Regulationsmechanismen des Hypoxie-induzierbaren Faktors 1 (HIF-1) : Calpain-vermittelter Proteinabbau und Induktion der HIF-1alpha-mRNA

Regulatory mechanisms of the Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) : Calpain-mediated protein degradation and induction of HIF-alpha-mRNA

  • In vielen Tumorzellen kommt es zu einer Überexpression des Hypoxie-induzierbaren Faktor 1alpha (HIF-1alpha), was zu einer verbesserten Anpassung des Tumors an die intratumorale Hypoxie sowie zu einer Resistenz gegen Strahlen- und Chemotherapie führt. Je nach Tumor kann HIF-1alpha auf verschiedenen Wegen induziert werden. Eine Möglichkeit ist die Hemmung des Abbaus von HIF-1alpha über das 26S-Proteasom, wie z.B. beim van Hippel-Lindau (VHL)-Syndrom aufgrund einer Mutation im VHL Gen. Patienten mit VHL-Syndrom entwickeln häufig renal clearcell carcinomas (RCCs). In diesen Karzinomen kann HIF-1alpha nicht über den klassischen Weg über das 26S-Proteasom abgebaut werden. Um das Verständnis für alternative Regulationsmechanismen von HIF-1alpha zu erweitern, wurde mit RCC4-Zellen gearbeitet. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass in RCC4-Zellen das HIF-1alpha-Protein unter Hypoxie, in Kombination mit NO, durch die Ca2+-abhängige Protease Calpain abgebaut wird. Unter Hypoxie kam es zu einem Anstieg der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in den Mitochondrien, die mit NO zu Peroxynitrit und weiteren reaktiven Stickstoffintermediaten (RNI) reagierten. Die kombinierte Stimulation der Zellen mit NO und O2- unter Normoxie löste ebenfalls einen Anstieg des intrazellulären Ca2+-Gehaltes und der Calpain-Aktivität aus, was gleichzeitig zu einem reduzierten HIF-1alpha-Proteingehalt führte. Der Calpain-vermittelte HIF-1alpha-Abbau konnte auch in Zellen mit funktionellem VHL-Protein (pVHL) durch NO und O2- ausgelöst werden, wenn der proteasomale Abbau gehemmt war. Diese Ergebnisse beschreiben einen neuen Regulationsmechanismus für das HIF-1alpha-Protein, der unabhängig vom Sauerstoffgehalt und vom 26S-proteasomalen Abbau durch NO/O2- und Calpain erfolgt. Bisher war noch nicht bekannt, dass HIF-1alpha anders als über das 26S Proteasom abgebaut werden kann. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Calpain-vermittelte Abbau neben dem proteasomalen Abbau zur Regulierung von HIF 1 beiträgt. In Tumorgeweben stellt nicht nur HIF-1, welches in den Tumorzellen aktiviert ist, einen Selektionsvorteil für die Zellen des Tumorgewebes dar. Ebenso tragen die Zellen des Tumorstromas, darunter die Makrophagen, die in den Tumor einwandern, zur Progression des Tumors durch die Anpassung an die hypoxischen Umgebung bei. Daher wurde im zweiten Teil dieser Arbeit die Regulation von HIF-1alpha in den durch konditioniertes Medium von apoptotischen Zellen (KMAZ) aktivierten Makrophagen und der Bedeutung der daraus resultierenden HIF-1-Aktivierung untersucht. Makrophagen, die durch apoptotische Zellen (AZ) aktiviert werden, stellen einen anti-inflammatorischen, pro-angiogenetischen Phänotyp dar, der vergleichbar mit dem der Tumor-assozierten Makrophagen (TAMs) ist. TAMs infiltrieren in das Tumorgewebe und sind essentiell am Übergang von einem avaskulären zu einem invasiven, vaskularisierten und malignen Tumor beteiligt. Unsere Arbeitsgruppe konnte in Vorarbeiten zeigen, dass Makrophagen zunächst Tumorzellen abtöten, wodurch die apoptotischen Tumorzellen Mediatoren (u.a. Sphingosin-1-Phosphat (S1P)) freisetzen, die eine Polarisierung zu einem alternativen, TAM-ähnlichen-Phänotyp der Makrophagen bewirken. Die Inkubation der Makrophagen mit KMAZ führte zu einer Induktion der HIF-1alpha-mRNA und des -Proteins unter Normoxie, was unabhängig von der Proteinstabilität auf eine gesteigerte Proteinsynthese zurückgeführt werden konnte. Weiterhin führte die Induktion von HIF-1alpha zu einer gesteigerten HIF-1-Aktivität. Die Differenzierung von Stammzellen zu CD31+-Endothelzellen wurde durch die Überstände von den durch KMAZ polarisierten Makrophagen HIF-1-abhängig hervorgerufen und ist ein Indiz für die Ausbildung des HIF 1-vermittelten pro-angiogenetischen Phänotyps der Makrophagen. Als Mediatoren, die von den AZ freigesetzt wurden und an der HIF-1alpha-mRNA-Induktion beteiligt sind, konnten S1P und transforming growth factor-beta (TGF-beta) identifiziert werden. Des Weiteren kommt es zu einer Aktivierung des nuclear factor of activated T-cells (NFAT), der an den HIF-1alpha-Promotor bindet und die Transkription induziert. Aufgrund der verstärkten Synthese kommt es zur Akkumulation von HIF-1alpha und zur Aktivierung von HIF-1. Bisher ist die Aktivierung von HIF-1 in TAMs durch die Lokalisation in hypoxischen Arealen erklärt und nicht weiter untersucht worden. Die Erkenntnisse über die Regulierung von HIF-1 durch AZ beschreiben einen neuen Mechanismus, der zur HIF-1-Aktivierung auch unter Normoxie führt. Dabei vermitteln AZ statt der beschriebenen hypoxischen Stabilisierung des HIF-1α-Proteins eine Induktion der HIF-1alpha-mRNA. Weiterhin zeigen die Ergebnisse eine Möglichkeit auf, wie TAMs bereits unter Normoxie zur Angiogenese Induktion in Tumoren beitragen können und erweitern damit das Verständnis, wie die Tumor-unterstützende Wirkung der TAMs vermittelt wird.
  • First aspect: In renal carcinoma cells (RCC4) hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) is constitutively expressed due to a von Hippel Lindau protein deficiency, but can be degraded by calpain, independently of the 26S proteasome, when exposed to hypoxia/nitric oxide (NO). I examined molecular mechanisms to explain calpain activation. The inability of hypoxia/NO to degrade HIF-1alpha in respiratory-deficient RCC4-rho0 cells pointed to the requirement for mitochondria-derived reactive oxygen species. Degradation of HIF-1alpha required intracellular calcium transients and calpain activation. I conclude that peroxynitrit as a result of NO/O2- coformation triggers a calcium increase that activates calpain to degrade HIF-1alpha, independently of the proteasome. Second aspect: Macrophages infiltrating solid tumors exhibit a tumor-supporting phenotype and are critical for tumor development. Little is known which tumor-derived signal provokes this phenotype shift and how these signals are interpreted in macrophages to support tumor growth. We used the supernatant of apoptotic cells and noticed transcriptional, nuclear factor of activated T cells-dependent up-regulation of hypoxia-inducible factor (HIF)-1alpha mRNA, subsequent protein expression, and HIF-1 activity. Blocking calcineurin with cyclosporine A attenuated nuclear factor of activated T cells binding during electrophoretic mobility shift assay analysis and circumvented the HIF-1alpha mRNA increase. Knockdown experiments, receptor analysis, and antibody neutralization pointed to sphingosine-1-phosphate and transforming growth factor-beta as the initiators of the HIF-1 response. The use of macrophages from conditional HIF-1alpha knockout mice revealed that macrophages, under the impact of apoptotic cell supernatants, use HIF-1 to produce factors that induce CD31 expression in murine embryonic stem cells. This study supports the notion that soluble factors produced from apoptotic tumor cells activate the HIF-1 system under normoxia in macrophages to enhance their tumor-promoting capacity by, for example, releasing vascular endothelial growth factor. This shows the importance of HIF-1-elicited responses in regulatory macrophages under normoxia.

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Metadaten
Author:Barbara Herr
URN:urn:nbn:de:hebis:30-72360
Referee:Holger StarkORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/11/12
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/11/03
Release Date:2009/11/12
Tag:HIF; RNI; ROS; apoptotische Zellen
RNI; ROS; apoptotic cells; hypoxia; macrophages
GND Keyword:Hypoxie; Makrophage
HeBIS-PPN:217783562
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht