Relevanz der Methioninoxidation aus evolutionärer Sicht und im akuten oxidativen Stressmodell der Alzheimerschen Krankheit

Im Laufe der Evolution müssen Sauerstoff-metabolisierende Organismen eine Reihe von Anpassungen entwickelt haben, um in der zytotoxischen oxidativen Umgebung der sauerstoff-haltigen Erdatmosphäre überleben zu können. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten vergleichenden Analysen mitochondrial kodierter und kern-kodierter Proteome mehrerer hundert Spezies haben ergeben, dass die Evolution eines alternativen genetischen Codes in Mitochondrien eine moderne Adaptation in diesem Sinne war. Viele aerobe Tiere und Pilze dekodieren in Abweichung vom genetischen Standard-Code das Codon AUA als Methionin. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese Spezies dadurch eine massive Akkumulation der sehr leicht oxidierbaren Aminosäure Methionin in ihren Atmungskettenkomplexen erreichen, die generell ein bevorzugtes Ziel reaktiver Sauerstoffspezies sind. Der gewonnene Befund lässt sich widerspruchsfrei nur unter Annahme einer antioxidativen Wirkung dieser Aminosäure erklären, wie sie erstmals 1996 von R. Levine anhand von Oxidationsmessungen in Modellproteinen postuliert worden war. In der vorliegenden Arbeit wird diese Hypothese nun direkt mittels neuartiger Modellsubstanzen in lebenden Zellen bestätigt. Die durchgeführten bioinformatischen Analysen und zellbiologischen Experimente belegen, dass kollektive Proteinveränderungen die Triebkraft für die Evolution abweichender genetischer Codes sein können.rnDie Bedeutung von oxidativem Stress wurde darüber hinaus auch im Referenzrahmen einer akuten oxidativen Schädigung im Einzelorganismus untersucht. Da oxidativer Stress in der Pathogenese altersassoziierter neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimerschen Krankheit prominent involviert zu sein scheint, wurden die Auswirkungungen von Umwelt-induziertem oxidativem Stress auf den histopathologischen Verlauf in einem transgenen Modell der Alzheimerschen Krankheit in vivo untersucht. Dabei wurden transgene Mäuse des Modells APP23 im Rahmen von Fütterungsversuchen einer lebenslangen Defizienz der Antioxidantien Selen oder Vitamin E ausgesetzt. Während die Selenoproteinexpression durch die selendefiziente Diät gewebespezifisch reduziert wurde, ergaben sich keine Anzeichen eines beschleunigten Auftretens pathologischer Marker wie amyloider Plaques oder Neurodegeneration. Es war vielmehr ein unerwarteter Trend hinsichtlich einer geringeren Plaquebelastung in Vitamin E-defizienten Alzheimermäusen zu erkennen. Auch wenn diese Daten aufgrund einer geringen Versuchstiergruppengröße nur mit Vorsicht interpretiert werden dürfen, so scheint doch ein Mangel an essentiellen antioxidativen Nährstoffen die Progression in einem anerkannten Alzheimermodell nicht negativ zu beeinflussen.rn

The role of oxidative stress in C. elegans aging

The free radical theory of aging postulates that aging is caused by damage induced by oxidative stress. Such stress is present when the production of reactive oxygen species (ROS) exceeds the cellular antioxidant capacity. Hydrogen peroxide (H2O2) is one of the most abundant ROS. It is produced as a by-product by several enzymes and acts as second messenger controlling the activity of numerous cellular pathways. To maintain H2O2 levels that are sufficiently high to allow signaling to occur, but low enough to prevent damage of cellular macromolecules, the production and removal of H2O2 must be tightly regulated.rnWhen we investigated the effects of peroxide stress in the nematode C. elegans, we found that exogenous as well as endogenous peroxide stress causes age-related symptoms. We identified 40 target proteins of hydrogen peroxide that contain cysteines that get oxidized upon peroxide stress. Oxidation of redox-sensitive cysteines has been shown to regulate numerous cellular functions and likely contributes to the peroxide-mediated decrease in motility, fertility, growth rate and ATP levels. By monitoring the oxidation status of proteins over the lifespan of C. elegans, we discovered that many of the identified peroxide-sensitive proteins are heavily oxidized at distinct stages in life. As the free radical theory of aging predicts, we found oxidation to be significantly elevated in senescent worms. However, we were also able to identify numerous proteins that were significantly oxidized during the development of C. elegans. To investigate whether a correlation exists between developmental oxidative stress and lifespan, we monitored protein oxidation in long- and short-lived strains. We found that protein oxidation in short-lived C. elegans larvae was significantly increased. Additionally short-lived worms were incapable of recovering from the oxidative stress experienced during development which resulted in the inability to establish reducing conditions for the following reproductive phase. Long-lived C. elegans, on the other hand, did only experience a mild increase in protein oxidation in the developmental phase and were able to recover faster from oxidative stress than wild type worms. rnBecause many proteins that are sensitive to oxidation by H2O2 became oxidized in aging C. elegans, we monitored endogenous hydrogen peroxide concentrations over C. elegans lifespan and discovered that peroxide levels are significantly elevated in development. This suggests that the observed developmental protein oxidation is peroxide-mediated. The early onset of oxidative stress might be a result of increased metabolic activity in C. elegans development but could also represent the requirement of ROS dependent signaling events. Our results indicate that longevity is dependent on the worm’s ability to cope with this early boost of oxidants.rn

Effects of metal-induced oxidative stress on endothelial cells in vitro

Aseptic loosening of metal implants is mainly attributed to the formation of metal degradation products. These include particulate debris and corrosion products, such as metal ions (anodic half-reaction) and ROS (cathodic half-reaction). While numerous clinical studies describe various adverse effects of metal degradation products, detailed knowledge of metal-induced cellular reactions, which might be important for possible therapeutic intervention, is not comprehensive. Since endothelial cells are involved in inflammation and angiogenesis, two processes which are critical for wound healing and integration of metal implants, the effects of different metal alloys and their degradation products on these cells were investigated. Endothelial cells on Ti6Al4V alloy showed signs of oxidative stress, which was similar to the response of endothelial cells to cathodic partial reaction of corrosion induced directly on Ti6Al4V surfaces. Furthermore, oxidative stress on Ti6Al4V alloy reduced the pro-inflammatory stimulation of endothelial cells by TNF-α and LPS. Oxidative stress and other stress-related responses were observed in endothelial cells in contact with Co28Cr6Mo alloy. Importantly, these features could be reduced by coating Co28Cr6Mo with a TiO2 layer, thus favouring the use of such surface modification in the development of medical devices for orthopaedic surgery. The reaction of endothelial cells to Co28Cr6Mo alloy was partially similar to the effects exerted by Co2+, which is known to be released from metal implants. Co2+ also induced ROS formation and DNA damage in endothelial cells. This correlated with p53 and p21 up-regulation, indicating the possibility of cell cycle arrest. Since CoCl2 is used as an hypoxia-mimicking agent, HIF-1α-dependence of cellular responses to Co2+ was studied in comparison to anoxia-induced effects. Although important HIF-1α-dependent genes were identified, a more detailed analysis of microarray data will be required to provide additional information about the mechanisms of Co2+ action. All these reactions of endothelial cells to metal degradation products might play their role in the complex processes taking place in the body following metal device implantation. In the worst case this can lead to aseptic loosening of the implant and requirement for revision surgery. Knowledge of molecular mechanisms of metal-induced responses will hopefully provide the possibility to interfere with undesirable processes at the implant/tissue interface, thus extending the life-time of the implant and the overall success of metal implant applications.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.