Thorsten Hövel

• Vor 2 Jahren wurden erstmals die wahrscheinlich wichtigsten Tight Junction Proteine, Claudin-1 und -2 in der Maus beschrieben. An Hand von Sequenzhomologien konnten bis heute dieser 4 Transmembrandomänen Proteinfamilie 18 Mitglieder mit unterschiedlichen Gewebeverteilungen zugeordnet werden. Parallel zum murinen Claudin-1 wurde von (Swisshelm et al. 1999) das humane Claudin-1 mit einer 91 prozentigen Sequenzhomologie zum murinen Protein isoliert und molekulargenetisch beschrieben. In der überwiegenden Mehrzahl von Brusttumorzellinien ist dieVor 2 Jahren wurden erstmals die wahrscheinlich wichtigsten Tight Junction Proteine, Claudin-1 und -2 in der Maus beschrieben. An Hand von Sequenzhomologien konnten bis heute dieser 4 Transmembrandomänen Proteinfamilie 18 Mitglieder mit unterschiedlichen Gewebeverteilungen zugeordnet werden. Parallel zum murinen Claudin-1 wurde von (Swisshelm et al. 1999) das humane Claudin-1 mit einer 91 prozentigen Sequenzhomologie zum murinen Protein isoliert und molekulargenetisch beschrieben. In der überwiegenden Mehrzahl von Brusttumorzellinien ist die Expression von hu-CLDN1 verloren gegangen. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb die biologische Funktion des humanen Claudin-1 (hu-CLDN1) und dessen Relevanz während der Tumorgenese untersucht werden. Für diese Aufgabenstellung mußten monoklonale Antikörper mittels DNA Vakzinierung und hu-CLDN1 Retroviren zur effektiven Transduktion von Tumorzellen entwickelt werden. Die Antikörper wurden in ELISA, kompetitiven hu-CLDN1 Peptid ELISA und Western Blot auf ihre hu-CLDN1 Spezifität und Epitoperkennungsstelle überprüft. Für biologische Untersuchungen wurden für die neuen Antikörper optimale immunzytochemische und immunhistochemische Methoden etabliert. Mit Hilfe der monoklonalen Antikörper wurde die zelluläre Proteinexpression und die Lokalisation, als auch die Expression von hu-CLDN1 in Gewebeschnitten von Tumoren- und Normalgewebe untersucht. Vor 2 Jahren wurden erstmals die wahrscheinlich wichtigsten Tight Junction Proteine, Claudin-1 und -2 in der Maus beschrieben. An Hand von Sequenzhomologien konnten bis heute dieser 4 Transmembrandomänen Proteinfamilie 18 Mitglieder mit unterschiedlichen Gewebeverteilungen zugeordnet werden. Parallel zum murinen Claudin-1 wurde von (Swisshelm et al. 1999) das humane Claudin-1 mit einer 91 prozentigen Sequenzhomologie zum murinen Protein isoliert und molekulargenetisch beschrieben. In der überwiegenden Mehrzahl von Brusttumorzellinien ist die Expression von hu-CLDN1 verloren gegangen. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb die biologische Funktion des humanen Claudin-1 (hu-CLDN1) und dessen Relevanz während der Tumorgenese untersucht werden. Für diese Aufgabenstellung mußten monoklonale Antikörper mittels DNA Vakzinierung und hu-CLDN1 Retroviren zur effektiven Transduktion von Tumorzellen entwickelt werden. Die Antikörper wurden in ELISA, kompetitiven hu-CLDN1 Peptid ELISA und Western Blot auf ihre hu-CLDN1 Spezifität und Epitoperkennungsstelle überprüft. Für biologische Untersuchungen wurden für die neuen Antikörper optimale immunzytochemische und immunhistochemische Methoden etabliert. Mit Hilfe der monoklonalen Antikörper wurde die zelluläre Proteinexpression und die Lokalisation, als auch die Expression von hu-CLDN1 in Gewebeschnitten von Tumoren- und Normalgewebe untersucht. Für die Reexpression von hu-CLDN1 in Brusttumorzellen wurden retrovirale Genshuttlesysteme hergestellt. Die retroviralen Genshuttlesysteme basieren auf dem MoMuLV Grundgerüst und als Besonderheit wurde der l-NGFR Rezeptor zur schnellen und sicheren