AG Cytoskeletal Dynamics

Fast alle Vorgänge in mehrzelligen Organismen werden durch ein –im Optimalfall perfektes- Zusammenspiel zwischen einzelnen Zellen bestimmt. Die Kommunikation zwischen Zellen (Signaltransduktion) kann zu sehr dynamischen Prozessen wie Zellteilung, Endo- und Exocytose sowie Bewegung (Migration) von Zellen führen. Zu den beweglichsten Zellen des menschlichen Organismus zählen die Immunzellen, die durch Chemokine an den Ort der Infektion gelockt werden. Aber auch Nervenzellen (Neurone), Knochenzellen (Osteoblasten, Osteoklasten), Haut- und Bindegewebszellen sind sehr beweglich. Während der Migration erfolgt eine steter Auf- und Abbau des Zytoskeletts, das aus Intermediär-, Tubulin- und Aktinfilamenten besteht. Die treibende Kraft für die Migration wird durch die Dynamik der Aktinfilamente bereitgestellt. Hierbei werden am vorderen Ende der Zellen Aktinfilamente auf- und am hinteren Ende abgebaut. Diese Dynamik der Aktinfilamente wird durch Aktinbindeproteine (ABP) kontrolliert. In ruhenden Zellen sind die meisten dieser Proteine inaktiv und werden erst durch extrazelluläre Signale aktiviert.

Ist die Regulation von ABPs gestört, kann es zur pathophysiologischen Migration kommen. Dies ist besonders bei Autoimmunkrankheiten, neuronalen Störungen und bei metastasierenden Tumorzellen von großer Bedeutung. Aus diesem Grund ist es ein sehr interessanter Ansatz nach ABPs zu suchen, die essentiell für die Beweglichkeit von Immunzellen, Neuronen und Tumorzellen sind. Je nach Krankheitsbild, sollte eine Stimulation oder Hemmung dieser Proteine die pathologische Migration regulieren.

Projekt A: Gezielte Hemmung der durch Inositol-1,4,5-trisphosphat 3-Kinase-A (ITPKA) stimulierten Metastasierung

Unsere Gruppe forscht bereits seit 2008 an der Rolle der physiologisch nur in Neuronen exprimierten Inositol-1,4,5-trisphosphat 3-Kinase-A (InsP3Kinase oder ITPKA) bei der Tumorgenese. Wir konnten zeigen, dass ITPKA neben ihrer InsP3Kinase-Aktivität die Vernetzung von Aktinfilamenten vermittelt (Bild rechts). Umfangreiche Untersuchungen ergaben, dass ITPKA in Lungenkarzinomzellen überexprimiert ist und die Metastasierung dieser Zellen kontrolliert (Windhorst et al., 2008; 2010; 2011). Dies geschieht durch die InsP3Kinase-vermittelte Regulation von cytosolischen Calciumsignalen sowie durch die Vernetzung von Aktinfilamenten (s. Bild oben und Ashour et al., 2015).

Die Überexpression von ITPKA in Lungenkarzinomzellen wird durch Fehlregulation des Repressor-Element-1-Silencing-Transcription-Factor REST/NRSF induziert (Chang et al., 2011). Dieser Transkriptionsrepressor führt normalerweise zur Repression von nicht-neuronalen Genen im nicht-neuronalem Gewebe. In vielen Tumorzellen ist REST/NRSF fehlreguliert, so dass es zur Expression von neuronalen Genen kommt. Tumorzellen nutzen neuronale Proteine u.a. zur autokrinen Stimulation und verbesserten Migration.

Es gelang uns bereits Hemmstoffe gegen die InsP3Kinase-Aktivität zu identifizieren, von denen BIP-4 (Schröder et al., 2013; 2015) der aussichtsreichste Kandidat ist, um eine spezifische InsP3Kinase-Hemmung in Tumorzellen zu bewirken. BIP-4 hemmt die Proliferation und die Adhäsion von Lungenkarzinomzellen in vitro.

In einem zukünftigen Projekt möchten wir auf Grundlage der BIP-4 Struktur Substanzen identifizieren, die es erlauben spezifisch die Metastasierung von Lungenkarzinomzellen zu hemmen. Darüber hinaus planen wir Hemmstoffe gegen die Aktin-Crosslinking-Aktivität von ITPKA zu suchen.

Projekt B: Physiologische Funktion von ITPKA in Neuronen

Unter physiologischen Bedingungen ist ITPKA nur in Neuronen des Kleinhirns (Cerebellum), der Großhirnrinde (Cortex) und des Hippocampus exprimiert. In den Neuronen ist das Protein an Aktinfilamente gebunden und in den dendritischen Dornen an der postsynaptischen Dichte konzentriert. Kim et al. (2009) zeigten ein vermindertes Lernvermögen bei ITPKA knock-out Mäusen und Jun et al. (1989) fanden, dass hippocampale Neurone von ITPKA knock-out Mäusen eine erhöhte Langzeitpotenzierung (LTP) aufweisen. Diese Daten weisen darauf hin, dass ITPKA ein negativer LTP-Regulator ist.

Wir nehmen an, dass ITPKA die Langzeitpotenzierung durch Regulation von InsP3-vermittelten Calciumsignalen (Windhorst et al., 2012) sowie durch Regulation des Aktinzytoskeletts der dendritischen Dornen kontrolliert (Bild oben aus Köster et al., 2015).

Projekt C: Diaphanous homolog 1 (DIAPH1) als potentielles Zielmolekül für die Therapie metastasierter kolorektaler Karzinome

Um mögliche Zielmoleküle für die Therapie von metastasierten kolorektalen Karzinomzellen zu identifizieren, untersuchten wir die Bedeutung von ABPs für die Metastasierung. Hierbei identifizierten wir das Aktin- und Tubulin-regulierende Protein DIAPH1 als essentiell für die Metastasierung von Kolonkarzinomzellen (Lin et al., 2013,2015). Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass DIAPH1 die Adhäsion von Kolonkarzinomzellen durch die Stabilisierung von Mikrotubuli (Bild rechts) fördert (Lin et al., 2015). Wir planen nun nach Substanzen zu suchen, die selektiv die Interaktion zwischen DIAPH1 und Mikrotubuli stören, um die DIAPH1-stimulierte Metastasierung von Kolonkarzinomzellen zu blockieren.

Projekt D: Wirkung von extrazellulärem Inositol Hexakisphosphate (InsP6) auf Tumor- und Blutzellen

In Säugerzellen wird InsP6 aus InsP3 gebildet und hat essentielle Funktionen als Co-Faktor bestimmter Proteine wie z.B. RNA-editierenden Proteinen (Macbeth et al., 2005). Pflanzen dagegen nutzen InsP6 hauptsächlich als Speicher für Phosphat und an InsP6 gebundene multivalente Kationen. Sie verfügen über Phytasen, oder nutzen die von assoziierten Bakterien, um InsP6 zu Inositol abzubauen (Raboy, 2003). Wir konnten zeigen, dass auch Lungentumorzellen (H1299) dazu in der Lage sind extrazelluläres InsP6 aufzunehmen und in den Lysosomen abzubauen. Auf diese Weise nutzen die Zellen, ähnlich wie Pflanzen, InsP6 als zusätzliche Quelle für Phosphat, Inositol und multivalente Kationen (Windhorst et al., 2013; Helmis et al., 2013, das Bild oben zeigt eine Akkumulation von InsP6/Eisenkomplexen in Lysosomen). Wir nehmen an, dass durch den starken Zell-Turnover innerhalb eines Tumors stetig InsP6 frei gesetzt und von lebendigen Zellen internalisiert wird.

