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In the absence of apparent mutations, alteration of gene expression patterns represents the key mechanism by which normal cells evolve to cancer cells.
Gene expression is tightly regulated by posttranscriptional processes. Within this context, RNA-binding proteins (RBPs) represent fundamental factors, since they control mechanisms, such as mRNA-stabilization, -translation and -degradation. Human antigen R (HuR) was among the first RBPs that have been directly associated to carcinogenesis. HuR modulates the stability and translation of mRNAs which encode proteins facilitating various ‘hallmarks of cancer’, namely proliferation, evasion of growth suppression, angiogenesis, cell death resistance, invasion and metastasis. Furthermore, it is well established that tumor-promoting inflammation contributes to tumorigenesis. In this process, monocytes are attracted to the site of the tumor and educated towards a tumor-promoting macrophage phenotype. While HuR has been extensively studied in various tumor cell types, little is known about HuR in hepatocellular carcinoma (HCC). Thus, the aim of my work was to characterize the contribution of HuR to the development of cancer characteristics in HCC. I was particularly interested to investigate if HuR facilitates tumor-promoting inflammation, since a role for HuR has not been described in this context. To this end, I depleted HuR in HepG2 cells (HuR k/d) and used a co-culture model of HepG2 tumor spheroids and infiltrating monocytes to study the impact of HuR on the tumor microenvironment. I could show that depletion of HuR resulted in the reduction of cell numbers. Additionally, the expression of proliferation marker KI-67 and proto-oncogene c-Myc was reduced, supporting a proliferative role of HuR. Furthermore, exposure to cytotoxic staurosporine elevated apoptosis in HuR k/d cells compared to control cells. Concomitantly, the expression of the anti-apoptotic mediator B-cell lymphoma protein-2 (Bcl-2) was markedly reduced in the HuR k/d cells, pointing to an involvement of HuR in cell survival processes.
Accordingly, a pro-survival function of HuR was also observed in tumor spheroids, since HuR k/d spheroids exhibited a larger necrotic core region at earlier time points and showed elevated numbers of dead cells compared to control (Ctr.) spheroids. Interestingly, HuR k/d spheroids isplayed reduced numbers of infiltrated macrophages, suggesting that HuR contributes to a tumor-promoting, inflammatory microenvironment by recruiting monocytes/macrophages to the tumor site. Aiming at identifying HuR-regulated factors responsible for the recruitment of monocytes, I found reduced levels of the chemokine interleukin 8 (IL-8) in supernatants of HuR k/d spheroids, supporting a critical involvement of HuR in the chemoattraction of monocytes. Analyzing supernatants of co-cultures of macrophages and HuR k/d or Ctr. spheroids revealed additional differences in chemokine secretion patterns. Interestingly, protein levels of many chemokines were elevated in co-cultures of HuR k/d spheroids compared to control co-cultures. Albeit enhanced chemokine secretion was observed, less monocytes are recruited into HuR k/d spheroids, further underlining the necessity of HuR in cancer related monocyte/macrophage attraction and infiltration. Differences between chemokine profiles of mono- and co-cultured spheroids could be attributable to changes in spheroid-derived chemokines as a result of the crosstalk with the immune cells. Provided the chemokines originate from monocytes/macrophages, the different secretion patterns suggest that HuR contributes to the modulation of the functional phenotype of infiltrated macrophages, since the tumorenvironment is critically involved in the shaping of macrophage phenotypes. Regions of low-oxygen (hypoxia) represent another critical feature of tumors. Therefore, I next analyzed the impact of HuR on the hypoxic response. Loss of HuR attenuated hypoxia-inducible factor (HIF) 2α expression after exposure to hypoxia, while HIF-1α protein levels remained unaltered. Considering previous results of our group, showing that HIF-2α depletion (HIF-2α k/d) resulted in the enhanced expression of HIF-1α protein, I aimed to determine the involvement of HuR in the compensatory upregulation of HIF-1α protein in HIF-2α k/d cells. I could demonstrate that not only total HuR protein levels, but specifically cytoplasmic HuR was elevated in HIF-2α depleted cells pointing to enhanced HuR activity. Silencing HuR in HIF-2α deficient cells attenuated enhanced HIF-1α protein expression, thus confirming a direct role of HuR in the compensatory upregulation of HIF-1α. This as also reflected on HIF-1α target gene expression. I further investigated the mechanism underlying the compensatory HIF-1α expression in HIF-2α deficient cells. Analyzing HIF-1α mRNA expression, I excluded enhanced HIF1-α transcription and stability to account for elevated HIF-1α expression in HIF-2α k/d cells. HIF-1α promoter activity assays confirmed the mRNA data. Furthermore, HIF-1α protein half-life was not elevated in HIF-2α k/d cells compared to control cells, indicating that HIF-1α protein stability is not altered in HIF-2α k/d cells. Analysis of the association of HIF-1α with the translational machinery using polysomal fractionation finally revealed an increased istribution of HIF-1α mRNA in the heavier polysomal fractions in HIF-2α k/d cells compared to control cells. Since augmented ribosome occupancy is an indicator for more efficient translation, I propose enhanced HIF-1α translation as underlying principle of the compensatory increase in HIF-1α protein levels in HIF-2α k/d cells. In summary, my results demonstrate that HuR is critical for the development of cancer characteristics in HCC. Future work analyzing the impact of HuR on tumor-promoting inflammation, specifically macrophage attraction and activation could provide new trategies to inhibit macrophage-driven tumor progression. Furthermore, I provide evidence that HuR contributes to the hypoxic response by regulating the expression of HIF-1α and HIF-2α. Targeting single HIF-isoforms for tumor therapy should be carefully considered, because of their compensatory regulation when one α-subunit is depleted. Thus, therapeutic strategies targeting factors such as HuR that control both α-subunits and at the same time prevent compensation might be more promising.
Apoptotic cell (AC)-derived factors alter the physiology of macrophages (M Phi s) towards a regulatory phenotype that is characterized by enhanced production of anti-inflammatory mediators, an attenuated pro-inflammatory cytokine profile and reduced nitric oxide (NO) formation. Impaired NO production in response to ACs or AC-conditioned medium (CM) is facilitated by arginase II (ARG II) expression, which competes with inducible NO synthase for L-arginine. In this study, I investigated the signaling pathway that allowed CM to upregulate ARG II in M Phi s. A sphingolipid, further identified as sphingosine-1-phosphate (S1P), was required but authentic S1P alone only produced small effects. S1P acted synergistically with a so far unidentified factor to elicit high ARG II expression. S1P signaled through S1P receptor 2 (S1P2), since the S1P2-antagonist JTE013 and siRNA knock-down of S1P2 prevented ARG II upregulation. Further, inhibition and knock-down of extracellular signal-regulated kinase 5 (ERK5) attenuated CM-mediated ARG II protein induction. Exploring ERK5-dependent transcriptional regulation, promoter deletion and luciferase reporter analysis of the murine ARG II promoter (mpARG II) suggested the involvement of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) responsive element binding protein (CREB). This was confirmed by EMSA analysis and decoyoligonucleotides scavenging CREB, thereby preventing it from activating target genes and thus, blocking ARG II expression. I concluded that AC-derived S1P binds to S1P2 and acts synergistically with other factors to activate ERK5 and concomitantly CREB. This signaling cascade shapes an anti-inflammatory M Phi phenotype by ARG II induction. Further investigations of ERK5-dependent CREB activation suggested an indirect mechanism implying that ERK5 inhibited phosphodiesterase 4 (PDE4) and thus, prevented hydrolysis of cAMP. Since S1P-dependent ERK5 activation presumably inhibited PDE4, subsequent cAMP accumulation led to enhanced PKA activity and CREB-mediated transcription. The unidentified factor(s) besides S1P probably provoked the required elevation of cAMP production in M Phi s. Indeed, pharmacological inhibition of cAMP-producing adenylyl cyclase with SQ22536 as well as cAMP-dependent protein kinase A (PKA) with KT5720 suggested cAMP to be involved in CM-mediated ARG II up-regulation. Furthermore, forskolin-dependent activation of adenyly cyclase and simultaneous rolipram-mediated inhibition of PDE4 mimicked CM-induced ARG II expression. Considering these findings, I propose that one or several unidentified factors in CM provoke cAMP production in M Phi s. In parallel, AC-derived S1P activates ERK5, which inhibits PDE4-dependent cAMP hydrolysis, further raising intracellular cAMP levels. Thus, unrestricted continuous cAMP signaling via PKA/CREB, results in a time-dependent and sustained ARG II induction.
