Proline dehydrogenase regulates redox state and respiratory metabolism in Trypanosoma Cruzi

Over the past three decades, L-proline has become recognized as an important metabolite for trypanosomatids. It is involved in a number of key processes, including energy metabolism, resistance to oxidative and nutritional stress and osmoregulation. In addition, this amino acid supports critical parasite life cycle processes by acting as an energy source, thus enabling host-cell invasion by the parasite and subsequent parasite differentiation. In this paper, we demonstrate that L-proline is oxidized to Δ(1)-pyrroline-5-carboxylate (P5C) by the enzyme proline dehydrogenase (TcPRODH, E.C. 1.5.99.8) localized in Trypanosoma cruzi mitochondria. When expressed in its active form in Escherichia coli, TcPRODH exhibits a Km of 16.58±1.69 µM and a Vmax of 66±2 nmol/min mg. Furthermore, we demonstrate that TcPRODH is a FAD-dependent dimeric state protein. TcPRODH mRNA and protein expression are strongly upregulated in the intracellular epimastigote, a stage which requires an external supply of proline. In addition, when Saccharomyces cerevisiae null mutants for this gene (PUT1) were complemented with the TcPRODH gene, diminished free intracellular proline levels and an enhanced sensitivity to oxidative stress in comparison to the null mutant were observed, supporting the hypothesis that free proline accumulation constitutes a defense against oxidative imbalance. Finally, we show that proline oxidation increases cytochrome c oxidase activity in mitochondrial vesicles. Overall, these results demonstrate that TcPRODH is involved in proline-dependant cytoprotection during periods of oxidative imbalance and also shed light on the participation of proline in energy metabolism, which drives critical processes of the T. cruzi life cycle.

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) phosphorylation by protein kinase Cδ (PKCδ) inhibits mitochondria elimination by lysosomal-like structures following ischemia and reoxygenation-induced injury

Background: How damaged mitochondria are removed by mitophagy is not fully described. Results: Ischemia and reoxygenation (I/R)-induced injury triggers mitochondria association of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) and mitophagy, and protein kinase Cδ (PKCδ) activation inhibits it. Conclusion: PKCδ-mediated phosphorylation of GAPDH inhibits mitophagy. Significance: GAPDH/PKCδ is a signaling switch, which is activated during ischemic injury to regulate the balance between cell survival by mitophagy and cell death by apoptosis.

Targeting aldehyde dehydrogenase 2: new therapeutic opportunities

A family of detoxifying enzymes called aldehyde dehydrogenases (ALDHs) has been a subject of recent interest, as its role in detoxifying aldehydes that accumulate through metabolism and to which we are exposed from the environment has been elucidated. Although the human genome has 19 ALDH genes, one ALDH emerges as a particularly important enzyme in a variety of human pathologies. This ALDH, ALDH2, is located in the mitochondrial matrix with much known about its role in ethanol metabolism. Less known is a new body of research to be discussed in this review, suggesting that ALDH2 dysfunction may contribute to a variety of human diseases including cardiovascular diseases, diabetes, neurodegenerative diseases, stroke, and cancer. Recent studies suggest that ALDH2 dysfunction is also associated with Fanconi anemia, pain, osteoporosis, and the process of aging. Furthermore, an ALDH2 inactivating mutation (termed ALDH2*2) is the most common single point mutation in humans, and epidemiological studies suggest a correlation between this inactivating mutation and increased propensity for common human pathologies. These data together with studies in animal models and the use of new pharmacological tools that activate ALDH2 depict a new picture related to ALDH2 as a critical health-promoting enzyme.

