des vaisseaux suite à une hyperactivation des cellules musculaires lisses (CML) de la paroi vasculaire. Cependant, les facteurs responsables de ce remodelage vasculaire restent inconnus. Plusieurs études récentes ont démontré que certains auto-antigènes possèdent des fonctions biologiques additionnelles lorsqu'ils se retrouvent dans le milieu extracellulaire. En effet, une fois libérés par nécrose ou apoptose, ces auto-antigènes adoptent une activité biologique qui s'apparente à celles des cytokines et peuvent ainsi participer aux processus normaux de réparation de blessure et/ou acquérir une activité pathogène qui contribue au développement de certaines maladies auto-immunes. Nos résultats suggèrent que la CENP-B peut être ajoutée à cette liste de molécules bifonctionnelles. À l'aide des techniques d'immunofluorescence, d'ELISA cellulaire et de cytométrie en flux, nous avons démontré que la CENP-B se liait spécifiquement à la surface des CML vasculaire de l’artère pulmonaire avec une plus grande affinité pour le phénotype contractile que synthétique. Cette liaison provoquait la migration des cellules ainsi que la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires telles que l’interleukine 6 et 8. Les mécanismes par lesquels la protéine exerçait ces effets impliquaient la phosphorylation de FAK et Src ainsi que la voie des MAP kinases, avec ERK1/2 et p38. Des études de signalisation intracellulaire effectuées à l’aide de plusieurs inhibiteurs spécifiques ainsi que des études de désensibilisation nous ont permis d’identifier le récepteur de la CENP-B en plus d’identifier les mécanismes complets de sa signalisation membranaire. Nous avons démontré que la CENP-B se liait de manière spécifique aux CML vasculaire via le récepteur de chémokine 3 (CCR3) pour ensuite transactiver le récepteur EGF, selon un mécanisme métalloprotéase-dépendant qui implique le relargage du HB-EGF. Cette transactivation est un processus important dans l’activation de la voie des MAP kinases ainsi que dans la sécrétion d’IL-8 induite par la CENP-B. Finalement, nous avons démontré que les auto-anticorps anti-CENP-B pouvaient abolir cette cascade de signalisation, empêchant ainsi la CENP-B d’exercer son rôle de cytokine. L’identification de la CENP-B comme ligand du CCR3 ouvre donc plusieurs perspectives quant à l’étude du rôle pathogène des auto-anticorps anti-CENP-B dans la ScS.

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Mechanisms of internalization and recycling of the chemokine receptor, CCR5

CCR5 is a G protein-coupled receptor that binds several natural chemokines but it is also a coreceptor for the entry of M tropic strains of HIV-1 into cells. Levels of CCR5 on the cell surface are important for the rate of HIV-1 infection and are determined by a number of factors including the rates of CCR5 internalization and recycling. Here we investigated the involvement of the actin cytoskeleton in the control of ligand-induced internalization and recycling of CCR5. Cytochalasin D, an actin depolymerizing agent, inhibited chemokine-induced internalization of CCR5 and recycling of the receptor in stably transfected CHO cells and in the monocytic cell line, THP-1. CCR5 internalization and recycling were inhibited by Toxin B and C-3 exoenzyme treatment in CHO and THP-1 cells, confirming activation of members of the RhoGTPase family by CCR5. The specific Rho kinase inhibitor Y27632, however, had no effect on CCR5 internalization or recycling. Ligand-induced activation of CCR5 leads to Rho kinase-dependent formation of focal adhesion complexes. These data indicate that CCR5 internalization and recycling are regulated by actin polymerization and activation of small G proteins in a Rho-dependent manner.

Delayed local inflammatory response induced by Thalassophryne nattereri venom is related to extracellular matrix degradation