Identification of translationally deregulated proteins during inflammation-associated tumorigenesis
(2012)
The translation of mRNAs into proteins is an elaborate and highly regulated process. Translational regulation primarily takes place at the level of initiation. During initation the eukaryotic initiation factors (eIFs) form a complex that binds to the 5’end of the mRNA to scan for a start codon. Once recognized, the ribosome is recruited to the mRNA and protein synthesis starts. Initiation of translation can basically occur via two distinct mechanisms, i.e. cap-dependent and cap-independent that is mediated via internal ribosome entry sites (IRESs). The former is mediated by a 5’cap structure composed of a 7-methylguanylate which is added to every mRNA during transcription and recruits the initiation complex. IRES-dependent translation involves elements within the 5’untranslated region (UTR) of the mRNA that mostly bind IRES trans-acting factors (ITAFs) which associate either with the initiation complex or with the ribosome itself and consequently allow for internal initiation of translation.
During tumorigenesis the demand for proteins is increased due to rapid cell growth, which consequently requires enhanced translation. Many factors that regulate translation are overexpressed in tumors. Moreover, signaling pathways that trigger translation or further hyperactivated by the surrounding tumor microenvironment. This environment is largely generated by infiltration of immune cells such as macrophages that secrete cytokines and other mediators to promote tumorigenesis. As the effects of inflammatory conditions on the translation of specific targets are only poorly characterized, my study aimed at identifying translationally deregulated targets during inflammation-associated tumorigenesis.
For this purpose, I cocultured MCF7 breast tumor cells with conditioned medium of activated monocyte-derived U937 macrophages (CM). Polysome profiling and microarray analysis identified 42 targets to be regulated at the level of translation. The results were validated by quantitative PCR and one target - early growth response 2 (EGR2) - was chosen for in depth analysis of the mechanism leading to its enhanced translation.
In order to identify upstream signaling molecules causing enhanced EGR2 protein synthesis the cytokine profile of CM was analyzed and the impact of several cytokines on EGR2 translation was examined. Preincubation of CM with neutralizing antibodies revealed that lowering interleukin 6 (IL-6) had only little effect, whereas depletion of IL 1β significantly reduced EGR2 translation. This finding was corroborated by the fact that treatment with recombinant IL-1β enhanced EGR2 translation to virtually the same extend as CM. Further experiments revealed that this effect was mediated via the p38-MAPK signaling cascade.
Interestingly, I observed that the mTOR inhibitor rapamycin, which reduces cap-dependent translation, specifically stimulated EGR2 translation. This result argued for an IRES-dependent mechanism that might account for EGR2 translation. The use of bicistronic reporter assays verified this hypothesis. In line with the above mentioned results, CM, IL-1β and p38-MAPK induced EGR2-IRES activity.
Since IRESs commonly require ITAFs to mediate translation initiation, the binding of proteins to the 5’UTR was analyzed using mass spectrometry. Among others, several previously described ITAFs, such as polypyrimidine tract-binding protein (PTB) and heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1 (hnRNP-A1) were identified to directly bind to the EGR2-5’UTR. Furthermore, overexpression of hnRNP-A1 enhanced EGR2-IRES activity whereas a dominant negative form of hnRNP-A1 significantly decreased it, thus, showing its importance for EGR2 translation.
In summary, my data provide evidence that EGR2 expression can be controlled by IRES-dependent translational regulation, which is responsive to an inflammatory environment. The identified mechanism may not be exclusive for one target but might be representative for gene expression regulation mechanisms during tumorigenesis. This is of special interest for the treatment of cancer patients and development of more specific therapies to reduce tumor outcome.
Acute and chronic inflammation play a pivotal role in various diseases, such as rheumatoid arthritis, atherosclerosis, bacterial as well as viral infections and therefore are an everyday-challenge in clinical practice. In this context, biologically active products of the cyclooxygenases and the prostanoid synthases, e.g. prostaglandins, critically contribute to various aspects of the inflammatory response in almost every tissue of the body. Emerging evidence over the past decades has demonstrated that these mediators are not only responsible for a pro-inflammatory response, but also show anti-inflammatory and pro-resolving properties. The relevance of biologically active lipids in this context is strengthened by the clinical efficacy of nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs), e.g. Aspirin®, which block the biosynthesis of the mediators via the cyclooxygenase (COX) enzymes. Notably, microsomal prostaglandin E synthase-1 (mPGES-1)-derived prostaglandin E2 (PGE2) is a well-studied, functionally versatile PG, which promotes its effects via specific G protein-coupled receptors (GPCRs). Activation of these receptors elicits an internal signal transduction cascade, including activation of the adenylyl cyclase (AC). Active AC contributes to an elevated intracellular cyclic adenosine monophosphate (cAMP) level, which in turn activates the transcription factor cAMP response element-binding protein (CREB) via phosphorylation.
While the role of PGE2 in the inflammatory context has been well-documented in previous literature, relatively little is known about CREB-dependent transcriptional changes in inflammation. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect of mPGES-1-derived PGE2 on CREB-mediated transcriptional changes specifically in murine wild-type (WT) and mPGES-1 knock-out (KO) macrophages in an inflammatory context. To address this issue, bone marrow-derived macrophages (BMDMs) were treated with either the bacterial cell wall component lipopolysaccharide (LPS) in combination with interferon-γ (IFN-γ) or the yeast extract zymosan. To analyze effects on CREB activation we determined protein expression profiles of relevant PGE2-synthesizing enzymes, i.e. COX-2 and mPGES-1, as well as activity of the downstream transcription factor CREB. The activity of mPGES-1 was simultaneously determined by the analysis of the prostanoid kinetics. Under these experimental conditions we showed that COX-2 is strongly induced, and we also observed elevated activated CREB levels in WT as well as in mPGES-1 KO macrophages. Further, both LPS+IFN-γ and zymosan increased expression of mPGES-1 in WT but not in mPGES-1-deficient macrophages. These findings go in hand with largely similar alterations in the PGD2, TXB2, PGF2α profiles in WT and mPGES-1 KO macrophages upon stimulation. Of note, an elevated PGE2 production was also observed in mPGES-1-deficient macrophages at later stages upon inflammatory conditions. Subsequently, potential CREB-regulated targets were identified in macrophages upon inflammatory stimuli after 16 h by chromatin immunoprecipitation (ChIP) followed by Next-Generation-Sequencing (NGS). Surprisingly, despite equal levels of pCREB the characterization of CREB binding sites revealed different targetome profiles between WT and mPGES-1 KO macrophages. Specifically, the fatty acid metabolic processes-associated targets appeared to be selectively lost in mPGES-1-deficient vs. WT macrophages. We further validated one of those targets, i.e. the endoplasmic reticulum lipid raft-associated protein 1 (Erlin1), at the mRNA expression level, which indeed was differentially transcribed in response to different PGE2 synthesizing conditions.
Mechanistically, CREB is a well-characterized phosphorylation-dependent transcription factor in cell survival, proliferation, differentiation, and immune responses. Yet, our understanding of the functions of CREB in inflammation, specifically with respect to its activation by PGE2, is insufficient. Due to its biological relevance in inflammation it clearly requires additional studies to shed light on the details of CREB activation in macrophages to provide possibilities of therapeutic interventions.