Transkriptionskontrolle des nuoA-N Operons (NADH-Dehydrogenase I) von Escherichia coli

Das Elektronentransportsystem von E. coli enthält zwei verschiedene NADH-Dehydrogenasen. Die NADH-DehydrogenaseI (nuoA-N) koppelt im Gegensatz zur NADH-DehydrogenaseII die Oxidation von NADH an eine Protonentranslokation und trägt zur Energiekonservierung bei. Die NADH-DehydrogenaseI wird über die Promotoren P1 und P2 exprimiert und besitzt mehrere Bindestellen für verschiedene Regulatoren.Die separate Klonierung der Promotoren, lacZ-Fusionen, Inaktivierung von Transkriptionsfaktoren, sowie die Nutzung mutierter Regulatorbindestellen in vivo zeigen, dass P1 im wesentlichen die Expressionshöhe bestimmt und ist unter aeroben und anaeroben Bedingungen aktiv. P2 trägt in wesentlich geringerem Maße als P1 zur Expression des Enzyms bei. Er ist stark abhängig von ArcA und IHF. Beide Promotoren wirken nicht additiv.Unter anaeroben Bedingungen wird die Transkription von nuo durch das Zweikomponenten-System ArcB/A reprimiert. ArcA bindet unabhängig und mit unterschiedlicher Affinität an die beiden Bindestellen arc1 und arc2. Von den 8 ArcA-Konsensussequenzen führen nur Mutationen der Konsensussequenzen arc1ab in vitro zu verminderter Bindungsaffinität von ArcA an die Bindestelle arc1. Dieselben führen in vivo unter anaeroben Bedingungen zur Derepression des Promotors P1 bzw. P1+P2. Unter aeroben Bedingungen zeigen nur Mutationen in arc2 eine Derepression, die nicht durch ArcA vermittelt wird. Der veröffentliche ArcA-Konsensus scheint deshalb hier in dieser einfachen Form nicht gültig zu sein.