Da im Blut, ähnlich wie in einem Tumor, ständig Zellen zu Grunde gehen, ist anzunehmen, dass im Blut hohe InsP6-Konzentrationen vorliegen. Dies ist allerdings nicht der Fall. Zurzeit untersuchen wir auf welchem Weg extrazelluläres InsP6 aus dem Blut entfernt wird.

Techniken/Methoden

  • Klonierungen und Proteinreinigungen
  • Extraktion von DNA, mRNA, Proteinen und Inositolphosphaten
  • Enzymkinetische Assays
  • Bestimmung der cytosolischen Calciumkonzentration
  • Westernblotting, Immunpräzipitation, Immuncytologie und Histololgie
  • Aktinpolymerisierungs- und Aktinbündelungs-Assays
  • Migrations- Invasions- und Adhäsions-Assays
  • Mausmodelle
  • Präparation und Kultur von primären murinen Hippocampus- und Cortex-Neuronen
  • Transiente und stabile Überexpression sowie shRNA-vermittelte Herunterregulation von Proteinen.

Ausbildung

Betreuung von Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten.

Auszeichnungen und Förderungen

2007: Forschungsförderungsfonds des Fachbereiches Medizin des UKEEignung der Inositol-1,4,5-trisphosphat-3-Kinase-A als target für die zielgerichtete Tumortherapie

2010: Georg-Ernst-Konjetzny-Preis der Hamburger Krebsgesellschaft

2012: Deutsche Krebshilfe „Gezielte Hemmung der durch Inositol-1,4,5-trisphosphat 3-Kinase-A stimulierten Metastasierung“

Die 5 wichtigsten Publikationen

Köster JD, Leggewie B, Blechner C, Brandt N, Fester L, Rune G, Schweizer M, Kindler S, Windhorst S. Inositol-1,4,5-trisphosphate-3-kinase-A controls morphology of hippocampal dendritic spines. Cell Signal. 2015 Oct ahead of print.

Lin YN, Bhuwania R, Gromova K, Failla AV, Lange T, Riecken K, Linder S, Kneussel M, Izbicki JR, Windhorst S.. Drosophila homologue of Diaphanous 1 (DIAPH1) controls the metastatic potential of colon cancer cells by regulating microtubule-dependent adhesion. Oncotarget 2015;6:18577-89.

Schröder D, Tödter K, Gonzalez B, Franco-Echevarría E, Rohaly G, Blecher C, Lin HY, Mayr GW, Windhorst S. The new InsP(3)Kinase inhibitor BIP-4 is competitive to InsP(3) and blocks proliferation and adhesion of lung cancer cells. Biochem Pharmacol 2015;96:143-50.

Windhorst S, Lin H, Blechner C, Fanick W, Brandt L, Brehm MA, Mayr GW. Tumour cells can employ extracellular Ins(1,2,3,4,5,6)P6 and multiple inositol-polyphosphate phosphatase 1 (MINPP1) dephosphorylation to improve their proliferation. Biochem J. 2013;450:115-25.

Windhorst S, Fliegert R, Blechner C, Möllmann K, Hosseini Z, Günther T, Eiben M, Chang L, Lin HY, Fanick W, Schumacher U, Brandt B, Mayr GW. Inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase-A is a new cell motility-promoting protein that increases the metastatic potential of tumor cells by two functional activities. J Biol Chem. 2010;285:5541-54.

Publikationen seit 2002

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2020

Modeling Spontaneous Bone Metastasis Formation of Solid Human Tumor Xenografts in Mice
Labitzky V, Baranowsky A, Maar H, Hanika S, Starzonek S, Ahlers A, Stübke K, Koziolek E, Heine M, Schäfer P, Windhorst S, Jücker M, Riecken K, Amling M, Schinke T, Schumacher U, Valentiner U, Lange T
CANCERS. 2020;12(2):.

Characterization of the substrate specificity of the inositol 5-phosphatase SHIP1
Nelson N, Wundenberg T, Lin H, Rehbach C, Horn S, Windhorst S, Jücker M
BIOCHEM BIOPH RES CO. 2020 [Epub ahead of print].

