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Endothelial dysfunction plays an important role in different pathological conditions, but whether endothelial cell death contributes to the development and progression of certain pathological conditions is rather unclear. Here we found that endothelial cells undergo cell death during pathologies such as LPS-induced sepsis and in models of hindlimb, renal and cardiac ischemia-reperfusion injury. Analyses of mice lacking endothelial key cell death regulators such as TAK1, RIPK3 and Caspase 8 gave us insight in the role of endothelial cell death in these pathological models. For example, increased endothelial necroptosis along with basal inflammation in lungs of TAK1ECKO mice affects susceptibility to LPS-induced sepsis and mortality, which correlated with elevated IFN-gamma and MIP-2 serum levels. Furthermore, we found that inhibition of RIPK3-mediated endothelial necroptosis could reduce the susceptibility of TAK1ECKO mice to LPS-induced sepsis and mortality. In ischemia or ischemia-reperfusion models, inhibition of RIPK3-mediated endothelial necroptosis did not reduce injury in the heart after ischemia, nor did it have any effect on organ function post-injury in the kidney or the heart. Inhibition of necroptosis also did not alter vascularization processes in hindlimb post-ischemia. Taken together, endothelial necroptosis contributes to increased sepsis severity and progression whereas inhibition of endothelial necroptosis can ameliorate susceptibility to sepsis in the absence of endothelial TAK1. Inhibition of endothelial necroptosis however does not play an important role during ischemia or ischemia-reperfusion induced organ injury.
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.
Untersuchung von long non-coding RNA im Entzündungsmodell mit mesenchymalen Stamm-/Stromazellen
(2022)
Entzündungsprozesse sind essentiell zur Abwehr exogener und endogener Pathogene sowie bei der Geweberegeneration. Ihre Dysregulation ist an unzähligen Krankheitsprozessen beteiligt. Die Auslösung einer Entzündung ist besonders gut untersucht bei Toll-like Rezeptoren, die Strukturen von Mikroorganismen erkennen können und durch Signalkaskaden beispielsweise ΝF-κB aktivieren. LncRNAs regulieren die Genexpression und wurden dabei bereits im Rahmen von Entwicklung, Proliferation, Karzinogenese und Entzündung nachgewiesen. ASC sind für die regenerative Medizin aufgrund ihrer einfachen Gewinnung und ihrer Differenzierbarkeit höchst interessant. Zudem haben sie einen Einfluss auf inflammatorische Prozesse. Daher könnte es relevant sein, welche Rolle lncRNAs während Entzündungsprozessen bei ASC spielen. Daraus könnten sich auch potentielle Ansätze für Diagnostik und Therapie entwickeln.
Es wurde ein Entzündungsmodell mit ASC etabliert, welche mit Bakterientoxinen stimuliert wurden. Das Modell wurde mit einem im nephrologischen Labor etablierten Modell mit renalen Epithelzellen hinsichtlich der Entzündungsantwort verglichen. Diese Entzündungsantwort wurde anhand der Zytokinproduktion auf mRNA- und Proteinebene quantifiziert. Anschließend erfolgte eine RNA-Sequenzierung und Vergleich der RNA bei stimulierten und nicht-stimulierten ASC. Die detektierten veränderten lncRNAs wurden mittels qPCR validiert. Zuletzt wurde durch knockdown einer ausgewählten lncRNA versucht, Einfluss auf die Entzündungsprozesse zu nehmen.
Die vorgelegte Arbeit zeigt deutlich, dass ASC eine stärkere Entzündungsantwort als renale Epithelzellen zeigen. Als Mittelweg aus maximaler Entzündungsantwort und realistischen Stimulationsbedingungen wurde eine Stimulation mit 10 ng/ml LPS für 4 h gewählt. Nach der RNA-Sequenzierung zeigte die funktionelle Analyse der veränderten codierenden RNA Hinweise auf Entzündungsprozesse, Zellmigration, Chemotaxis, Differenzierung, Proliferation sowie Alkoholismus, Atherosklerose, Diabetes mellitus und Insulinresistenz. Diese Ergebnisse lassen sich mit dem aktuellen Stand der Forschung in Einklang bringen und legen die Bedeutung von Entzündung und ASC in diesen Bereichen dar. Bei den lncRNAs ergab die Sequenzierung insgesamt 48 expressionsveränderte Transkripte, H19 konnte hierbei erfolgreich validiert werden. Diese lncRNA war im Rahmen der LPS-induzierten Entzündung expressionsvermindert. Aufgrund donorspezifischer Einflussfaktoren auf die Genexpression bei ASC wie Körpergewicht und Morbidität sowie allgemeiner interindividueller Schwankung der Expression von lncRNA sind aber weitere Untersuchungen zur Detektion relevanter lncRNAs erforderlich. Die Transfektionsversuche zeigten Hinweise darauf, dass der H19-knockdown möglicherweise die LPS-vermittelte Entzündungsantwort bei ASC verstärkt.
Zusammenfassend wurde ein Modell zur Untersuchung von lncRNA bei LPS-induzierter Inflammation in ASC etabliert sowie im Rahmen dessen H19 als relevante lncRNA detektiert, die den Ausgangspunkt für weitere Forschung darstellt.
