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In der vorliegenden Dissertation stand die Aufklärung der Funktion und Regulation von p21 in der Mitose im Mittelpunkt. p21 ist als Cdk-Inhibitor und Schlüsselregulator bekannt, der in viele fundamentale zelluläre Prozesse involviert ist: Zellzyklusregulation, Apoptose, Seneszenz, Zellmigration und Dynamik des Zytoskeletts, Transkription, Differenzierung sowie DNA-Reparatur, aber auch in die Umprogrammierung induzierter pluripotenter Stammzellen (Besson et al. 2008; Abbas und Dutta 2009; Jung et al. 2010). Die unkontrollierte Proliferation von Zellen ist mit der Tumorgenese assoziiert und wird unter anderem durch die Fehlregulation von p21, aber auch durch die wichtigen mitotischen Kinasen Cdk1, im Komplex mit ihrer regulatorischen Untereinheit Cyclin B1, sowie Plk1 bedingt. Zudem ist das Fehlen von p21 oder die Fehllokalisation in das Zytoplasma mit einer schlechteren Prognose für den Patienten und Chemotherapie-Resistenz von Tumoren verbunden (Abukhdeir und Park 2008). Aufgrund der zunehmenden Inzidenz und Mortalität von Krebserkrankungen ist es daher von besonderem klinischem Interesse, die molekularen Ursachen für die Entstehung maligner Tumorerkrankungen aufzuklären. Bislang existieren kaum Studien über welche molekularen Mechanismen die Funktionen von p21, dem wichtigsten Cdk-Inhibitor, der zum Beispiel durch die Anwendung niedermolekularer Inhibitoren wie BI 2536, das sich bereits in klinischen Phase II Studien befindet (Strebhardt 2010), beeinflusst wird, während der Mitose reguliert werden. In der vorliegenden Dissertation wurde daher die physiologische Rolle des Cdk-Inhibitors bzw. Regulators p21 während der Mitose untersucht und mit der Kinaseaktivität von Cdk1/Cyclin B1, wie auch Plk1 korreliert. Es konnte gezeigt werden, dass p21 während der Mitose stark exprimiert wird und dass mitotisches p21 in verschiedenen Krebszelllinien unabhängig von dem p53-Status in einer phosphorylierten Form vorkommt, welche mit der Aktivität von Cdk1 und weniger mit der von Cdk2 assoziiert ist. Durch Untersuchungen der isogenen HCT116-Zelllinien mit und ohne p21 wurde aufgezeigt, wie wichtig p21 für den ordnungsgemäßen Ablauf der Mitose ist. Ohne p21 sind sowohl die Anaphase wie auch die Zytokinese verlängert, die Zellen ordnen die Chromosomen fehlerhaft in der Metaphaseplatte an (congression Fehler), besitzen weitaus mehr lagging Chromosomen und fast 20 % der Zellen weisen im Versuchsverlauf Polyploidie auf. Durch den Verlust des Cdk-Regulators p21 kommt es zur Fehlregulation von Cdk1 und seiner Substrate (wie MCAK) und es treten die oben beschriebenen Probleme auf. Weiterhin phosphoryliert Cdk1/Cyclin B1 p21 an Ser-130 in vitro und ex vivo in der frühen Phase der Mitose, der Prophase bzw. Prometaphase. Die nicht phosphorylierbare p21 Form S130A befindet sich hauptsächlich im Zellkern und führt zu vermehrtem Auftreten von congression Fehlern, während die S130D-Mutante, die die Phosphorylierung durch Cdk1 vortäuscht, schneller degradiert wird und zudem den Phänotyp der HCT116 p21-/- Zellen verstärkt. Zellen, die S130D exprimieren, benötigen mehr Zeit für das Durchlaufen der Mitose. Hier ist vor allem die Metaphase stark verlängert, aber auch Anaphase und Zytokinese. Dies führt zu congression Fehlern und zu Polyploidie. Diese Ergebnisse bestätigen, wie wichtig die zeitlich korrekte Phosphorylierung von p21 und die dadurch vermittelte Aktivierung von Cdk1/Cyclin B1 ist. Darüber hinaus stabilisiert die Suppression von Plk1 das p21 Protein, was darauf hinweist, dass die Degradation von p21 während der Prometaphase von Plk1 kontrolliert wird. Dies wird von der Tatsache unterstützt, dass Ser-114, wie auch Ser116 von Plk1 in vitro phosphoryliert wird. Die Deregulation von p21 durch Plk1, SS114/116AA bzw. SS114/116DD induziert Chromosomenfehler, wodurch die molekularen Mechanismen, warum fehlreguliertes Plk1 die Tumorgenese fördert, hervorgehoben werden. Nach Abschluss der bisherigen Untersuchungen steht fest, dass man sich von der starren Rolle von p21 als Tumorsuppressor und Akteur während der G1/S-Phase lösen muss. Der Cdk-Inhibitor p21 trägt entscheidend zur mitotischen Progression bei, vor allem bedingt durch die zeitlich ordnungsgemäße Inaktivierung bzw. Aktivierung von Cdk1/Cyclin B1, der Kinase, die wiederum zahlreiche für die Mitose essentielle Proteine reguliert. In Zukunft muss zum besseren Verständnis der Rolle von p21 in der Mitose die genaue Abfolge der Ereignisse unter Einbeziehung der Degradationsmechanismen eingehender untersucht werden.