Eine neue Form der Pyruvatkinase in Säugerspermien

Nach Homogenisation ejakulierter Eberspermien und Zentrifugation des Homogenates blieben mehr als 60% der Aktivität des glykolytischen Enzyms Pyruvatkinase (PK) an Zellfragmenten im Sediment gebunden. Diese strukturgebundene PK wurde als PK-S bezeichnet. Das Detergenz Triton X-100 führte nicht zur Ablösung der PK-S; mit Trypsin konnten jedoch rund 80% der PK-S ohne Verlust an Aktivität von den Strukturen gelöst und durch kombinierte Kationenaustausch- und Hydrophobizitätschromatographie gereinigt werden (spezifische Aktivität: 116,7 U/mg Protein). Die lösliche PK aus Eberspermien konnte ebenfalls durch ein ähnliches Verfahren angereichert werden. Im Gel (SDS-PAGE) zeigten die Untereinheiten der PK-S mit 64.400 eine geringfügig größere relative Molekülmasse als die der PK-M1 aus Kaninchenmuskel (62.000). Die kinetischen Eigenschaften der abgelösten PK-S als auch der noch an Spermienstrukturen gebundenen PK-S und der löslichen PK aus Eberspermien waren sehr ähnlich und entsprachen der M1-Isoform der PK. Antikörper gegen Kaninchenmuskel-PK (Anti-PK-M1) reagierten auch mit der löslichen PK und der PK-S aus Eberspermien. Edman-Abbau der ersten 19 Aminosäuren zeigte, dass die tryptisch abgelöste PK-S am N-Terminus um 5 Aminosäuren gegenüber nativer PK-M1 verlängert ist, während der C-Terminus der erhaltenen PK-S-Sequenz mit einem meist nahe dem N-Terminus gelegenen Sequenzabschnitt der PK-M1 und -M2 übereinstimmt. Die N-terminale Verlängerung der nativen PK-S enthält sicherlich mehr als die nach tryptischer Lyse nachgewiesenen 5 Aminosäuren. Vergleiche der Aminosäure- und übersetzten Nukleotidsequenzen sowie die kinetischen Eigenschaften lassen vermuten, dass die PK-S, wie die PK-M1 und PK-M2, vom PKM-Gen codiert wird. Gegen die gereinigte PK-S wurden Antikörper in Kaninchen produziert. Da das Antiserum nicht ausreichend spezifisch für PK-S war, wurden aus ihm affinitätschromatographisch Antikörper (Anti-PK-S) isoliert, die hohe Affinität zu einem synthetisierten PK-S-Peptid (13 N-terminale Aminosäuren der tryptisch abgelösten PK-S) hatten. Dieses Anti-PK-S-Präparat war spezifisch für PK-S; es reagierte weder mit Kaninchenmuskel-PK noch mit löslicher PK oder anderen Proteinen aus Eberspermien. Anti-PK-S und Anti-PK-M1 wurden zur Lokalisierung von PK-S und löslicher PK in Spermien von Eber, Bulle und Mensch sowie in Schnitten von Eberhoden eingesetzt. Mit Anti-PK-S wurden der Bereich des Akrosoms und das lange flagellare Hauptstück sowie der Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück von Eberspermien fluoreszenzmarkiert, wogegen das kurze, die Mitochondrien enthaltende Mittelstück des Flagellums und der postakrosomale Kopfbereich nur mit Anti-PK-M1 markiert wurden. Immunogoldmarkierung in elektronenmikroskopischen Bildern bestätigte die Lokalisierung von PK-S im Akrosombereich. Im Hauptstück banden Anti-PK-M1 und Anti-PK-S an die fibröse Scheide. Glyzerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) konnte von mir ebenfalls im Akrosombereich, im Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück und an der fibrösen Scheide detektiert werden. Auch an Bullen- und Humanspermien konnte über Immunogoldmarkierung PK und vermutlich GAPDH an der fibrösen Scheide gezeigt werden. Im Akrosombereich dieser Spermien waren die Nachweise von PK und GAPDH jedoch nicht sicher. In Eberhodenschnitten war die PK-S erstmals, oder zumindest vermehrt, in den elongierenden Spermatiden über Fluoreszenzmarkierung nachweisbar, während andere, vermutlich somatische PK vermehrt in den früheren Stadien (Spermatogonien, aber auch in den Spermatozyten und runden Spermatiden) auftrat. Für die GAPDH zeigte sich ein ähnlicher Entwicklungsverlauf. Die Ergebnisse zeigen, dass in Eberspermien zwei Isoformen der PK auftreten: eine N-terminal verlängerte, strukturgebundene Form, die PK-S, und eine lösliche Form, die beide der PK-M1 ähneln. Der ungewöhnliche N-Terminus der PK-S dient vermutlich der spezifischen räumlichen Anordnung der PK-S im Akrosombereich und an der fibrösen Scheide, nicht aber der Modulation kinetischer Eigenschaften. Meine Untersuchungen stützen die Hypothese, dass in bestimmten Kompartimenten von Säugerspermien die Glykolyse durch Verankerung einiger ihrer Enzyme strukturell hochgeordnet ist. Dadurch wird vermutlich die Versorgung der Mitochondrien-freien Regionen mit ATP sichergestellt. Man kann diese Organisation als Anpassung des Stoffwechsels von Spermien deuten, bei denen die Mitochondrien in einem kleinen Bereich (Mittelstück) hinter dem Spermienkopf kompartimentiert sind. Im Hauptstück des Flagellums könnte die Glykolyse ATP für die Spermienmotilität liefern, im Akrosombereich für die Verhinderung einer vorzeitigen Akrosomreaktion. Somit käme der strukturierten Glykolyse eine essentielle Bedeutung für die Befruchtungsfähigkeit von Säugerspermien zu.

Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rn

Loss of 15-Hydroxyprostaglandin Dehydrogenase Increases Prostaglandin E2 in Pancreatic Tumors

Prostaglandin E2 (PGE2) is a product of cyclooxygenase (COX) and PGE synthase (PGES) and deactivated by 15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase (PGDH). Down-regulation of PGDH contributes to PGE2 accumulation in lung and colon cancers but has not been identified in pancreatic cancer.