Mice lacking plastin-3 display a specific defect of cortical bone acquisition
Yorgan T, Sari H, Rolvien T, Windhorst S, Failla A, Kornak U, Oheim R, Amling M, Schinke T
BONE. 2020;130:115062.

2019

Inositol hexakisphosphate increases the size of platelet aggregates
Brehm M, Klemm U, Rehbach C, Erdmann N, Kolšek K, Lin H, Aponte-Santamaría C, Gräter F, Rauch B, Riley A, Mayr G, Potter B, Windhorst S
BIOCHEM PHARMACOL. 2019;161:14-25.

New options of cancer treatment employing InsP6
Brehm M, Windhorst S
BIOCHEM PHARMACOL. 2019;163:206-214.

The formin Drosophila homologue of Diaphanous2 (Diaph2) controls microtubule dynamics in colorectal cancer cells independent of its FH2-domain
Grueb S, Muhs S, Popp Y, Schmitt S, Geyer M, Lin Y, Windhorst S
SCI REP-UK. 2019;9(1):5352.

Radial somatic F-actin organization affects growth cone dynamics during early neuronal development
Meka D, Scharrenberg R, Zhao B, Kobler O, König T, Schaefer I, Schwanke B, Klykov S, Richter M, Eggert D, Windhorst S, Dotti C, Kreutz M, Mikhaylova M, Calderon de Anda F
EMBO REP. 2019;20(12):e47743.

The Actin Binding Protein Plastin-3 Is Involved in the Pathogenesis of Acute Myeloid Leukemia
Velthaus A, Cornils K, Hennigs J, Grüb S, Stamm H, Wicklein D, Bokemeyer C, Heuser M, Windhorst S, Fiedler W, Wellbrock J
CANCERS. 2019;11(11):.

2018

Effect of the actin- and calcium-regulating activities of ITPKB on the metastatic potential of lung cancer cells
Bäder S, Glaubke E, Grüb S, Muhs S, Wellbrock J, Nalaskowski M, Lange T, Windhorst S
BIOCHEM J. 2018;475(12):2057-2071.

Differential Proteome Analysis of Human Neuroblastoma Xenograft Primary Tumors and Matched Spontaneous Distant Metastases
Hänel L, Gosau T, Maar H, Valentiner U, Schumacher U, Riecken K, Windhorst S, Hansen N, Heikaus L, Wurlitzer M, Nolte I, Schlüter H, Lange T
SCI REP-UK. 2018;8(1):13986.

Clinical relevance of cytoskeleton associated proteins for ovarian cancer
Schiewek J, Schumacher U, Lange T, Joosse S, Wikman H, Pantel K, Mikhaylova M, Kneussel M, Linder S, Schmalfeldt B, Oliveira-Ferrer L, Windhorst S
J CANCER RES CLIN. 2018;144(11):2195-2205.

2017

Strong fascin expression promotes metastasis independent of its F-actin bundling activity
Heinz L, Muhs S, Schiewek J, Grüb S, Nalaskowski M, Lin Y, Wikman H, Oliveira-Ferrer L, Lange T, Wellbrock J, Konietzny A, Mikhaylova M, Windhorst S
ONCOTARGET. 2017;8(66):110077-110091.

Tight Junction Proteins Claudin-1 and Occludin Are Important for Cutaneous Wound Healing
Volksdorf T, Heilmann J, Eming S, Schawjinski K, Zorn-Kruppa M, Ueck C, Vidal-Y-Sy S, Windhorst S, Jücker M, Moll I, Brandner J
AM J PATHOL. 2017;187(6):1301-1312.

Inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinase-A (ITPKA) is frequently over-expressed and functions as an oncogene in several tumor types
Windhorst S, Song K, Gazdar A
BIOCHEM PHARMACOL. 2017;137:1-9.

