OPUS 4 | Pharmazie

Willkommen im Molekül-Kino : die drei Emmy-Noether-Stipendiaten am FB 14 (2013)

Stefanie Hense

Bob Marley und der schwarze Hautkrebs (2013)

Theodor Dingermann Dieter Steinhilber

Lavender Oil-Potent Anxiolytic Properties via Modulating Voltage Dependent Calcium Channels (2013)

Anita M. Schuwald Michael Nöldner Thomas Wilmes Norbert Klugbauer Kristina Leuner Walter E. Müller

Recent clinical data support the clinical use of oral lavender oil in patients suffering from subsyndromal anxiety. We identified the molecular mechanism of action that will alter the perception of lavender oil as a nonspecific ingredient of aromatherapy to a potent anxiolytic inhibiting voltage dependent calcium channels (VOCCs) as highly selective drug target. In contrast to previous publications where exorbitant high concentrations were used, the effects of lavender oil in behavioral, biochemical, and electrophysiological experiments were investigated in physiological concentrations in the nanomolar range, which correlate to a single dosage of 80 mg/d in humans that was used in clinical trials. We show for the first time that lavender oil bears some similarities with the established anxiolytic pregabalin. Lavender oil inhibits VOCCs in synaptosomes, primary hippocampal neurons and stably overexpressing cell lines in the same range such as pregabalin. Interestingly, Silexan does not primarily bind to P/Q type calcium channels such as pregabalin and does not interact with the binding site of pregabalin, the α2δ subunit of VOCCs. Lavender oil reduces non-selectively the calcium influx through several different types of VOCCs such as the N-type, P/Q-type and T-type VOCCs. In the hippocampus, one brain region important for anxiety disorders, we show that inhibition by lavender oil is mainly mediated via N-type and P/Q-type VOCCs. Taken together, we provide a pharmacological and molecular rationale for the clinical use of the oral application of lavender oil in patients suffering from anxiety.

CD69 Is a TGF-β/1α,25-dihydroxyvitamin D3 Target Gene in Monocytes (2013)

Thea K. Wöbke Andreas von Knethen Dieter Steinhilber Bernd L. Sorg

CD69 is a transmembrane lectin that can be expressed on most hematopoietic cells. In monocytes, it has been functionally linked to the 5-lipoxygenase pathway in which the leukotrienes, a class of highly potent inflammatory mediators, are produced. However, regarding CD69 gene expression and its regulatory mechanisms in monocytes, only scarce data are available. Here, we report that CD69 mRNA expression, analogous to that of 5-lipoxygenase, is induced by the physiologic stimuli transforming growth factor-β (TGF-β) and 1α,25-dihydroxyvitamin D3 (1α,25(OH)2D3) in monocytic cells. Comparison with T- and B-cell lines showed that the effect was specific for monocytes. CD69 expression levels were increased in a concentration-dependent manner, and kinetic analysis revealed a rapid onset of mRNA expression, indicating that CD69 is a primary TGF-β/1α,25(OH)2D3 target gene. PCR analysis of different regions of the CD69 mRNA revealed that de novo transcription was initiated and proximal and distal parts were induced concomitantly. In common with 5-lipoxygenase, no activation of 0.7 kb or ~2.3 kb promoter fragments by TGF-β and 1α,25(OH)2D3 could be observed in transient reporter assays for CD69. Analysis of mRNA stability using a transcription inhibitor and a 3′UTR reporter construct showed that TGF-β and 1α,25(OH)2D3 do not influence CD69 mRNA stability. Functional knockdown of Smad3 clearly demonstrated that upregulation of CD69 mRNA, in contrast to 5-LO, depends on Smad3. Comparative studies with different inhibitors for mitogen activated protein kinases (MAPKs) revealed that MAPK signalling is involved in CD69 gene regulation, whereas 5-lipoxygenase gene expression was only partly affected. Mechanistically, we found evidence that CD69 gene upregulation depends on TAK1-mediated p38 activation. In summary, our data indicate that CD69 gene expression, conforming with 5-lipoxygenase, is regulated monocyte-specifically by the physiologic stimuli TGF-β and 1α,25(OH)2D3 on mRNA level, although different mechanisms account for the upregulation of each gene.