Identifkation transduzierter Zellen einkloniert. Hergestellt wurde ein Mock Kontrollvektor (nur l-NGFR) und der hu-CLDN1 Vektor mit l-NGFR. Die hu-CLDN1 retroviralen Überstände wurden verwendet, um verschiedene Brusttumorzellinien zu transduzieren. Die Expression von hu-CLDN1 wurde mittels eigens entwickelter quantitativer gekoppelter Reverser Transkription Polymerase Ketten Reaktion (qRT PCR) in verschiedenen Brusttumorzellinien untersucht. Wie aus der vorliegenden Arbeit ersichtlich, konnten erstmalig monoklonale Antikörper gegen hu-CLDN1 entwickelt werden. Diese sind spezifisch und haben eine hohe Sensitivität gegenüber hu-CLDN1. Desweiteren gelang es erstmals Antikörper gegen alle 4 extra- und intrazellulären Domänen zu gewinnen. Mit diesen Antikörpern gelang es nachzuweisen, daß es sich bei hu-CLDN1 um ein ausschließlich membranständiges Protein handelt. Die Expression des Proteins findet sich nur in konfluenten Zellkulturen von natürlicherweise hu-CLDN1 exprimierenden Brusttumorzellen (T47D, MCF7), wobei die Lokalisation ausschließlich auf die Zell-Zell Kontaktstelle beschränkt ist. Bei der hu-CLDN1 Transduktion in hu-CLDN1 negativen Brusttumorzellinen zeigte sich eine konstitutive mRNA Expression in subkonfluenten und konfluenten Zellkulturen. Allerdings ist fluoreszenzmikroskopisch hu-CLDN1 Protein nur in konfluenten Zellkulturen nachweisbar, wobei diese Tumorzellen das Protein korrekt nur an der Zell-Zell Kontaktstelle einbauen. Offensichtlich haben die hu-CLDN1 negativen Brusttumorzellen noch den intakten Signalweg zur korrekten Expression mit einer noch unbekannten posttranskriptionellen Kontrolle. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß in Brusttumorzellen, die weder Occludin noch ZO-1 exprimieren (MDA-MB-435) die physiologisch korrekte Expression von hu-CLDN1 existiert. Offensichtlich ist die Lokalisation von hu-CLDN1 von beiden Proteinen unabhängig. Die Analyse von unterschiedlichen hu-CLDN1 positiven und negativen Brusttumorzellen zeigte, daß der Verlust der hu-CLDN1 Expression besser zur in vitro Invasivität von Brusttumorzellen korreliert als der Expressionsverlust von Occludin und ZO-1. Die klinische Relevanz des Verlustes von hu-CLDN1 während der Tumorgenese wurde bei den Expressionsanalysen auf normalen Brust- und Darmgewebe gegenüber transformierten Brust- und Darmgewebe untersucht. Bei der Analyse von normalem Brustgewebe konnte festgestellt werden, daß hu-CLDN1 ein rein epthelial/endotheliales Protein mit eindeutiger Membranlokalisation darstellt. In den untersuchten transformierten Geweben zeigte keines der transformierten Gewebe mehr die membranständige Färbung, sondern nur noch zytoplasmatische Färbung. Desweiteren war eine signifikant reduzierte oder nicht vorhandene hu-CLDN1 Färbung in einer größeren Anzahl von Tumoren zu beobachten. Diese Ergebnisse zeigen, daß der Verlust der Expression zumindest bei der Brust- und Darmtumorentwicklung offensichtlich mit der in vivo Tumorprogression korreliert. Um die Bedeutung der hu-CLDN1 Relokalisation bzw. verringerten Expression während der Tumorgenese zellphysiologisch zu verstehen, wurden in vitro Zellkulturstudien mit hu-CLDN1 negativen Zellinien und ihren hu-CLDN1 transduzierten Tochterpopulationen durchgeführt. In den adhärenten Zellkulturen hat die hu-CLDN1 Expression keinen Einfluß auf Zellwachstum und Apoptose. Allerdings zeigte sich in drei dimensional wachsenden Tumorzellaggregaten, daß die Reexpression von hu-CLDN1 zu einer drastischen Erhöhung der Apoptose führt. Die parazellulären Fluxstudien ergaben, daß bei der Reexpression von hu-CLDN1 in Brusttumorzellen der parazelluläre Flux zwischen den