Two functional forms of the Xenopus laevis estrogen receptor translated from a single mRNA species.

Steroid receptors are nuclear proteins that regulate gene transcription in a ligand-dependent manner. Over-expression of the Xenopus estrogen receptor in a vaccinia virus-derived expression system revealed that the receptor localized exclusively in the nucleus of the infected cells, irrespective of the presence or absence of the ligand. Furthermore, two forms of the receptor were produced, a full-length and a N-terminal truncated version, which are translated from a single mRNA species by the use of two AUG within the same reading frame. These 66- and 61-kDa receptors were also observed after in vitro translation of the mRNA as well as in primary Xenopus hepatocytes. Both forms are potent estrogen-dependent transcriptional activators in transient transfection experiments, as well as in in vitro transcription assays.

Defective TNF-alpha-mediated hepatocellular apoptosis and liver damage in acidic sphingomyelinase knockout mice

This study addressed the contribution of acidic sphingomyelinase (ASMase) in TNF-alpha-mediated hepatocellular apoptosis. Cultured hepatocytes depleted of mitochondrial glutathione (mGSH) became sensitive to TNF-alpha, undergoing a time-dependent apoptotic cell death preceded by mitochondrial membrane depolarization, cytochrome c release, and caspase activation. Cyclosporin A treatment rescued mGSH-depleted hepatocytes from TNF-alpha-induced cell death. In contrast, mGSH-depleted hepatocytes deficient in ASMase were resistant to TNF-alpha-mediated cell death but sensitive to exogenous ASMase. Furthermore, although in vivo administration of TNF-alpha or LPS to galactosamine-pretreated ASMase(+/+) mice caused liver damage, ASMase(-/-) mice exhibited minimal hepatocellular injury. To analyze the requirement of ASMase, we assessed the effect of glucosylceramide synthetase inhibition on TNF-alpha-mediated apoptosis. This approach, which blunted glycosphingolipid generation by TNF-alpha, protected mGSH-depleted ASMase(+/+) hepatocytes from TNF-alpha despite enhancement of TNF-alpha-stimulated ceramide formation. To further test the involvement of glycosphingolipids, we focused on ganglioside GD3 (GD3) because of its emerging role in apoptosis through interaction with mitochondria. Analysis of the cellular redistribution of GD3 by laser scanning confocal microscopy revealed the targeting of GD3 to mitochondria in ASMase(+/+) but not in ASMase(-/-) hepatocytes. However, treatment of ASMase(-/-) hepatocytes with exogenous ASMase induced the colocalization of GD3 and mitochondria. Thus, ASMase contributes to TNF-alpha-induced hepatocellular apoptosis by promoting the mitochondrial targeting of glycosphingolipids.

Phenotypic and molecular characterization of the onset of neuropathy in rodent models of diabetes mellitus

Abstract : The principal focus of this work was to study the molecular changes leading to the development of diabetic peripheral neuropathy (DPN). DPN is the most common complication associated with both type I and II diabetes mellitus (DM). This pathology is the leading cause of non-traumatic amputations. Even though the pathological and morphological changes underlying DPN are relatively well described, the implicated molecular mechanisms remain poorly understood. The following two approaches were developed to study the development of DPN in a rodent model of DM type I. As a first approach, we studied the implication of lipid metabolism in DPN phenotype, concentrating on Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-lc which is the key regulator of storage lipid metabolism. We showed that SREBP-1c was expressed in peripheral nerves and that its expression profile followed the expression of genes involved in storage lipid metabolism. In addition, the expression of SREBP-1c in the endoneurium of peripheral nerves was dependant upon nutritional status and this expression was also perturbed in type I diabetes. In line with this, we showed that insulin elevated the expression of SREBP-1c in primary cultured Schwann cells by activating the SREBP-1c promoter. Taken together, these findings reveal that SREBP-1c expression in Schwann cells responds to metabolic stimuli including insulin and that this response is affected in type I diabetes mellitus. This suggests that disturbed SREBP-1c regulated lipid metabolism may contribute to the pathophysiology of DPN. As a second approach, we performed a comprehensive analysis of the molecular changes associated with DPN in the Akital~1~+ mouse which is a model of spontaneous early-onset type I diabetes mellitus. This mouse expresses a mutated non-functional isoform of insulin, leading to hypoinsulinemia and hyperglycaemia. To determine the onset of DPN, weight, blood glucose and motor nerve conduction velocity (MNCV) were measured in Akital+/+ mice during the first three months of life. A decrease in MNCV was evident akeady one week after the onset of hyperglycemia. To explore the molecular changes associated with the development of DPN in these mice, we performed gene expression profiling using sciatic nerve endoneurium and dorsal root ganglia (DRG) isolated from early diabetic male Akita+/+ mice and sex-matched littermate controls. No major transcriptional changes were detected either in the DRG or in the sciatic nerve endoneurium. This experiment indicates that the phenotypic changes observed during the development of DPN are not correlated with major transcriptional alterations, but mainly with alterations at the protein level. Résumé Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1 c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita+/+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique. Résumé : Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita~~Z~+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique.

