Veränderungen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im humanen Myokard bei ischämischer und dilatativer Kardiomyopathie

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) spielt eine zentrale Rolle bei kardialen Remodeling-Prozessen infolge von Kardiomyopathie und schwerer Herzinsuffizienz. Das UPS ist für die Protein-Homöostase zuständig, indem es fehlerhafte und fehlgefaltete Proteine durch eine gezielte Markierung mit Ubiquitin dem proteasomalen Abbau zuführt. Die Ultima-Ratio-Therapie von Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz ist bis heute die Herztransplantation. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Spenderherzen ist die Suche nach Alternativen von außerordentlicher Wichtigkeit. Um mögliche neue Therapiestrategien für Kardiomyopathie und schwere Herzinsuffizienz zu entwickeln, ist es deshalb von zentraler Bedeutung das UPS im humanen Myokard zu charakterisieren, um die Zusammenhänge zwischen dem UPS und der Herzmechanik genauer zu verstehen und auf diese therapeutisch einwirken zu können. Die vorliegende Arbeit untersuchte erstmalig das UPS bei fortgeschrittener ischämischer (ICM) und dilatativer Kardiomyopathie (DCM), den beiden häufigsten Indikationen für eine Herztransplantation. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit die Funktionsweise des UPS anhand spezifischer Marker genauer untersucht. Zu den untersuchten UPS-Komponenten zählen die Aktivität des Proteasoms, die Ubiquitinierung und die E1-E2-E3-Enzymkaskasde, über die eine Ubiquitinierung erfolgt. Für die Untersuchungen wurden Myokardproben von n=24 ICM- und n=28 DCM-Patienten verwendet, welche im Rahmen der Implantation eines linksventrikulären Herzunterstützungssystems gewonnen wurden. Als Kontrolle (n=12) diente Septumgewebe aus Morrow-Resektionen von Patienten mit Aortenstenose jedoch ohne diagnostizierte hypertrophe Kardiomyopathie und ohne Subaortenstenose. Mittels Western-Blot-Analysen wurde die Ubiquitinierung von Proteinen, die Aktivität der E3-Ligasen Muscle RING-finger protein-1 (MuRF-1) und Muscle atrophy F-box (MAFbx) sowie der Ubiquitin-Linker K48 (Proteasomaler Abbau) und K63 (Autophagie-assoziiierte Prozesse) untersucht. Weiterhin wurde die Aktivität des Trypsin- und Chymotrypsin-ähnlichen katalytischen Zentrums des Proteasoms quantifiziert. Die Aktivität der Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH)-Oxidase wurde ermittelt, um Rückschlüsse auf die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ziehen zu können. Des Weiteren wurde die Ubiquitinierung sowie das Auftreten möglicher apoptotischer Vorgänge durch den Nachweis des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) analysiert. ICM- und DCM-geschädigtes Myokard wies deutliche Unterschiede bezüglich verschiedener Komponenten des UPS auf. In ICM- und DCM-Gewebe konnte eine Abnahme des zellulären, freien Ubiquitins im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden (p=0,05). ICM-geschädigtes Myokard wies darüber hinaus einen geringen Anteil von Zellen mit Ubiquitin-positiven Ablagerungen, sogenannten Deposits, auf (p=0,03). Die Multi-Ubiquitinierung von Proteinen war im Myokardgewebe von DCM-Patienten deutlich verringert (p=0,02), die Proteinubiquitinierung über K48 und K63 jedoch zwischen den Gruppen vergleichbar. Eine Quantifzierung der verschiedenen katalytischen Zentren des Proteasoms zeigte nur einen statistischen Trend für eine verringerte Aktivität des Trypsin-ähnlichen katalytischen zentrums in ICM-geschädigtem Myokard. Die Expression der E3-Ligasen MAFbx und MuRF-1 unterschied sich nicht zwischen den Gruppen. Im Vergleich zur Kontrolle wiesen die Myokardproben der ICM-Patienten eine verringerte NADPH-Oxidase-Aktivität auf (p=0,01), was auf eine verringerte ROS-Produktion hinweist. Jedoch unterschied sich der Anteil AIF-positiver Zellen und damit die Caspase-unabhängige Apoptose nicht zwischen den Gruppen. Die vorliegende Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Aktivität und Expression verschiedener