Die Wahrnehmung von Schmerzen ermöglicht es dem Organismus, auf noxische Reize zu reagieren. Der akute nozizeptive Schmerz hat somit eine natürliche Warnfunktion. Bei länger anhaltenden bzw. chronischen Schmerzen oder Nervenschädigungen kann es jedoch zu pathophysiologischen Veränderungen im Nervensystem kommen, die zur Verselbständigung des Schmerzes führen können. Unter diesen Umständen gilt der Schmerz nicht mehr als Warnsignal, sondern als eigenes Krankheitsbild. Die „International Association for the Study of Pain (IASP)“ definiert Schmerz als „ein unangenehmes Sinnes- und Gefühlserlebnis, das mit aktueller oder potenzieller Gewebsschädigung verknüpft ist oder mit Begriffen einer solchen Schädigung beschrieben wird“. Da bisher verfügbare Arzneimittel chronische Schmerzen in vielen Fällen nicht ausreichend reduzieren können und teilweise zu schwerwiegenden Nebenwirkungen führen, ist es unverzichtbar, an der Entwicklung neuer und noch spezifischer wirkenden Analgetika festzuhalten. Um Pharmaka zu entwickeln, die gezielt in den Mechanismus der Schmerzverarbeitung eingreifen können, ist es notwendig, diesen auf molekularer Ebene zu kennen und zu verstehen.
Hypoxie und Stickstoffmonoxid (NO) sind wichtige Mediatoren von akuten und chronischen Erkrankungen sowie auch von Tumoren. Makrophagen spielen eine zentrale Rolle bei der Eliminierung von Pathogenen aber auch bei der Induktion, Entwicklung und Metastasierung von Tumoren. Wenn Makrophagen in verletztes Gewebe, einen Entzündungsherd oder in einen Tumor einwandern, sind sie einem Umfeld ausgesetzt, das durch Hypoxie und die Produktion von NO und ROS erheblichen Stress auf die Zellen ausübt. Dieser Zellstress wirkt sich auf das Redoxgleichgewicht und damit auf die Signaltransduktion der Zellen aus. Im ersten Teil meiner Arbeit wurde mittels einer Micoarray-Analyse die Interaktion von hypoxischen und NO-vermittelten Signalen in Makrophagen und deren Bedeutung für die Zellen im entzündlichen Umfeld ermittelt. In RAW 264.7 Makrophagen wurden 196 Gene als Hypoxie-reguliert 85 Gene als DETA-NO-reguliert identifiziert. Die Mehrzahl der Gene (292) wurde jedoch von einer Kombination aus Hypoxie und DETA-NO reguliert und lediglich 14 Gene wurden in allen drei Ansätzen identifiziert. Aus der Gruppe der durch Hypoxie-und DETA-NO-regulierten Transkripte zeigte Sesn2 als Peroxiredoxin (Prdx) Reparatur-Protein eine signifikant höhere Induktion durch DETA-NO im Vergleich zur Hypoxie. Mit Hilfe von HIF-1α-/- Maus-Peritonealmakrophagen wurde Sesn2 als sowohl Hypoxie- und NO-reguliertes HIF-1α Zielgen identifiziert. Eine Vorinkubation der RAW 264.7 Zellen mit DETA-NO reduzierte die Bildung von überoxidiertem, inaktivem Prdx durch H2O2. Die Reduktion an überoxidiertem Prdx durch eine Vorinkubation mit DETA-NO konnte mittels eines siRNA knockdowns auf Sesn2 zurückgeführt und Sesn2 als Prdx-Reduktase etabliert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Vorinkubation von Makrophagen mit NO die Akkumulation von Sesn2 HIF-1α-abhängig induziert und somit Prdxs vor einer Überoxidierung durch ROS schützt. Die Aktivierung von HIF-1α durch Hypoxie oder NO kann somit die Vitalität von Zellen in einem entzündlichen Mikroumfeld verbessern. Im zweiten Teil meiner Arbeit wurde mittels konditioneller knockouts von HIF-2α und HIF-2α in myeloiden Zellen deren Auswirkung auf die Tumorentwicklung im PyMT Tumormodell untersucht. Die Tumorbelastung der Tiere zeigte in Folge der myeloiden knockouts von 1α und HIF-2α nur eine leichte Tendenz zu geringerer Tumorbelastung. Im Gegensatz zum myeloiden HIF-2α knockout beschleunigte der knockout von HIF-1α die Tumorinzidenz in PyMT Mäusen verlangsamte jedoch die Tumorentwicklung. Zusätzlich führte der myeloide knockout von HIF-1α und HIF-2α zu verstärkter Tumorhypoxie. Dies konnte auf eine Beeinträchtigung der Tumorangiogenese in den Tumorkernzonen zurückgeführt werden, wobei die Angiogenese durch das Fehlen von myeloidem HIF-1α am stärksten beeinträchtigt wurde. Während der Entstehung eines Tumors und dessen Progression werden die Tumorumgebung, das sogenannte Stroma, und der Tumor selbst von unterschiedlichen Immunzellen infiltriert. Der myeloide knockout von HIF-1α hatte erheblichen Einfluss auf die Immunzellverteilung im Tumorgewebe. Es wanderten weniger Makrophagen und B Zellen in den Tumor ein, wohingegen die Zahl von CD4+ T Helfer Zellen signifikant erhöht war. Zusätzlich wurde die Reifung der Dendritischen Zellen (DCs) durch den myeloiden knockout von HIF-1α erheblich beeinträchtigt. Der myeloide knockout von HIF-2α resultierte lediglich in einer verminderten Zahl an B Zellen und T Zellen im Tumorgewebe. Wildtyp und HIF-2α-/- Makrophagen, die hypoxische Tumorareale infiltrierten wiesen eine erhöhte Akkumulation von HIF-1α Protein auf. Makrophagen mit einem knockout von HIF-1α zeigten daraus folgend keine Akkumulation des HIF-1α Proteins in hypoxischen Tumorarealen. Darüber hinaus wurde Ym1 in allen Makrophagen-Genotypen im Tumorgewebe gleichstark exprimiert, wohingegen die Expression von iNOS im Tumorgewebe durch den myeloiden knockout von HIF-1α und HIF-2α verringert war. Die kolokalisierte Expression von iNOS und Ym1 in den Tumor-assoziierten Makrophagen deutet auf eine sowohl pro- als auch anti-inflammatorische Aktivierung der Makrophagen im Tumor hin. Die Ergebnisse der Immunzellverteilung von Makrophagen, unreifen DCs, CD4+ T Helfer Zellen sowie auch die verminderte iNOS-Expression weisen jedoch auf ein eher anti-inflammatorisches Tumormileu der PyMT+/-/HIF-1α -/- Tiere hin. Dies zeigt, dass HIF-1α in Makrophagen an der Entstehung eines inflammatorischen Tumormileus beteiligt ist.
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.
Obesity is considered as a type of chronic inflammation. It enhances the risk of developing cardiovascular disease, diabetes, and some cancers. The key players in the induction of inflammation in adipose tissue are macrophages. However the mechanism of macrophage activation in obese fat tissue is still not fully understood. Elevated level of saturated fatty acids in adipose tissue promotes inflammation and insulin resistance. Exposure of macrophages to saturated fatty acids stimulates pro-inflammatory c-Jun N-terminal kinase (JNK), nuclear factor kappa B (NF-kB) signaling, and production of pro-inflammatory cytokines, such as IL-6, IL-8, IL-1β, and TNFα. Palmitate is a major saturated free fatty acid released by adipocytes. It activates inflammatory pathways through Toll-like receptors (TLR) 2 and 4, provokes endoplasmic reticulum (ER) stress and increases levels of diacylglycerols (DAGs) and ceramides. Saturated fatty acids also affect cellular oxidative metabolism. Thus, mitochondrial fatty acid oxidation reduces ER-stress and expression of inflammatory cytokines in palmitate-treated macrophages. On the other hand mitochondrial reactive oxygen species (ROS) promote palmitate-mediated pro-inflammatory cytokine production. Recently, mitochondrial functions were linked to their morphology. Mitochondrial fission has been reported in β-cells and myocytes in response to high levels of glucose and free fatty acids, and was associated with disruption of mitochondrial functions, increased ROS level, and cell death. The aim of this study was to investigate the role of mitochondrial fragmentation in palmitate-induced inflammation in human macrophages. In our settings fatty acids, independently of their saturation, affected mitochondrial morphology. Mixtures of long chain saturated and unsaturated fatty acids as well as triglyceride-rich lipoprotein lipolysis products promoted mitochondrial fission. Mitochondrial fragmentation in palmitate-treated macrophages revealed a time- and concentration-dependent character, and was reversible upon palmitate removal. This observation, together with unaltered levels of mitochondrial protein and DNA content, and intact mitochondrial respiration, suggested that mitochondria were not damaged and were functionally active. Mechanistically, palmitate-induced mitochondrial fragmentation was not regulated by ER stress or loss of mitochondrial membrane potential. However, inhibition of palmitate incorporation into mitochondrial membrane phospholipids decreased mitochondrial fragmentation. Other approach to prevent mitochondrial fission was the inhibition of dynamin-related protein 1 (DRP1) activity, which drives mitochondrial fission by forming ring- like structures around mitochondria and constricting mitochondrial membranes. Palmitate altered mitochondrial membrane lipid composition and promoted DRP1-oligomerization. The inhibition of palmitate-induced mitochondrial fragmentation enhanced mitochondrial ROS production, c-Jun phosphorylation, and upregulated expression of pro-inflammatory cytokines. Taken together, these results suggest that mitochondrial fragmentation is a protective mechanism attenuating palmitate-induced inflammatory responses. Future experiments will be required to investigate the role of mitochondrial fragmentation in obesity-associated diseases in vivo.
Starkes Übergewicht und eine damit einhergehende Hypertrophie von Geweben aber auch des Herz-Kreislauf-Systems führen zu einer Reihe von Folgeerkrankungen wie z. B. Diabetes mellitus Typ 2 oder auch Arteriosklerose. Während im Fettgewebe freie Fettsäuren, die von Makrophagen aufgenommen werden, eine entscheidende Rolle spielen, scheint in der Pathogenese von Arteriosklerose die Aufnahme von Fettsäuren aus Lipoproteinpartikeln durch Makrophagen von großer Wichtigkeit zu sein. Ein weiterer Faktor, der durch freie Fettsäuren ausgelöst wird ist ER-Stress. Makrophagen, die zu Triglycerid (TG) reichen Schaumzellen geworden sind, akkumulieren in arteriosklerotischen Läsionen. Der Lipidmetabolismus von Makrophagen wird transkriptionell u.a. durch den Transkriptionsfaktor PPARγ (Peroxisomproliferator aktivierter Rezeptor γ) reguliert. Sein Zielgen FABP4 (Fettsäuren bindendes Protein 4) beschleunigt die Entwicklung von Arteriosklerose in Mausmodellen. Da die Expression von PPARγ und FABP4 in IL 4- (Interleukin-4) polarisierten Makrophagen induziert wird, sollte die Rolle von FABP4 in humanen, mit IL 4 polarisierten Makrophagen untersucht werden. Hierfür wurden primäre humane Monozyten in Anwesenheit von LPS/IFNγ (Lipopolysaccharid/Interferon γ) bzw. IL 4 zu Makrophagen differenziert. Es zeigte sich, dass in LPS/IFNγ stimulierten Makrophagen PPARγ und dessen Zielgene nicht exprimiert wurden. Dagegen waren sie bei unstimulierten Makrophagen bei IL 4 stimulierten Makrophagen deutlich erhöht. Dies spiegelte sich auch in einer erhöhten Aufnahme von Triglyceriden aus VLDL-Partikeln (Lipoproteinpartikel sehr niedriger Dichte) wider. IL 4 induzierte also einen Fettsäuren akkumulierenden Phänotyp. Durch einen PPAR-Luciferase-Reporter-Test wurde untersucht, ob FABP4 für die Aktivierung von PPARγ nötig war. Dies konnte bestätigt werden, da PPARγ durch seinen Liganden Linolsäure nur in Anwesenheit von FABP4 aktiviert werden konnte. Diese Aktivierung konnte zusätzlich durch den FABP4-Inhibitor HTS01037 verhindert werden. Nun sollte der Einfluss von FABP4 auf die PPARγ-abhängige Genexpression untersucht werden. Hierfür wurde FABP4 während der Differenzierung mit den beiden Inhibitoren HTS01037 oder BMS309403 in IL 4 stimulierten Makrophagen inhibiert. Durch die Inhibition von FABP4 sank die Expression von FABP4 und LPL (Lipoproteinlipase), während die von PPARγ unverändert blieb. Die LPL spielt eine entscheidende Rolle in der Aufnahme von Lipiden aus VLDL-Partikeln und trägt somit zur TG-reichen Schaumzellbildung bei. Die verminderte Expression von LPL spiegelte sich in einer verminderten Lipidaufnahme aus VLDL-Partikeln wider. Gleichzeitig wurde durch die FABP4-Inhibition die Entzündungsantwort der Makrophagen auf VLDL-Partikel abgeschwächt. IL 4 induziert also LPL, indem es PPARγ aktiviert. FABP4 unterstützt hierbei die Aktivierung von PPARγ. Durch die Inhibition kann die LPL-Expression vermindert werden, was die TG-reiche Schaumzellbildung und die Entzündungsreaktion in einem VLDL-reichen Umfeld vermindert und eine neue Therapiemöglichkeit von Arteriosklerose eröffnet. Im Fettgewebe kommt bei starkem Übergewicht, bedingt durch die erhöhte Konzentration an freien Fettsäuren und Hypoxie, zu einer leichten Entzündungsreaktion. Diese Entzündungsreaktion wurde durch eine Stimulation mit Palmitat unter Hypoxie (1 % O2) nachgebildet. Überstände von Makrophagen nach dieser Stimulation (MCM) wurden auf primäre humane Adipozyten übertragen. Diese Überstände konnten zwar keine Insulinresistenz in Adipozyten auslösen, induzierten jedoch eine Entzündungsreaktion. Diese zeigte sich in einer erhöhten Expression der proentzündlichen Zytokine CCL2 (CC-Chemokin-Ligand-2) und IL 6. Gleichzeitig wurde die Expression des antientzündlichen Zytokins Adiponectin vermindert. Der Transfer von MCM ist also ein Modell für die Entstehung der Insulinresistenz in einem frühen Stadium. Beim Versuch, die entzündungsfördernde Fähigkeit des MCMs zu verhindern, wurde AMPK mit verschiedenen Aktivatoren stimuliert. Es zeigte sich, dass der AMPK-Aktivator AICAR (5-Aminoimidazol-4-carboxamidribonukleotid) die Entzündungsantwort und den ER-Stress von mit Hypoxie und Palmitat stimulierten Makrophagen deutlich reduzierte. Der starke Effekt auf den ER-Stress konnte auch mit anderen ER-Stress-Auslösern wie Thapsigargin oder Tunicamycin nachvollzogen werden. Da AICAR ein AMPK-Aktivator ist, wurden typische Effekte der AMPK-Aktvierung wie reduzierte Proteinexpression, verstärkte Sirtuin-1-Aktivierung und Steigerung der Fettsäurenoxidation mittels Inhibitoren verhindert. Dies hatte keinen Einfluss auf die Wirkung von AICAR. Ebenso wurde untersucht, ob AICAR in die Zelle aufgenommen werden musste und ob es zu seiner phosphorylierten Form ZMP umgewandelt werden musste. Durch den Inhibitor ABT 702 kann die Adenosinkinase inhibiert werden, welche die Phosphorylierung katalysiert. Es zeigte sich, dass die Phosphorylierung von AICAR zu ZMP nicht erforderlich war, damit AICAR die ER-Stress-Antwort hemmen konnte. AICAR und nicht ZMP wirkte gegen den ER-Stress. Da durch das fehlende ZMP die AMPK nicht aktiviert wurde, war das ein weiteres Zeichen, dass AICAR AMPK-unabhängig wirkte. Dies konnte durch einen AMPK-Knockdown bestätigt werden. Durch einen Knockdown verschiedener Adenosintransporter konnte gezeigt werden, dass SLC28A3 (Soluttransporterfamlie 28 Typ A3) verantwortlich für die Aufnahme von AICAR in primäre humane Makrophagen war. Es konnte demnach gezeigt werden, dass AICAR den ER-Stress in primären humanen Makrophagen in einem von AMPK unabhängigen Mechanismus vermindert. Dafür wird es mittels SLC28A3 in die Zelle aufgenommen und wirkt als AICAR und nicht als ZMP. Diese Erkenntnisse stellen eine interessante, neue therapeutische Möglichkeit im Feld von Arteriosklerose und Diabetes dar.