Activation of p53 by nutlin-3a induces apoptosis and cellular senescence in human glioblastoma multiforme

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and aggressive primary brain tumor in adults. Despite concerted efforts to improve current therapies and develop novel clinical approaches, patient survival remains poor. As such, increasing attention has focused on developing new therapeutic strategies that specifically target the apoptotic pathway in order to improve treatment responses. Recently, nutlins, small-molecule antagonists of MDM2, have been developed to inhibit p53-MDM2 interaction and activate p53 signaling in cancer cells. Glioma cell lines and primary cultured glioblastoma cells were treated with nutlin-3a. Nutlin-3a induced p53-dependent G1- and G2-M cell cycle arrest and apoptosis in glioma cell lines with normal TP53 status. In addition, nutlin-arrested glioma cells show morphological features of senescence and persistent induction of p21 protein. Furthermore, senescence induced by nutlin-3a might be depending on mTOR pathway activity. In wild-type TP53 primary cultured cells, exposure to nutlin-3a resulted in variable degrees of apoptosis as well as cellular features of senescence. Nutlin-3a-induced apoptosis and senescence were firmly dependent on the presence of functional p53, as revealed by the fact that glioblastoma cells with knockdown p53 with specific siRNA, or cells with mutated or functionally impaired p53 pathway, were completely insensitive to the drug. Finally, we also found that nutlin-3a increased response of glioma cells to radiation therapy. The results provide a basis for the rational use of MDM2 antagonists as a novel treatment option for glioblastoma patients.

Activation of p53 by nutlin-3a induces apoptosis and cellular senescence in human glioblastoma multiforme

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and aggressive primary brain tumor in adults. Despite concerted efforts to improve current therapies and develop novel clinical approaches, patient survival remains poor. As such, increasing attention has focused on developing new therapeutic strategies that specifically target the apoptotic pathway in order to improve treatment responses. Recently, nutlins, small-molecule antagonists of MDM2, have been developed to inhibit p53-MDM2 interaction and activate p53 signaling in cancer cells. Glioma cell lines and primary cultured glioblastoma cells were treated with nutlin-3a. Nutlin-3a induced p53-dependent G1- and G2-M cell cycle arrest and apoptosis in glioma cell lines with normal TP53 status. In addition, nutlin-arrested glioma cells show morphological features of senescence and persistent induction of p21 protein. Furthermore, senescence induced by nutlin-3a might be depending on mTOR pathway activity. In wild-type TP53 primary cultured cells, exposure to nutlin-3a resulted in variable degrees of apoptosis as well as cellular features of senescence. Nutlin-3a-induced apoptosis and senescence were firmly dependent on the presence of functional p53, as revealed by the fact that glioblastoma cells with knockdown p53 with specific siRNA, or cells with mutated or functionally impaired p53 pathway, were completely insensitive to the drug. Finally, we also found that nutlin-3a increased response of glioma cells to radiation therapy. The results provide a basis for the rational use of MDM2 antagonists as a novel treatment option for glioblastoma patients.

Neuropeptide Y at the cellular level – Studies on PreproNPY L7P Polymorphism and the Mitochondrial Form of NPY

Neuropeptide Y (NPY) is a widely expressed neurotransmitter in the central and peripheral nervous systems. Thymidine 1128 to cytocine substitution in the signal sequence of the preproNPY results in a single amino acid change where leucine is changed to proline. This L7P change leads to a conformational change of the signal sequence which can have an effect on the intracellular processing of NPY. The L7P polymorphism was originally associated with higher total and LDL cholesterol levels in obese subjects. It has also been associated with several other physiological and pathophysiological responses such as atherosclerosis and T2 diabetes. However, the changes on the cellular level due to the preproNPY signal sequence L7P polymorphism were not known. The aims of the current thesis were to study the effects of the [p.L7]+[p.L7] and the [p.L7]+[p.P7] genotypes in primary cultured and genotyped human umbilical vein endothelial cells (HUVEC), in neuroblastoma (SK-N-BE(2)) cells and in fibroblast (CHO-K1) cells. Also, the putative effects of the L7P polymorphism on proliferation, apoptosis and LDL and nitric oxide metabolism were investigated. In the course of the studies a fragment of NPY targeted to mitochondria was found. With the putative mitochondrial NPY fragment the aim was to study the translational preferences and the mobility of the protein. The intracellular distribution of NPY between the [p.L7]+[p.L7] and the [p.L7]+[p.P7] genotypes was found to be different. NPY immunoreactivity was prominent in the [p.L7]+[p.P7] cells while the proNPY immunoreactivity was prominent in the [p.L7]+[p.L7] genotype cells. In the proliferation experiments there was a difference in the [p.L7]+[p.L7] genotype cells between early and late passage (aged) cells; the proliferation was raised in the aged cells. NPY increased the growth of the cells with the [p.L7]+[p.P7] genotype. Apoptosis did not seem to differ between the genotypes, but in the aged cells with the [p.L7]+[p.L7] genotype, LDL uptake was found to be elevated. Furthermore, the genotype seemed to have a strong effect on the nitric oxide metabolism. The results indicated that the mobility of NPY protein inside the cells was increased within the P7 containing constructs. The existence of the mitochondria targeted NPY fragment was verified, and translational preferences were proved to be due to the origin of the cells. Cell of neuronal origin preferred the translation of mature NPY (NPY1-36) when compared to the non neuronal cells that translated both, NPY and the mitochondrial fragment of NPY. The mobility of the mitochondrial fragment was found to be minimal. The functionality of the mitochondrial NPY fragment remains to be investigated. L7P polymorphism in the preproNPY causes a series of intracellular changes. These changes may contribute to the state of cellular senescence, vascular tone and lead to endothelial dysfunction and even to increased susceptibility to diseases, like atherosclerosis and T2 diabetes.

L’inhibition des cytochromes P450 dans les cas d’insuffisance rénale chronique : rôle de l’hormone parathyroïdienne.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une réduction du métabolisme de plusieurs médicaments, due à une diminution du cytochrome P450 (CYP450) hépatique. Nos études précédentes ont montré que l’IRC affecte l’activité in vivo et in vitro, de même que l’expression protéique et génique des différents isoformes du CYP450, via la présence du sérum urémique et de l’hormone parathyroïdienne (PTH). Ce projet de doctorat se divise en quatre parties. Premièrement, nous avons développé une méthode d’analyse de l’activité du CYP450, à l’aide de la production du 3-hydroxy-5,5-dimethyl-4-[4-(methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFH) à partir du 3-[(3,4-difluorobenzyl)oxy]-5,5-dimethyl-4-[4-methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFB). Cette méthode nous a permis de mieux quantifier l’activité dans les études subséquentes. Deuxièmement, l’activité du CYP450 3A est diminuée chez les patients atteints d’IRC. De plus, il a déjà été démontré que des toxines urémiques dialysables seraient impliquées puisque l’hémodialyse prévient cette inhibition du CYP450. Par contre, le mécanisme expliquant l’amélioration transitoire la composition du sérum de patients atteints d’IRC par l’hémodialyse n’est pas connu. L’objectif du projet est d’évaluer l’effet de l’hémodialyse sur l’expression protéique et génique, de même que sur l’activité du CYP450 3A2 dans un modèle d’hépatocytes de rat en culture. Troisièmement, la déficience en calcidiol est fréquente dans les cas d’IRC et l’étiologie est peu connue. Nous avons récemment montré que l’IRC est associée à une diminution du métabolisme des médicaments par le foie suite à une réduction des différents isoformes du CYP450 en partie médiée par l’hormone parathyroïdienne (PTH). La 25-hydroxylation de la vitamine D, au niveau du foie, permet la formation du calcidiol par différents isoformes du CYP450 (CYP2C11, 27A1, 2R1, 3A2 et 2J3) et pourrait être ainsi altérée en présence d’IRC. Les objectifs de cette étude sont de a) confirmer la diminution de synthèse de calcidiol en présence d’IRC et b) évaluer le rôle de la PTH dans la déficience en calcidiol. Finalement, afin de mieux comprendre les inhibitions du CYP450, nous avons étudié les voies de signalisation impliquées dans la régulation du CYP450 en présence d’IRC et avec la PTH puisque les mécanismes d’action demeurent imprécis. La contribution des facteurs de transcription et des récepteurs nucléaires suivants est étudiée ; le récepteur pregnane X (PXR), le récepteur constitutif androstane (CAR) et le facteur nucléaire kappa B (NF-κB), puisqu’ils sont potentiellement activés par le récepteur de la PTH et ces molécules ont été précédemment impliqués dans la régulation du CYP450. Les résultats obtenus montrent que l’hémodialyse des patients atteints d’IRC améliore transitoirement l’expression du CYP450 lorsque des hépatocytes sont mis en culture avec du sérum provenant de ces patients. Aussi, la 25-hydroxylation de la vitamine D est affectée par l’IRC. Les voies de signalisation du NF-κB et les facteurs nucléaires PXR et CAR sont impliqués dans l’inhibition du CYP450. En conclusion, l’IRC affecte, non seulement le métabolisme des médicaments mais aussi l’hydroxylation de la vitamine D, un des rôles endogènes effectués par le CYP450. Ces études nous permettent de mieux comprendre les effets de l’IRC afin de mieux cibler les traitements de choix pour les patients qui en sont atteints.

Effects of targeted delivery of propionate to the human colon on appetite regulation, body weight maintenance and adiposity in overweight adults

Objective The colonic microbiota ferment dietary fibres, producing short chain fatty acids. Recent evidence suggests that the short chain fatty acid propionate may play an important role in appetite regulation. We hypothesised that colonic delivery of propionate would increase peptide YY (PYY) and glucagon like peptide-1 (GLP-1) secretion in humans, and reduce energy intake and weight gain in overweight adults. Design To investigate whether propionate promotes PYY and GLP-1 secretion, a primary cultured human colonic cell model was developed. To deliver propionate specifically to the colon, we developed a novel inulin-propionate ester. An acute randomised, controlled cross-over study was used to assess the effects of this inulin-propionate ester on energy intake and plasma PYY and GLP-1 concentrations. The long-term effects of inulin-propionate ester on weight gain were subsequently assessed in a randomised, controlled 24-week study involving 60 overweight adults. Results Propionate significantly stimulated the release of PYY and GLP-1 from human colonic cells. Acute ingestion of 10 g inulin-propionate ester significantly increased postprandial plasma PYY and GLP-1 and reduced energy intake. Over 24 weeks, 10 g/day inulin-propionate ester supplementation significantly reduced weight gain, intra-abdominal adipose tissue distribution, intrahepatocellular lipid content and prevented the deterioration in insulin sensitivity observed in the inulin-control group. Conclusions These data demonstrate for the first time that increasing colonic propionate prevents weight gain in overweight adult humans

