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Nitric oxide (NO) plays an important role in the regulation of the functional integrity of the endothelium. The intracellular reaction of NO with reactive cysteine groups leads to the formation of S-nitrosothiols. To investigate the regulation of S-nitrosothiols in endothelial cells, we first analyzed the composition of the S-nitrosylated molecules in endothelial cells. Gel filtration revealed that more than 95% of the detected S-nitrosothiols had a molecular mass of more than 5000 Da. Moreover, inhibition of de novosynthesis of glutathione using N-butyl-sulfoximine did not diminish the overall cellular S-NO content suggesting that S-nitrosylated glutathione quantitatively plays only a minor role in endothelial cells. Having demonstrated that most of the S-nitrosothiols are proteins, we determined the regulation of the S-nitrosylation by pro-inflammatory and pro-atherogenic factors, such as TNFα and mildly oxidized low density lipoprotein (oxLDL). TNFα and oxLDL induced denitrosylation of various proteins as assessed by Saville-Griess assay, by immunostaining with an anti-S-nitrosocysteine antibody, and by a Western blot approach. Furthermore, the caspase-3 p17 subunit, which has previously been shown to be S-nitrosylated and thereby inhibited, was denitrosylated by TNFα treatment suggesting thatS-nitrosylation and denitrosylation are important regulatory mechanisms in endothelial cells contributing to the integrity of the endothelial cell monolayer.
Human endothelial circulating progenitor cells (CPCs) can differentiate to cardiomyogenic cells during co-culture with neonatal rat cardiomyocytes. Wnt proteins induce myogenic specification and cardiac myogenesis. Here, we elucidated the effect of Wnts on differentiation of CPCs to cardiomyogenic cells. CPCs from peripheral blood mononuclear cells were isolated from healthy volunteers and co-cultured with neonatal rat cardiomyocytes. 6–10 days after co-culture, cardiac differentiation was determined by α-sarcomeric actinin staining of human lymphocyte antigen-positive cells (fluorescence-activated cell-sorting analysis) and mRNA expression of human myosin heavy chain and atrial natriuretic peptide. Supplementation of co-cultures with Wnt11-conditioned medium significantly enhanced the differentiation of CPCs to cardiomyocytes (1.7 ± 0.3-fold), whereas Wnt3A-conditioned medium showed no effect. Cell fusion was not affected by Wnt11-conditioned medium. Because Wnts inhibit glycogen synthase kinase-3β, we further determined whether the glycogen synthase kinase-3β inhibitor LiCl also enhanced cardiac differentiation of CPCs. However, LiCl (10 mm) did not affect CPC differentiation. In contrast, Wnt11-conditioned medium time-dependently activated protein kinase C (PKC). Moreover, the PKC inhibitors bisindolylmaleimide I and III significantly blocked differentiation of CPCs to cardiomyocytes. PKC activation by phorbol 12-myristate 13-acetate significantly increased CPC differentiation to a similar extent as compared with Wnt11-conditioned medium. Our data demonstrate that Wnt11, but not Wnt3A, augments cardiomyogenic differentiation of human CPCs. Wnt11 promotes cardiac differentiation via the non-canonical PKC-dependent signaling pathway.