Mesenchymale Knochenmarksstammzellen (engl. Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells (BMSCs)) sind hochproliferative multipotente Progenitorzellen mit einem hohen Regenerationspotential. Sie können aus dem Knochenmark in geschädigte Knorpelareale migrieren und dort zu Chondrozyten differenzieren. Somit können sie zur Reparatur traumatisch oder osteoarthrotisch bedingter Knorpelschäden beitragen. In verschiedenen Bereichen des Gelenks konnten zudem sympathische Nervenfasern sowie der sympathische Neurotransmitter Noradrenalin (NE) nachgewiesen werden. NE inhibiert die chondrogene Differenzierungskapazität von BMSCs und kann so zur Pathogenese der Osteoarthrose (OA) beitragen. Unbekannt ist zum derzeitigen Zeitpunkt, inwiefern NE die Proliferation von humanen BMSCs beeinflusst. Ziel unserer Studie war, den Einfluss von NE auf die Proliferationskapazität humaner BMSCs zu untersuchen und beteiligte intrazelluläre Signalwege zu identifizieren.
Zu diesem Zweck wurden BMSCs von Patienten nach stattgehabtem Gelenktrauma (Trauma BMSCs) und von Patienten mit diagnostizierter OA (OA BMSCs) untersucht. Zunächst erfolgte eine Analyse des Genexpressionsmusters der verschiedenen Adrenorezeptoren (ARs). Anschließend wurden sowohl Trauma als auch OA BMSCs mit NE in unterschiedlichen Konzentrationen sowie mit NE in Kombination mit verschiedenen AR-Antagonisten (Doxazosin (α1), Yohimbin (α2) oder Propranolol (β2)) behandelt. Die Aktivierung der AR-gekoppelten Signalwege wurde anhand der Phosphorylierung der beiden Hauptsignalwege der extrazellulären signalregulierten Kinasen 1/2 (ERK1/2) und der Proteinkinase A (PKA) via Western Blot untersucht.
Die Genexpression diverser AR-Subtypen konnte in Trauma (α2B-, α2C- und β2-AR) und OA BMSCs (α2A-, α2B- und β2-AR) nachgewiesen werden. Die Behandlung mit NE in hohen Konzentrationen führte zu einer statistisch signifikanten Inhibition der Proliferation von Trauma und OA BMSCs. Die Behandlung mit NE in niedrigen Konzentrationen hatte hingegen keinen Einfluss auf die Proliferation von Trauma und OA BMSCs. Sowohl ERK1/2 als auch PKA wurden in Trauma und OA BMSCs nach Behandlung mit NE aktiviert. Lediglich der β2-Antagonist Propranolol konnte sowohl die Effekte auf die Proliferation als auch auf die Aktivierung von ERK1/2 und PKA aufheben. Doxazosin und Yohimbin hatten hingegen keinen signifikanten Einfluss auf die Proliferation sowie die ERK1/2- und PKA-Phosphorylierung.
Unsere Untersuchungen zeigen, dass NE die Proliferation von Trauma und OA BMSCs konzentrationsabhängig inhibiert. Dieser Effekt wird vornehmlich über eine β2-AR-gekoppelte ERK1/2- und PKA-Aktivierung vermittelt. Über diesen Mechanismus kann NE das regenerative Potential von humanen BMSCs verringern und somit zur Pathogenese der OA beitragen. Über eine zielgerichtete Beeinflussung des β2-Signalweges könnten sich zukünftig neue therapeutische Optionen bei der Behandlung osteoarthrotisch oder traumatisch bedingter Knorpelschäden ergeben.
Molecular oxygen (O2) is essential for numerous metabolic processes. Not surprisingly, hypoxia and the resulting adaptations play a pivotal role in pathophysiology, e.g., in cancer or in inflammatory diseases. Of note, myeloid cells are known to accumulate in hypoxic regions such as tumor cores or rheumatoid arthritis joints and may contribute to disease progression. While most studies so far concentrated on transcriptional adaptation by the hypoxia-inducible factors (HIF) 1 and 2 under short term hypoxia, prolonged oxygen deprivation and alternative post-transcriptional regulation are rather poorly investigated.
Consequently, the aim of the study was to generate a comprehensive overview of mRNA de novo synthesis and degradation and its contribution to total mRNA changes in monocytic cells in the course of hypoxia.
To this end, I used thiol-linked alkylation for the metabolic sequencing of RNA (SLAM-Seq) to characterize RNA dynamics under hypoxia. Specifically, I labeled monocytic THP-1 cells under normoxia (N), acute hypoxia (AH; 8 h 1% O2), or chronic hypoxia (CH; 72 h 1% O2) with 4-thiouridine (4sU), which allows for transcriptome-wide identification of de novo synthesized mRNAs and estimation of their half-lives. Total mRNA expression analyses revealed that most changes occurred under CH. Considering that HIF accumulation and resulting transcriptional regulation was shown to decline again under CH, I further analyzed the impact of RNA stability on gene expression. I observed a global reduction in RNA half-lives under hypoxia, indicative for the attenuation of energy-consuming protein synthesis upon oxygen deprivation. Moreover, I observed a subgroup of hypoxic destabilized transcripts with resulting decreased mRNA expression under CH, which consisted of 59 nuclear-encoded mitochondrial mRNAs. This might prevent futile production of new mitochondria under conditions, where mitochondria are even actively degraded to prevent production of detrimental reactive oxygen species.
While stability-regulated transcripts were mainly destabilized under hypoxia, the vast majority of differentially de novo synthesized transcripts were upregulated.
Functional analyses revealed not only hypoxia, but also cholesterol homeostasis and inflammatory response as top enriched terms, corroborating findings on total mRNA level. Focusing on hypoxia-altered cholesterol metabolism, I observed an 9 accumulation of early and a decrease in late cholesterol precursors, which are separated by several oxygen-dependent enzymatic steps. Although total cholesterol levels were only slightly reduced, my data indicate locally lowered endoplasmic reticulum (ER) cholesterol levels under hypoxia, which cause feedback activation of the ER cholesterol-sensing transcription factor sterol regulatory element-binding protein 2 (SREBP2) and induction of cholesterol biosynthesis enzymes. Interestingly, a broad range of interferon-stimulated genes (ISGs), mainly known for their antiviral function, was also induced under hypoxia with similar kinetics as SREBP2 targets, suggesting an immunometabolic crosstalk. While the availability of certain cholesterol biosynthesis intermediates as well as a direct involvement of SREBP2 seemed rather unlikely to cause hypoxic ISG induction, changes in intracellular cholesterol distribution appeared crucial for the hypoxic induction of chemokine-ISGs. Mechanistically, I found that MyD88-dependent toll-like receptor 4 (TLR4) signaling contributes to enhanced hypoxic ISG induction, likely sensitized by changes in cholesterol dynamics. Importantly, hypoxia amplified induction of chemokine-ISGs in monocytes upon treatment with severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2 (SARS-CoV-2) spike protein via TLR4 similarly as after addition of infectious virus, which might contribute to systemic inflammation in hypoxemic patients with severe coronavirus disease-2019 (COVID-19).
Taken together, I comprehensively analyzed RNA dynamics in hypoxic monocytes. Specifically, I identified RNA stability as a modulating mechanism to limit production of mitochondria under oxygen-restricted conditions. Moreover, I characterized the immunometabolic crosstalk between disturbed cholesterol homeostasis and spontaneous induction of interferon (IFN)-signaling in hypoxic monocytes, which might contribute to systemic inflammation in severe cases of COVID-19.
