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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.
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.
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
Apoptosis is deregulated in most, if not all, cancers, including hematological malignancies. Smac mimetics that antagonize Inhibitor of Apoptosis (IAP) proteins have so far largely been investigated in acute myeloid leukemia (AML) cell lines; however, little is yet known on the therapeutic potential of Smac mimetics in primary AML samples. In this study, we therefore investigated the antileukemic activity of the Smac mimetic BV6 in diagnostic samples of 67 adult AML patients and correlated the response to clinical, cytogenetic and molecular markers and gene expression profiles. Treatment with cytarabine (ara-C) was used as a standard chemotherapeutic agent. Interestingly, about half (51%) of primary AML samples are sensitive to BV6 and 21% intermediate responsive, while 28% are resistant. Notably, 69% of ara-C-resistant samples show a good to fair response to BV6. Furthermore, combination treatment with ara-C and BV6 exerts additive effects in most samples. Whole-genome gene expression profiling identifies cell death, TNFR1 and NF-κB signaling among the top pathways that are activated by BV6 in BV6-sensitive, but not in BV6-resistant cases. Furthermore, sensitivity of primary AML blasts to BV6 correlates with significantly elevated expression levels of TNF and lower levels of XIAP in diagnostic samples, as well as with NPM1 mutation. In a large set of primary AML samples, these data provide novel insights into factors regulating Smac mimetic response in AML and have important implications for the development of Smac mimetic-based therapies and related diagnostics in AML.
Evasion of apoptosis, for example, by inhibitor of apoptosis (IAP) proteins, contributes to treatment resistance and poor outcome in acute myeloid leukemia (AML). Here we identify a novel synergistic interaction between the small-molecule second mitochondria-derived activator of caspases (Smac) mimetic BV6, which antagonizes X-linked IAP, cellular IAP (cIAP)1 and cIAP2, and the demethylating agents 5-azacytidine or 5-aza-2′-deoxycytidine (DAC) to induce cell death in AML cells, including apoptosis-resistant cells. Calculation of combination index (CI) confirms that this drug combination is highly synergistic (CI 0.02–0.4). In contrast, BV6 and DAC at equimolar concentrations do not cause synergistic toxicity against normal peripheral blood lymphocytes, pointing to some tumor cell selectivity. Molecular studies reveal that BV6 and DAC cooperate to trigger the activation of caspases, mitochondrial perturbations and DNA fragmentation, consistent with apoptotic cell death. However, the broad-range caspase inhibitor N-benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp-fluoromethylketone (zVAD.fmk) fails to protect against BV6/DAC-induced cell death and even significantly increases the percentage of Annexin-V/propidium iodide double-positive cells. Importantly, BV6/DAC-induced cell death in the presence of zVAD.fmk is significantly reduced by pharmacological inhibition of key components of necroptosis signaling, that is, receptor-interacting protein (RIP) 1 using necrostatin-1 or mixed lineage kinase domain-like protein (MLKL) using necrosulfonamide. This indicates a switch from BV6/DAC-induced cell death from apoptosis to necroptosis upon caspase inhibition. Thus, BV6 cooperates with demethylating agents to induce cell death in AML cells and circumvents apoptosis resistance via a switch to necroptosis as an alternative mode of cell death. The identification of a novel synergism of BV6 and demethylating agents has important implications for the development of new treatment strategies for AML.
In eukaryotes, double-stranded (ds) RNA induces sequence-specific inhibition of gene expression referred to as RNA interference (RNAi). We exploited RNAi to define the role of HER2/neu in the neoplastic proliferation of human breast cancer cells. We transfected SK-BR-3, BT-474, MCF-7, and MDA-MB-468 breast cancer cells with short interfering RNA (siRNA) targeted against human HER2/neu and analyzed the specific inhibition of HER2/neu expression by Northern and Western blots. Transfection with HER2/neu-specific siRNA resulted in a sequence-specific decrease in HER2/neu mRNA and protein levels. Moreover, transfection with HER2/neu siRNA caused cell cycle arrest at G0/G1 in the breast cancer cell lines SKBR-3 and BT-474, consistent with a powerful RNA silencing effect. siRNA treatment resulted in an antiproliferative and apoptotic response in cells overexpressing HER2/neu, but had no influence in cells with almost no expression of HER2/neu proteins like MDA-MB-468 cells. These data indicate that HER2/neu function is essential for the proliferation of HER2/neuoverexpressing breast cancer cells. Our observations suggest that siRNA targeted against human HER2/neu may be valuable tools as anti proliferative agents that display activity against neoplastic cells at very low doses.
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.
Linear Ubiquitin chain Assembly Complex (LUBAC) is an E3 ligase complex that generates linear ubiquitin chains and is important for tumour necrosis factor (TNF) signaling activation. Mice lacking Sharpin, a critical subunit of LUBAC, spontaneously develop inflammatory lesions in the skin and other organs. Here we show that TNF receptor 1 (TNFR1)-associated death domain (TRADD)-dependent TNFR1 signaling in epidermal keratinocytes drives skin inflammation in Sharpin-deficient mice. Epidermis-restricted ablation of Fas-associated protein with death domain (FADD) combined with receptor-interacting protein kinase 3 (RIPK3) deficiency fully prevented skin inflammation, while single RIPK3 deficiency only delayed and partly ameliorated lesion development in Sharpin-deficient mice, showing that inflammation is primarily driven by TRADD- and FADD-dependent keratinocyte apoptosis while necroptosis plays a minor role. At the cellular level, Sharpin deficiency sensitized primary murine keratinocytes, human keratinocytes, and mouse embryonic fibroblasts to TNF-induced apoptosis. Depletion of FADD or TRADD in Sharpin-deficient HaCaT cells suppressed TNF-induced apoptosis, indicating the importance of FADD and TRADD in Sharpin-dependent anti-apoptosis signaling in keratinocytes.
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.