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- und Aktinfilamenten sowie aus Mikrotubuli 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 kontrolliert. Mikrotubuli dagegen regulieren hauptsächlich die Bewegung von Spindelfasern und den Transport von Vesikeln. Deshalb sind die Zellteilung und die Proteinsekretion zum Großteil durch Mikrotubuli gesteuert. Ähnlich wie bei Aktinfilamenten, wird die Mikrotubuli-Dynamik durch assoziierte Proteine reguliert.

Ist die Regulation und/oder Bindung von Zytoskelett-assoziierten Proteinen gestört, kann es zur Störungen der Zellphysiologie 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 Zytoskelett-assoziierten Proteinen zu suchen, die essentiell für die Funktion von Immunzellen, Neuronen und Tumorzellen sind. Je nach Krankheitsbild, sollte eine Stimulation oder Hemmung dieser Proteine die Störung abschwächen.

Unsere Gruppe untersucht hauptsächlich die Funktion von Zytoskelett-assoziierten Proteinen bei der Metastasierung und Chemoresistenz-Entwicklungen von Tumorzellen.

Es gelang und bereits Proteine zu identifizieren, die an der Regulation dieser Prozesse beteiligt sind. Im Folgenden sind kurz die wichtigsten beschrieben:

Inositol-1,4,5-trisphosphat 3-Kinase-A (ITPKA)

Wir forschen bereits seit mehr als zehn Jahren an der Rolle der physiologisch nur in Neuronen exprimierten Inositol-1,4,5-trisphosphat 3-Kinase-A (InsP3Kinase oder ITPKA) bei der Tumorgenese. Umfangreiche Untersuchungen ergaben, dass ITPKA in Lungenkarzinomzellen überexprimiert ist und die Metastasierung dieser Zellen kontrolliert (Windhorst et al., 2008; 2010; 2011, 2017). Dies geschieht durch die InsP3Kinase-vermittelte Regulation von cytosolischen Calciumsignalen sowie durch die Vernetzung von Aktinfilamenten (s. Bild rechts 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. Zurzeit arbeiten wir an der Optimierung der BIP-4 Struktur, um eine spezifische Hemmung der InsP3Kinase-Aktivität in Tumorzellen zu ermöglichen. Darüber hinaus planen wir Hemmstoffe gegen die Aktin-Crosslinking-Aktivität von ITPKA zu suchen.

Diaphanous homolog 1 und 2 (DIAPH1 und 2)

Um mögliche Zielmoleküle für die Therapie von metastasierten kolorektalen Karzinomzellen zu identifizieren, untersuchten wir die Bedeutung von Zytoskelett-assoziierten Proteinen für deren Metastasierung. Hierbei identifizierten wir das Aktin- und Mikrotubuli -regulierende Protein DIAPH1 (Lin et al., 2013,2015). Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass DIAPH1 die Adhäsion von Kolonkarzinomzellen durch die Stabilisierung von Mikrotubuli fördert (Lin et al., 2015).

Arbeiten zu DIAPH2 zeigten, dass diese Isoform keinen Einfluss auf die Adhäsion hat, aber wichtig für die Proliferation von kolorektalen Karzinomzellen ist. Eine starke Expression von DIAPH2 in diesen Zellen steigert die Dynamik von Spindel-Mikrotubuli (Bild unten) durch Stimulierung der Mikrotubuli-Polymerisierung und beschleunigt damit die Mitose-Progression (Grüb et al., 2019).


Da eine Fehlregulation der Mikrotubuli-Dynamik zur chromosomalen Instabilität (CIN) führen kann, untersuchen wir derzeit die Rolle von DIAPH1 + 2 in diesem Prozess. Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass DIAPH1 an der Kontrolle von CIN beteiligt ist.

Außerdem fanden wir in Zusammenarbeit mit der Klinik für Gynäkologie eine eindeutige Korrelation zwischen einer starken DIAPH1 Expression und dem besseren Überleben von Ovarialkarzinom-Patientinnen. Wir untersuchen nun, ob DIAPH1 in die Entwicklung von Paclitaxel-Resistenzen eingebunden ist. Paclitaxel ist ein etabliertes Chemotherapeutikum, das die Dynamik von Mikrotubuli hemmt und deshalb die Zellteilung blockiert. Möglicherweise verändert die Assoziation von DIAPH1 an Mikrotubuli die Paclitaxel –Bindung.