Symptoms evoked by Thalassophryne nattereri fish envenomation include local oedema, severe pain and intense necrosis with strikingly inefficient healing, continuing for several weeks or months. Investigations carried out in our laboratory showed that, in the venom-induced acute inflammation, thrombosis in venules and constrictions in arterioles were highly visible, in contrast to a notable lack of inflammatory cell. Nevertheless, the reason that the venom toxins favour delayed local inflammatory response is poorly defined. In this study, we analysed the movement of leucocytes after T. nattereri venom injection in the intraplantar region of Swiss mice, the production of pro-inflammatory mediators and the venom potential to elicit matrix metalloproteinase production and extracellular matrix degradation. Total absence of mononuclear and neutrophil influx was observed until 14 days, but the venom stimulates pro-inflammatory mediator secretion. Matrix metalloproteinases (MMP)-2 and MMP-9 were detected in greater quantities, accompanied by tissue degradation of collagenous fibre. An influx of mononuclear cells was noted very late and at this time the levels of IL-6, IL-1 beta and MMP-2 remained high. Additionally, the action of venom on the cytoskeletal organization was assessed in vitro. Swift F-actin disruption and subsequent loss of focal adhesion was noted. Collectively these findings show that the altered specific interaction cell-matrix during the inflammatory process creates an inadequate environment for infiltration of inflammatory cells.

The STARS signaling pathway: a key regulator of skeletal muscle function

During the last decade, the striated muscle activator of Rho signaling (STARS), a muscle-specific protein, has been proposed to play an increasingly important role in skeletal muscle growth, metabolism, regeneration and stress adaptation. STARS influences actin dynamics and, as a consequence, regulates the myocardin-related transcription factor A/serum response factor (MRTF-A/SRF) transcriptional program, a well-known pathway controlling skeletal muscle development and function. Muscle-specific stress conditions, such as exercise, positively regulates, while disuse and degenerative muscle diseases are associated with a downregulation of STARS and its downstream partners, suggesting a pivotal role for STARS in skeletal muscle health. This review provides a comprehensive overview of the known role and regulation of STARS and the members of its signaling pathway, RhoA, MRTF-A and SRF, in skeletal muscle.

Morphological evidences indicate that the interference of cimetidine on the peritubular components is responsible for detachment and apoptosis of Sertoli cells

Cimetidine, referred as antiandrogenic agent, has caused alterations in the seminiferous tubules, including alterations in the peritubular tissue and death of myoid cells by apoptosis. Regarding the structural and functional importance of the peritubular tissue for the maintenance of Sertoli cells (SC), we purpose to investigate the SC-basement membrane interface, focusing the morphological features of SC and their interaction with the basement membrane in the affected tubules by cimetidine. Ten animals were distributed into two groups, control (CG) and cimetidine (CmG) which received saline solution and 50 mg of cimetidine per kg of body weight, respectively, for 52 days. The testes were fixed, dehydrated and embedded for analyses under light and transmission electron microscopy. Paraffin sections were submitted to the TUNEL method; sections of testes embedded in glycol methacrylate were submitted to PAS method and stained by H&E for morphological and quantitative analyses of Sertoli Cells. In the CmG, the SC nuclei were positive to the TUNEL method and showed typical morphological alterations of cell death by apoptosis (from early to advanced stages). A significant reduction in the number of Sertoli Cells was probably due to death of these cells by apoptosis. A close relationship between SC nuclear alterations (including a high frequency of dislocated nuclei from the basal portion) and damage in the peritubular tissue was observed. The ultrastructural analysis showed a parallelism between the gradual advancement of apoptotic process in SC and detachment of the anchoring sites (hemidesmosomes) of SC plasma membrane from the lamina densa. The presence of portions of lamina densa underlying the detached hemidesmosomes indicates a continuous deposition of lamina densa, resulting in the thickening of the basal lamina. The results indicate a possible disarrangement of the SC cytoskeleton, including the focal adhesion structure. These alterations are related to SC apoptosis and probably result from disturbs induced by cimetidine on the peritubular tissue.

RECK-Mediated Inhibition of Glioma Migration and Invasion

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

TNF alpha contributes for attenuating both Y(397)FAK and Y(416)Src phosphorylations in osteoblasts

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

Predominant Rab-GTPase amplicons contributing to oral squamous cell carcinoma progression to metastasis

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

Transcriptome Analysis of Renal Ischemia/Reperfusion Injury and Its Modulation by Ischemic Pre-Conditioning or Hemin Treatment

