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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.
Searching for new strategies to trigger apoptosis in rhabdomyosarcoma (RMS), we investigated the effect of two novel classes of apoptosis-targeting agents, i.e. monoclonal antibodies against TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) receptor 1 (mapatumumab) and TRAIL receptor 2 (lexatumumab) and small-molecule inhibitors of inhibitor of apoptosis (IAP) proteins. Here, we report that IAP inhibitors synergized with lexatumumab, but not with mapatumumab, to reduce cell viability and to induce apoptosis in several RMS cell lines in a highly synergistic manner (combination index <0.1). Cotreatment-induced apoptosis was accompanied by enhanced activation of caspase-8, -9, and -3; loss of mitochondrial membrane potential; and caspase-dependent apoptosis. In addition, IAP inhibitor and lexatumumab cooperated to stimulate the assembly of a cytosolic complex containing RIP1, FADD, and caspase-8. Importantly, knockdown of RIP1 by RNA interference prevented the formation of the RIP1·FADD·caspase-8 complex and inhibited subsequent activation of caspase-8, -9, and -3; loss of mitochondrial membrane potential; and apoptosis upon treatment with IAP inhibitor and lexatumumab. In addition, RIP1 silencing rescued clonogenic survival of cells treated with the combination of lexatumumab and IAP inhibitor, thus underscoring the critical role of RIP1 in cotreatment-induced apoptosis. By comparison, the TNFα-blocking antibody Enbrel had no effect on IAP inhibitor/lexatumumab-induced apoptosis, indicating that an autocrine TNFα loop is dispensable. By demonstrating that IAP inhibitors and lexatumumab synergistically trigger apoptosis in a RIP1-dependent but TNFα-independent manner in RMS cells, our findings substantially advance our understanding of IAP inhibitor-mediated regulation of TRAIL-induced cell death.
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.
Alzheimer’s Disease (AD) is the most common neurodegenerative disorder marked by progressive loss of memory and cognitive ability. The pathology of AD is characterised by the presence of amyloid plaques, intracellular neurofibrillary tangles and pronounced cell death. The aim of this thesis was to investigate pathways involved in the Aß cascade of neurodegeneration. Since novel findings indicate that already this Aß species exerts neurotoxic effects long before hyperphosphorylated tau, neurofibrillary tangles and extracellular Aß plaques appear, the investigations were accomplished with specific regard to the effects of intracellular Aß. The Swedish double mutation in the APP gene results in six- to eightfold increased Aß production of both Aß1-40 and Aß1-42 compared to human wildtype APP cells (APPwt). Data obtained from PC12 cells indicate that it is possible to specifically increase the Aß load without enhancing APP expression levels. On the basis of these findings, it seemed possible to investigate dose-dependent effects of Aß in multiple experimental designs. These assay designs were created in order to mimick different in-vivo situations that are discussed to occur in AD patients: APPsw PC12 cells exhibit low physiological concentrations of Aß within picomolar range in contrast to APPsw HEK cells, expressing Aß levels within the nanomolar range. Of note, the APPsw HEK cells showed a specific and highly significant increase in the intracellular accumulation of insoluble Aß1-42. Moreover, an intracellular accumulation of Aß and APP was found in the mitochondria of the HEK APPsw cells suggesting a direct impact on mitochondrial function on these cells. This effect might finally lead to