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Background: NH exchangers (NHEs) play a crucial role in regulating intra/extracellular pH, which is altered in cancer cells, and are therefore suitable targets to alter cancer cell metabolism in order to inhibit cell survival and proliferation. Among NHE inhibitors, amiloride family members are commonly used in clinical practice as diuretics; we focused on the amiloride HMA, reporting a net cytotoxic effect on a panel of human cancer cell lines; now we aim to provide new insights into the molecular events leading to cell death by HMA.
Methods: Colon cancer cell lines were treated with HMA and analysed with: morphological and cellular assays for cell viability and death, and autophagy; biochemical approaches to evaluate mitochondrial function and ROS production; in situ detection of DNA damage; molecular tools to silence crucial autophagy/necroptosis factors.
Results: HMA affects cellular morphology, alters mitochondrial structure and function, causes an increase in ROS, which is detrimental to DNA integrity, stimulates poly(ADP-ribose) synthesis, activates RIPK3-dependent death and triggers autophagy, which is unable to rescue cell survival. These features are hot points of an intricate network of processes, including necroptosis and autophagy, regulating the homeostasis between survival and death.
Conclusion: Our results allow the identification of multiple events leading to cell death in cancer cells treated with HMA. The here-defined intricate network activated by HMA could be instrumental to selectively target the key players of each pathway in the attempt to improve the global response to HMA. Our data could be the starting point for developing a newly designed targeted therapy.
In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstums- und Zelltodverhalten von Tumoren des zentralen Nervensystems untersucht. Des Weiteren wird die Expression verschiedener Apoptose-assoziierter Faktoren in den Präparaten analysiert und mit Normalkontrollen verglichen. Es zeigt sich, dass Apoptose von Tumorzellen aller untersuchter Hirntumore und Malignitätsgrade vollzogen werden kann. Die Rate apoptotischer Zellen ist jedoch sehr variabel und korreliert nicht mit dem Malignitätsgrad der Tumore. Auch besteht keine Korrelation zwischen der Apoptose- und der Proliferationsrate. Die Ergebnisse legen insgesamt nahe, dass die Apoptoserate nicht als Marker für die Malignität von Tumoren des zentralen Nervensystems verwendet werden kann. Auch unter Einbeziehung Apoptose-assoziierter Faktoren ist eine Gradifikation der Tumore hinsichtlich der Malignität nicht möglich. So unterscheiden sich z.B. atypische (WHO-II) und anaplastische (WHO-III) Meningiome quantitativ und qualitativ nicht signifikant voneinander. Es können ebenfalls keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Expression der untersuchten Apoptose-assoziierten Faktoren, sowie der Apoptose- und Proliferationsraten zwischen Medulloblastomen und primitiven neuroektodermalen Tumoren (PNETs) festgestellt werden. Dies spricht dafür, dass sich diese Tumore lediglich bezüglich ihrer Lokalisation im zentralen Nervensystem unterscheiden. Die Analyse der Apoptose-assoziierten Faktoren zeigt, dass alle untersuchten Faktoren grundsätzlich in allen untersuchten Tumoren vorkommen, während die Normalkontrollen diese Faktoren nicht exprimieren. Der Vollzug der Apoptose findet jedoch nicht in diesem Maße statt, da die Apoptoserate der Tumore (markiert durch TUNEL) stets wesentlich geringer ist als die Expressionsraten der Apoptose-assoziierten Faktoren. Es ist davon auszugehen, dass entdifferenzierte Tumorzellen entweder nur begrenzt in der Lage sind, ihr apoptotisches „Selbstzerstörungsprogramm“ in Gang zu setzen und zu Ende zu führen, oder, dass apoptosehemmende Mechanismen greifen. Um so interessanter wäre es, durch therapeutische Intervention Apoptose zu initiieren. Die Analyse der einzelnen Apoptose-assoziierten Faktoren liefert Hinweise darauf, an welchen Stellen des apoptotischen Systems eine solche Intervention ansetzen könnte: Die hochmalignen WHO-IV-Tumore zeigen eine signifikante Hochregulation der Effektor-Caspasen-3 und -6. Die physiologischen Aktivierungsmechanismen dieser Caspasen z.B. durch Caspase-2 und TNFalpha scheinen in diesen hochmalignen Tumoren jedoch weniger eine Rolle zu spielen, da diese Faktoren hier nur in geringem Ausmaß exprimiert werden. Jedoch könnten modifizierte, per se aktive Caspase-3- und -6-Moleküle eine interessante therapeutische Option zur Behandlung maligner Tumore des zentralen Nervensystems darstellen. Zu beachten ist aber unter anderem, dass z.B. Glioblastome auch geringe Expressionsraten apoptotischer Faktoren im