The role of proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha in the fatty-acid -dependent transcriptional control of interleukin-10 in hepatic cells of rodents

Interleukin-10 (IL-10) is an endogenous factor that restrains hepatic insulin resistance in diet-induced steatosis Reducing IL-10 expression increases proinflammatory activity in the steatotic liver and worsens insulin resistance As the transcriptional coactivator proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha (PGC-1 alpha) plays a central role in dysfunctional hepatocytic activity in diet-induced steatosis, we hypothesized that at least part of the action of PGC-1 alpha could be mediated by reducing the transcription of the IL-10 gene Here, we used immunoblotting, real-time polymerase chain reaction, immunocytochemistry, and chromatin immunoprecipitation assay to investigate the role of PGC-1 alpha in the control of IL-10 expression in hepatic cells First, we show that, in the intact steatotic liver, the expressions of IL-10 and PGC-1 alpha are increased Inhibiting PGC-1 alpha expression by antisense oligonucleotide increases IL-10 expression and reduces the steatotic phenotype. In cultured hepatocytes, the treatment with saturated and unsaturated fatty acids increased IL-10 expression. This was accompanied by increased association of PGC-1 alpha with c-Maf and p50-nuclear factor (NF) kappa B, 2 transcription factors known to modulate IL-10 expression In addition, after fatty acid treatment. PGC-1 alpha, c-Maf, and p50-NF kappa B migrate from the cytosol to the nuclei of hepatocytes and bind to the IL-10 promoter region Inhibiting NF kappa B activation with salicylate reduces IL-10 expression and the association of PGC-1 alpha with p50-NF kappa B Thus, PGC-1 alpha emerges as a potential transcriptional regulator of the inflammatory phenomenon taking place in the steatotic liver (C) 2010 Elsevier Inc All rights reserved

The Effects of Palmitic Acid on Nitric Oxide Production by Rat Skeletal Muscle: Mechanism via Superoxide and iNOS Activation

Background: Increased plasma concentrations of free fatty acids (FFA) can lead to insulin resistance in skeletal muscle, impaired effects on mitochondrial function, including uncoupling of oxidative phosphorylation and decrease of endogenous antioxidant defenses. Nitric oxide (NO) is a highly diffusible gas that presents a half-life of 5-10 seconds and is involved in several physiological and pathological conditions. The effects of palmitic acid on nitric oxide (NO) production by rat skeletal muscle cells and the possible mechanism involved were investigated. Methods: Primary cultured rat skeletal muscle cells were treated with palmitic acid and NO production was assessed by nitrite measurement (Griess method) and 4,5-diaminofluorescein diacetate (DAF-2-DA) assay. Nuclear factor-kappa B (NF-kappa B) activation was evaluated by electrophoretic mobility shift assay and iNOS protein content by western blotting. Results: Palmitic acid treatment increased nitric oxide production. This effect was abolished by treatment with NOS inhibitors, L-nitro-arginine (LNA) and L-nitro-arginine methyl esther (L-NAME). NF-kappa B activation and iNOS content were increased due to palmitic acid treatment. The participation of superoxide on nitric oxide production was investigated by incubating the cells with DAF-2-DA in the presence or absence of palmitic acid, a superoxide generator system (X-XO), a mixture of NOS inhibitors and SOD-PEG (superoxide dismutase linked to polyethylene glycol). Palmitic acid and X-XO system increased NO production and this effect was abolished when cells were treated with NOS inhibitors and also with SOD-PEG. Conclusions: In summary, palmitic acid stimulates NO production in cultured skeletal muscle cells through production of superoxide, nuclear factor-kappa B activation and increase of iNOS protein content. Copyright (C) 2012 S. Karger AG, Basel