Zellen deutlich zurückgeht. Somit könnte die reduzierte Wachstumskapazität bzw. erhöhte Apoptose in 3 D Kulturen mit einer reduzierten Zugänglichkeit von Nährstoffen und Wachstumsfaktoren in hu-CLDN1 transduzierten Zellen verursacht sein. Dies würde auch erklären, warum bei den untersuchten transformierten noch hu-CLDN1 positiven Brust- und Darmtumorgeweben sich ausschließlich eine zytoplasmatische Lokalisation in den Tumorzellen findet. Während in Organen und Drüsengeweben Epithelien einschichtig vorkommen und die Versorgung der Zellen mit Wachstumsfaktoren basolateral oder apikal durch Diffusion und Mikro-/Makropinozytose erfolgen kann, wachsen Tumorepithelzellen mehrschichtig. Wären die Tight Junctions im Tumor noch intakt, so könnte es zu einer Mangelversorgung und somit zur Apoptose kommen. Für das in vivo Wachstum eines Tumors ist es also notwendig, Membranproteine, die den parazellulären Flux inhibieren, zu verringern. Wie die zellphysiologischen in vitro Studien der vorliegenden Arbeit zeigen, ist es aber möglich, einen tumorinhibierenden Effekt allein durch die Reexpression von hu-CLDN1 unabhängig von Occludin und ZO-1 zu erreichen. In diesem Sinne kann zumindest zellphysiologisch hu-CLDN1 als Tumorsuppressorprotein betrachtet werden.…
• Two years ago probably the most important tight junction proteins in mice were identified: claudin-1 and -2 . By sequence homology up to 18 members could be assigned to this 4 transmembrane protein family. The human claudin-1 with a 91 per cent sequence similarity to the murine claudin-1 was isolated in parallel (Swisshelm et al. 1999) and it has been shown that most breast cancer cell lines lost the expression of hu-CLDN1. The goal of this Ph. D. thesis was the evaluation of the cell physiological function of the human Claudin-1 (hu-CLDN1) andTwo years ago probably the most important tight junction proteins in mice were identified: claudin-1 and -2 . By sequence homology up to 18 members could be assigned to this 4 transmembrane protein family. The human claudin-1 with a 91 per cent sequence similarity to the murine claudin-1 was isolated in parallel (Swisshelm et al. 1999) and it has been shown that most breast cancer cell lines lost the expression of hu-CLDN1. The goal of this Ph. D. thesis was the evaluation of the cell physiological function of the human Claudin-1 (hu-CLDN1) and its relevance during tumorigenesis. To investigate the protein expression and cellular homing monoclonal antibodies using DNA vaccination were generated. The antibodies were analyzed for hu-CLDN1 specifity by Western blot and the epitope binding sites were identified by a competetive hu-CLDN1 peptide ELISA. Using the monoclonal antibodies optimal immunocytochemical and immunohistochemical methods for biological methods were established. With these antibodies the cellular expression and localization, and the expression of hu-CLDN1 in tissue slices of tumor versus normal tissues was analyzed. For the reexpression of hu-CLDN1 in breast tumor cells, retroviral shuttle systems were generated, based on a MoMuLV backbone using the l-NGFR receptor for efficient and rapid transduction of breast cancer cells with hu-CLDN1. For this purpose a mock vector (containing l-NGFR only ) and a hu-CLDN1 vector with l-NGFR were cloned. The expression of hu-CLDN1 in various breast cancer cell lines was analysed using quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (qRT PCR). The monoclonal antibodies against hu-CLDN1 are specific against hu-CLDN1. In addition antibodies for all 4 extra- and cytosolic domains were generated. Using these antibodies it was shown by immunofluorescence