disturbances in the energy metabolism of the cell or to increased cell death. Furthermore, baseline g- and ß-secretase activity was assessed since these enzymes represent promising therapeutic targets to slow or halt the disease process. As expected, ß-secretase activity was significantly elevated in all APPsw cell lines. This might be due to the proximity of the Swedish double mutation next to the N-terminus of the Aß sequence. Interestingly, g-secretase activity was similarly increased in PC12 APPsw cells. In addition, the toxicity of different Aß species was investigated in SY5Y and PC12 cells with regard to their effect on cellular viability mirrored by mitochondrial activity using MTT assay. Here, it turned out that not monomers, but already dimers are neurotoxic correlates. Fibrillar Aß species showed the highest toxicity. In the next step, SY5Y cells forming endogenous, dimeric APP and Aß were investigated. In accordance with previous findings, these cells showed a decreased MTT reduction potential in comparison to APPwt and control SY5Y cells reflecting a decrease of cellular viability. The impaired energy metabolism of the cells was even more drastically mirrored by reduced baseline ATP levels. In the second part of this thesis, the expression and intracellular distribution of Bcl-2 family proteins and pro-apoptotic mitochondrial factors under baseline conditions and during oxidative stress were analyzed in the APPwt and APPsw bearing cells. The most prominent finding was the reduction of expression levels of the anti-apoptotic factor Bcl-xL in the cytosolic fractions of APPwt and APPsw PC12 cells. This might indicate that a lack of anti-apoptotic factors or their altered intracellular distribution, rather than an increase in caspase-dependent pro-apoptotic factors, could be responsible for the increased vulnerability of APPwt- and APPsw-transfected PC12 cells against oxidative stress. Since total Bcl-xL expression was unaffected in PC12 cells, in contrast to APPwt and APPsw-expressing SY5Y and HEK cells revealing significantly decreased Bcl-xL expression levels. Thus, alterations in Bcl-xL distribution seem to be an early event in the disease process. Increasing Bcl-xL expression might potentially be one promising strategy for AD modification. PC12 and HEK cells bearing APPsw or APPwt were treated with the potent g-secretase inhibitor DAPT. Of note, DAPT did not only efficiently block Aß production, but additionally led to an elevation of the MTT reduction potential, reflecting an increase in cellular viability. As another disease-modifying strategy, several efforts are undertaken to ameliorate AD-relevant symptoms by the treatment with nerve growth factor (NGF). Generally, it is known that substituted pyrimidines have modest growth-promoting effects. Here, KP544, a novel substituted pyrimidine, was characterised. This drug increased MTT reduction potential in terminally differentiated and undifferentiated PC12 cells. Furthermore, treatment with KP544 led to a reduction in Aß1-40 secretion. Thus, one may conclude that the target of KP544, GSK-3ß, represents a connecting link between the two main pathological hallmarks of AD and might thus be a very promising therapeutic target for AD.
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.