Stickstoffmonoxid (NO) ist ein kurzlebiges Gas, welches in biologischen Systemen verschiedene Funktionen übernehmen kann. Abhängig von der Konzentration ist NO ein zweischneidiges Schwert bezüglich seiner biologischen Effekte, da es in hohen Dosen proapoptotisch und in physiologischen Dosen anti-apoptotisch wirkt. Das von der eNOS in Endothelzellen gebildete NO ist ein wichtiger Faktor für die Gefäßrelaxation, ein antiinflammatorisches Molekül, ein zentraler Faktor für die Angiogenese und es inhibiert die Apoptose. Die reversible Modifikationen der Funktion von Zielproteinen durch S-Nitrosylierung ist ein Mechanismus, wie NO seine Effekte mediert. In den letzten Jahren sind eine Vielzahl von Zielproteinen entdeckt worden, deren Funktion durch S-Nitrosylierung modifiziert werden, die deutlich machen, dass S-Nitrosylierung die Funktion eines Signaltransduktionsmechanismus übernimmt. Da in humanen T-Zellen zum erstenmal auch eine Denitrosylierung beobachtet werden konnte, sollten in dieser Arbeit Mechanismen, die der Balance zwischen S-Nitrosylierung und Denitrosylierung zu Grunde liegen, untersucht werden. Dafür wurden zunächst Methoden zum Nachweis der S-Nitrosylierung etabliert. Zum einen zur Quantifizierung der S-Nitrosylierung in Endothelzellen der modifizierte Saville- Griess Assay und der DAN-Assay und zum anderen zur qualitativen Analyse der S-Nitrosylierung die biotin switch method. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch Stimulation der NO-Freisetzung mittels Applikation von laminarer Schubspannung der Gehalt an S-Nitrosylierung in HUVEC erhöht wird und auch die katalytische Untereinheit der Caspase-3 p17, ein bekanntes Zielprotein, verstärkt S-nitrosyliert wird. In einem in vitro Modell des Alterns konnte gezeigt werden, dass einhergehend mit der Reduktion der Proteinexpression der eNOS auch der Gehalt an S-Nitrosylierung, und damit die Bioverfügbarkeit von NO, reduziert ist. Nach Inkubation mit dem pro-apoptotischen TNFa und dem pro-atherogenen oxLDL konnte eine drastische Zunahme der Apoptosesensitivität von alternden HUVEC gegenüber diesen Stimuli beobachtet werden. Diese Ergebnisse unterstreichen die zentrale Rolle der Bioverfügbarkeit von NO für das Überleben der Endothelzelle. Zusätzlich konnte eine Denitrosylierung nach Inkubation von Endothelzellen mit TNFa oder oxLDL nach 18 h nachgewiesen werden. Durch Analyse mittels der biotin switch method wurde deutlich, dass dabei nicht nur der Gesamtgehalt an S-nitrosylierten Molekülen reduziert wird, sondern auch spezifische Zielproteine in unterschiedlicher Stärke denitrosyliert werden. Diese Daten machen deutlich, dass es sich bei der S-Nitrosylierung um einen differentiell regulierten Signaltransduktionsmechanismus handelt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Strategie zur Identifizierung einer potentiellen Nitrosylase entwickelt, bei dem ein synthetisches, in vitro S-nitrosyliertes Peptid als Substrat verwendet wird. Weiterhin sollten neue Zielproteine für die S-Nitrosylierung identifiziert werden. Tatsächlich konnte ein neues Zielprotein für die S-Nitrosylierung, die Oxidoreduktase Thioredoxin identifiziert werden. Thioredoxin wird ubiquitär in Säugetierzellen exprimiert und ist ein essentieller Faktor für die Aufrechterhaltung des intrazellulären Redox-Status. Mit den Cysteinen an Position 32 und 35 besitzt Thioredoxin eine redox-regulatorische Domäne, die essentiell für seine Funktion als Oxidoreduktase ist. Neben seiner Funktion als Redox- Regulator, kann Thioredoxin Transkriptionsfaktoren wie z.B. NfK-B aktivieren und über die redox-regulatorische Domäne die pro-apoptotische Kinase ASK-1 binden und inhibieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Thioredoxin an Cystein 69 S-nitrosyliert wird und dass der Gehalt an S-nitrosylierten Molekülen von der Proteinexpression des Thioredoxin abhängt. Desweiteren ist die S-Nitrosylierung von Thioredoxin in Endothelzellen wichtig für die Entfaltung seiner vollständigen Reduktaseaktivität. Für die zum erstenmal in Endothelzellen gezeigte anti-apoptotische Funktion von Thioredoxin wird sowohl die S-Nitrosylierung an Cystein 69 als auch die redox-regulatorische Domäne benötigt. Durch diese Experimente konnte eine neue wichtige Funktion von Thioredoxin für NOproduzierende Zellen beschrieben werden. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die S-Nitrosylierung in Endothelzellen ein Signaltransduktionsmechanismus ist, der sowohl durch protektive, als auch durch pathophysiologische Stimuli spezifisch reguliert wird. Die weitere Charakterisierung dieser Vorgänge könnte einen tieferen Einblick in die Biologie und Funktion der Endothelzelle geben. Zusätzlich konnte durch das neue Zielprotein Thioredoxin die direkte Verknüpfung von NO mit dem Redox-Status der Zelle und die zentrale Rolle von Thioredoxin für den Gehalt an S-Nitrosylierung in Endothelzellen gezeigt werden. Identifizierung weiterer Regulationsmechanismen für die S-Nitrosylierung könnte ein genaueres Verständnis dieses Wirkmechanismus von NO und somit eine bessere Protektion des Endothelzellmonolayers in den Gefäßen ermöglichen.