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Signaling via the intrinsic (mitochondrial) pathway of apoptosis represents one of the critical signal transduction cascades that control the regulation of cell death. This pathway is typically altered in human cancers, thereby providing a suitable target for therapeutic intervention. Members of the Bcl-2 family of proteins as well as cell survival signaling cascades such as the PI3K/Akt/mTOR pathway are involved in the regulation of mitochondria-mediated apoptosis. Therefore, further insights into the molecular mechanisms that form the basis for the control of mitochondria-mediated apoptosis will likely open new perspectives to bypass evasion of apoptosis and treatment resistance in human cancers.
Ubiquitylation in immune disorders and cancer: from molecular mechanisms to therapeutic implications
(2012)
Conjugation of ubiquitin to proteins (ubiquitylation) has emerged to be one of the most crucial post-translational modifications controlling virtually all cellular processes. What was once regarded as a mere signal for protein degradation has turned out to be a major regulator of molecular signalling networks. Deregulation of ubiquitin signalling is closely associated with various human pathologies. Here, we summarize the current knowledge of ubiquitin signalling in immune deficiencies and cancer as well as the available therapeutic strategies targeting the ubiquitin system in combating these pathogenic conditions.
EFP1 is an ER stress-induced glycoprotein which interacts with the pro-apoptotic protein Par-4
(2009)
We have isolated the rat ortholog of EFP1 (EF-hand binding protein 1) as a novel interaction partner of the pro-apoptotic protein Par-4 (prostate apoptosis response-4). Rat EFP1 contains two thioredoxin domains, the COOH-terminal one harboring a CGFC motif, and has a similar protein domain structure as members of the protein disulfide isomerase (PDI) family. In REF52.2 and CHO cells, EFP1 colocalized with the endoplasmic reticulum (ER) marker PDI. Furthermore, EFP1 possesses catalytic activity as demonstrated by an insulin disulfide reduction assay. Western blot analysis revealed two EFP1 protein bands of approximately 136 and 155 kDa, representing different glycosylation states of the protein. Complex formation between EFP1 and Par-4 was confirmed in vitro and in vivo by co-immunoprecipitation, dot blot overlay and pull-down experiments. In CHO cells, coexpression of EFP1 and Par-4 resulted in enhanced Par-4-mediated apoptosis, which required the catalytic activity of EFP1. Interestingly, EFP1 was specifically upregulated in NIH3T3 cells after induction of ER stress by thapsigargin, tunicamycin, and brefeldin A, but not by agents that induce oxidative stress or ER-independent apoptosis. Furthermore, we could show that the induction of apoptosis by Ca2+ stress-inducing agents was significantly decreased after siRNA oligonucleotide-mediated knockdown of Par-4. Our data suggest that EFP1 might represent a cell-protective enzyme that could play an important role in the decision between survival and initiation of Par-4-mediated apoptosis.
Betulinic acid is a natural product with a range of biological effects, for example potent antitumor activity. This anticancer property is linked to its ability to induce apoptotic cell death in cancer cells by triggering the mitochondrial pathway of apoptosis. In contrast to the cytotoxicity of betulinic acid against a variety of cancer types, normal cells and tissue are relatively resistant to betulinic acid, pointing to a therapeutic window. Compounds that exert a direct action on mitochondria present promising experimental cancer therapeutics, since they may trigger cell death under circumstances in which standard chemotherapeutics fail. Thus, mitochondrion-targeted agents such as betulinic acid hold great promise as a novel therapeutic strategy in the treatment of human cancers.