Es ist bekannt, dass Curcumin in einer Vielzahl verschiedener Zellarten die Proliferation hemmt und Apoptose induziert. In der Literatur werden Konzentrationen von 10 bis 150 µM (3.7-55 µg/ml) als dafür notwendig beschrieben. Da Curcumin nach oraler Aufnahme, aufgrund seiner schlechten Resorption aus dem Magen-Darm-Trakt, eine geringe Bioverfügbarkeit im Organismus aufweist, sind therapeutische Lösungen erforderlich um Curcumin besser nutzen zu können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Wirkung von geringen Mengen Curcumin, die allein keine Effekte zur Folge haben, in Zusammenwirkung mit Licht untersucht. Es wurde gezeigt, dass bereits Konzentrationen von 0,2-1 µg/ml in Keratinozyten die Proliferation hemmen, wenn sie mit UVA- oder sichtbarer Licht-Bestrahlung kombiniert werden. Desweiteren wurde belegt, dass diese Behandlung Apoptose in HaCaT-Zellen induziert, wobei der mitochondriale Apoptoseapparat aktiviert wird. Dies belegen die Freisetzung von Cytochrom c und die frühe Spaltung der Caspase-9 wohingegen Caspase-8 zeitverzögert aktiviert wurde. Weiterhin wurde dargelegt, dass Erk1/2, PKB/Akt und PKC durch Curcumin/Licht gehemmt werden, wohingegen p38 durch diese Behandlung eine Aktivierung erfährt. Zusätzlich ergab sich ein inhibierender Einfluss auf den EGF-Rezeptor, einem “upstream”-Regulator all dieser Kinasen, und den Transkriptionsfaktor NF-kappaB. Bei in vivo-Studien an immundefizienten Mäusen mit A431-Xenografts hatte eine Behandlung mit i.p. verabreichtem Curcumin und anschließender Bestrahlung mit sichtbarem Licht einen signifikanten inhibitorischen Effekt auf das Tumorwachstum zur Folge. In diesen Tumoren fand eine Reduktion der Ki-67-Expression sowie eine Induktion von „apoptotic bodies“ statt. Western Blot-Analysen bestätigten die Apoptoseinduktion durch eine verstärkte Aktivierung der Caspase-9. Zusätzlich zeigte sich auch eine Hemmung von Erk1/2 sowie EGF-R nach beschriebener Behandlung in den Tumoren. Die Wirkungsweise des Curcumins in Kombination mit Licht in vitro wie auch in vivo weisen auf einen neuen therapeutischen Ansatz einer photodynamischen Therapie hin. Dabei kann durch die Verwendung von sichtbarem Licht auf den Einsatz der karzinogenen UV-Bestrahlung, wie sie in üblichen Phototherapien angewandt wird, verzichtet werden.
Tumorerkrankungen, insbesondere solche im metastasierenden Stadium, erfordern effiziente Therapien. Krebstherapien wie Bestrahlung oder Chemotherapie wirken über die Induktion von Apoptose. Resistenz gegen diese Behandlungsansätze geht einher mit der Blockierung relevanter apoptotischer Signalwege. Dennoch haben Tumorzellen nicht grundsätzlich die Fähigkeit verloren, apoptotischen Zelltod zu sterben, d. h. mit einem geeigneten Stimulus kann in jeder Tumorzelle Apoptose induziert werden. In dieser Arbeit wurden Proteine entwickelt, die Enzyme apoptotischer Signalkaskaden selektiv in Tumorzellen einschleusen. Um Spezifität für transformierte Zellen zu erlangen, wurden diese Proteine mit Zellbindungsdomänen gekoppelt, die an tumorassoziierte Antigene binden. Als Zielstrukturen auf der Oberfläche von Krebszellen dienten die Rezeptoren der ErbB Familie „epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und ErbB2. Überexpression dieser Rezeptoren wird auf einer Vielzahl von Tumoren epithelialen Ursprungs beobachtet und ist ursächlich beteiligt an der malignen Transformation. Als Apoptoseinduktoren wurden die Serinprotease Granzym B (GrB) sowie das Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) eingesetzt. GrB induziert Apoptose durch direkte Aktivierung von Caspasen und Spaltung zentraler Caspasen-Substrate. Damit greift die Protease am unteren Effektorende apoptotischer Signalwege ein und umgeht so die meisten Resistenzmechanismen transformierter Zellen. Um GrB in Tumorzellen einzuschleusen, wurde die Protease mit dem ErbB2 spezifischen Antikörperfragment scFv(FRP5) gekoppelt. Zunächst wurde eine biotinylierte Variante der Protease (bGrB) über die hochaffine Streptavidin/ Biotin Interaktion mit einem Fusionsprotein komplexiert, das aus dem scFv(FRP5) und Streptavidin besteht (SA-5). Komplexe aus enzymatisch aktivem bGrB und SA-5 wiesen selektive cytotoxische Aktivität gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen auf, die allerdings von der Präsenz des endosomolytischen Reagenz Chloroquin abhing. Dies zeigt die Notwendigkeit einer Translokation vom endosomalen Kompartiment, um internalisiertem GrB Zugang zu seinen cytosolischen Substraten zu ermöglichen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen, die grundsätzlich nachweisen, daß das Einbringen von GrB in Tumorzellen ausreichend ist, um in diesen Zellen Apoptose zu induzieren, wurden Fusionsproteine abgeleitet, in denen GrB direkt mit Zellbindungsdomänen fusioniert ist. Neben dem scFv(FRP5) wurde auch der EGFR-Ligand TGFalpha eingesetzt. Fusionsproteine bestehend aus reifem GrB und scFv(FRP5) (GrB-5) bzw. TGFalpha (GrB-T) wurden in der Hefe Pichia pastoris exprimiert und mit hohen Ausbeuten gereinigt. GrB-5 und GrB-T zeigten enzymatische Aktivität und wiesen Affinität zu ErbB2 bzw. EGFR auf. In Gegenwart von Chloroquin zeigten GrB-5 und GrB-T selektive cytotoxische Aktivität gegenüber Zellen, die den jeweiligen Zielrezeptor exprimieren. Die IC50 Werte der Proteine lagen im pico- bis nanomolaren Bereich und sind damit vergleichbar mit denen rekombinanter Immun- bzw. Wachstumsfaktortoxine, die Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa als Effektor nutzen. Induktion von Apoptose erfolgte durch GrB-5 und GrB-T allerdings deutlich schneller (3 h) als durch ETA Fusionsproteine (72 h), da GrB im Gegensatz zu ETA direkt in apoptotische Signalkaskaden eingreift. Um die weitere Charakterisierung von GrB-5 und GrB-T zu erleichtern, wurden in der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten für eine Optimierung der Expression dieser Fusionsproteine in Hefe untersucht. Dazu wurde eine Strategie entwickelt, die auf der Beobachtung beruht, daß die Löslichkeit und Stabilität von Proteinen durch Fusion mit solchen Domänen erhöht werden kann, die selbst eine hohe Löslichkeit und Stabilität besitzen. Ein Protein mit diesen Eigenschaften ist das Maltose Bindungsprotein (MBP) aus E. coli. In dieser Arbeit wurde MBP bei der Expression rekombinanter Proteine in P. pastoris eingesetzt, um die Ausbeute löslicher Proteine zu steigern. Es wurde eine Strategie entwickelt, die es erlaubt, MBP posttranslational in vivo vom Fusionspartner zu trennen. Hierzu wurde eine Erkennungssequenz der Protease Furin (furS) zwischen MBP und Fusionspartner eingefügt. Zunächst wurde untersucht, ob GrB als MBP Fusionsprotein in enzymatisch aktiver Form exprimiert werden kann, was eine Grundvoraussetzung für die Expression tumorspezifischer GrB Fusionsproteine in diesem System darstellt. Die Ausbeute von GrB konnte durch diese Strategie erheblich gesteigert werden. Daneben war eine vollständige Prozessierung der Fusionsproteine innerhalb der Furin-Erkennungssequenz nachweisbar. Als MBP Fusionsprotein exprimiertes GrB wies allerdings keine enzymatische Aktivität auf. Weitere Untersuchungen zeigten, daß das terminale Serin der furS-Sequenz, das nach Spaltung durch Furin am N-Terminus von GrB zurückbleibt, die enzymatische Aktivität der Serinprotease inhibiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher nicht weiter versucht, die Ausbeute an tumorspezifischen GrB Fusionsproteinen durch Fusion mit löslichen Proteindomänen zu erhöhen. Für Proteine, die ein N-terminales Serin tolerieren, stellt das hier entwickelte System allerdings eine neuartige Strategie dar, um die Ausbeute in P. pastoris um ein Vielfaches zu steigern. Dies wurde anhand von rekombinantem ErbB2 als Modellprotein bestätigt. Als alternativer Effektor in tumorspezifischen Fusionsproteinen wurde AIF als