Characterisation of the cell-transistor coupling

Die Verbindung von elektrisch aktiven, lebenden Zellen zu extrazellulären Sensorsystemen eröffnet vielfälige Möglichkeiten im Bereich der Biosensorik. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum tieferen Verständnis der elektrischen Kopplungsmechanismen zwischen den biologischen und elektronischen Teilen solcher Hybridsysteme. Es wurden dazu drei Hauptbereiche bearbeitet:Ein System zur extrazellulären Signalableitung an lebenden Zellen bestehend aus einem Sensorchip, einem Vorverstärkerkopf und einem Hauptverstärker wurde weiterentwickelt.Als Sensoren wurden entweder Metallmikroelektroden-Chips mit 64 Kanälen oder Feldeffekt Transistoren-Chips mit 16 Kanälen (FET) eingesetzt. Es wurden zusätzlich spezielle FET Sensoren mit Rückseitenkontakten hergestellt und eingesetzt.Die elektrische Kopplung von einzelnen Nervenzellen der neuronalen Zell-Linien SH-SY5Y und TR14 oder primär kultivierten Neuronen aus dem Hirnstamm oder dem Hippocampus von embryonalen Ratten mit den extrazellulären Sensoren wurde untersucht. In der 'whole-cell' Patch-Clamp Technik wurden die Beiträge der spannungsgesteuerten Na+- und K+-Ionenkanäle zur extrazellulären Signalform identifiziert. Die Simulation der Signale mit einem Ersatzschaltkreis (Punkt-Kontakt Modell), der in PSPICE implementiert wurde, deutet auf eine starke Abhängigkeit der Signalformen in bezug auf Konzentrationsänderungen von Na+- und K+-Ionen im Volumenbereich zwischen Zelle und den ionensensitiven Transistoren hin. Ein empirisch erweitertes Punkt-Kontakt Modell wurde daraufhin vorgestellt.Im dritten Teil der Arbeit wurden Zellschichten von Kardiomyocyten embryonaler Ratten auf den extrazellulären Sensoren kultiviert. Die Eignung eines solchen Hybridsensors als Modellherz fuer das pharmazeutische Screeing wurde durch Messungen mit Herzstimulanzien und -relaktanzien bestätigt.

Die Rolle des anti-apoptotischen Proteins Mcl-1 für die Leber und das hepatozelluläre Karzinom

