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Dissertation: Sascha Drewlo


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Dissertation: Sascha Drewlo

Aus dem Institut für Physiologie und Anatomie der Deutschen Sporthochschule Köln Geschäftsführender Leiter: Prof. Dr. O. Bock

Molecular mechanisms involved in physiological cell-cell fusion Interactions between Syncytin-1 and its receptor as a model system

Von der Deutschen Sporthochschule Köln zur Erlangung des akademischen Grades Ph.D. in Molecular Biology Genehmigte Dissertation vorgelegt von Sascha Drewlo aus Hamm

Köln 2006

Zusammenfassung:

Zellfusion ist ein weit verbreitetes Phänomen in der Natur, welches in verschiedenen Organismen zu finden ist. Im Menschen tritt Zellfusion unter anderem in der Entwicklung und Regeneration der Skelettmuskulatur sowie im Trophoblasten der Plazenta auf. Auch wenn sich die Gewebetypen unterscheiden, so scheinen sie verwandte Moleküle und Mechanismen zu teilen, welche für eine erfolgreiche Zellfusion nötig sind. Der exakte Mechanismus dieser Prozesse ist noch unbekannt und ein Fusionsmolekül im Muskel wurde noch nicht entdeckt. Im Gegensatz zur humanen Plazenta wo die Proteine Syncytin-1 und dessen Rezeptor RDR sich verantwortlich für die Fusion im Trophoblasten zeigen. Wir etablierten eine Basis um Fusionsmoleküle in Zellkultur basierenden Modellen zu untersuchen und neue Einblicke in den Fusionsprozess zu generieren. In dieser Arbeit wurden Syncytin-1 und RDR als Modellmoleküle systematisch untersucht. Diese Untersuchungen umfassten die Proteine selbst sowie artifiziell erzeugte Mutanten. Wir zeigten, dass der C-Terminus von Syncytin-1 einen entscheidenden Einfluss auf die Fusionsleistung des Moleküls hat. Pseudotypisierung von moloney und lentiviralen Viruspartikeln führte zur Infektion RDR positiver Zellen und bewies die ehemalige Eigenschaft des Syncytin-1 als virales Hüllprotein. Des Weiteren zeigten wir eine mögliche Rezeptorinterferenz zwischen Syncytin-1 und RDR mit einer löslichen Variante des Syncytin-1, mit welcher es möglich war die Fusion zu blockieren. Eine Überexpression von Syncytin-1 in verschiedenen Zellen führte hingegen nicht zu einer Veränderung des RDR Expressionslevels oder Glykosylierungsstatusses. Syncytin-1 konnte hauptsächlich im Syncytiotrophoblasten des villösen Anteils der Plazenta und RDR im darunter liegenden Zytotrophoblasten nachgewiesen werden. Fassen wir die Daten der Zellkultur und gewebsspezifischen Untersuchungen zusammen, so ergibt sich eine Hypothese für die Regulation der Fusion im humanen Trophoblasten. Syncytin-1 im Syncytiotrophblasten wäre somit in der Lage direkt mit seinem Rezeptor in den Zytotrophoblastzellen zu interagieren, moduliert durch gegenseitiges Blocken, dort wo beide Moleküle in einem Zelltyp simultan expremiert werden. Die hier präsentierten Studien und Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis des Fusionsprozesses und der molekularen Rolle des Syncytin-1 in dieser Maschinerie beitragen. Zudem erscheinen die erhaltenen Erkenntnisse viel versprechend für zukünftige Forschungen, welche sich auf das Verständnis der Myogenese und/oder Muskelregeneration konzentrieren.

Absract

Cell fusion is a widespread phenomenon in nature, which can be found in different organisms. In the human body for example, cell fusion occurs in the development and regeneration of skeletal muscles and in the trophoblast of the placenta. Although these tissues are quite different they seem to share related molecules and mechanisms which are needed to perform cell fusion. The exact regulation of these processes is still unknown and a fusogenic molecule in the muscle has not been discovered yet, in contrast to the human placenta where the proteins Syncytin-1 and its receptor RDR have been shown to be responsible for cell fusion in the trophoblast. We established a basis to investigate fusion molecules in models based on cell culture to produce new insights into the cell-fusion process. In this work Syncytin-1 and RDR have been used for a systematic molecular examination. This has been achieved by investigating the fusion protein itself and artificially constructed mutants. We demonstrated that the C-terminus of the Syncytin-1 molecule has an evident influence on the fusion efficiency of the molecule. Pseudotyping of Moloney and lentiviral particles with Syncytin-1 mutants led to an infection of RDR positive cells, which proved Syncytin-1`s ancient function as viral envelope. We sought evidence for a mechanism of interference between Syncytin-1 and RDR. We showed that a soluble variant of Syncytin-1 blocked the receptor function of RDR and cell fusion. We also demonstrated that overexpression of Syncytin-1 in RDR-expressing cells did not change expression levels or the glycosylation status of RDR. Syncytin-1 was shown to be mainly expressed in the syncytiotrophoblast of the villous part of the human placenta, whereas its receptor RDR was mostly detected in the underlying cytotrophoblast. Taking together the data of our cell culture experiments with tissue related results, we hypothesize a local mechanism to control fusion through a direct interaction of Syncytin-1 in the syncytiotrophoblast with its receptor in cytotrophoblast cells, modulated by mutual blocking of Syncytin-1 and RDR in areas in which both are expressed simultaneously. The presented studies and results will lead to a better understanding of the fusion process and the molecular role of Syncytin-1 in this machinery and appear promising for future research aimed at the understanding of myogenesis and/or muscle regeneration.

30.04.2017 - 03:18