Regulation der Sphingosinkinase-1 durch G alpha q (2012)

Ralf Frederik Claas

Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Teilaspekte des S1P-Signalsystems näher untersucht. Der erste Teil der Arbeit geht der Frage nach, welche Störungen das Ausschalten der S1P-Lyase in der Ca2+-Homöostase verursacht. Die Messung der zellulären Lipidkonzentrationen ergab in Sgpl1-/--MEFs einen sechsfach höherer Wert für S1P und einen doppelt so hohen Wert für Sphingosin als in den Sgpl1+/+-MEFs. [Ca2+]i wurde an Einzelzellen mit Hilfe des Proteinfarbstoffs Cameleon untersucht, wobei [Ca2+]i-Anstiege durch den SERCA-Inhibitor Thapsigargin induziert wurden. So konnte gezeigt werden, dass sowohl in Sgpl1+/+-MEFs als auch in Sgpl1-/--MEFs zwei verschiedene Subtypen existieren, die sich hinsichtlich Geschwindigkeit und Ausmaß des [Ca2+]i-Anstiegs unterscheiden. Die basale [Ca2+]i war im Subtyp der Sgpl1-/--MEFs mit einem schnellen und kurzen [Ca2+]i- Anstieg signifikant erhöht, während das Maximum des Thapsigargin-induzierten [Ca2+]i- Anstiegs im Subtyp der Sgpl1-/--MEFs mit einem langsamen und langen [Ca2+]i-Anstieg signifikant erhöht war. Die AUC des Zeitverlaufs nach der Stimulation mit Thapsigargin war in beiden Subtypen der Sgpl1-/--MEFs signifikant erhöht, was bedeutet, dass der Ca2+-Gehalt der Thapsigargin-sensitiven Speicher in Sgpl1-/--MEFs höher als in Wildtyp-MEFs war. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Aspekte der Modulation des S1P-Signalsystems durch das Sphingosin-Analogon cis-4-Methylsphingosin näher untersucht. Die Messung der Lipidkonzentrationen von cis-4-Methylsphingosin und dem Phosphorylierungsprodukt cis-4- Methyl-S1P erfolgte dabei in HEK-293-Zellen und deren Überständen mittels LC-MS/MS. Hierbei wurde erstmals cis-4-Methyl-S1P im Zellkulturüberstand nachgewiesen, was bedeutet, dass cis-4-Methylsphingosin nach der intrazellulären Phosphorylierung sezerniert werden kann. Dieser Mechanismus bildet die Grundlage dafür, dass cis-4-Methylsphingosin nicht nur intrazellulär wirken, sondern ebenso wie FTY720 als S1P-Rezeptor-Modulator fungieren kann. Der dritte und umfangreichste Teil der Arbeit befasst sich mit der Regulation der SK1 durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Um die Rolle von Gαq/11-Proteinen bei der Ansteuerung der SK1 durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren weiter zu analysieren, wurde zunächst die Rezeptor-induzierte Translokation der SK1 in MEFs untersucht, die sowohl in Gαq als auch in seinem Homolog Gα11 doppelt defizient waren (Gαq/11 -/--MEFs). Die SK1-Translokation war nur nach Transfektion mit Gαq möglich. Um Hinweise auf die strukturellen Erfordernisse für die SK1-Ansteuerung durch Gαq zu erhalten, wurde der Einfluss verschiedener Gαq-Mutanten auf die Translokationshalbwertszeit der SK1 untersucht. So waren alle untersuchten Mutanten in der Lage, die SK1-Translokation in Gαq/11 -/--MEFs zu vermitteln. Die Expression der Gαq- W263D-Mutante führte dabei zu einer signifikant verlangsamten SK1-Translokation. Die durch Gαq-T257E-vermittelte Translokation war erst nach mehreren Minuten feststellbar. Die Abhängigkeit der SK1-Translokation von Gαq wurde auf zellulärer Ebene durch Coexpression einer katalytisch inaktiven Mutante der G-Protein gekoppelter Rezeptorkinase 2 (GRK2) als Gαq-scavenger in HEK3-Zellen nachgewiesen. Dies führte zu einer vollständigen Inhibierung der Carbachol-induzierten SK1-Translokation. Hingegen führte die Überexpression der SK1 in den M3-Rezeptor exprimierenden HEK-293-Zellen zu einer reduzierten Carbachol-induzierten Aktivierung der PLCβ. Dieser Effekt war unabhängig von der katalytischen Aktivität der SK1. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die SK1 mit den Effektoren GRK2 und PLCβ um gemeinsame Bindungsstellen der aktivierten G-Protein Untereinheit Gαq konkurriert. Zusätzlich wurde die direkte Interaktion zwischen Gαq und SK1 auf Proteinebene mittels optischer Thermophorese nachgewiesen. Dazu wurde die humane SK1 als N-terminal getaggtes His6-MBP-Fusionsprotein exprimiert, aufgereinigt und charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass die mit dem Fluoreszenzfarbstoff NT647- markierte hSK1 (hSK1*) mit dem TNF Rezeptor-assoziiertem Faktor 2 (TRAF2), nicht jedoch mit dem N-terminalen Fragment des TRAF family member-associated NF-kappa-B activator (TANK) interagierte. Sowohl inaktives Gαq als auch [AlF4]--aktiviertes Gαq interagierten mit der hSK1* mit einem vergleichbaren kD-Wert. Auch mit NT-647-markiertes Gαq interagierte mit der hSK1 sowohl in der inaktiven als auch in der [AlF4]--aktivierten Form, wohingegen es nicht mit TANK oder TRAF2 interagierte. Insgesamt zeigen die erhaltenen Daten, dass die SK1 ein direktes Target von Gαq ist und sie an genau dieselben Gαq-Reste bindet, an die auch die klassischen Effektoren PLCβ, p63RhoGEF und GRK2 binden.