Keywords: apoptosis, cancer, betulinic acid, mitochondria
Keywords: AIF, apoptosis inducing factor; Apaf-1, Apoptotic protease activating factor-1; BA, betulinic acid; DIABLO, direct IAP Binding protein with Low PI; HtrA2, high temperature requirement protein A; IAPs, Inhibitor of Apoptosis Proteins; MOMP, mitochondrial outer membrane permeabilization; ROS, reactive oxygen species; PARP, Poly (ADP-ribose) Polymerase; Smac, second mitochondria-derived activator of caspase; TNF, tumor necrosis factor; TRAIL, tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand; zVAD.fmk, N-benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp-fluoromethylketone
The ability to escape apoptosis or programmed cell death is a hallmark of human cancers, for example pancreatic cancer. This can promote tumorigenesis, since too little cell death by apoptosis disturbs tissue homeostasis. Additionally, defective apoptosis signaling is the underlying cause of failure to respond to current treatment approaches, since therapy-mediated antitumor activity requires the intactness of apoptosis signaling pathways in cancer cells. Thus, the elucidation of defects in the regulation of apoptosis in pancreatic carcinoma can result in the identification of novel targets for therapeutic interference and for exploitation for cancer drug discovery. Keywords: apoptosis; pancreatic cancer; TRAIL; IAPs; mitochondria
Novel insights into the synergistic interaction of Bortezomib and TRAIL: tBid provides the link
(2011)
The proteasome inhibitor Bortezomib has been identified as a potent enhancer of TRAIL-induced apoptosis in several human cancers. However, the identification of the underlying molecular mechanisms of this synergistic cell death induction has been ongoing over the last years. A recent study identifies a new mechanism of action for the synergism of TRAIL and Bortezomib.
Leukotrienes constitute a group of bioactive lipids generated by the 5-lipoxygenase (5-LO) pathway. An increasing body of evidence supports an acute role for 5-LO products already during the earliest stages of pancreatic, prostate, and colorectal carcinogenesis. Several pieces of experimental data form the basis for this hypothesis and suggest a correlation between 5-LO expression and tumor cell viability. First, several independent studies documented an overexpression of 5-LO in primary tumor cells as well as in established cancer cell lines. Second, addition of 5-LO products to cultured tumor cells also led to increased cell proliferation and activation of anti-apoptotic signaling pathways. 5-LO antisense technology approaches demonstrated impaired tumor cell growth due to reduction of 5-LO expression. Lastly, pharmacological inhibition of 5-LO potently suppressed tumor cell growth by inducing cell cycle arrest and triggering cell death via the intrinsic apoptotic pathway. However, the documented strong cytotoxic off-target effects of 5-LO inhibitors, in combination with the relatively high concentrations of 5-LO products needed to achieve mitogenic effects in cell culture assays, raise concern over the assignment of the cause, and question the relationship between 5-LO products and tumorigenesis. Keywords: leukotriene, apoptosis, cell proliferation, mitogenic effects, cytotoxicity
Der ubiquitäre Redoxregulator Thioredoxin-1 (Trx-1) hat wichtige Funktionen für den zellulären Redoxstatus, Zellwachstum und Apoptose. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind beteiligt an der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen wie der Atherosklerose und werden zunehmend in ihrer Rolle als intra- und extrazelluläre Signalmoleküle charakterisiert. Ein Ungleichgewicht zwischen der Entstehung von ROS und ihrem Abbau durch antioxidative Systeme führt zu oxidativem Stress, zur Oxidation von Proteinen und letztlich zum Zelltod. Daher wurde in dieser Doktorarbeit untersucht, wie reaktive Sauerstoffspezies Trx-1 in Endothelzellen regulieren, welchen Einfluss dies für die Endothelzellapoptose hat und welche Bedeutung Antioxidantien, Stickstoffmonoxid (NO) und Schubspannung haben. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass H2O2 konzentrationsabhängig die Expression von Trx-1 beeinflusst. Geringe Konzentrationen H2O2 wie 10 und 50 µM induzierten Trx-1-mRNA nach 3 Stunden. Auf Proteinebene fand sich dann nach 6 Stunden eine transiente Hochregulation von Trx-1. Diese geringen Konzentrationen von H2O2 wirkten antiapoptotisch. Dieser antiapoptotische Effekt war von der Trx-1 Proteinexpression abhängig. Im Gegensatz dazu kam es bei hohen Konzentrationen H2O2 zu einer Degradierung von Trx-1. Durch das Antioxidans NAC und NO konnte der Abbau von Trx-1 unter höheren H2O2-Konzentrationen verhindert werden. Untersuchungen zum Mechanismus des Degradierungsprozesses ergaben, dass Trx-1 durch die Aspartatprotease Cathepsin D abgebaut wird. Der protektive Effekt von NO auf die Trx-1 Expression konnte auch im Gewebe eNOS-defizienter Mäuse gezeigt werden, da bereits eNOS-defiziente Mäuse in den Nieren weniger Trx-1 Protein aufwiesen im Vergleich zu Wildtyp-Kontrollmäusen. Bei der Entstehung endothelialer Läsionen und der Stabilität atheromatöser Plaques spielt die Endothelzellapoptose vermutlich eine wichtige Rolle. Trx-1 schützt Endothelzellen vor Apoptose, wird jedoch unter oxidativem Stress abgebaut. Faktoren, die Trx-1 unter oxidativem Stress stabilisieren wie NAC und NO, kommt daher eine besondere Bedeutung für die Endothelzellhomöostase zu.