peritumoralen, mikroskopisch nicht infiltrierten Normalgewebe zeigen. Dies könnte für eine peritumorale Dysfunktion des Hirngewebes sprechen. Welche Rolle dies bei der Behandlung mit Apoptose-stimulierenden Agenzien spielt und wie spezifisch die Anwendung solcher Stimulanzien für Tumorgewebe wären, muss Gegenstand weiterer Studien sein. Die untersuchten WHO-II- und –III-Tumore zeigen eine Hochregulation vor allem von Faktoren des extrinsischen Apoptoseweges (z.B. TNFalpha). Die Expressionsraten von TNFalpha korrelieren signifikant mit dem WHO-Grad der untersuchten Tumore. Interessante therapeutische Optionen könnten hier zum einen die Aktivierung des extrinsischen Apoptoseweges über TNFalpha sein, zum anderen könnte man versuchen, eine direkte Aktivierung über modifizierte Effektor-Caspasen herbeizuführen. Insgesamt existieren verschiedene mögliche Angriffsorte innerhalb des apoptotischen Netzwerkes der Zelle für eine thepeutische Intervention bei Tumoren des zentralen Nervensystems. Die Komplexität des Kaskade-artigen Systems legt nahe, dass eine therapeutische Intervention möglichst an dessen Ende erfolgen sollte, um möglichst viele Stör- und Hemmfaktoren zu umgehen.
Background/Aims: Sphingosine 1-phosphate (S1P) is considered as a key molecule regulating various cell functions including cell growth and death. It is produced by two sphingosine kinases (SK) denoted as SK-1 and SK-2. Whereas SK-1 has been extensively studied and has been appointed a role in promoting cell growth, the function of SK-2 is controversial, and both pro-proliferative and pro-apoptotic functions have been suggested. In this study we investigated whether renal mesangial cells isolated from transgenic mice overexpressing the human Sphk2 gene (hSK2-tg) showed an altered cell response towards growth-inducing and apoptotic stimuli.
Methods: hSK2-tg mice were generated by using a Quick KnockinR strategy. Renal mesangial cells were isolated by a differential sieving method and further cultivated in vitro. Lipids were quantified by mass spectrometry. Protein expression was determined by Western blot analysis, cell proliferation was determined by 3H-thymidine incorporation, and apoptosis was determined by a DNA fragmentation ELISA.
Results: We show here that kidneys and mesangial cells from hSK2-tg mice express the hSK2 as well as the endogenous mouse mSK2. hSK2 and mSK2 predominantly resided in the cytosol of quiescent transgenic cells. However, S1P accumulated strongly in the nucleus and only minimally in the cytosol of transgenic cells. Functionally, hSK2-tg cells proliferated less than control cells under normal growth conditions and were also more sensitive towards stress-induced apoptosis. On the molecular level, this was reflected by reduced ERK and Akt/PKB activation, and upon staurosporine treatment, by a sensitized mitochondrial pathway as manifested by reduced anti-apoptotic Bcl-XL expression and increased cleavage of caspase-9, downstream caspase-3 and PARP-1.
Conclusion: Altogether, these data demonstrate that SK-2 exerts an antiproliferative and apoptosis-sensitizing effect in renal mesangial cells which suggests that selective inhibitors of SK-2 may promote proliferation and reduce apoptosis and this may have impact on the outcome of proliferation-associated diseases such as mesangioproliferative glomerulonephritis.
Background: Ischemia-reperfusion injury (IRI) is a major challenge in liver transplantation. The mitochondrial pathway plays a pivotal role in hepatic IRI. Levosimendan, a calcium channel sensitizer, was shown to attenuate apoptosis after IRI in animal livers. The aim of this study was to investigate the effect of levosimendan on apoptosis in human hepatocytes.
Methods: Primary human hepatocytes were either exposed to hypoxia or cultured under normoxic conditions. After the hypoxic phase, reoxygenation was implemented and cells were treated with different concentrations of levosimendan (10ng/ml, 100ng/ml, 1000ng/ml). The overall metabolic activity of the cells was measured using 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT), and aspartate aminotransferase (AST) levels were determined in order to quantify hepatic injury. Fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis was applied to measure necrosis and apoptosis. Finally, Western blotting was performed to analyze apoptotic pathway proteins.
Results: Administration of levosimendan during reperfusion increases the metabolic activity of human hepatocytes and decreases AST levels. Moreover, apoptosis after IRI is reduced in treated vs. untreated hepatocytes, and levosimendan prevents down-regulation of the anti-apoptotic protein Bcl-2 as well as up-regulation of the pro-apoptotic protein BAX.