Die MicroRNA-193b (miR-193b) fungiert in Akuter Myeloischer Leukämie (AML) als Tumorsuppressor und als Biomarker zur Prädiktion der Überlebenswahrscheinlichkeit bei erwachsenen sowie kindlichen AML-Patienten. Die Expression der miR-193b ist in allen AML-Entitäten reduziert, mit Ausnahme der Akuten Promyelozyten Leukämie (APL), bei der das Level an miR-193b erhöht ist. APL ist auch die einzige Form der AML, bei der All-Trans-Retinoinsäure (ATRA) leit-liniengerecht und effektiv zur Therapie angewendet wird.
In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass der antileukämische irreversible Inhibitor der Lysin-spezifischen Histon Demethylase 1 (LSD1) GSK-LSD1 die Expression von miR-193b induziert. Dadurch wird in murinen Homebox protein A9 (Hoxa9)/Meis Homebox Protein 1 (Meis1) AML-Zellen zumindest ein Teil der tumorsuppressiven Wirkung von GSK-LSD1 über die Hochregulation von miR-193b vermittelt.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Gültigkeit des potenziellen GSK-LSD1-Wirkmechanismus über die Induktion von miR-193b in humanen Zellen zu untersuchen. Weitere Ziele waren die Erforschung der Rolle der miR-193b bei dem Behandlungseffekt von ATRA in humaner AML und APL sowie die Untersuchung einer potenziell protoonkogenen Eigenschaft der miR-193b in APL. Der methodische Ansatz dieser Arbeit basierte auf einer Senkung bzw. Erhöhung des intrazellulären miR-193b-Levels mittels Locked nucleic acids (LNA) bzw. lentiviraler miR-193b-Überexpression und anschließender Behandlung der Zellen mit den Wirkstoffen. Es wurden Proliferationskurven erstellt und der Differenzierungsgrad durchflusszytometrisch bestimmt. Eine hohe Aufnahmeeffizienz und Effektivität der LNA und des lentiviralen Überexpressionsvektors wurde durchflusszytometrisch und per quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) bestätigt.
Zur Untersuchung der Rolle der miR-193b bei dem Behandlungseffekt von GSK-LSD1 wurden die AML-Linien ML-2 und MOLM-13 sowie die APL-Zelllinie NB-4 mit LNA transfiziert bzw. mit dem Überexpressionsvektor transduziert und mit GSK-LSD1 behandelt. Die Populationen mit reduziertem miR-193b-Level wiesen nach 96 Stunden eine unverändert reduzierte Proliferation und Differenzierung auf. Hingegen zeigten miR-193b-überexprimierende Zellen nach GSK-LSD1-Behandlung einen signifikant stärkeren antiproliferativen Effekt. ML-2 Zellen wiesen zudem eine signifikant gesteigerte Differenzierung auf, gemessen an der Expression des Differenzierungsmarkers CD11b.
Die erhöhten miR-193b-Level in APL-Patienten konnten in der APL-Zelllinie NB-4 mittels qPCR bestätigt werden. NB-4 weist eine über 60-fach höhere miR-193b Expression als ML-2 (AML) auf. Zur Überprüfung einer onkogenen Eigenschaft der miR-193b in APL wurde das zelluläre miR-193b-Level in NB-4-Zellen durch LNA reduziert und anschließend die Proliferationskurve über 12 Tage bestimmt und die Differenzierungsmarker CD11b und CD13 gemessen. Proliferation und Differenzierungsgrad blieben nach Reduktion der miR-193b in NB-4-Zellen unverändert.
Die gleichzeitige Behandlung von NB-4 mit ATRA und miR-193b-LNA zeigte nach 96 Stunden den gleichen antiproliferativen und differenzierungsinduzierenden Effekt wie bei ATRA allein. Auch bei den AML-Zelllinien ML-2 und MOLM-13 wirkte die ATRA-Behandlung bei reduziertem miR-193b-Level unverändert differenzierungsinduzierend und antiproliferativ. Hingegen führte eine ATRA-Behandlung der AML-Zelllinien bei erhöhtem miR-193b-Level zu einer Verstärkung des antiproliferativen Effekts. Bei beiden AML-Zelllinien wurde die Proliferation mehr als doppelt so stark reduziert als bei alleiniger ATRA-Behandlung.
Diese Arbeit konnte zeigen, dass miR-193b kein Protoonkogen in der APL-Zelllinie NB-4 ist. Außerdem weisen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass die Wirkungseffekte von sowohl GSK-LSD1 als auch von ATRA, weder in APL noch in AML, über die Induktion der miR-193b vermittelt werden. Hingegen zeigt sich bei beiden Wirkstoffen in AML-Zellen ein additiver antileukämischer Effekt bei Behandlung mit gleichzeitiger Erhöhung des miR-193b-Levels. Die molekulare Begründung hierfür ist möglicherweise eine gemeinsame Modulation der Mitogen-aktivierten Protein Kinase (MAPK)-Signaltransduktionskaskade und bedarf weiterer Experimente zur Überprüfung dieser Hypothese. Ausblickend stellen die Ergebnisse dieser Arbeit die miR-193b als einen interessanten Kombinationspartner für die Therapie mit GSK-LSD1 oder ATRA, bzw. generell für den MAPK Signalweg beeinflussende Medikamente, dar, sobald eine sichere und effiziente Einschleusung von MicroRNAs in Patienten möglich ist.