Komponenten des UPS in ICM und DCM unterscheiden. Deshalb liefern die vorliegenden Daten verschiedene Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen für die Herzinsuffizienz, um den Bedarf an Spenderherzen zukünftig senken zu können:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Kardiomyopathien 1 1.1.1 Dilatative Kardiomyopathie 4 1.1.2 Ischämische Kardiomyopathie 5 1.2 Kardiales Remodeling 6 1.3 Das Ubiquitin-Proteasom-System 8 1.3.1 Das Proteasom 9 1.3.2 Ubiquitin 10 1.3.3 E1-E2-E3-Enzymkomplex 10 1.3.4 Deubiquitinasen (DUBs) 12 1.4 Therapie 13 2 Zielsetzung 14 3 Material 15 4 Methoden 23 4.1 Probengewinnung 23 4.1.1 Probengewinnung bei LVAD-Implantation 23 4.1.2 Probengewinnung im Rahmen von Morrow-Resektionen 24 4.2 Verarbeitung der Proben 25 4.3 Proteinextraktion und Bestimmung der Proteinkonzentration 26 4.4 Auftrennung von Proteinen durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese 27 4.5 Western-Blot 28 4.6 Immunhistologische Färbungen 30 4.6.1 Ubiquitin-Färbung 30 4.6.2 Färbung des Apoptose-induzierenden Faktors AIF 31 4.6.3 Hämatoxylin/Eosin-Färbung 31 4.7 Proteasomaktivitätsmessung 32 4.8 NADPH-Oxidase-Aktivitätsmessung 33 4.9 Statistik 34 5 Ergebnisse 35 5.1 Translation von Proteinen 35 5.2 Proteasomaktivität 36 5.3 Expression der E3-Ligasen 38 5.4 Ubiquitinierung 39 5.5 Oxidativer Stress und Apoptose 45 6 Diskussion 49 7 Zusammenfassung 60 8 Literaturverzeichnis 61 9 Abkürzungsverzeichnis 67 10 Abbildungsverzeichnis 69 11 Tabellenverzeichnis 70 Eigenständigkeitserklärung 71 Lebenslauf 72 Danksagung 7

Search for dark matter produced in association with bottom or top quarks in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for weakly interacting massive particle dark matter produced in association with bottom or top quarks is presented. Final states containing third-generation quarks and miss- ing transverse momentum are considered. The analysis uses 36.1 fb−1 of proton–proton collision data recorded by the ATLAS experiment at √s = 13 TeV in 2015 and 2016. No significant excess of events above the estimated backgrounds is observed. The results are in- terpreted in the framework of simplified models of spin-0 dark-matter mediators. For colour- neutral spin-0 mediators produced in association with top quarks and decaying into a pair of dark-matter particles, mediator masses below 50 GeV are excluded assuming a dark-matter candidate mass of 1 GeV and unitary couplings. For scalar and pseudoscalar mediators produced in association with bottom quarks, the search sets limits on the production cross- section of 300 times the predicted rate for mediators with masses between 10 and 50 GeV and assuming a dark-matter mass of 1 GeV and unitary coupling. Constraints on colour- charged scalar simplified models are also presented. Assuming a dark-matter particle mass of 35 GeV, mediator particles with mass below 1.1 TeV are excluded for couplings yielding a dark-matter relic density consistent with measurements

Veränderungen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im humanen Myokard bei ischämischer und dilatativer Kardiomyopathie

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) spielt eine zentrale Rolle bei kardialen Remodeling-Prozessen infolge von Kardiomyopathie und schwerer Herzinsuffizienz. Das UPS ist für die Protein-Homöostase zuständig, indem es fehlerhafte und fehlgefaltete Proteine durch eine gezielte Markierung mit Ubiquitin dem proteasomalen Abbau zuführt. Die Ultima-Ratio-Therapie von Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz ist bis heute die Herztransplantation. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Spenderherzen ist die Suche nach Alternativen von außerordentlicher Wichtigkeit. Um mögliche neue Therapiestrategien für Kardiomyopathie und schwere Herzinsuffizienz zu entwickeln, ist es deshalb von zentraler Bedeutung das UPS im humanen Myokard zu charakterisieren, um die Zusammenhänge zwischen dem UPS und der Herzmechanik genauer zu verstehen und auf diese therapeutisch einwirken zu können. Die vorliegende Arbeit untersuchte erstmalig das UPS bei fortgeschrittener ischämischer (ICM) und dilatativer Kardiomyopathie (DCM), den beiden häufigsten Indikationen für eine Herztransplantation. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit die Funktionsweise des UPS anhand spezifischer Marker genauer untersucht. Zu den untersuchten UPS-Komponenten zählen die Aktivität des Proteasoms, die Ubiquitinierung und die E1-E2-E3-Enzymkaskasde, über die eine Ubiquitinierung erfolgt. Für die Untersuchungen wurden Myokardproben von n=24 ICM- und n=28 DCM-Patienten verwendet, welche im Rahmen der Implantation eines linksventrikulären Herzunterstützungssystems gewonnen wurden. Als Kontrolle (n=12) diente Septumgewebe aus Morrow-Resektionen von Patienten mit Aortenstenose jedoch ohne diagnostizierte hypertrophe Kardiomyopathie und ohne Subaortenstenose. Mittels Western-Blot-Analysen wurde die Ubiquitinierung von Proteinen, die Aktivität der E3-Ligasen Muscle RING-finger protein-1 (MuRF-1) und Muscle atrophy F-box (MAFbx) sowie der Ubiquitin-Linker K48 (Proteasomaler Abbau) und K63 (Autophagie-assoziiierte Prozesse) untersucht. Weiterhin wurde die Aktivität des Trypsin- und Chymotrypsin-ähnlichen katalytischen Zentrums des Proteasoms quantifiziert. Die Aktivität der Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH)-Oxidase wurde ermittelt, um Rückschlüsse auf die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ziehen zu können. Des Weiteren wurde die Ubiquitinierung sowie das Auftreten möglicher apoptotischer Vorgänge durch den Nachweis des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) analysiert. ICM- und DCM-geschädigtes Myokard wies deutliche Unterschiede bezüglich verschiedener Komponenten des UPS auf. In ICM- und DCM-Gewebe konnte eine Abnahme des zellulären, freien Ubiquitins im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden (p=0,05). ICM-geschädigtes Myokard wies darüber hinaus einen geringen Anteil von Zellen mit Ubiquitin-positiven Ablagerungen, sogenannten Deposits, auf (p=0,03). Die Multi-Ubiquitinierung von Proteinen war im Myokardgewebe von DCM-Patienten deutlich verringert (p=0,02), die Proteinubiquitinierung über K48 und K63 jedoch zwischen den Gruppen vergleichbar. Eine Quantifzierung der verschiedenen katalytischen Zentren des Proteasoms zeigte nur einen statistischen Trend für eine verringerte Aktivität des Trypsin-ähnlichen katalytischen zentrums in ICM-geschädigtem Myokard. Die Expression der E3-Ligasen MAFbx und MuRF-1 unterschied sich nicht zwischen den Gruppen. Im Vergleich zur Kontrolle wiesen die Myokardproben der ICM-Patienten eine verringerte NADPH-Oxidase-Aktivität auf (p=0,01), was auf eine verringerte ROS-Produktion hinweist. Jedoch unterschied sich der Anteil AIF-positiver Zellen und damit die Caspase-unabhängige Apoptose nicht zwischen den Gruppen. Die vorliegende Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Aktivität und Expression verschiedener Komponenten des UPS in ICM und DCM unterscheiden. Deshalb liefern die vorliegenden Daten verschiedene Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen für die Herzinsuffizienz, um den Bedarf an Spenderherzen zukünftig senken zu können:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Kardiomyopathien 1 1.1.1 Dilatative Kardiomyopathie 4 1.1.2 Ischämische Kardiomyopathie 5 1.2 Kardiales Remodeling 6 1.3 Das Ubiquitin-Proteasom-System 8 1.3.1 Das Proteasom 9 1.3.2 Ubiquitin 10 1.3.3 E1-E2-E3-Enzymkomplex 10 1.3.4 Deubiquitinasen (DUBs) 12 1.4 Therapie 13 2 Zielsetzung 14 3 Material 15 4 Methoden 23 4.1 Probengewinnung 23 4.1.1 Probengewinnung bei LVAD-Implantation 23 4.1.2 Probengewinnung im Rahmen von Morrow-Resektionen 24 4.2 Verarbeitung der Proben 25 4.3 Proteinextraktion und Bestimmung der Proteinkonzentration 26 4.4 Auftrennung von Proteinen durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese 27 4.5 Western-Blot 28 4.6 Immunhistologische Färbungen 30 4.6.1 Ubiquitin-Färbung 30 4.6.2 Färbung des Apoptose-induzierenden Faktors AIF 31 4.6.3 Hämatoxylin/Eosin-Färbung 31 4.7 Proteasomaktivitätsmessung 32 4.8 NADPH-Oxidase-Aktivitätsmessung 33 4.9 Statistik 34 5 Ergebnisse 35 5.1 Translation von Proteinen 35 5.2 Proteasomaktivität 36 5.3 Expression der E3-Ligasen 38 5.4 Ubiquitinierung 39 5.5 Oxidativer Stress und Apoptose 45 6 Diskussion 49 7 Zusammenfassung 60 8 Literaturverzeichnis 61 9 Abkürzungsverzeichnis 67 10 Abbildungsverzeichnis 69 11 Tabellenverzeichnis 70 Eigenständigkeitserklärung 71 Lebenslauf 72 Danksagung 7