Conclusion: The present study suggests a protective effect of levosimendan on human hepatocytes. Our findings suggest that treatment with levosimendan during reperfusion attenuates apoptosis of human hepatocytes by influencing BAX and Bcl-2 levels.
Smac mimetic promotes apoptosis by neutralizing inhibitor of apoptosis (IAP) proteins and is considered as a promising cancer therapeutic. Although an autocrine/paracrine tumor necrosis factor-α (TNFα) loop has been implicated in Smac mimetic-induced cell death, little is yet known about additional factors that determine sensitivity to Smac mimetic. Using genome-wide gene expression analysis, we identify death receptor 5 (DR5) as a novel key mediator of Smac mimetic-induced apoptosis. Although several cell lines that are sensitive to the Smac mimetic BV6 die in a TNFα-dependent manner, A172 glioblastoma cells undergo BV6-induced apoptosis largely independently of TNFα/TNFR1, as the TNFα-blocking antibody Enbrel or TNFR1 knockdown provide little protection. Yet, BV6-stimulated nuclear factor-κB (NF-κB) activation is critically required for apoptosis, as inhibition of NF-κB by overexpression of dominant-negative IκBα superrepressor (IκBα-SR) blocks BV6-induced apoptosis. Unbiased genome-wide gene expression studies in IκBα-SR-overexpressing cells versus vector control cells reveal that BV6 increases DR5 expression in a NF-κB-dependent manner. Importantly, this BV6-stimulated upregulation of DR5 is critically required for apoptosis, as transient or stable knockdown of DR5 significantly inhibits BV6-triggered apoptosis. In addition, DR5 silencing attenuates formation of a RIP1/FADD/caspase-8 cytosolic cell death complex and activation of caspase-8, -3 and -9. By identifying DR5 as a critical mediator of Smac mimetic-induced apoptosis, our findings provide novel insights into the determinants that control susceptibility of cancer cells to Smac mimetic.
Secondary plant metabolites reveal numerous biological activities making them attractive as resource for drug development of human diseases. As the majority of cancer drugs clinically established during the past half century is derived from nature, cancer researchers worldwide try to identify novel natural products as lead compounds for cancer therapy. Natural products are considered as promising cancer therapeutics, either as single agents or in combination protocols, to enhance the antitumor activity of additional therapeutic modalities. Most natural compounds exert pleotrophic effects and modulate various signal transduction pathways. A better understanding of the complex mechanisms of action of natural products is expected to open new perspectives in coming years for their use alone or in combination therapies in oncology. Two major strategies to identify novel drug candidates from nature are the bioactivity-guided fractionation of medicinal plant extracts to isolate cytotoxic chemicals and the identification of small molecules inhibiting specific targets in cancer cells. In the present review, we report on our own efforts to unravel the molecular modes of action of phytochemicals in cancer cells and focus on resveratrol, betulinic acid, artesunate, dicentrine and camptothecin derivatives.
Rhabdomyosarcoma (RMS) cells have recently been reported to be sensitive to oxidative stress. Therefore, we investigated whether concomitant inhibition of the two main antioxidant defense pathways, that is, the thioredoxin (TRX) and the glutathione (GSH) systems, presents a new strategy to trigger cell death in RMS. In this study, we discover that GSH-depleting agents, i.e. γ-glutamylcysteine synthetase inhibitor, buthionine sulfoximine (BSO) or the cystine/glutamate antiporter inhibitor erastin (ERA), synergize with thioredoxin reductase (TrxR) inhibitor auranofin (AUR) to induce cell death in RMS cells. Interestingly, AUR causes accumulation of ubiquitinated proteins when combined with BSO or ERA, in line with recent reports showing that AUR inhibits the proteasome besides TrxR. Consistently, AUR/BSO or AUR/ERA cotreatment increases ubiquitination and expression of the short-lived proteins NOXA and MCL-1, accompanied by increased binding of NOXA to MCL-1. Notably, NOXA knockdown significantly rescues RMS cells from AUR/BSO- or AUR/ERA-induced cell death. In addition, AUR acts together with BSO or ERA to stimulate BAX/BAK and caspase activation. Of note, BSO or ERA abolish the AUR-stimulated increase in GSH levels, leading to reduced GSH levels upon cotreatment. Although AUR/BSO or AUR/ERA cotreatment enhances reactive oxygen species (ROS) production, only thiol-containing antioxidants (i.e., N-acetylcysteine (NAC), GSH), but not the non-thiol-containing ROS scavenger α-Tocopherol consistently suppress AUR/BSO- and AUR/ERA-stimulated cell death in both cell lines. Importantly, re-supply of GSH or its precursor NAC completely prevents AUR/ERA- and AUR/BSO-induced accumulation of ubiquitinated proteins, NOXA upregulation and cell death, indicating that GSH depletion rather than ROS production is critical for AUR/BSO- or AUR/ERA-mediated cell death. Thus, by demonstrating that GSH-depleting agents enhance the antitumor activity of AUR, we highlight new treatment options for RMS by targeting the redox homeostasis.