Die Pathophysiologie der Bandscheibendegeneration (intervertebral disc degeneration, IVDD) und ihre molekularen Mechanismen sind noch in weiten Teilen unverstanden. Ihre Ursachen und Risikofaktoren sind vielfältig und schließen unter anderem Alter, Geschlecht, Umwelteinflüsse oder mechanische Belastungen mit ein.
Für das der Bandscheibe eng verwandte Knorpelgewebe wurde in aktuellen Studien der Einfluss des Sympathikus bzw. dessen Neurotransmitters Noradrenalin (NE) via adrenerger Rezeptoren (AR) auf die Zellproliferation, die Expression von Molekülen der extrazellulären Matrix und somit auch auf die Degeneration beschrieben. In Bandscheiben wurde bereits das Vorhandensein von sympathischen Nervenendigungen nachgewiesen, allerdings wurde die Expression der Adrenozeptoren hier noch nie untersucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war also die Analyse der ARs im Gewebe der Bandscheibe und die Evaluation der Korrelation mit der Bandscheibendegeneration.
Das für die Analyse benötigte Gewebe stammt von Patienten, bei welchen eine Wirbelkörperverblockung (Spondylodese) durchgeführt wurde. Im Rahmen dieser Spondylodese wird das Bandscheibengewebe des betroffenen Segmentes entfernt. Der Degenerationsgrad der anonymisierten Proben wurde prä- und intraoperativ bestimmt und im entnommenen Gewebe sowie in isolierten Zellen die Expression aller bekannten ARs mittels reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) untersucht. Zum Nachweis der ARs auf Proteinebene wurden einzelne humane Proben auch immunhistochemisch analysiert. Des Weiteren wurde anhand von Wildtyp- und sogenannten SM/J-Mäusen, die eine spontane IVDD entwickeln, die Proteinexpression der ARs und der extrazellulären Matrix (ECM) von gesunden und geschädigten Bandscheiben an histologischen Schnitten verglichen. Schließlich wurde an isolierten und kultivierten humanen Zellen ein Stimulationsversuch mit Noradrenalin durchgeführt, um zu prüfen, ob es nach Aktivierung der ARs zu einer intrazellulären Signalweiterleitung kommt.
In Nativgewebe der humanen Bandscheibe konnte die messenger Ribonukleinsäure (mRNA) von α1a-, α1b-, α2a-, α2b-, α2c-, β1- und β2-ARs nachgewiesen werden. Nach siebentägiger Zellkultur im Monolayer präsentierte sich ein nur dezent abweichendes Genexpressionsmuster. Auf Proteinebene war das Signal des β2-AR nur im Bereich des Annulus fibrosus (AF) detektierbar jedoch nicht im Nucleus pulposus (NP). Selbiges war auch in murinen Schnitten festzustellen, wobei sich bei Wildtype (WT)-Mäusen hauptsächlich im inneren AF β2-positive Zellen fanden, während sich das Signal bei der SM/J-Maus weiter in Richtung des äußeren AF und des NP ausdehnte. α2a-AR und α2c-AR waren hingegen auf Proteinebene nicht nachweisbar. Bei der immunhistochemischen Untersuchung relevanter ECM-Moleküle zeigte sich für Kollagen II, Kollagen XII, cartilage oligomeric matrix protein (COMP) und Decorin (DCN) eine Verteilung, die mit der des β2-AR-Signals korreliert. Der Stimulationsversuch in humaner Zellkultur ergab eine Aktivierung der für die ARs relevanten Proteinkinase A (PKA)- und extracellular signal–regulated kinases (ERK1/2) -Signalwege.
In der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal die Existenz und Funktionalität von Adrenozeptoren im Bandscheibengewebe nachgewiesen werden. Unterschiede in der Expression der ARs, kombiniert mit Veränderungen der ECM-Zusammensetzung könnten ein Hinweis auf den Einfluss des Sympathikus bei IVDD sein. Die aktuelle demographische Entwicklung und die sich hieraus ergebende gesundheitsökonomische Belastung machen die Ergründung molekularer Mechanismen der IVDD und die daraus resultierende Entwicklung innovativer Behandlungsmethoden zu Kardinalfragen moderner orthopädischer Grundlagenforschung.
Krebs ist und wird voraussichtlich auch in näherer Zukunft eine der häufigsten Todesursachen weltweit bleiben. Trotz vielversprechenden Fortschritten in Therapeutik und Diagnostik bedarf es noch weiterer Forschung, um die vielfältigen molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, welche dem Verlauf von malignen Tumorerkrankungen bestimmen und zu beeinflussen vermögen. Das RNA-Bindeprotein Hu antigen R (HuR) reguliert Genexpression auf posttranskriptioneller Ebene, indem es durch Bindung an Ziel mRNAs Einfluss auf deren Abbau, Lokalisation oder Translationseffizienz nimmt. Darüber hinaus zeigte sich in den letzten Jahren, dass HuR diese Prozesse auch indirekt durch Interaktion mit regulatorischen RNAs beeinflusst. In Krebszellen lässt sich häufig eine erhöhte Aktivität von HuR beobachten, welche in Verbindung mit verschiedenen tumorigenen Prozessen gebracht wird. Unter anderem trägt HuR zur Deregulation des Zellzyklus bei, indem es die Expression der Cycline A2, B1, D1 und E1 erhöht. Weiterhin unterstützt HuR das Tumorwachstum durch Regulation von proangiogenen Faktoren wie VEGF, IL8 und COX2. Da HuR generell eine prominente Rolle bei der Regulation von Immunantworten, sowohl in Immunzellen selbst als auch in solidem Gewebe einnimmt, wurde HuR in der Vergangenheit häufig auch mit der Ausbildung des inflammatorischen Tumormikromilieus in Verbindung gebracht, jedoch ist die Datenlage in dieser Hinsicht bis heute uneindeutig. Obwohl eine Großzahl an Zytokinen und inflammatorischen Faktoren prinzipiell als HuR Zielgene beschrieben sind, gibt es nur für die wenigsten dieser Proteine entsprechende Untersuchungen in Tumorzellen.
Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von HuR in Tumoren auf die Rekrutierung von Makrophagen zu evaluieren. Hierfür bot sich als in vitro Modell die Brustkrebszelllinie MCF-7 an, da diese unter entsprechenden Kultivierungsbedingungen dreidimensionale Sphäroide bildet. Solch ein Sphäroidmodell bietet sich als Kompromiss zwischen der klassischen zweidimensionalen Zellkultur an, welche zwar höchst artifiziell, jedoch leicht zu handhaben und zu kontrollieren ist, und den physiologischeren, aber gleichzeitig experimentell unzugänglicheren und speziesfremden Tiermodellen. Mittels lentiviraler Transduktion wurde ein small hairpin RNA (shRNA) vermittelter stabiler Knockdown von HuR in MCF-7 erzielt, welcher zu vermindertem Zellwachstum führte, jedoch keinen weiteren Einfluss auf die Bildung von Sphäroiden hatte. Um die initiale Suche nach HuR-regulierten, potenziell relevanten Faktoren möglichst breit und unvoreingenommen zu halten, wurde die Expression von 174 Zytokinen in Wildtyp- und HuR-knockdown Sphäroiden mittels eines Protein Arrays untersucht. Überraschenderweise zeigte der Großteil der veränderten Proteins einen negativen Zusammenhang mit HuR, welches eigentlich eher als positiv regulierendes Protein beschrieben ist. Bemerkenswerterweise befand sich unter den mit am stärksten regulierten Faktoren das Chemokin CCL5 (auch RANTES genannt), welches einerseits als einer der beiden zentralen Faktoren für die Makrophageninfiltration in Brustkrebs gilt, andererseits bisher noch nicht in Verbindung mit HuR gebracht wurde.