Veränderungen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im humanen Myokard bei ischämischer und dilatativer Kardiomyopathie

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) spielt eine zentrale Rolle bei kardialen Remodeling-Prozessen infolge von Kardiomyopathie und schwerer Herzinsuffizienz. Das UPS ist für die Protein-Homöostase zuständig, indem es fehlerhafte und fehlgefaltete Proteine durch eine gezielte Markierung mit Ubiquitin dem proteasomalen Abbau zuführt. Die Ultima-Ratio-Therapie von Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz ist bis heute die Herztransplantation. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Spenderherzen ist die Suche nach Alternativen von außerordentlicher Wichtigkeit. Um mögliche neue Therapiestrategien für Kardiomyopathie und schwere Herzinsuffizienz zu entwickeln, ist es deshalb von zentraler Bedeutung das UPS im humanen Myokard zu charakterisieren, um die Zusammenhänge zwischen dem UPS und der Herzmechanik genauer zu verstehen und auf diese therapeutisch einwirken zu können. Die vorliegende Arbeit untersuchte erstmalig das UPS bei fortgeschrittener ischämischer (ICM) und dilatativer Kardiomyopathie (DCM), den beiden häufigsten Indikationen für eine Herztransplantation. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit die Funktionsweise des UPS anhand spezifischer Marker genauer untersucht. Zu den untersuchten UPS-Komponenten zählen die Aktivität des Proteasoms, die Ubiquitinierung und die E1-E2-E3-Enzymkaskasde, über die eine Ubiquitinierung erfolgt. Für die Untersuchungen wurden Myokardproben von n=24 ICM- und n=28 DCM-Patienten verwendet, welche im Rahmen der Implantation eines linksventrikulären Herzunterstützungssystems gewonnen wurden. Als Kontrolle (n=12) diente Septumgewebe aus Morrow-Resektionen von Patienten mit Aortenstenose jedoch ohne diagnostizierte hypertrophe Kardiomyopathie und ohne Subaortenstenose. Mittels Western-Blot-Analysen wurde die Ubiquitinierung von Proteinen, die Aktivität der E3-Ligasen Muscle RING-finger protein-1 (MuRF-1) und Muscle atrophy F-box (MAFbx) sowie der Ubiquitin-Linker K48 (Proteasomaler Abbau) und K63 (Autophagie-assoziiierte Prozesse) untersucht. Weiterhin wurde die Aktivität des Trypsin- und Chymotrypsin-ähnlichen katalytischen Zentrums des Proteasoms quantifiziert. Die Aktivität der Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH)-Oxidase wurde ermittelt, um Rückschlüsse auf die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ziehen zu können. Des Weiteren wurde die Ubiquitinierung sowie das Auftreten möglicher apoptotischer Vorgänge durch den Nachweis des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) analysiert. ICM- und DCM-geschädigtes Myokard wies deutliche Unterschiede bezüglich verschiedener Komponenten des UPS auf. In ICM- und DCM-Gewebe konnte eine Abnahme des zellulären, freien Ubiquitins im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden (p=0,05). ICM-geschädigtes Myokard wies darüber hinaus einen geringen Anteil von Zellen mit Ubiquitin-positiven Ablagerungen, sogenannten Deposits, auf (p=0,03). Die Multi-Ubiquitinierung von Proteinen war im Myokardgewebe von DCM-Patienten deutlich verringert (p=0,02), die Proteinubiquitinierung über K48 und K63 jedoch zwischen den Gruppen vergleichbar. Eine Quantifzierung der verschiedenen katalytischen Zentren des Proteasoms zeigte nur einen statistischen Trend für eine verringerte Aktivität des Trypsin-ähnlichen