The lysine-specific demethylase 1 (LSD1) is overexpressed in several cancers including rhabdomyosarcoma (RMS). However, little is yet known about whether or not LSD1 may serve as therapeutic target in RMS. We therefore investigated the potential of LSD1 inhibitors alone or in combination with other epigenetic modifiers such as histone deacetylase (HDAC) inhibitors. Here, we identify a synergistic interaction of LSD1 inhibitors (i.e., GSK690, Ex917) and HDAC inhibitors (i.e., JNJ-26481585, SAHA) to induce cell death in RMS cells. By comparison, LSD1 inhibitors as single agents exhibit little cytotoxicity against RMS cells. Mechanistically, GSK690 acts in concert with JNJ-26481585 to upregulate mRNA levels of the proapoptotic BH3-only proteins BMF, PUMA, BIM and NOXA. This increase in mRNA levels is accompanied by a corresponding upregulation of BMF, PUMA, BIM and NOXA protein levels. Importantly, individual knockdown of either BMF, BIM or NOXA significantly reduces GSK690/JNJ-26481585-mediated cell death. Similarly, genetic silencing of BAK significantly rescues cell death upon GSK690/JNJ-26481585 cotreatment. Also, overexpression of antiapoptotic BCL-2 or MCL-1 significantly protects RMS cells from GSK690/JNJ-26481585-induced cell death. Furthermore, GSK690 acts in concert with JNJ-26481585 to increase activation of caspase-9 and -3. Consistently, addition of the pan-caspase inhibitor N-benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp-fluoromethylketone (zVAD.fmk) significantly reduces GSK690/JNJ-26481585-mediated cell death. In conclusion, concomitant LSD1 and HDAC inhibition synergistically induces cell death in RMS cells by shifting the ratio of pro- and antiapoptotic BCL-2 proteins in favor of apoptosis, thereby engaging the intrinsic apoptotic pathway. This indicates that combined treatment with LSD1 and HDAC inhibitors is a promising new therapeutic approach in RMS.
Ligand stimulation of CD95 induces activation of Plk3 followed by phosphorylation of caspase-8
(2016)
Upon interaction of the CD95 receptor with its ligand, sequential association of the adaptor molecule FADD (MORT1), pro-forms of caspases-8/10, and the caspase-8/10 regulator c-FLIP leads to the formation of a death-inducing signaling complex. Here, we identify polo-like kinase (Plk) 3 as a new interaction partner of the death receptor CD95. The enzymatic activity of Plk3 increases following interaction of the CD95 receptor with its ligand. Knockout (KO) or knockdown of caspase-8, CD95 or FADD prevents activation of Plk3 upon CD95 stimulation, suggesting a requirement of a functional DISC for Plk3 activation. Furthermore, we identify caspase-8 as a new substrate for Plk3. Phosphorylation occurs on T273 and results in stimulation of caspase-8 proapoptotic function. Stimulation of CD95 in cells expressing a non-phosphorylatable caspase-8-T273A mutant in a rescue experiment or in Plk3-KO cells generated by CRISPR/Cas9 reduces the processing of caspase-8 prominently. Low T273 phosphorylation correlates significantly with low Plk3 expression in a cohort of 95 anal tumor patients. Our data suggest a novel mechanism of kinase activation within the Plk family and propose a new model for the stimulation of the extrinsic death pathway in tumors with high Plk3 expression.