High aldehyde dehydrogenase activity identifies tumor-initiating and metastasis-initiating cells in human prostate cancer

Metastatic progression of advanced prostate cancer is a major clinical problem. Identifying the cell(s) of origin in prostate cancer and its distant metastases may permit the development of more effective treatment and preventive therapies. In this study, aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity was used as a basis to isolate and compare subpopulations of primary human prostate cancer cells and cell lines. ALDH-high prostate cancer cells displayed strongly elevated clonogenicity and migratory behavior in vitro. More strikingly, ALDH-high cells readily formed distant metastases with strongly enhanced tumor progression at both orthotopic and metastatic sites in preclinical models. Several ALDH isoforms were expressed in human prostate cancer cells and clinical specimens of primary prostate tumors with matched bone metastases. Our findings suggest that ALDH-based viable cell sorting can be used to identify and characterize tumor-initiating and, more importantly perhaps, metastasis-initiating cells in human prostate cancer.

Dihydropyrimidine dehydrogenase gene as a major predictor of severe 5-fluorouracil toxicity

The importance of polymorphisms in the dihydropyrimidine dehydrogenase (DPD) gene (DPYD) for the prediction of severe toxicity in 5-fluorouracil (5-FU) based chemotherapy has been controversially debated. As a key enzyme in the catabolism of 5-FU, DPD is the top candidate for pharmacogenetic studies on 5-FU toxicity, since a reduced DPD activity is thought to result in an increased half-life of the drug, and thus, an increased risk of toxicity. Here, we review the current knowledge on well-known and frequently studied DPYD variants such as the c.1905+1G>A splice site variant, as well as the recent discoveries of important functional variation in the noncoding regions of DPYD. We also outline future directions that are needed to further improve the risk assessment of 5-FU toxicity, in particular with respect to metabolic profiling and in the context of different combination therapeutic regimens, in which 5-FU is used today.

High expression of octamer-binding transcription factor 4A, prominin-1 and aldehyde dehydrogenase strongly indicates involvement in the initiation of lung adenocarcinoma resulting in shorter disease-free intervals

The increasing relevance of the cancer stem cell (CSC) hypothesis and the impact of CSC-associated markers in the carcinogenesis of solid tumours may provide potential prognostic implications in lung cancer. We propose that a collective genetic analysis of established CSC-related markers will generate data to better define the role of putative CSCs in lung adenocarcinoma (LAC).

High salt intake down-regulates colonic mineralocorticoid receptors, epithelial sodium channels and 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2

Besides the kidneys, the gastrointestinal tract is the principal organ responsible for sodium homeostasis. For sodium transport across the cell membranes the epithelial sodium channel (ENaC) is of pivotal relevance. The ENaC is mainly regulated by mineralocorticoid receptor mediated actions. The MR activation by endogenous 11β-hydroxy-glucocorticoids is modulated by the 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11β-HSD2). Here we present evidence for intestinal segment specific 11β-HSD2 expression and hypothesize that a high salt intake and/or uninephrectomy (UNX) affects colonic 11β-HSD2, MR and ENaC expression. The 11β-HSD2 activity was measured by means of 3H-corticosterone conversion into 3H-11-dehydrocorticosterone in Sprague Dawley rats on a normal and high salt diet. The activity increased steadily from the ileum to the distal colon by a factor of about 3, an observation in line with the relevance of the distal colon for sodium handling. High salt intake diminished mRNA and protein of 11β-HSD2 by about 50% (p<0.001) and reduced the expression of the MR (p<0.01). The functionally relevant ENaC-β and ENaC-γ expression, a measure of mineralocorticoid action, diminished by more than 50% by high salt intake (p<0.001). The observed changes were present in rats with and without UNX. Thus, colonic epithelial cells appear to contribute to the protective armamentarium of the mammalian body against salt overload, a mechanism not modulated by UNX.