Microtubules Modulate F-actin Dynamics during Neuronal Polarization
Zhao B, Meka P, Scharrenberg R, König T, Schwanke B, Kobler O, Windhorst S, Kreutz M, Mikhaylova M, Calderon de Anda F
SCI REP-UK. 2017;7(1):9583.

2016

Smooth Muscle-Alpha Actin Inhibits Vascular Smooth Muscle Cell Proliferation and Migration by Inhibiting Rac1 Activity
Chen L, DeWispelaere A, Dastvan F, Osborne W, Blechner C, Windhorst S, Daum G
PLOS ONE. 2016;11(5):e0155726.

Control of aromatase in hippocampal neurons
Fester L, Brandt N, Windhorst S, Pröls F, Bläute C, Rune G
J STEROID BIOCHEM. 2016;160:9-14.

Inositol-1,4,5-trisphosphate-3-kinase-A controls morphology of hippocampal dendritic spines
Köster J, Leggewie B, Blechner C, Brandt N, Fester L, Rune G, Schweizer M, Kindler S, Windhorst S
CELL SIGNAL. 2016;28(1):83-90.

Diaphanous-related formin 1 as a target for tumor therapy
Lin Y, Windhorst S
BIOCHEM SOC T. 2016;44(5):1289-1293.

2015

The catalytic domain of inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinase-a contributes to ITPKA-induced modulation of F-actin
Ashour D, Pelka B, Jaaks P, Wundenberg T, Blechner C, Zobiak B, Failla A, Windhorst S
Cytoskeleton (Hoboken). 2015;72(2):93-100.

Drosophila homologue of Diaphanous 1 (DIAPH1) controls the metastatic potential of colon cancer cells by regulating microtubule-dependent adhesion
Lin Y, Bhuwania R, Gromova K, Failla A, Lange T, Riecken K, Linder S, Kneussel M, Izbicki J, Windhorst S
ONCOTARGET. 2015;6(21):18577-89.

Ex vivo aorta patch model for analysis of cellular adhesion
Lin Y, Thata R, Failla A, Geissen M, Daum G, Windhorst S
TISSUE CELL. 2015;47(3):266-72.

The new InsP3Kinase inhibitor BIP-4 is competitive to InsP3 and blocks proliferation and adhesion of lung cancer cells
Schröder D, Tödter K, Gonzalez B, Franco-Echevarría E, Rohaly G, Blechner C, Lin H, Mayr G, Windhorst S
BIOCHEM PHARMACOL. 2015;96(2):143-50.

2014

Expression of DIAPH1 is up-regulated in colorectal cancer and its down-regulation strongly reduces the metastatic capacity of colon carcinoma cells
Lin Y, Izbicki J, König A, Habermann J, Blechner C, Lange T, Schumacher U, Windhorst S
INT J CANCER. 2014;134(7):1571-82.

Expression, Purification and preliminary X-Ray diffraction of a pathogenic bacterial protease from Stenotrophomonas maltophilia
Negm A, Windhorst S, Betzel C, Akrem A, Weber W
World J Pharm Pharm Sci. 2014;3(10):13-23.

Cellular internalisation of an inositol phosphate visualised by using fluorescent InsP5
Riley A, Windhorst S, Lin H, Potter B
CHEMBIOCHEM. 2014;15(1):57-67.

2013

Expression Regulation of the Metastasis-Promoting Protein InsP3-Kinase-A in Tumor Cells.
Chang L, Schwarzenbach H, Meyer-Staeckling S, Brandt B, Mayr G, Weitzel J, Windhorst S
MOL CANCER RES. 2013.

Combined targeting of AKT and mTOR using MK-2206 and RAD001 is synergistic in the treatment of cholangiocarcinoma
Ewald F, Grabinski N, Grottke A, Windhorst S, Nörz D, Carstensen L, Staufer K, Hofmann B, Diehl F, David K, Schumacher U, Nashan B, Jücker M
INT J CANCER. 2013;133(9):2065-76.