Die Atherosklerose stellt eine der Haupttodesursachen der westlichen Zivilisation dar. Die Karotisbifurkation ist eine der Lokalisationsorte für die Formierung einer atherosklerotischen Läsion, die sich nach Lumeneinengung schliesslich in neurologischen Symptomen bemerkbar machen kann. In einer fortgeschrittenen, symptomatisch gewordenen Karotisplaque kann als charakteristisches Merkmal oftmals ein in der Literatur unter dem Begriff der „Ruptur“ bekannte Oberflächendefekt ausgemacht werden. Es gibt allerdings gehäuft Hinweise über eine Thrombusausbildung auf einer intakten Plaqueoberfläche. Es wird vermutet, dass hier apoptotische Endothelzellen eine entscheidende Rolle bei Veränderungen der Gefässwand spielen, die letzlich für die Thrombusbildung verantwortlich ist. Aus diesen Überlegungen heraus untersuchten wir in der vorliegenden Studie das Ausmaß von Endothelzellapoptosen innerhalb eines Karotisplaque bei symptomatischen und asymptomatischen Patientengruppen. Insgesamt wurden 38 stationäre Patienten mit einer ≥70%-igen ACI-Stenose in die Studie eingeschlossen. Als symptomatisch galten die Patienten, die im Sinne von retinalen oder zerebralen TIA’s oder durch sog. „minor strokes“ in einem Zeitraum von 60 Tagen vor dem Operationstag auffällig geworden waren. Das asymptomatische Patientengut bestand aus den Patienten, bei denen die Karotisstenose als „Zufallsbefund“ aus Routineuntersuchungen in Klinik oder bei niedergelassenen Kollegen entdeckt wurde. Die Plaques wurden “en bloc” exzidiert. In den überwiesenden 33 Fällen wurde die Eversionstechnik durch den Operateur angewendet, bei der das Restlumen unbeschädigt bleibt. Nach Entfernung wurden die Präparate umgehend in 4%-iges Formalin fixiert. Nach Dekalzifizierung erfolgte die transversale Sektionierung in 2mm Scheiben. Jeder 2mm Block wurde in Paraffin eingebettet. Insgesamt wurde dann die Gesamtheit aller 279 Blöcke weiter in 3μm dicke Sektionen geschnitten. Das Vorliegen einer rupturierten Gefässwand wurde als ein intimaler Defekt grösser als 1000μm Breite definiert und für jedes Präparat dokumentiert. Die vitalen Zellen der Endothelschicht wurden durch ein standardisiertes Färbeprotokoll (CD31 Immunhistochemie) sichtbar gemacht. Apoptotische Endothelzellen konnten nach Anwendung der TUNEL-Technik visualisiert werden. Die Färbemethoden wurden jeweils zur Orientierung an angrenzenden Sektionen des Plaques durchgeführt. Die Bilder wurden digitalisiert und bei 40-facher Vergrösserung ausgezählt. Eine Endothelzelle wurde als apoptotisch gewertet, wenn sie jeweils eine positive CD31-Markierung sowie eine positive TUNEL-Färbung in angrenzenden Gewebsschnitten auf sich vereinte. Um das Ausmass der Apoptosen in den Reihen des Endothels zu quantifizieren wurde zunächst die Prozentzahl apoptotischer Endothelzellen pro Plaque Sektion ermittelt und anschliessend durch Berechnung des Medians aller konsekutiven Sektionen die mittlere Prozentzahl apoptotischer Zellen erhoben. Insgesamt war das Auftreten von Apoptose innerhalb des Endothel rar; trotzdem zeigte die symptomatischen Patientengruppe eine signifikant höhere mittlere Prozentsatz apoptotischer Endothelzellen im Vergleich zu dem asymptomatischen Kollektiv. Zwischen den rupturierten und unrupturierten Plaques konnte kein signifikantes Ergebnis erzielt werden, beide Gruppen unterschieden sich kaum. Trotz des möglichen Stellenwerts apoptotischer Endothelzellen bei der fortgeschrittenen Atherosklerose existieren bis heute keine Studien, die das Ausmass derselben in Beziehung zu klinischen Symptomen gebracht haben. Bislang konnte der Nachweis dieser Zellreihe in atherosklerotischen Karotisplaques besonders im poststenotischen Bereich erbracht werden. Veränderungen lokaler Hämodynamik scheinen hier eine Rolle bei der Induktion von Apoptose zu spielen. Da in der hier vorliegenden Arbeit sich der Grad der Stenose kaum unterscheidet müssen alternative Wege bestehen, die Apoptose in atheromatösen Plaques fördert. Apoptotische Endothelien fördern ihrerseits prokoagulatorische Eigenschaften durch vermehrte Expression von thrombogenen Faktoren der Gerinnungskaskade. Das klassische Dogma der Plaqueruptur mit konsekutiver Freilegung des nekrotischen Kerns und Thrombusbildung muss daher erweitert werden, da nicht alle Plaques der vorliegenden Studie diese Oberflächendefekte aufwiesen. Durch das leichte Übergewicht des symptomatischen Kollektivs lassen sich diese Theorien der Apoptose als kritischer Faktor in der Progression atherosklerotischer Herde weiter untermauern, benötigen aber weitere Studien um unter Umständen völlig andere Mechanismen aufzudecken.