microscopic analysis that hu-CLDN1 is an exclusively membrane located protein. The expression of the protein is detectable only in confluent cell cultures of naturally hu-CLDN1 expressing cell lines (T47-D, MCF7) and only in the areas of direct cell cell contact. The transduction of hu-CLDN1 negative cell lines analyzed by qRT PCR displayed a mRNA expression in subconfluent and confluent cell cultures, while the protein was only detectable in confluent cell cultures. This indicates that the hu-CLDN1 negative breast tumor cell lines still have the intact signal transduction pathway for the correct expression with an up to now unknown posttranscriptional control mechanism of protein expression. In this context it is noteworthy that even occludin and ZO-1 negative breast tumor cell lines (e. g. MDA-MB-435) still have the physiological homing mechanism of hu-CLDN1. Therefore it can be suggested that expression and homing at hu-CLDN1 might be independent of occludin and ZO-1. The analysis of different hu-CLDN1 positive and negative breast tumor cells showed that the loss of expression of hu-CLDN1 correlates more significantly to the tumorigenesis of cells in comparison to occludin and ZO-1. The clinical relevance of the downregulation and loss of hu-CLDN1 was analyzed using expression analysis of breast and colon tissue versus tumor tissue on tissue microarrays. Normal breast tissue displayed a epithelial/endothelial hu-CLDN1 membrane localization only. None of the breast tumor tissue displayed a membrane localization of the hu-CLDN1 however a relocalization to the cytoplasm was evident. Additionally a significant reduction or loss of expression could be detected in the majority of tumor tissues. These results show that the loss of expression of hu-CLDN1 in breast and colon tumors correlates with tumor progression. In order to analyze the relevance of hu-CLDN1 relocalization and reduction of expression during tumorigenesis on a cellphysiological level, in vitro cell culture studies were performed using hu-CLDN1 negative cell lines (MDA-MB-361) and their hu-CLDN1 transduced counterparts. Hu-CLDN1 transduced cells growing in 2 D cell cultures displayed no altered growth or increased levels of apoptosis. However in three dimensional growing tumor cell aggregates the reexpression of hu-CLDN1 results in a significantly increased induction of apoptosis. In addition paracellular flux analysis revealed that reexpression of hu-CLDN1 decreased the paracellular flux significantly. This data suggests that the reduced growth and increased apoptosis in hu-CLDN1 positive tumor cell aggregates could be due to reduced accessibility of growth factors in hu-CLDN1 transduced cell aggregates. This would explain the necessity for the cytoplasmic homing and loss of expression of hu-CLDN1 during tumorprogression in breast and colon tumors. Most epithelia exist as single layers in organs and lobular structures resulting in a good accessibility of growth factors via diffusion or micro-/macropinocytosis. However, carcinoma tumor cells grow in multilayers. Intact tight junction complexes in carcinoma multi layers would result in a reduced accessibility of growth factors and nutrients. Therefore it is suggested that it is essential for the in vivo growth of a tumor to decrease the expression of tight junctions regulating the paracellular flux. According to the molecular and cell physiological studies presented it might be possible to achieve a tumor inhibiting effect by re-expression of hu-CLDN1. Therefore at least from a cell physiological point of view hu-CLDN1 can be considered to be a tumor suppressor protein.…