Ischemia/reperfusion injury (IRI) is a leading cause of acute renal failure. The definition of the molecular mechanisms involved in renal IRI and counter protection promoted by ischemic pre-conditioning (IPC) or Hemin treatment is an important milestone that needs to be accomplished in this research area. We examined, through an oligonucleotide microarray protocol, the renal differential transcriptome profiles of mice submitted to IRI, IPC and Hemin treatment. After identifying the profiles of differentially expressed genes observed for each comparison, we carried out functional enrichment analysis to reveal transcripts putatively involved in potential relevant biological processes and signaling pathways. The most relevant processes found in these comparisons were stress, apoptosis, cell differentiation, angiogenesis, focal adhesion, ECM-receptor interaction, ion transport, angiogenesis, mitosis and cell cycle, inflammatory response, olfactory transduction and regulation of actin cytoskeleton. In addition, the most important overrepresented pathways were MAPK, ErbB, JAK/STAT, Toll and Nod like receptors, Angiotensin II, Arachidonic acid metabolism, Wnt and coagulation cascade. Also, new insights were gained about the underlying protection mechanisms against renal IRI promoted by IPC and Hemin treatment. Venn diagram analysis allowed us to uncover common and exclusively differentially expressed genes between these two protective maneuvers, underscoring potential common and exclusive biological functions regulated in each case. In summary, IPC exclusively regulated the expression of genes belonging to stress, protein modification and apoptosis, highlighting the role of IPC in controlling exacerbated stress response. Treatment with the Hmox1 inducer Hemin, in turn, exclusively regulated the expression of genes associated with cell differentiation, metabolic pathways, cell cycle, mitosis, development, regulation of actin cytoskeleton and arachidonic acid metabolism, suggesting a pleiotropic effect for Hemin. These findings improve the biological understanding of how the kidney behaves after IRI. They also illustrate some possible underlying molecular mechanisms involved in kidney protection observed with IPC or Hemin treatment maneuvers.

FERM domain interaction with myosin negatively regulates FAK in cardiomyocyte hypertrophy

Focal adhesion kinase (FAK) regulates cellular processes that affect several aspects of development and disease. The FAK N-terminal FERM (4.1 protein-ezrin-radixin-moesin homology) domain, a compact clover-leaf structure, binds partner proteins and mediates intramolecular regulatory interactions. Combined chemical cross-linking coupled to MS, small-angle X-ray scattering, computational docking and mutational analyses showed that the FAK FERM domain has a molecular cleft (similar to 998 angstrom(2)) that interacts with sarcomeric myosin, resulting in FAK inhibition. Accordingly, mutations in a unique short amino acid sequence of the FERM myosin cleft, FP-1, impaired the interaction with myosin and enhanced FAK activity in cardiomyocytes. An FP-1 decoy peptide selectively inhibited myosin interaction and increased FAK activity, promoting cardiomyocyte hypertrophy through activation of the AKT-mammalian target of rapamycin pathway. Our findings uncover an inhibitory interaction between the FAK FERM domain and sarcomeric myosin that presents potential opportunities to modulate the cardiac hypertrophic response through changes in FAK activity.

Numeric reconstruction of cytoskeleton with finite element method and topology optimization method

The importance of mechanical aspects related to cell activity and its environment is becoming more evident due to their influence in stem cell differentiation and in the development of diseases such as atherosclerosis. The mechanical tension homeostasis is related to normal tissue behavior and its lack may be related to the formation of cancer, which shows a higher mechanical tension. Due to the complexity of cellular activity, the application of simplified models may elucidate which factors are really essential and which have a marginal effect. The development of a systematic method to reconstruct the elements involved in the perception of mechanical aspects by the cell may accelerate substantially the validation of these models. This work proposes the development of a routine capable of reconstructing the topology of focal adhesions and the actomyosin portion of the cytoskeleton from the displacement field generated by the cell on a flexible substrate. Another way to think of this problem is to develop an algorithm to reconstruct the forces applied by the cell from the measurements of the substrate displacement, which would be characterized as an inverse problem. For these kind of problems, the Topology Optimization Method (TOM) is suitable to find a solution. TOM is consisted of an iterative application of an optimization method and an analysis method to obtain an optimal distribution of material in a fixed domain. One way to experimentally obtain the substrate displacement is through Traction Force Microscopy (TFM), which also provides the forces applied by the cell. Along with systematically generating the distributions of focal adhesion and actin-myosin for the validation of simplified models, the algorithm also represents a complementary and more phenomenological approach to TFM. As a first approximation, actin fibers and flexible substrate are represented through two-dimensional linear Finite Element Method. Actin contraction is modeled as an initial stress of the FEM elements. Focal adhesions connecting actin and substrate are represented by springs. The algorithm was applied to data obtained from experiments regarding cytoskeletal prestress and micropatterning, comparing the numerical results to the experimental ones

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.