Atherosklerotische Stenosen der Karotiden sind eine häufige Erkrankung mit variablem Verlauf und stellen durch ihre potentielle Emboligenität einen wichtigen Risikofaktor für zerebrale Ischämien dar. Klinische und paraklinische Parameter helfen, das individuelle Schlaganfallrisiko bei Patienten mit hochgradigen ACI-Stenosen einzuschätzen, das unmittelbar nach einem thrombembolischen Ereignis besonders hoch ist. Als histomorphologisches Korrelat dieser "Vulnerabilität" wird die Ruptur der fibrotischen Deckplatte der Plaque propagiert, die häufiger bei symptomatischen Patienten nachzuweisen ist. Sie korreliert mit der Infiltration der Gefäßwand durch aktivierte Leukozyten, die über molekulare und zelluläre Interaktionen die Zell- und Bindegewebskomposition der Plaque verändern können. Die strukturelle Integrität atherosklerotischer Läsionen beruht auf der extrazellulären Vernetzung von kollagenem Bindegewebe, das überwiegend von phänotypisch veränderten glatten Gefäßmuskelzellen produziert wird. Eine Hypothese besagt, dass die im Rahmen der Inflammation stattfindende Zunahme proapoptotischer Mediatoren über eine Ausdünnung der zellulären und bindegewebigen Strukturen zu einem Verlust an mechanischer Stabilität führt und somit eine symptomatische Ruptur begünstigt. Da der Nachweis einer Ruptur mit Exponierung des thrombogenen nekrotischen Kerns allerdings nur in einem Teil der symptomatischen Plaques und umgekehrt auch in einem Teil der asymptomatischen nachgewiesen werden kann, ist aber bislang unklar, ob o.g. Abläufe in der humanen Karotis-Atherosklerose tatsächlich mit einer klinischen Relevanz einhergehen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Auftreten der Apoptose von glatten Gefäßmuskelzellen (mittels DNA in situ end labeling Technik, TUNEL-Färbung) in 38 prospektiv gesammelten Endarterektomie-Präparaten hochgradiger Karotisstenosen quantitativ erfasst und statistisch in Beziehung gesetzt zu Parametern der Plaque-Instabilität, klinisch definiert durch kürzliche (< 60 Tage zurückliegende) ischämische Ereignisse (n=19) und histopathologisch definiert über den Nachweis einer Plaque-Ruptur (n=14). Außerdem wurde eine morphometrische Analyse der einzelnen Plaque-Komponenten durchgeführt und deren Ergebnisse zu den zellulären und klinischen Parametern in Beziehung gesetzt. Die Morphometrie ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen symptomatischen vs. asymptomatischen und rupturierten vs. unrupturierten Plaques was die Größe der fibrotischen Deckplatte, die durchschnittliche Dicke (Kern-Lumen-Distanz) und die dünnsten bzw. dicksten Stellen der Deckplatte anbelangt. Anzahl und Konzentration apoptotischer glatter Muskelzellen war deutlich (p<0,001) erhöht in symptomatischen, klinisch instabilen, Karotisplaques. Allerdings waren die Apoptose-Raten in Präparaten, die eine Plaque-Ruptur aufwiesen, nicht signifikant erhöht. Darüber hinaus fand sich kein Hinweis darauf, dass erhöhte Apoptose-Raten zu einem quantifizierbaren Verlust glatter Gefäßmuskelzellen in der fibrotischen Deckplatte führen. Auf dem Boden dieser Ergebnisse kann gefolgert werden, dass erhöhten Apoptose-Raten glatter Gefäßmuskelzellen in der humanen Atherosklerose offenbar eine tragende Bedeutung bei der Entwicklung thrombembolischer Ereignisse zukommt. Allerdings wird die Annahme, dass erhöhte Apoptose-Raten über einen Verlust an glatten Gefäßmuskelzellen Einfluss auf die morphometrischen Eigenschaften der fibrotischen Deckplatte atherosklerotischer Karotis-Läsionen nehmen und zu deren Ausdünnung führen durch die vorliegende Untersuchung nicht gestützt. Vielmehr scheint es plausibel, dass die Apoptose glatter Muskelzellen im Rahmen inflammatorischer Prozesse Einfluss auf die Komposition der Karotisplaque nimmt und so über eine Desintegration der zellulären und bindegewebigen Bestandteile zu reduzierter mechanischer Widerstandskraft und Rupturneigung führt.