Im Folgenden untersuchte ich zuerst den mechanistischen Hintergrund dieser Regulation. Da diese sich auch in adhärenten Zellrasen zeigte, wechselte ich für die entsprechenden Experimente zu zweidimensionaler Zellkultur. Eine negative regulatorische Funktion von HuR wird meist in Verbindung mit verminderter Translation von Zielfaktoren gebracht. Da die mRNA Level von CCL5 dem Effekt auf Proteinebene entsprachen, konnten entsprechende Mechanismen als Grund für die veränderten CCL5 Level ausgeschlossen werden. Desweiteren blieb die mRNA Stabilität ungeachtet der HuR Level konstant; dabei zeigte sich zudem, dass mRNA Abbau generell keinen relevanten Einfluss auf die Expression von CCL5 in MCF-7 hatte. Da diese Ergebnisse auf eine transkriptionelle Regulation hindeuteten, untersuchte ich im Folgenden den Einfluss von HuR auf die Promoteraktivität von CCL5. Hierfür isolierte ich zunächst die CCL5-Promoterregion aus genomischer DNA von MCF-7 Zellen und inserierte diese dann in einen zuvor promoterlosen Luciferase-Expressionsvektor. In den folgenden Reporteranalysen zeigte sich, dass HuR tatsächlich einen negativen Einfluss auf die Promoteraktivität von CCL5 ausübt. Durch sukzessive Verkürzung ließ sich der entscheidende DNA-Bereich auf die letzten 140 Nukleotide vor dem Transkriptionsstartpunkt eingrenzen. Dieser Bereich enthält vier prominente und sehr gut charakterisierte regulatorische Abschnitte: zwei benachbarte NF-κB Bindestellen sowie je ein Interferon-stimulated Response Element (ISRE) und ein C/EBPβ Erkennungsmotiv. Während das C/EBP Element keine funktionelle Relevanz in den Reporteranalysen hatte, reduzierte sich durch Deletion sowohl der ISRE als auch der NF-κB Elemente die Promoteraktivität um mehr als 50%, allerdings nur im ISRE-Deletionskonstrukt unter Nivellierung des HuR-abhängigen Unterschiedes. Somit ließ sich der Einfluss von HuR auf die CCL5 Promoteraktivität vollständig und ausschließlich auf das ISRE zurückführen. Im Gegensatz zu dem in Tumorzellen häufig basal überaktiven NF-κB Signalweg sind die kanonischen, ISRE-assoziierten Typ I Interferon Signalkaskaden und ihre vermittelnden Transkriptionsfaktoren, die sogenannten Interferon Regulatory Factors (IRFs) nicht konstitutiv überaktiviert. Eine Sonderstellung nehmen dabei die Faktoren IRF1 und IRF2 ein, da sie, für Proteine abseits der Stimulus-getriebenen ISRE-Interferon Achse, auch als konstitutive Transkriptionsfaktoren beschrieben sind, wobei IRF2 in diesem Kontext als IRF1-Antagonist und somit Transkriptionsrepressor fungiert. Überraschenderweise ließ sich mittels Chromatin Immunopräzipitation eine Assoziation von IRF1 mit dem CCL5 Promoter nur in Wildtyp-, jedoch nicht in HuR-knockdown Zellen nachweisen. Im Gegensatz dazu ergaben mRNA Expressionsanalysen der Tumor-relevanten IRFs, dass die CCL5 Induktion in HuR-depletierten Zellen mit einer allgemeinen, jedoch niedrigschwelligen Erhöhung von Typ I Interferon-assoziierten Signalen einhergeht. Interessanterweise korrelierte Interferon β zwar mit CCL5 auf mRNA Ebene, jedoch hatte eine Blockade des Interferon-α/β Rezeptors in HuR-depletierten Zellen keinen akuten Effekt auf CCL5. Umgekehrt zeigte sich auch keine erhöhten CCL5 Level in Wildtypzellen unter Kokultur mit HuR-knockdown Zellen, wie es bei parakriner Induktion durch Interferon β zu erwarten wäre. Ebenso konnte alternatives ISRE Signaling durch einen Komplex aus unphosphoryliertem Stat1 und IRF9, wie es in vitro unter länger anhaltender Niedriglevel Exposition mit Interferon β beobachtet wurde, ausgeschlossen werden. Um sicher zu stellen, dass diese Erhöhung kein sequenzabhängiges off-target Artefakt ist, wie es in der Vergangenheit für einzelne small hairpin RNAs (shRNAs) beobachtet wurde, wurde eine entsprechende Aktivierung von IRF3 und damit des IRF3/IRF7 Aktivierungsweges untersucht und ausgeschlossen. Zusätzlich konnte durch Tests unterschiedlicher shRNA Sequenzen sowie Zellsysteme demonstriert werden, dass die CCL5 Aktivierung tatsächlich ein spezifischer und in einer größeren Bandbreite an Krebszelllinien unterschiedlicher Herkunft, darunter Brust- und Lungenkarzinom, Glioblastom- sowie Melanom- Zelllinien, reproduzierbarer Effekt von HuR-Defizienz ist.
Da CCL5 als eines der zentralen Chemokine bei der Rekrutierung von Monozyten/Makrophagen in Tumore beschrieben ist, stellte sich die Frage, ob HuR mit diesem Vorgang in Verbindung zu bringen ist. Brusttumore weisen oft eine hohe Zahl von Tumor-assoziierten Makrophagen auf, welche von eingewanderten Blutmonozyten abstammen. Ein Einfluss von HuR auf diesen Vorgang in vitro konnte mittels einer Kokultur von Sphäroiden mit zuvor frisch aus Humanblut isolierten Primärmonozyten nachgewiesen werden. Hierbei wiesen HuR-knockdown Sphäroide trotz ihres geringeren Durchmessers eine erhöhte Anzahl von Monozyten/Makrophagen auf. Da sich in diesen Zellen weder Proliferation noch relevante Apoptose zeigte, ließ sich die erhöhte Anzahl auf verstärkte Einwanderung in das Sphäroid zurückführen. Hierbei erwies sich der direkte Zellkontakt zwischen Monozyten und Tumorzellen als erforderlich, da Monozyten keine unterschiedliche Chemotaxis gegenüber entsprechenden Sphäroidüberständen zeigten. Dass die erhöhte Infiltration in HuR-defizienten Sphäroiden tatsächlich auf CCL5 zurückzuführen ist, konnte in Kokulturexperimenten durch Inhibierung von CCL5 gezeigt werden. Unterstütztend wurde ein Zusammenhang zwischen HuR, CCL5 und Tumor assoziierten Makrophagen in silico unter Zuhilfenahme des TCGA Datensets für Estrogenrezeptor-positive Brusttumore untersucht. Im Einklang mit meinen Ergebnissen zeigte sich eine negative Korrelation zwischen HuR und CCL5. Außerdem ließ sich ein negativer Zusammenhang zwischen HuR und einer Makrophagensignatur feststellen, während CCL5 wie erwartet mit dieser Signatur positiv korrelierte.
Zusammenfassend zeigte sich in dieser Arbeit, dass HuR eine Rolle bei der zellulären Zusammensetzung des inflammatorischen Tumor-Mikromilieus spielt. Der Verlust von HuR in Tumorzellen führte zu einer erhöhten Expression des Chemokins CCL5. Dies ließ sich in Brust- und Lungenkarzinom-, Glioblastom- sowie Melanom- Zelllinien beobachten. In Brustkrebszellen zeigte sich, dass diese Regulation auf verstärkte Transkription, vermittelt durch ein ISRE innerhalb des CCL5 Promoters, zurückzuführen ist. Funktionell konnte die erhöhte CCL5 Produktion in HuR-defizienten Tumorsphäroiden in Verbindung mit verstärkter Infiltration von Monozyten/Makrophagen gebracht werden. Unterstützend zeigte sich auch bei einer in silico Analyse von Estrogenrezeptor-positiven Brusttumoren eine negative Korrelation zwischen HuR und CCL5, was mit einer entsprechend veränderten Makrophagensignatur einherging. Im Hinblick auf derzeit diskutierte Ansätze, das Wachstum von Tumoren mittels HuR Blockade zu inhibieren, sind meine Ergebnisse potenziell von therapeutischer Relevanz. Basierend auf meiner Arbeit sollte dabei in zukünftigen Studien näher untersucht werden, wie sich Inhibierung von HuR in Tumoren auf die Zusammensetzung und Funktion des Tumormikromilieus auswirkt und daraus resultierende Effekte auf das Tumorwachstum in Relation zu der allgemein wachstumsfördernden Rolle von HuR in Tumorzellen gesetzt werden.