Centrosomal Protein 55 (CEP55)

CEP55 ist ein Gerüstprotein (Scaffold), das von vielen Ovarialkarzinom-Zellen überexprimiert wird und essenziell für deren Zellteilung ist. In normalen Zellen ist CEP55 hauptsächlich in Testis und Thymus exprimiert, weshalb es ein sehr gutes Target für die selektive Tumortherapie ist. Am Beispiel von SKOV-3 Zellen konnten wir zeigen, dass eine CEP55-Depletion die chromosomale Instabilität, die Midbody-vermittelte Zell-Separation (Bild rechts) sowie die Zellteilung und Koloniebildung reduziert. Unsere Daten weisen darauf hin, dass diese Effekte nicht allein durch die Scaffold Aktivität von CEP55, sondern auch durch dessen Mikrotubuli-stabilisierende Aktivität kontrolliert werden. Um diese Hypothese zu prüfen, planen wir die Mikrotubuli-Bindedomäne im CEP55 Protein zu identifizieren und rescue-Versuche mit Mikrotubuli -Bindungs-defizienten Mutanten sowie mit CEP55 Mutanten mit reduzierter Scaffold Aktivität durchzuführen. Falls die Mikrotubuli-Bindung von CEP55 essentiell für dessen Effekt auf die Progression von Ovarialkarzinomzellen ist, soll in Nachfolgeprojekten geprüft werden, ob eine CEP55-Hemmung für die Therapie von chemoresistenten Ovarialkarzinomen geeignet ist.

Techniken/Methoden

  • Klonierungen und Proteinreinigungen
  • Extraktion von DNA, mRNA und Proteinen
  • Enzymkinetische Assays
  • Bestimmung der cytosolischen Calciumkonzentration
  • Westernblotting, Immunpräzipitation, Immuncytologie und Histololgie
  • Migrations- Invasions- und Adhäsions-Assays
  • Transiente und stabile Überexpression sowie shRNA-vermittelte Herunterregulation von Proteinen.
  • Diverse Techniken zur Analyse der Aktin- und Mikrotubuli Dynamik in zellfreien Systemen
  • Fluoreszenzmikroskopie

Ausbildung

Betreuung von Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten.

Publikationen seit 2002

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2020

Conserved Tao Kinase Activity Regulates Dendritic Arborization, Cytoskeletal Dynamics, and Sensory Function in Drosophila
Hu C, Kanellopoulos A, Richter M, Petersen M, Konietzny A, Tenedini F, Hoyer N, Cheng L, Poon C, Harvey K, Windhorst S, Parrish J, Mikhaylova M, Bagni C, Calderon de Anda F, Soba P
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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
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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
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Mice lacking plastin-3 display a specific defect of cortical bone acquisition
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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
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New options of cancer treatment employing InsP6
Brehm M, Windhorst S
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The formin Drosophila homologue of Diaphanous2 (Diaph2) controls microtubule dynamics in colorectal cancer cells independent of its FH2-domain
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Radial somatic F-actin organization affects growth cone dynamics during early neuronal development
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The Actin Binding Protein Plastin-3 Is Involved in the Pathogenesis of Acute Myeloid Leukemia
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2018

Effect of the actin- and calcium-regulating activities of ITPKB on the metastatic potential of lung cancer cells
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Differential Proteome Analysis of Human Neuroblastoma Xenograft Primary Tumors and Matched Spontaneous Distant Metastases
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Clinical relevance of cytoskeleton associated proteins for ovarian cancer
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Strong fascin expression promotes metastasis independent of its F-actin bundling activity
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Tight Junction Proteins Claudin-1 and Occludin Are Important for Cutaneous Wound Healing
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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
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Microtubules Modulate F-actin Dynamics during Neuronal Polarization
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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
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Control of aromatase in hippocampal neurons
Fester L, Brandt N, Windhorst S, Pröls F, Bläute C, Rune G
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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
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Diaphanous-related formin 1 as a target for tumor therapy
Lin Y, Windhorst S
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2015

The catalytic domain of inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinase-a contributes to ITPKA-induced modulation of F-actin
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Drosophila homologue of Diaphanous 1 (DIAPH1) controls the metastatic potential of colon cancer cells by regulating microtubule-dependent adhesion
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Ex vivo aorta patch model for analysis of cellular adhesion
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The new InsP3Kinase inhibitor BIP-4 is competitive to InsP3 and blocks proliferation and adhesion of lung cancer cells
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Expression of DIAPH1 is up-regulated in colorectal cancer and its down-regulation strongly reduces the metastatic capacity of colon carcinoma cells
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Cellular internalisation of an inositol phosphate visualised by using fluorescent InsP5
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Combined targeting of AKT and mTOR using MK-2206 and RAD001 is synergistic in the treatment of cholangiocarcinoma
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Malignant H1299 tumour cells preferentially internalize iron-bound inositol hexakisphosphate
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Identification of a new membrane-permeable inhibitor against inositol-1,4,5-trisphosphate-3-kinase A
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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
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2012

Inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinase A regulates dendritic morphology and shapes synaptic Ca2+ transients.
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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.
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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
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Ins(1,4,5)P3 3-kinase-A overexpression induces cytoskeletal reorganization via a kinase-independent mechanism.
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2007

Intracellular localization of human Ins(1,3,4,5,6)P5 2-kinase.
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Radiosensitization of tumour cell lines by the polyphenol Gossypol results from depressed double-strand break repair and not from enhanced apoptosis.
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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.
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Antiproliferative plant and synthetic polyphenolics are specific inhibitors of vertebrate inositol-1,4,5-trisphosphate 3-kinases and inositol polyphosphate multikinase.
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Letzte Aktualisierung aus dem FIS: 30.05.2020 - 00:40 Uhr