Die Bedeutung der Apoptose und die zugrundeliegenden Mechanismen in verschiedenen pathophysiologischen Zuständen des Herzens sind noch weitgehend ungeklärt und es bleibt zu zeigen, daß die Apoptose-Signaltransduktion ähnlich reguliert wird, wie aus in vitro-Versuchen bekannt ist. Deshalb wurde die Apoptose in verschiedenen Tiermodellen kardialer Erkrankungen untersucht werden, um Hinweise auf die zugrundeliegende Signal-transduktion, durch Analyse der Proteine Bcl-2 und Bax, der finalen Exekutor-Caspase Caspase-3 oder p53 zu bekommen. Apoptose in der durch Hyperlipidämie induzierten Atherosklerose: In Aorten von 'Froxfield Heritable Hypercholesterolemic'-Kaninchen (genetische Hyperlipidämie) korrelierte die Apoptose von vaskulären glatten Muskelzellen und Makrophagen in fortgeschrittenen fibrösen Plaques mit einem 18-fachen Anstieg des proapoptotischen Bax. In Aorten Cholesterin gefütterter 'New Zealand White'-Kaninchen (0,25% Cholest., 12 Wochen) konnte eine erhöhte Baxexpression in Endothelzellen nachgewiesen werden, ohne daß morphologische Veränderungen zu beobachten waren. Die Apoptose in akut abgestoßenen allogenen Herztransplantaten (Rattenmodell) war von einer erhöhten Bax-Expression und einer totalen, posttranslationalen Degradation des antiapoptotischen Bcl-2 in ein spezifisches Degradationsprodukt durch eine Serinprotease gekennzeichnet. Die Rolle des wichtigen kardiovaskulären Mediators Stickstoffmonoxid (NO) auf die Apoptose wird kontrovers diskutiert. Da in der Zellkultur protektive Effekte von NO gezeigt werden konnten, wurde deren physiologische Relevanz in der durch Ischämie/Reperfusion induzierten Apoptose ex vivo im Langendorff-Rattenherzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß Hemmung der endogenen NO-Synthese mit L-NG-Monomethyl-L-Arginin (LNMMA, 1mM) die Apoptose potenzierte und mit einer Aktivierung der Caspase-3 korrelierte. Bcl-2 und Bax wurden nicht reguliert. Untersuchung der Regulation der Proteinexpression der eNOS (endotheliale NO-Synthase) durch den proinflammatorischen/ proatherogenen Tumor-Nekrose-Faktor-[Alpha] (TNF[Alpha]) in der Endothelzellkultur (HUVEC) gaben Hinweise auf einen, die eNOS schützenden, Interaktionspartner. Zusammenfassend konnte in allen untersuchten Modellen für Herz(-Kreislauf)-Krankheiten Apoptose nachgewiesen werden, die jeweils spezifische Charakteristika zeigt, deren genauere Aufklärung interessante Ziele zukünftiger präventiver und therapeutischer Maßnahmen verspricht. Die Befunde weisen zudem auf antiapoptotische Effekte von NO - insbesondere durch die endotheliale NO-Synthaseaktivität - hin, deren genauere Charakterisierung dazu beitragen könnte, pathophysiologische Zustände der kardiovaskulären Biologie zu erklären.