Tumor-associated macrophages (TAM) are a major supportive component within neoplasms and by their plasticity promote all phases of tumor development. Mechanisms of macrophage (M Phi) attraction and differentiation to a tumor-promoting phenotype, defined among others by distinct cytokine patterns such as pronounced immunosuppressive interleukin 10 (IL-10) production, are largely unknown. However, a high apoptosis index within tumors and strong M Phi infiltration correlate with poor prognosis. Thus, I aimed at identifying signaling pathways contributing to generation of TAM-like M Phi by using supernatant of apoptotic cancer cells (ACM) as stimulus.
To distinguish novel factors involved in generating TAM-like M Phi, I used an adenoviral RNAi-based approach. The primary read-out was production of IL-10. However, mediators modulating IL-10 were re-validated for their impact on regulation of the cytokines IL-6, IL-8 and IL-12. Following assay development, optimization and down-scaling to a 384-well format, primary human M Phi were transduced with 8495 constructs of the adenoviral shRNA SilenceSelect® library of Galapagos BV, followed by activation to a TAM-like phenotype using ACM. I identified 96 genes involved in IL-10 production in response to ACM and observed a pronounced cluster of 22 targets regulating IL-10 and IL-6. Principal validation of five targets of the IL-10/IL-6 cluster was performed using siRNA or pharmacological inhibitors. Among those, IL-4 receptor-alpha and cannabinoid receptor 2 were confirmed as regulators of IL-10 and IL-6 secretion.
One protein identified in the screen, the nerve growth factor (NGF) receptor TRKA was chosen for in-depth validation, based on its involvement in IL-10, IL-6 and IL-12 secretion from ACM-stimulated human M Phi. TRKA possesses a cardinal role in neuronal development, but compelling evidence emerges suggesting participation of TRKA in cancer development. First experiments using pharmacological inhibitors principally confirmed the involvement of TRKA in IL-10 secretion by ACM-stimulated M Phi and revealed PI3K/AKT and to a lesser extend MAPK p38 as important signaling molecules downstream of TRKA activation. Signaling through TRKA required the presence of its ligand NGF, as indicated by NGF neutralization experiments. NGF was not induced by or present in ACM, but was constitutively secreted by M Phi. Interestingly, M Phi responded to authentic NGF with neither AKT and p38 phosphorylation nor IL-10 production. TRKA is well known to be transactivated by other receptors and in neurons its cellular localization is decisive for its function. Inhibitors of common transactivation partners did not influence IL-10 production by human M Phi. Rather, ACM-treatment provoked pronounced translocation of TRKA to the plasma membrane within 10 minutes as observed by immunofluorescence staining. Consequently, I was intrigued to clarify mechanisms of TRKA trafficking in response to ACM.
The bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P) has been previously identified as important apoptotic cell-derived mediator involved in TAM-like M Phi polarization. Indeed, I observed S1P and src kinase involvement in ACM-mediated IL-10 induction. Furthermore, inhibition of S1P receptor (S1PR) signaling or src kinase activity prevented TRKA translocation, whereas a TRKA inhibitor or anti-NGF did not block TRKA trafficking to the plasma membrane in response to ACM. Thus, autocrine secreted NGF activated TRKA to promote IL-10 secretion, which required previous S1PR/src-dependent translocation of TRKA to the plasma membrane. Following the detailed analysis of IL-10 regulation, I was interested whether other TAM phenotype markers were influenced by ACM and whether their expression was regulated through TRKA-dependent signaling. Five of six markers were up-regulated on mRNA level by ACM, and secretion of IL-6, IL-8 and TNF-alpha was triggered. S1PR-signaling was essential for induction of all but one marker, whereas TRKA signaling was only required for cytokine secretion. Interestingly, none of the investigated TAM markers was regulated identically to IL-10, emphasizing a tight and exclusive regulation machinery of this potent immunosuppressive cytokine.
Finally, I aimed to validate the in vitro findings in human ACM-stimulated M Phi. Therefore, I isolated murine TAM as well as other major mononuclear phagocyte populations from primary oncogene-induced breast cancer tissue. Indeed, TRKA-dependent signaling was required for spontaneous cytokine production selectively by primary murine TAM. Besides IL-10, the TRKA pathway was decisive for secretion of IL-6, TNF-alpha and monocyte chemotactic protein-1, indicating its relevance in cancer-associated inflammation.
In summary, my findings highlight a fine-tuned regulatory system of S1P-dependent TRKA trafficking and autocrine NGF signaling in TAM biology. Both factors, S1P as well as NGF, might be interesting targets for future cancer therapy.
Prostaglandin D2 (PGD2) is involved in a variety of physiological and pathophysiological processes, but its role in fever is poorly understood and the data obtained so far are rather controversial. Here we investigated the effects of central PGD2 delivery and of systemic prostaglandin D synthase (PGDS) or cyclooxygenase (COX) inhibition on core body temperature (TC) and on prostaglandin levels in the cerebrospinal fluid (CSF) of rats. Both PGE2 and PGD2 were detectable in CSF samples from control rats (6.2 ± 1.1 and 17.3 ± 3.1 pg/ml, respectively). Lipopolysaccharide (LPS) injection (50 μg i.p.) induced fever during the 5-hour observation period. Five hours after LPS injection, the levels of PGE2 and PGD2 were increased in the CSF about 90-fold (541.0 ± 47.5 pg/ml) and 5-fold (95.4 ± 23.1 pg/ml), respectively. Administration of PGD2 (50 - 500 ng) into the cisterna magna (i.c.m) evoked a delayed fever response in a dose-dependent manner that was accompanied by increased levels of PGE2 in the CSF. RT-PCR analyses revealed that the increased levels of PGE2 after PGD2 administration were not caused by up-regulation of COX-2 or microsomal prostaglandin E synthase 1 (mPGES-1) in the hypothalamus. Interestingly, i.c.m. pretreatment of animals with PGD2 considerably sustained the pyrogenic effects of i.c.m. administered PGE2. Pretreatment with a novel PGDS inhibitor, EDJ300520 (10 – 40 mg/kg p.o.), 1 h prior to the LPS injection impaired the LPS-induced increase of both PGD2 and PGE2 in the CSF and inhibited the fever response. In contrast, administration of EDJ300520 3 h after LPS injection did not ameliorate the LPS-induced fever. Accordingly, the concentration of PGE2 in the CSF was not decreased after EDJ300520 treatment. However, the CSF levels of PGD2 were reduced after administration of a high dose of EDJ300520 (40 mg/kg). We also investigated the effects of antipyretic drugs on the CSF levels of PGE2 and PGD2 during LPS-induced fever. Four antipyretic drugs with different mechanisms of action were used, including ibuprofen (5 - 20 mg/kg), celecoxib (10 - 50 mg/kg), SC560 5 - 20 mg/kg), and paracetamol (50 - 150 mg/kg). Each drug was used in three different doses and was orally administered 3 h after the LPS injection. All drugs were capable to attenuate the LPS-induced fever. The decrease of TC paralleled the reduction of PGE2 levels in the CSF. Of note, there was a tendency to reduced PGD2 levels in the CSF after treatment with the antipyretic drugs. However, only SC560 and the high dose of celecoxib (50 mg/kg) reduced the PGD2 levels significantly. In summary, our experiments underscore the pivotal role of PGE2 as the principal downstream mediator of fever. Moreover, we demonstrate that PGD2 is also involved in the mechanisms underlying fever. Our data suggest that PGD2 exerts an indirect pyrogenic effect by modulating the availability of PGE2 in the CSF. Additional studies are needed to explore the exact mechanism by