caspasenunabhängig agierendes proapoptotisches Signalmolekül eingesetzt. In apoptotischen Zellen bewirkt die Freisetzung von AIF aus dem mitochondrialen Intermembranraum die nachfolgende Translokation des Proteins in den Zellkern, woraufhin DNA-Fragmentierung induziert wird. Zum Einschleusen von AIF in Tumorzellen wurde das Flavoprotein mit dem scFv(FRP5) fusioniert (5-AIF). Um eine cytosolische Translokation von AIF zu erreichen, wurde ein Konstrukt abgeleitet, das zusätzlich die Translokationsdomäne von Exotoxin A enthält (5-E-AIF). Diese Domäne ist beim Wildtyp-Toxin notwendig für dessen retrograden Transport vom Endosom über den Golgi Apparat und das ER in das Cytosol. Innerhalb der Translokationsdomäne findet zudem eine Prozessierung durch die endosomale Protease Furin statt. AIF Fusionsproteine wurden in E. coli exprimiert, gereinigt und renaturiert. Die Proteine wiesen Affinität für ErbB2 auf und interagierten mit DNA, eine Eigenschaft, die essentiell für die proapoptotische Aktivität von AIF ist. 5-E-AIF zeigte gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen cytotoxische Aktivität, die vergleichbar mit der des Immuntoxins scFv(FRP5)-ETA war. Diese Aktivität war allerdings nur in Gegenwart von Chloroquin gegeben. Das Protein 5-AIF, in dem die Translokationsdomäne fehlt, zeigte auch in Kombination mit Chloroquin keine Cytotoxizität. Eine mögliche Folgerung hieraus ist, daß die N-terminale Antikörperdomäne der Fusionsproteine die proapoptotische Aktivität der AIF Domäne blockiert. 5-E-A wird sehr wahrscheinlich durch die endosomale Protease Furin „aktiviert“, die den scFv(FRP5) durch proteolytische Spaltung innerhalb der ETA-Domäne entfernt haben könnte. Für die eigentliche Translokation reicht der ETA-Anteil allerdings nicht aus, wahrscheinlich, weil in dem hier abgeleiteten Konstrukt ein für die Funktionsweise des Wildtyp-Toxins essentielles ER Retentionssignal fehlte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß durch Einsatz apoptotischer Signalmoleküle in tumorzellspezifischen Fusionsproteinen hohe und selektive cytotoxische Aktivitäten erzielt werden können. Eine weitere Entwicklung dieser Proteine als mögliche Tumortherapeutika erscheint daher sinnvoll.
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.
BH3 mimetics are promising novel anticancer therapeutics. By selectively inhibiting BCL-2, BCL-xL, or MCL-1 (i.e. ABT-199, A-1331852, S63845) they shift the balance of pro- and anti-apoptotic proteins in favor of apoptosis. As Bromodomain and Extra Terminal (BET) protein inhibitors promote pro-apoptotic rebalancing, we evaluated the potential of the BET inhibitor JQ1 in combination with ABT-199, A-1331852 or S63845 in rhabdomyosarcoma (RMS) cells. The strongest synergistic interaction was identified for JQ1/A-1331852 and JQ1/S63845 co-treatment, which reduced cell viability and long-term clonogenic survival. Mechanistic studies revealed that JQ1 upregulated BIM and NOXA accompanied by downregulation of BCL-xL, promoting pro-apoptotic rebalancing of BCL-2 proteins. JQ1/A-1331852 and JQ1/S63845 co-treatment enhanced this pro-apoptotic rebalancing and triggered BAK- and BAX-dependent apoptosis since a) genetic silencing of BIM, BAK or BAX, b) inhibition of caspase activity with zVAD.fmk and c) overexpression of BCL-2 all rescued JQ1/A-1331852- and JQ1/S63845-induced cell death. Interestingly, NOXA played a different role in both treatments, as genetic silencing of NOXA significantly rescued from JQ1/A-1331852-mediated apoptosis but not from JQ1/S63845-mediated apoptosis. In summary, JQ1/A-1331852 and JQ1/S63845 co-treatment represent new promising therapeutic strategies to synergistically trigger mitochondrial apoptosis in RMS.