Redox-basierte Mechanismen der Sensibilisierung bei neuropathischen Schmerzen (2012)

Wiebke Kallenborn-Gerhardt

Bei Entzündung oder Verletzung peripherer Gewebe und Nerven kommt es zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im schmerzleitenden System. Welche ROS-generierenden Systeme hierbei beteiligt sind, ist jedoch nur ansatzweise verstanden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die ROS-produzierende NADPH Oxidase 4 (Nox4) einen wichtigen ROS-Generator im nozizeptiven System darstellt. Nox4 wird in unmyelinisierten nicht-peptidergen sowie in myelinisierten primär afferenten Neuronen exprimiert. In Modellen für akute und inflammatorische Schmerzen zeigten Nox4-/--Mäuse ein ähnliches Verhalten wie ihre wildtypischen Wurfgeschwister, jedoch war ihr Schmerzverhalten in Modellen für neuropathische Schmerzen reduziert. Eine Microarray-Analyse des lumbalen Rückenmarks nach peripherer Nervenverletzung zeigte eine Hochregulation der Expression Myelin-spezifischer Gene in Wildtyp-, nicht aber in Nox4-/- Mäusen. Darüber hinaus wurden in Wildtyp-Mäusen Myelin-spezifische Proteine im N. ischiadicus nach peripherer Nervenverletzung herab reguliert, während in Nox4-/--Mäusen keine Regulation dieser Proteine beobachtet wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nox4 eine essentielle Rolle bei Myelinisierungsprozessen spielt und so die Verarbeitung neuropathischer Schmerzsignale beeinflusst. Neben dem ROS-produzierenden System Nox4 wurde auch die Rolle des Peroxid-abbauenden Proteins Sestrin 2 (Sesn2) im nozizeptiven System untersucht. Nach peripherer Nervenverletzung wurde Sesn2-mRNA in den Spinalganglien und Sesn2-Protein im peripheren Nerv hochreguliert. Sesn2-/--Mäuse zeigten ein normales Verhalten in Modellen für akute und inflammatorische Schmerzen. Ihr Schmerzverhalten war jedoch im Formalin-Test und nach peripherer Nervenverletzung verstärkt. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass sowohl Nox4 als auch Sesn2 bei der Verarbeitung neuropathischer Schmerzsignale wichtige Funktionen einnehmen. Während Nox4 pronozizeptiv wirkt, weist Sesn2 antinozizeptive Effekte auf. Die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies scheint daher ein wichtiger endogener Faktor der Sensibilisierung im Rahmen von neuropathischen Schmerzen zu sein.