Uninephrectomy reduces 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 and type 2 concomitantly with an increase in blood pressure in rats

Renal allograft donors are at risk of developing hypertension. Here, we hypothesized that this risk is at least in part explained by an enhanced intracellular availability of 11β-hydroxyglucocorticoids due to an increased 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 enzyme (11β-HSD1), an intracellular prereceptor activator of biologically inactive 11-ketocorticosteroids in the liver, and/or a diminished 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11β-HSD2), an inactivator of 11β-hydroxyglucocorticoids in the kidney. To test this hypothesis, uninephrectomized (UNX) (n=9) and sham-operated (n=10) adult Sprague-Dawley rats were investigated. Mean arterial blood pressure and heart rate were measured continuously by telemetry for 6 days in week 5 after UNX. The mRNA of 11β-Hsd1 and 11β-Hsd2 in liver and kidney tissues were assessed by RT-PCR and the 11β-HSD activities were directly quantified in their corresponding tissues by determining the ratios of (tetrahydrocorticosterone+5α-tetrahydrocorticosterone)/tetrahydrodehydrocorticosterone ((THB+5α-THB)/THA) and of corticosterone/dehydrocorticosterone (B/A) by gas chromatography-mass spectrometry. The apparent total body activities of 11β-HSD1 and 11β-HSD2 were estimated using the urinary and plasma ratios of (THB+5α-THB)/THA and B/A. Mean arterial blood pressure was increased after UNX when compared with sham operation. Hepatic mRNA content of 11β-Hsd1 and hepatic, plasma, and urinary ratios of (THB+5α-THB)/THA were decreased after UNX, indicating diminished access of glucocorticoids to its receptors. In renal tissue, 11β-Hsd2 mRNA was reduced and B/A ratios measured in kidney, plasma, and urine were increased, indicating reduced 11β-HSD2 activity and enhanced access of glucocorticoids to mineralocorticoid receptors. Both 11β-HSD1 and 11β-HSD2 are downregulated after UNX in rats, a constellation considered to induce hypertension.

Alcohol dehydrogenase 1C*1 allele is a genetic marker for alcohol-associated cancer in heavy drinkers

Chronic alcohol consumption is associated with an increased risk for upper aerodigestive tract cancer and hepatocellular carcinoma. Increased acetaldehyde production via alcohol dehydrogenase (ADH) has been implicated in the pathogenesis. The allele ADH1C*1 of ADH1C encodes for an enzyme with a high capacity to generate acetaldehyde. So far, the association between the ADH1C*1 allele and alcohol-related cancers among heavy drinkers is controversial. ADH1C genotypes were determined by polymerase chain reaction and restriction fragment length polymorphism in a total of 818 patients with alcohol-associated esophageal (n=123), head and neck (n=84) and hepatocellular cancer (n=86) as well as in patients with alcoholic pancreatitis (n=117), alcoholic liver cirrhosis (n=217), combined liver cirrhosis and pancreatitis (n=17) and in alcoholics without gastrointestinal organ damage (n=174). The ADH1C*1 allele and genotype ADH1C*1/1 were significantly more frequent in patients with alcohol-related cancers than that in individuals with nonmalignant alcohol-related organ damage. Using multivariate analysis, ADH1C*1 allele frequency and rate of homozygosity were significantly associated with an increased risk for alcohol-related cancers (p<0.001 in all instances). The odds ratio for genotype ADH1C*1/1 regarding the development of esophageal, hepatocellular and head and neck cancer were 2.93 (CI, 1.84-4.67), 3.56 (CI, 1.33-9.53) and 2.2 (CI, 1.11-4.36), respectively. The data identify genotype ADH1C*1/1 as an independent risk factor for the development of alcohol-associated tumors among heavy drinkers, indicating a genetic predisposition of individuals carrying this genotype.