katalytischen zentrums in ICM-geschädigtem Myokard. Die Expression der E3-Ligasen MAFbx und MuRF-1 unterschied sich nicht zwischen den Gruppen. Im Vergleich zur Kontrolle wiesen die Myokardproben der ICM-Patienten eine verringerte NADPH-Oxidase-Aktivität auf (p=0,01), was auf eine verringerte ROS-Produktion hinweist. Jedoch unterschied sich der Anteil AIF-positiver Zellen und damit die Caspase-unabhängige Apoptose nicht zwischen den Gruppen. Die vorliegende Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Aktivität und Expression verschiedener Komponenten des UPS in ICM und DCM unterscheiden. Deshalb liefern die vorliegenden Daten verschiedene Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen für die Herzinsuffizienz, um den Bedarf an Spenderherzen zukünftig senken zu können:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Kardiomyopathien 1 1.1.1 Dilatative Kardiomyopathie 4 1.1.2 Ischämische Kardiomyopathie 5 1.2 Kardiales Remodeling 6 1.3 Das Ubiquitin-Proteasom-System 8 1.3.1 Das Proteasom 9 1.3.2 Ubiquitin 10 1.3.3 E1-E2-E3-Enzymkomplex 10 1.3.4 Deubiquitinasen (DUBs) 12 1.4 Therapie 13 2 Zielsetzung 14 3 Material 15 4 Methoden 23 4.1 Probengewinnung 23 4.1.1 Probengewinnung bei LVAD-Implantation 23 4.1.2 Probengewinnung im Rahmen von Morrow-Resektionen 24 4.2 Verarbeitung der Proben 25 4.3 Proteinextraktion und Bestimmung der Proteinkonzentration 26 4.4 Auftrennung von Proteinen durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese 27 4.5 Western-Blot 28 4.6 Immunhistologische Färbungen 30 4.6.1 Ubiquitin-Färbung 30 4.6.2 Färbung des Apoptose-induzierenden Faktors AIF 31 4.6.3 Hämatoxylin/Eosin-Färbung 31 4.7 Proteasomaktivitätsmessung 32 4.8 NADPH-Oxidase-Aktivitätsmessung 33 4.9 Statistik 34 5 Ergebnisse 35 5.1 Translation von Proteinen 35 5.2 Proteasomaktivität 36 5.3 Expression der E3-Ligasen 38 5.4 Ubiquitinierung 39 5.5 Oxidativer Stress und Apoptose 45 6 Diskussion 49 7 Zusammenfassung 60 8 Literaturverzeichnis 61 9 Abkürzungsverzeichnis 67 10 Abbildungsverzeichnis 69 11 Tabellenverzeichnis 70 Eigenständigkeitserklärung 71 Lebenslauf 72 Danksagung 7

The Ubiquitin Proteasome System in Ischemic and Dilated Cardiomyopathy

Dilated (DCM) and ischemic cardiomyopathies (ICM) are associated with cardiac remodeling, where the ubiquitin–proteasome system (UPS) holds a central role. Little is known about the UPS and its alterations in patients suffering from DCM or ICM. The aim of this study is to characterize the UPS activity in human heart tissue from cardiomyopathy patients. Myocardial tissue from ICM (n = 23), DCM (n = 28), and control (n = 14) patients were used to quantify ubiquitinylated proteins, E3-ubiquitin-ligases muscle-atrophy-F-box (MAFbx)/atrogin-1, muscle-RING-finger-1 (MuRF1), and eukaryotic-translation-initiation-factor-4E (eIF4E), by Western blot. Furthermore, the proteasomal chymotrypsin-like and trypsin-like peptidase activities were determined fluorometrically. Enzyme activity of NAD(P)H oxidase was assessed as an index of reactive oxygen species production. The chymotrypsin- (p = 0.71) and caspase-like proteasomal activity (p = 0.93) was similar between the groups. Trypsin-like proteasomal activity was lower in ICM (0.78 ± 0.11 µU/mg) compared to DCM (1.06 ± 0.08 µU/mg) and control (1.00 ± 0.06 µU/mg; p = 0.06) samples. Decreased ubiquitin expression in both cardiomyopathy groups (ICM vs. control: p < 0.001; DCM vs. control: p < 0.001), as well as less ubiquitin-positive deposits in ICM-damaged tissue (ICM: 4.19% ± 0.60%, control: 6.28% ± 0.40%, p = 0.022), were detected. E3-ligase MuRF1 protein expression (p = 0.62), NADPH-oxidase activity (p = 0.63), and AIF-positive cells (p = 0.50). Statistical trends were detected for reduced MAFbx protein expression in the DCM-group (p = 0.07). Different levels of UPS components, E3 ligases, and UPS activation markers were observed in myocardial tissue from patients affected by DCM and ICM, suggesting differential involvement of the UPS in the underlying pathologies