Myeloid cell leukemia-1 (Mcl-1) ist ein anti-apoptotisches Mitglied der Bcl-2-Proteinfamilie. Als solches ist es in der Lage, die mitochondriale Aktivierung während der Apoptose zu hemmen. Dadurch schützt es Zellen bei zellulärem Stress (wie z.B. Differenzierung, Proliferation oder Virusinfektion) vor Apoptoseinduktion. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es unabkömmlich während der Embryogenese und in verschiedenen hämatopoetischen Zellpopulationen. Des Weiteren ist Mcl-1 als Protoonkogen in verschiedenen humanen Tumorentitäten verstärkt exprimiert und kann so zu einer verminderten Apoptosesensitivität von Tumorzellen beitragen. Auch primäre humane Hepatozyten können nach Mcl-1-Induktion durch Wachstumsfaktorbehandlung gegenüber CD95-vermittelter Apoptose geschützt werden. Daher sollte untersucht werden, welche Bedeutung Mcl-1 im hepatozellulären Karzinom (HCC) und in der gesunden Leber einnimmt. Hierzu wurde zunächst humanes HCC-Gewebe hinsichtlich der Expression von Mcl-1 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Mcl-1 sowohl auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene in HCC-Gewebe verstärkt exprimiert ist im Vergleich zu benachbartem Normalgewebe. Auch in verschiedenen HCC-Zelllinien konnte eine starke Mcl-1-Expression nachgewiesen werden. Diese war vor allem über den PI3K/Akt-Signalweg reguliert. Eine Hemmung dieses Signalwegs führte zu einer Reduktion der Mcl-1-Expression und so zu einer Sensitivierung der Zellen gegenüber verschiedenen Chemotherapeutika und zielgerichteten Therapien. Des Weiteren wurde die Mcl-1-Expression spezifisch durch RNA-Interferenz gehemmt. Auch hier konnte gezeigt werden, dass Zellen mit unterdrückter Mcl-1-Expression deutlich sensitiver gegenüber verschiedenen Apoptose-induzierenden Substanzen reagierten. Eine kombinierte Hemmung der Mcl-1-Expression und der PI3-Kinase führte schließlich zu einer nochmals verstärkten Sensitivierung. Im Gegensatz dazu führte eine Überexpression von Mcl-1 zu einer Hemmung der Apoptoseinduktion. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Mauslinie etabliert, welche spezifisch in Hepatozyten kein Mcl-1 exprimiert, um so die Bedeutung von Mcl-1 für die Leber in vivo zu untersuchen. Es zeigte sich, dass Mcl-1flox/flox-AlbCre-Mäuse bereits im Alter von acht Wochen eine verminderte Lebergröße aufweisen. Dies wurde verursacht durch spontane Apoptoseinduktion in den Mcl-1 negativen Hepatozyten. Hierdurch kam es zu einer Leberschädigung, ersichtlich durch erhöhte Transaminasenwerte, erhöhte Caspase-3-Aktivierung, und Schädigung der Gewebsstruktur. Zudem war als kompensatorischer Effekt die Zellproliferation erhöht, ohne dass sich jedoch das Lebergewicht an das von Kontrolltieren anglich. Interessanterweise kam es in Mcl-1flox/flox-AlbCre-Mäusen als Folge der chronischen Leberschädigung zur Entwicklung einer Leberfibrose, ersichtlich durch eine verstärkte Collageneinlagerung. Weiterhin reagierten Mcl-1flox/flox-AlbCre-Mäuse wesentlich empfindlicher gegenüber Todesrezeptor-vermittelter Apoptose. Diese Daten zeigen zum einen, dass Mcl-1 zur Apoptoseresistenz von HCC-Zellen beitragen kann. Zielgerichtete Therapien, welche die Expression von Mcl-1 hemmen, könnten folglich für die Therapie des HCCs von Interesse sein. Des Weiteren konnte in dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass Mcl-1 ein zentraler anti-apoptotischer Faktor für Hepatozyten in vivo ist.

Serumfreie Collagen-Monolayer- und Sandwich-Kulturen primärer Hepatozyten als ein wertvolles Modell zur Detektion von Toxizität und Arzneimittelwechselwirkungen in vitro

In dieser Arbeit wurden Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch hinsichtlich ihrer Eignung untersucht Speziesunterschiede der toxischen Wirkung und des Metabolismus von Substanzen darzustellen und inwieweit die in vitro-Ergebnisse in vivo vergleichbar bzw. übertragbar sind. Des Weiteren wurde ein Zellkulturmodell entwickelt, das eine Kultivierung von primären Hepatozyten aus Ratte, Mensch und Maus über einen Zeitraum von mindestens einer bis zwei Wochen erlaubt.rnrnDie Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch zeigten deutliche Unterschiede in der substanzinduzierten Veränderung der Genexpression nach Behandlung mit den, vor allem für den Menschen, lebertoxischen Substanzen Diclofenac und Troglitazon. Diese Unterschiede traten hauptsächlich in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme sowie deren transkriptionsregulierenden Kernrezeptoren in den humanen Hepatozyten auf. Ebenso war eine verstärkte Stressantwort zu beobachten.rnDeutliche Speziesunterschiede konnten ebenso in der Wirkung der Arzneimittelentwicklungssubstanz EMD 392949 auf die Aktivität bzw. Genexpression von Cytochrom P450 Enzymen sowie deren Regulatoren nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte hier eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse aus den Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten mit jenen aus in vivo-Experimenten mit Ratten bzw. Affen (Macaca fascicularis) beobachtet werden, was die Aussagekraft der Primärkulturen verdeutlichte.rnDie große Übereinstimmung zwischen Enzymaktivität und Genexpression in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme konnte durch die Behandlung mit einer Reihe speziesspezifischer Induktoren in Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten bestätigt werden; vor allem nach dem von der amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA, Food and Drug Administartion) vorgeschlagenen Bewertungsschema zur Untersuchung der CYP-Induktion.rnrnDie Lebensdauer sowie der Differenzierungsgrad von primären Hepatozyten in Kultur sind stark abhängig von den Zellkulturbedingungen. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass spezifische Eigenschaften von Rattenleberzellen durch Kultivierung in einem Sandwich aus zwei hydratisierten Collagengelschichten und unter serumfreien Bedingungen für einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen aufrechterhalten werden können. Dieses Kulturmodel konnte auf Primärhepatozyten von Mensch und Maus übertragen werden und erweitert die möglichen Anwendungen hin zu einer Behandlung über einen längeren Zeitraum und der Untersuchung von subchronischen Effekten.rn