5-Lipoxygenase contributes to PPAR [gamma] activation in macrophages in response to apoptotic cells (2012)

Andreas von Knethen Lisa Eifler Laura Kuchler Annika Heeg Heinrich Heide Ilka Wittig Thorsten Jürgen Maier Dieter Steinhilber Bernhard Brüne

Background: One hallmark contributing to immune suppression during the late phase of sepsis is macrophage polarization to an anti-inflammatory phenotype upon contact with apoptotic cells (AC). Taking the important role of the nuclear receptor PPARγ for this phenotype switch into consideration, it remains elusive how AC activate PPARγ in macrophages. Therefore, we were interested to characterize the underlying principle. Methods: Apoptosis was induced by treatment of Jurkat T cells for 3 hours with 0.5 μg/ml staurosporine. Necrotic cells (NC) were prepared by heating cells for 20 minutes to 65°C. PPARγ activation was followed by stably transducing RAW264.7 macrophages with a vector encoding the red fluorescent protein mRuby after PPARγ binding to 4 × PPRE sites downstream of the reporter gene sequence. This readout was established by treatment with the PPARγ agonist rosiglitazone (1 μM) and AC (5:1). Twenty-four hours after stimulation, mRuby expression was analysed by fluorescence microscopy. Lipid rafts of AC, NC, as well as living cells (LC) were enriched by sucrose gradient centrifugation. Fractions were analysed for lipid raft-associated marker proteins. Lipid rafts were incubated with transduced RAW264.7 macrophages as described above. 5-Lipoxygenase (5-LO) involvement was verified by pharmacological inhibition (MK-866, 1 μM) and overexpression. Results: Assuming that the molecule responsible for PPARγ activation in macrophages is localized in the cell membrane of AC, most probably associated to lipid rafts, we isolated lipid rafts from AC, NC and LC. Mass spectrometric analysis of lipid rafts of AC showed the expression of 5-LO, whereas lipid rafts of LC did not. Moreover, incubating macrophages with lipid rafts of AC induced mRuby expression. In contrast, lipid rafts of NC and LC did not. To verify the involvement of 5-LO in activating PPARγ in macrophages, Jurkat T cells were incubated for 30 minutes with the 5-LO inhibitor MK-866 (1 μM) before apoptosis induction. In line with our hypothesis, these AC did not induce mRuby expression. Finally, although living Jurkat T cells overexpressing 5-LO did not activate PPARγ in macrophages, mRuby expression was significantly increased when AC were generated from 5-LO overexpressing compared with wild-type Jurkat cells. Conclusion: Our results suggest that induction of apoptosis activates 5-LO, localizing to lipid rafts, necessary for PPARγ activation in macrophages. Therefore, it will be challenging to determine whether 5-LO activity in AC, generated from other cell types, correlates with PPARγ activation, contributing to an immune-suppressed phenotype in macrophages.

Impact of tumour microenvironmental factors on dendritic cell differentiation and function (2012)

Divya Sekar

Um der Erkennung durch das körpereigene Immunsystem entkommen, weisen Tumore Modifikationen in ihrer Mikroumgebung auf. Zu diesen gehören u. a. veränderte Sauerstoffkonzentrationen im Tumorkern und die Freisetzung biochemischer Faktoren aus Tumorzellen, welche die Funktion von Tumor-assoziierten Phagozyten, wie z.B. Dendritischen Zellen (DC) beeinflussen. DC sind professionelle Antigen-präsentierende Zellen, die eine Spezialisierung in verschiedene funktionale Subtypen aufweisen. Myeloische DC (mDC) sind besonders effizient in Hinsicht auf die Präsentation von Antigenen, wohingegen plasmazytoide DC (pDC) regulatorisch auf das Immunsystem einwirken. Beide Subtypen spielen eine wichtige Rolle bei der Karzinogenese. Während humane mDC, zur therapeutischen Verwendung, ex vivo aus Monozyten hergestellt werden können, war dies für humane pDC bisher nicht möglich. Ein war deshalb ein erstes Ziel dieser Arbeit, ein Protokoll zur Generierung humaner pDC aus humanen Monozyten zu entwickeln. Diese wurden mittels des Wachstumsfaktors Fms-related tyrosine kinase 3 ligand (Flt3-L) zu pDC-Äquivalenten differenziert, welche als monocyte-derived pDC (mo-pDC) bezeichnet wurden. In der Tat zeigten mo-pDC ein für humane pDC charakteristisches Oberflächenmarkerprofil und wiesen, im Vergleich zu mDC, eine geringe Kapazität zur Induktion der Proliferation autologer T Zellen und zur Phagozytose apoptotischer Zellen auf. Mo-pDC erwarben im Verlauf ihrer Differenzierung aus Monozyten eine kontinuierlich erhöhte Expression des pDC-spezifischen Transkriptionfaktors E2-2 und seiner spezifischen Zielgene. Der wichtigste funktionale Parameter von pDC ist die Produktion großer Mengen von Interferon-α (IFN-α). Mo-pDC sezernierten, nach vorheriger Aktivierung mit Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) oder wenn zu ihrer Differenzierung neben Flt3-L auch Vitamin D3 oder all-trans-Retinolsäure verwendet wurde, ebenfalls große Mengen IFN-α. Wurden mo-pDC unter Hypoxie, einem prominenten Faktor der Tumormikroumgebung, generiert, so waren die Expression des spezifischen Transkriptionsfaktors E2-2 und die Freisetzung von IFN-α stark vermindert. Diese Daten zeigten zunächst, dass mo-pDC für das Studium von Differenzierung und Funktion humaner pDC eingesetzt werden können. Weiterhin lieferten sie Hinweise auf eine veränderte Differenzierung humaner pDC unter Hypoxie. In einem nächsten Schritt wurde folglich untersucht, ob Hypoxie auch die Differenzierung von pDC aus deren physiologischen Vorläufern beeinflusst. Wurden Knochenmarkszellen der Maus mit Flt3-L unter Normoxie oder Hypoxie kultiviert, so war die Differenzierung zu pDC unter Hypoxie in der Tat unterdrückt. Dies war abhängig von der Hypoxie-induzierten Aktivität des Hypoxie-induzierten Faktors 1 (HIF-1), da die Flt3-Linduzierte Differenzierung von murinen Knochenmarkszellen, in denen die Expression von HIF-1 in pDC-Vorläuferzellen ausgeschaltet war, unter Hypoxie normal verlief. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass Hypoxie, durch Aktivierung von HIF-1, Differenzierung und Funktion von pDC unterdrückt. Dieser Mechanismus könnte zu ihrer beschriebenen Dysfunktion in humanen Tumoren beitragen. Neben Hypoxie sind viele andere Faktoren an der Immunsuppression in Tumoren beteiligt. Eine Komponente der Mikroumgebung in Tumoren ist das Vorhandensein apoptotischer Tumorzellen. Apoptose von Tumorzellen findet, im Kontrast zur generellen Sicht von Tumoren als Apoptose-resistente Entitäten, auch in unbehandelten Tumoren im Überfluss statt. Apoptotische körpereigene Zellen unterdrücken unter physiologischen Bedingungen das Immunsystem. Deshalb könnte das Freisetzen von apoptotischem Material oder die Sekretion von Faktoren aus sterbenden Tumorzellen einen starken Einfluss auf die Funktion von Tumor-assoziierten DC und die damit verbundene Aktivierung von tumoriziden Lymphozyten haben. Eine diesbezügliche Studie war das zweite Ziel der vorliegenden Arbeit. Humane mDC wurden zu diesem Zweck mit Überständen lebender, apoptotischer oder nekrotischer humaner Brustkrebszellen aktiviert und anschließend mit autologen T Zellen ko-kultiviert. Danach wurde das zytotoxische Potential der ko-kultivierten T Zellen analysiert. Interessanterweise unterdrückte die Aktivierung mit Überständen apoptotischer Tumorzellen die DC-vermittelte Generierung tumorizider T Zellen durch die Ausprägung einer Population von regulatorischen T Zellen (Treg), die durch die gleichzeitige Expression der Oberflächenmoleküle CD39 und CD69 charakterisiert war. Die Ausprägung der CD39- und CD69-exprimierenden Treg Zell-Population war abhängig von der Freisetzung des bioaktiven Lipids Sphingosin-1-Phosphat (S1P) aus apoptotischen Zellen, welches durch den S1P-Rezeptor 4 zur Freisetzung des immunregulatorischen Zytokins IL-27 aus mDC führte. Neutralisierung von IL-27 in AC-aktivierten Ko-Kulturen von mDC und T Zellen blockierte die Generierung von CD39- und CD69-exprimierenden Treg Zellen und resultierte folglich in der Aktivierung zytotoxischer T Zellen. Weiterhin war die Bildung von Adenosin in den Ko- Kulturen für die Unterdrückung zytotoxischer T Zellen vonnöten. Erste Experimente lieferten Hinweise auf eine direkte Interaktion von CD69- und CD39-exprimierenden Treg Zellen mit CD73-exprimierenden zytotoxischen T Zellen. CD39 und CD73 werden für die Bildung von Adenosin aus ATP benötigt, weswegen die Interaktion von Treg Zellen und zytotoxischen T Zellen die Adenosin-Produktion fördern könnte. Zusammenfassend zeigen die hier präsentierten Befunde wie Faktoren der Tumormikroumgebung die Funktion von humanen DC Subtypen beeinflussen können. Ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen kann wertvolle Informationen für die Wahl effektiver Immuntherapien oder Chemotherapien liefern und so die Therapie humaner Tumore unterstützen.