Malignant H1299 tumour cells preferentially internalize iron-bound inositol hexakisphosphate
Helmis C, Blechner C, Lin H, Schweizer M, Mayr G, Nielsen P, Windhorst S
BIOSCIENCE REP . 2013;33(5):.

Identification of a new membrane-permeable inhibitor against inositol-1,4,5-trisphosphate-3-kinase A
Schröder D, Rehbach C, Seyffarth C, Neuenschwander M, Kries J, Windhorst S
BIOCHEM BIOPH RES CO. 2013;439(2):228-34.

Tumour cells can employ extracellular Ins(1,2,3,4,5,6)P(6) and multiple inositol-polyphosphate phosphatase 1 (MINPP1) dephosphorylation to improve their proliferation
Windhorst S, Lin H, Blechner C, Fanick W, Brandt L, Brehm M, Mayr G
BIOCHEM J. 2013;450(1):115-25.

2012

Inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinase A regulates dendritic morphology and shapes synaptic Ca2+ transients.
Windhorst S, Minge D, Bähring R, Hüser S, Schob C, Blechner C, Lin H, Mayr G, Kindler S
CELL SIGNAL. 2012;24(3):750-757.

2011

Human inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase isoform B (IP3KB) is a nucleocytoplasmic shuttling protein specifically enriched at cortical actin filaments and at invaginations of the nuclear envelope.
Nalaskowski M, Fliegert R, Ernst O, Brehm M, Fanick W, Windhorst S, Lin H, Giehler S, Hein J, Lin Y, Mayr G
J BIOL CHEM. 2011;286(6):4500-4510.

Functional role of inositol-1,4,5-trisphosphate-3-kinase-A for motility of malignant transformed cells.
Windhorst S, Kalinina T, Schmid K, Blechner C, Kriebitzsch N, Hinsch R, Chang L, Herich L, Schumacher U, Mayr G
INT J CANCER. 2011;129(6):1300-1309.

2010

Inositol-1,4,5-trisphosphate-3-kinase-A is a new cell motility-promoting protein that increases the metastatic potential of tumour cells by two functional activities.
Windhorst S, Fliegert R, Blechner C, Möllmann K, Hosseini Z, Guenther T, Eiben M, Chang L, Lin H, Fanick W, Schumacher U, Brandt B, Mayr G
J BIOL CHEM. 2010;285(8):5541-5554.

2008

Ins(1,4,5)P3 3-kinase-A overexpression induces cytoskeletal reorganization via a kinase-independent mechanism.
Windhorst S, Blechner C, Lin H, Elling C, Nalaskowski M, Kirchberger T, Guse A, Mayr G
BIOCHEM J. 2008;414(3):407-417.

2007

Intracellular localization of human Ins(1,3,4,5,6)P5 2-kinase.
Brehm M, Schenk T, Zhou X, Fanick W, Lin H, Windhorst S, Nalaskowski M, Kobras M, Shears S, Mayr G
BIOCHEM J. 2007;408(3):335-345.

Radiosensitization of tumour cell lines by the polyphenol Gossypol results from depressed double-strand break repair and not from enhanced apoptosis.
Kasten-Pisula U, Windhorst S, Dahm-Daphi J, Mayr G, Dikomey E
RADIOTHER ONCOL. 2007;83(3):296-303.

2006

Subcellular localisation of human inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase C: species-specific use of alternative export sites for nucleo-cytoplasmic shuttling indicates divergent roles of the catalytic and N-terminal domains.
Nalaskowski M, Windhorst S, Stockebrand M, Mayr G
BIOL CHEM. 2006;387(5):583-593.

2005

Antiproliferative plant and synthetic polyphenolics are specific inhibitors of vertebrate inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinases and inositol polyphosphate multikinase.
Mayr G, Windhorst S, Hillemeier K
J BIOL CHEM. 2005;280(14):13229-13240.

Letzte Aktualisierung aus dem FIS: 18.02.2020 - 00:37 Uhr