Synergistic induction of cell death in liver tumor cells by TRAIL and chemotherapeutic drugs via the BH3-only proteins Bim and Bid

Although death receptors and chemotherapeutic drugs activate distinct apoptosis signaling cascades, crosstalk between the extrinsic and intrinsic apoptosis pathway has been recognized as an important amplification mechanism. Best known in this regard is the amplification of the Fas (CD95) signal in hepatocytes via caspase 8-mediated cleavage of Bid and activation of the mitochondrial apoptosis pathway. Recent evidence, however, indicates that activation of other BH3-only proteins may also be critical for the crosstalk between death receptors and mitochondrial triggers. In this study, we show that TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) and chemotherapeutic drugs synergistically induce apoptosis in various transformed and untransformed liver-derived cell lines, as well as in primary human hepatocytes. Both, preincubation with TRAIL as well as chemotherapeutic drugs could sensitize cells for apoptosis induction by the other respective trigger. TRAIL induced a strong and long lasting activation of Jun kinase, and activation of the BH3-only protein Bim. Consequently, synergistic induction of apoptosis by TRAIL and chemotherapeutic drugs was dependent on Jun kinase activity, and expression of Bim and Bid. These findings confirm a previously defined role of TRAIL and Bim in the regulation of hepatocyte apoptosis, and demonstrate that the TRAIL-Jun kinase-Bim axis is a major and important apoptosis amplification pathway in primary hepatocytes and liver tumor cells.

The contribution of surface residues to membrane binding and ligand transfer by the -tocopherol transfer protein ( -TTP)

Previous work has shown that the -tocopherol transfer protein ( -TTP) can bind to vesicular or immobilized phospholipid membranes. Revealing the molecular mechanisms by which -TTP associates with membranes is thought to be critical to understanding its function and role in the secretion of tocopherol from hepatocytes into the circulation. Calculations presented in the Orientations of Proteins in Membranes database have provided a testable model for the spatial arrangement of -TTP and other CRAL-TRIO family proteins with respect to the lipid bilayer. These calculations predicted that a hydrophobic surface mediates the interaction of -TTP with lipid membranes. To test the validity of these predictions, we used site-directed mutagenesis and examined the substituted mutants with regard to intermembrane ligand transfer, association with lipid layers and biological activity in cultured hepatocytes. Substitution of residues in helices A8 (F165A and F169A) and A10 (I202A, V206A and M209A) decreased the rate of intermembrane ligand transfer as well as protein adsorption to phospholipid bilayers. The largest impairment was observed upon mutation of residues that are predicted to be fully immersed in the lipid bilayer in both apo (open) and holo (closed) conformations such as Phe165 and Phe169. Mutation F169A, and especially F169D, significantly impaired -TTP-assisted secretion of -tocopherol outside cultured hepatocytes. Mutation of selected basic residues (R192H, K211A, and K217A) had little effect on transfer rates, indicating no significant involvement of nonspecific electrostatic interactions with membranes.