Der Wirkungsmechanismus von Neurosteroiden auf das Cytoskelett neuronaler Zellen

Neurosteroide können langsame genomische und schnelle nicht-genomische Effekte zeigen. Die Synthese und der Metabolismus von Neurosteroiden werden entwicklungsbedingt reguliert. In den letzten Jahren sind immer mehr schnelle Steroideffekte bekannt geworden, die sowohl über klassische als auch über nicht-klassische Rezeptoren laufen. Zum heutigen Stand der Forschung sind die morphologischen Effekte von Neurosteroiden auf das neuronale Cytoskelett und die involvierten Signalkaskaden noch weitgehend unerforscht. In diesem Zusammenhang stellen sich auch die Fragen nach den verantwortlichen Rezeptoren und dem Transportmechanismus sowie der subzellulären Lokalisation der Steroide. Die im Rahmen meiner Promotion erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Steroide DHEA und Testosteron eine Reorganisation des Aktincytoskeletts in neuronalen Zellen induzieren und dass diese Effekte diesen Steroiden und nicht ihren Folgemetaboliten zuzuordnen sind. DHEA bewirkt die Kontraktion der Zellen, eine erhöhte Ausbildung von Stressfasern und fokalen Adhäsionskomplexen sowie die Bildung von Filopodien. Der diesen Effekten zu Grunde liegende Signalweg konnte eindeutig identifiziert werden. DHEA induziert in neuronalen Zellen die Aktivierung des Rho-Signalwegs. Diese Aktivierung führt zu einem erhöhten Phosphorylierungsstatus der regulatorischen leichten Kette von Myosin II (MRLC) an Serin 19 und der damit verbundenen erhöhten Myosin-Aktin-Interaktion. Die Ausbildung von Filopodien wird vermutlich über eine Aktivierung der GTPase Cdc42 vermittelt. Testosteron induziert das Auswachsen langer Neuriten sowie eine Verminderung von Stressfasern in neuronalen Zellen. Diese Effekte sind abhängig von der Aktivität der PI3-Kinase. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Testosteron über die PI3-Kinase und FAK den Rac-Signalweg induziert, da es zu einer Inhibierung des Rho-Signalwegs kommt. Zahlreiche Erkenntnisse weisen darauf hin, dass DHEA und Testosteron die Aktivierung der beteiligten Signalwege über einen G-Protein gekoppelten Rezeptor induzieren. DHEA und Testosteron beeinflussen auch die Expression und die Lokalisation der regulatorischen leichten Ketten von Myosin II. Im Gegensatz zu DHEA (Lokalisation der MRLC in der kortikalen Region der Zelle), induziert Testosteron eine Umlokalisation der MRLC in den Zellkern. Daher ist es denkbar, dass die MRLCs, wie auch Aktin, als Transkriptionsfaktoren wirken können. Die Synthese eines funktionalen, fluoreszierenden DHEA-Derivats (DHEA-Bodipy) ermöglichte erstmals, den Transport und die subzelluläre Lokalisation von DHEA in neuronalen Zellen zu beobachten. DHEA-Bodipy wird in neuronalen Zellen in den Mitochondrien lokalisiert. Diese Lokalisation ergibt völlig neue Ansätze im Verständnis zellulärer Wirkungsorte von Steroiden und beteiligter Rezeptoren. Das in meiner Arbeit vorgestellte Verfahren zur Fluoreszenzmarkierung von Steroiden bietet vielfältige Möglichkeiten im Einsatz zellbiologischer Methoden. Nach diesem Verfahren hergestellte, fluoreszierende Steroide eignen sich aufgrund ihrer Stabilität sehr gut für die Untersuchung des Transports und der subzellulären Lokalisation von Steroiden an fixierten und lebenden Zellen sowie für Colokalisationsexperimente. Diese Methode grenzt somit auch die Anzahl möglicher molekularer Interaktionspartner ein. Für Testosteron konnte ebenfalls ein fluoreszierendes Testosteron-Derivat (Testosteron-Bodipy) synthetisiert werden. Die Aufklärung der Effekte von Steroiden auf das neuronale Cytoskelett und der beteiligten Signalkaskaden sowie die Identifizierung der zellulären Wirkungsorte ermöglichen therapeutische Ansätze zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen, deren Ursachen in Abnormitäten des Cytoskeletts oder fehlregulierter Neurosteroidogenese zu begründen sind.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.