Open Access

Madeleine Eichler

• Caspase-2 is the evolutionary most conserved member of the caspase family and was shown to be involved in genotoxic stress induced apoptosis, control of aneuploidy, and ageing related metabolic changes. However, its role in apoptosis seems redundant due to the observation, that knockout does not inhibit apoptotic signalling exclusively. Instead, knockout of caspase-2 leads to tumor susceptibility in vivo, which led to the assumption, that caspase-2 has non-apoptotic functions and can act as a tumor suppressor. The underlying mechanism of the tumor suppressor activity of caspase-2 has not been clarified so far. Furthermore, caspase-2, has a prominent, and as pro-enzyme exclusive localisation in the nucleus and other subcellular compartments, implicating a distinct and location specific role. In this study, a novel caspase-2 specific substrate, termed p54nrb, was identified. P54nrb is harbouring a caspase-2 specific cleavage site at the aspartate residue D422, and cleavage of p54nrb leads apparently to disruption of its putative DNA binding domain at the C-terminus. P54nrb is a nuclear multifunctional RNA and DNA binding protein, known for roles in transcriptional regulation, DNA unwinding and repair, RNA splicing, and retention of defective RNA. Overexpression of p54nrb has been observed in several human cancers, such as cervix carcinoma, melanoma, and colon carcinoma. Data from this study revealed, that depletion of p54nrb in tumor cell lines results in a loss of resistance to drug induced cell death and to reduced capability of anchorage independent growth, which is functionally equivalent to a reduced tumorigenic potential. Meanwhile, p54nrb depletion alone is not cytotoxic. The investigation of p54nrb dependent gene regulations by high resolution quantitative proteomics uncovered an altering expression of multiple tumorigenic genes. For two of these candidates, the tumorigenic protease cathepsin-Z and the anti-apoptotic gelsolin, p54nrb dependent expression was detected universally in all three investigated tumor cell lines, cervix carcinoma, melanoma, and colon carcinoma. Additionally, a direct interaction of p54nrb with the cathepsin Z and gelsolin encoding DNA, but not with their corresponding mRNA, could be demonstrated. Conjointly, this study unveils a novel mechanistic feature of caspase-2 as a tumor suppressor. The caspase-2—p54nrb axis can orchestrate the levels of several tumorigenic proteins and thereby determine the cell death susceptibility and long-term tumor survival. These findings might be of great value for future therapeutic interventions and for overcoming drug resistance of tumors.
• Apoptose ist eine Form des programmierten Zelltods und ist in multizellulären Organismen essentiell für die embryonale Entwicklung, sowie im adulten Zustand notwendig für die Zellhomöostase. Dabei werden redundante oder fehlerhafte Zellen entfernt, ohne umliegende gesunde Zellen zu schädigen. Der Prozess der Apoptose ist durch das Schrumpfen der Zelle, welche sich dabei von den umliegenden Zellen löst, charakterisiert. In der Zelle kondensiert die DNS und wird zusammen mit anderen Zellbestandteilen sukzessive abgebaut. Dabei bilden sich charakteristische Membranbläschen und apoptotische Körperchen, welche anschließend durch Makrophagen erkannt und verdaut werden. Damit unterscheidet sich die Apoptose entscheidend von der Nekrose, welche durch nicht-physiologische Prozesse wie einem Trauma oder einer Infektion auftritt. Die Nekrose ist gekennzeichnet durch ein Anschwellen der Zelle mit anschließender Ruptur der Zellmembran, was häufig mit der Einleitung von Entzündungsreaktionen im umliegenden Gewebe verbunden ist. Da der programmierte Zelltod essentiell für multizelluläre Organismen ist, erfordert er eine komplexe Regulation. Eine Fehlregulation führt in den meisten Fällen zur Entstehung von Krankheiten, wie beispielsweise zu Autoimmunität, neurodegenerativen Krankheiten, aber auch zur Entstehung von Krebszellen, oftmals verbunden mit Resistenzen gegenüber chemotherapeutischen Substanzen. Um Krebs erfolgreich behandeln zu können sind bessere Kenntnisse zur Regulation des programmierten Zelltods eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung effizienter Tumortherapeutika, insbesondere zur Überwindung von Resistenzentwicklungen. Derzeit wird zwischen einem guten Dutzend verschiedener Signalwege des programmierten Zelltods unterschieden. Die bekannteste Form ist die Apoptose. Die apoptotische Signalkaskade ist abhängig von einer Enzymgruppe, genannt Caspasen, welche kaskadenhaft aktiviert werden. Diese Cysteinproteasen erkennen und schneiden spezifische Proteinsubstrate an selektiven Aminosequenzen hinter einem Aspartat. Apoptotische Caspasen werden in Initiator- und Effektor-Caspasen untergruppiert. Initiator-Caspasen werden in der apoptotischen Kaskade zuerst aktiviert. Dies geschieht über eine Rekrutierung zu spezifischen Aktivierungs-Plattformen. Effektor-Caspasen wiederum können nur von aktiven Initiator-Caspasen aktiviert werden. Neben den apoptotischen Caspasen, gibt es auch inflammatorische Caspasen, welche an Entzündungsprozessen, aber nicht an der Apoptose, beteiligt sind. Die Caspase-2 gilt als das in der Evolution am höchsten konservierte Mitglied der Caspasen-Familie. Bedingt durch ihren verhältnismäßig unscheinbaren Knockout-Phänotyp wurde dieser Caspase jedoch für lange Zeit wenig Beachtung geschenkt. Bemerkenswerterweise zeigt die Caspase-2 charakteristische Besonderheiten, wie die Präsenz einer CARD-Domäne (Caspase Rekrutierungsdomäne), welche typisch für Initiator-Caspasen sind. Zugleich weist diese aber auch eine Aktivität als Effektor-Caspase auf, welche spezifische Substrate spaltet. Der Caspase-2 konnte eine Rolle in durch genotoxischen Stress induziertem Zelltod, bei der Kontrolle von Aneuploidie, sowie bei alterungsbedingten metabolischen Veränderungen nachgewiesen werden. Im programmierten Zelltod scheint die Caspase-2 jedoch eher eine redundante Rolle zu spielen, da ein Caspase-2 Knockout die Zelltod Signalwege nicht ausschließlich beeinträchtigt. Anstelle dessen führt ein Knockout der Caspase-2 in Mäusen, welche konstitutiv Onkogene exprimieren, zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Aneuploidie und einer beschleunigten Tumorgenese, was zu der Annahme führte, dass die Caspase-2 eine nicht-apoptotische Funktion als Tumorsuppressor innehat. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind derzeit jedoch noch nicht bekannt. Zudem ist die Caspase-2, einzig unter den Caspasen, im Zellkern und anderen Zellkompartimenten, wie beispielsweise dem Golgi-Apparat, lokalisiert. Dies weist auf eine lokalisationsspezifische Rolle der Caspase-2, durch die Kontrolle über Kompartiment spezifische Substrate, hin. Bislang konnten nur wenige Substrate der Caspase-2 identifiziert werden, von welchen wiederum weniger als ein Dutzend experimentell ausreichend bestätigt sind. Ziel dieser Arbeit war die experimentelle Untersuchung der Funktion der Caspase-2 als Tumorsuppressor. Als Zellkulturmodelle dienten hierbei Tumorzelllinien von Zervix (HeLa), Kolon (DLD-1) und Haut (SK-MEL-28). Ein besonderer Fokus stellte dabei die Identifizierung von neuen Caspase-2 Substraten dar.