Sphingosine 1-phosphate modulates antigen capture by murine langerhans cells via the S1P2 receptor subtype (2012)

Lukasz Japtok Katrin Schaper Wolfgang Bäumer Heinfried Hermann Radeke Se Kyoo Jeong Burkhard Kleuser

Dendritic cells (DCs) play a pivotal role in the development of cutaneous contact hypersensitivity (CHS) and atopic dermatitis as they capture and process antigen and present it to T lymphocytes in the lymphoid organs. Recently, it has been indicated that a topical application of the sphingolipid sphingosine 1-phosphate (S1P) prevents the inflammatory response in CHS, but the molecular mechanism is not fully elucidated. Here we indicate that treatment of mice with S1P is connected with an impaired antigen uptake by Langerhans cells (LCs), the initial step of CHS. Most of the known actions of S1P are mediated by a family of five specific G protein-coupled receptors. Our results indicate that S1P inhibits macropinocytosis of the murine LC line XS52 via S1P2 receptor stimulation followed by a reduced phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) activity. As down-regulation of S1P2 not only diminished S1P-mediated action but also enhanced the basal activity of LCs on antigen capture, an autocrine action of S1P has been assumed. Actually, S1P is continuously produced by LCs and secreted via the ATP binding cassette transporter ABCC1 to the extracellular environment. Consequently, inhibition of ABCC1, which decreased extracellular S1P levels, markedly increased the antigen uptake by LCs. Moreover, stimulation of sphingosine kinase activity, the crucial enzyme for S1P formation, is connected not only with enhanced S1P levels but also with diminished antigen capture. These results indicate that S1P is essential in LC homeostasis and influences skin immunity. This is of importance as previous reports suggested an alteration of S1P levels in atopic skin lesions.

Synthese und Charakterisierung von Inhibitoren der 5-Lipoxygenase mit Thiazol-Grundgerüst (2012)

Sebastian Barzen

In der Arbeit werden Inhibitoren der 5-Lipoxygenase mit Thiazol-Grundgerüst beschrieben.

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