Preeclampsia (PE), a gestational hypertensive disease originating from the placenta, is characterized by an imbalance of various cellular processes. The cell cycle regulator p21Cip1/CDKN1A (p21) and its family members p27 and p57 regulate signaling pathways fundamental to placental development. The aim of the present study was to enlighten the individual roles of these cell cycle regulators in placental development and their molecular involvement in the pathogenesis of PE. The expression and localization of p21, phospho-p21 (Thr-145), p27, and p57 was immunohistochemically analyzed in placental tissues from patients with early-onset PE, early-onset PE complicated by the HELLP (hemolysis, elevated liver enzymes and low platelet count) syndrome as well as late-onset PE compared to their corresponding control tissues from well-matched women undergoing caesarean sections. The gene level was evaluated using real-time quantitative PCR. We demonstrate that the delivery mode strongly influenced placental gene expression, especially for CDKN1A (p21) and CDKN1B (p27), which were significantly upregulated in response to labor. Cell cycle regulators were highly expressed in first trimester placentas and impacted by hypoxic conditions. In support of these observations, p21 protein was abundant in trophoblast organoids and hypoxia reduced its gene expression. Microarray analysis of the trophoblastic BeWo cell line depleted of p21 revealed various interesting candidate genes and signaling pathways for the fusion process. The level of p21 was reduced in fusing cytotrophoblasts in early-onset PE placentas and depletion of p21 led to reduced expression of fusion-related genes such as syncytin-2 and human chorionic gonadotropin (β-hCG), which adversely affected the fusion capability of trophoblastic cells. These data highlight that cell cycle regulators are important for the development of the placenta. Interfering with p21 influences multiple pathways related to the pathogenesis of PE.

RITA, the RBP‐J interacting and tubulin‐associated protein, has been reported to be related to tumor development, but the underlying mechanisms are not understood. Since RITA interacts with tubulin and coats microtubules of the cytoskeleton, we hypothesized that it is involved in cell motility. We show here that depletion of RITA reduces cell migration and invasion of diverse cancer cell lines and mouse embryonic fibroblasts. Cells depleted of RITA display stable focal adhesions (FA) with elevated active integrin, phosphorylated focal adhesion kinase, and paxillin. This is accompanied by enlarged size and disturbed turnover of FA. These cells also demonstrate increased polymerized tubulin. Interestingly, RITA is precipitated with the lipoma‐preferred partner (LPP), which is critical in actin cytoskeleton remodeling and cell migration. Suppression of RITA results in reduced LPP and α‐actinin at FA leading to compromised focal adhesion turnover and actin dynamics. This study identifies RITA as a novel crucial player in cell migration and invasion by affecting the turnover of FA through its interference with the dynamics of actin filaments and microtubules. Its deregulation may contribute to malignant progression.

Loss of cell cycle control is characteristic of tumorigenesis. The protein p21 is the founding member of cyclin-dependent kinase inhibitors and an important versatile cell cycle protein. p21 is transcriptionally controlled by p53 and p53-independent pathways. Its expression is increased in response to various intra- and extracellular stimuli to arrest the cell cycle ensuring genomic stability. Apart from its roles in cell cycle regulation including mitosis, p21 is involved in differentiation, cell migration, cytoskeletal dynamics, apoptosis, transcription, DNA repair, reprogramming of induced pluripotent stem cells, autophagy and the onset of senescence. p21 acts either as a tumor suppressor or as an oncogene depending largely on the cellular context, its subcellular localization and posttranslational modifications. In the present review, we briefly mention the general functions of p21 and summarize its roles in differentiation, migration and invasion in detail. Finally, regarding its dual role as tumor suppressor and oncogene, we highlight the potential, difficulties and risks of using p21 as a biomarker as well as a therapeutic target.

Adipose-derived mesenchymal stem cells (ASCs) are considered to be a useful tool for regenerative medicine, owing to their capabilities in differentiation, self-renewal, and immunomodulation. These cells have become a focus in the clinical setting due to their abundance and easy isolation. However, ASCs from different depots are not well characterized. Here, we analyzed the functional similarities and differences of subcutaneous and visceral ASCs. Subcutaneous ASCs have an extraordinarily directed mode of motility and a highly dynamic focal adhesion turnover, even though they share similar surface markers, whereas visceral ASCs move in an undirected random pattern with more stable focal adhesions. Visceral ASCs have a higher potential to differentiate into adipogenic and osteogenic cells when compared to subcutaneous ASCs. In line with these observations, visceral ASCs demonstrate a more active sonic hedgehog pathway that is linked to a high expression of cilia/differentiation related genes. Moreover, visceral ASCs secrete higher levels of inflammatory cytokines interleukin-6, interleukin-8, and tumor necrosis factor α relative to subcutaneous ASCs. These findings highlight, that both ASC subpopulations share multiple cellular features, but significantly differ in their functions. The functional diversity of ASCs depends on their origin, cellular context and surrounding microenvironment within adipose tissues. The data provide important insight into the biology of ASCs, which might be useful in choosing the adequate ASC subpopulation for regenerative therapies.