Tauroursodeoxycholic Acid Affects PPAR gamma and TLR4 in Steatotic Liver Transplantation

Numerous steatotic livers are discarded for transplantation because of their poor tolerance to ischemia-reperfusion (I/R). We examined whether tauroursodeoxycholic acid (TUDCA), a known inhibitor of endoplasmic reticulum (ER) stress, protects steatotic and nonsteatotic liver grafts preserved during 6 h in University of Wisconsin (UW) solution and transplanted. The protective mechanisms of TUDCA were also examined. Neither unfolded protein response (UPR) induction nor ER stress was evidenced in steatotic and nonsteatotic liver grafts after 6 h in UW preservation solution. TUDCA only protected steatotic livers grafts and did so through a mechanism independent of ER stress. It reduced proliferator-activated receptor-gamma(PPAR gamma) and damage. When PPAR gamma was activated, TUDCA did not reduce damage. TUDCA, which inhibited PPAR gamma, and the PPAR gamma antagonist treatment up-regulated toll-like receptor 4 (TLR4), specifically the TIR domain-containing adaptor inducing IFN beta (TRIF) pathway. TLR4 agonist treatment reduced damage in steatotic liver grafts. When TLR4 action was inhibited, PPAR gamma antagonists did not protect steatotic liver grafts. In conclusion, TUDCA reduced PPAR gamma and this in turn up-regulated the TLR4 pathway, thus protecting steatotic liver grafts. TLR4 activating-based strategies could reduce the inherent risk of steatotic liver failure after transplantation.

Modulation of apoptosis by endogenously produced nitric oxide

Untersuchungen zur Expression der induzierbaren NO-Synthetase (NOS2) belegen eine häufige Expression dieses Enzyms in Tumoren unterschiedlicher Gewebe. Bislang ist jedoch ungeklärt, ob die Expression der NOS2 in Tumorzellen die apoptotische Eliminierung durch zytotoxische T-Zellen beeinflussen kann. In der vorliegenden Arbeit wurden die Folgen einer endogenen NO-Synthese auf die Apoptosesensitivität von HEK293-Zellen untersucht. Um primäre NO-Wirkungen von NO-induzierten, sekundären (kompensatorischen) Veränderungen zu trennen, wurde mit einem induzierbaren Vektorsystem gearbeitet. Die NOS2 wurde zunächst unter der Kontrolle eines Ecdyson-sensitiven Promoters in HEK293-Zellen kloniert. Es konnten regulierbare NOS2-Klone selektiert werden, die nach Ponasteronbehandlung dosisabhängig die NOS2 exprimieren und NO synthetisieren. Die NOS2-Expression wurde durch Western Blot Analyse und Immunfluoreszenzfärbung dargestellt und die NO-Produktion mit Hilfe der Griess-Reaktion gemessen. An den NOS2-induzierten Zellen wurde dann der Einfluss von NO auf die CD95-vermittelte Apoptose analysiert. Es zeigte sich nach Stimulation des CD95-Rezeptors eine deutliche Korrelation der Apoptoserate mit der NOS2-Expression. In Kokulturexperimenten mit Peptid-spezifischen zytotoxischen T-Zellen zeigte sich, dass NO-produzierende Zielzellen effektiver eliminiert werden konnten. Auch nach Behandlung der Zellen mit TRAIL ergab sich eine höhere Apoptoserate in NO-produzierenden Zellen. Die weitere Analyse der durch NO beeinflussten Signalwege ergab eine Beteiligung von ER-Stress-vermittelten Apoptosewegen. Dies zeigte sich an der Hochregulation des ER-Stress-Proteins Grp78 (BiP) nach NOS2-Expression und der Spaltung der am ER-lokalisierten Caspase-4. Darüber hinaus konnte der schnellere Verlust des mitochondrialen Membranpotentials in Abhängigkeit von der NOS2-Expression nachgewiesen werden. Weiterhin wurde die Wirkung einer dauerhaften NO-Exposition auf die Apoptosesensitivität der Zellen untersucht. Auch ohne zusätzliche CD95-Stimulation induzierte eine kontinuierliche NOS2-Expression nach wenigen Tagen in den EcR293-NOS2-Zellen Apoptose. Diese Dauerbehandlung führte zum nahezu vollständigen Absterben der Kulturen. Einige Zellen überlebten jedoch diese Behandlung und wuchsen zu Zellklonen. Diese NO-resistenten Klone konnten isoliert werden. Sie zeigten eine zusätzliche Resistenz für CD95-vermittelte Apoptosesignale und waren besser vor dem Angriff Peptid-spezifischer CTLs geschützt. Die Apoptoseresistenz blieb auch nach längerer Kultur erhalten und scheint auf NO-induzierter Genotoxizität zu beruhen. Anhand dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass allein durch chronische NO-Behandlung eine Selektion apoptoseresistenter Zellen stattfinden kann.

Modulation of hypoxia-inducible factors as a therapeutic target for multiple myeloma

Hypoxia-inducible factor-1 alpha (HIF-1α) plays a critical role in survival and is associated with poor prognosis in solid tumors. The role of HIF-1α in multiple myeloma is not completely known. In the present study, we explored the effect of EZN2968, an locked nucleic acid antisense oligonucleotide against HIF-1α, as a molecular target in MM. A panel of MM cell lines and primary samples from MM patients were cultured in vitro in the presence of EZN2968 . Under normoxia culture condition, HIF-1α mRNA and protein expression was detectable in all MM cell lines and in CD138+ cells from newly diagnosed MM patients samples. Significant up-regulation of HIF-1α protein expression was observed after incubation with IL6 or IGF-I, confirming that HIF-1α can be further induced by biological stimuli. EZN2968 efficiently induces a selective and stable down-modulation of HIF-1α and decreased the secretion of VEGF released by MM cell. Treatment with EZN2968 gave rise to a progressive accumulation of cells in the S and subG0 phase. The analysis of p21, a cyclin-dependent kinase inhibitors controlling cell cycle check point, shows upregulation of protein levels. These results suggest that HIF-1α inhibition is sufficient for cell cycle arrest in normoxia, and for inducing an apoptotic pathways.. In the presence of bone marrow microenvironment, HIF-1α inhibition blocks MAPK kinase pathway and secretion of pro-surviaval cytokines ( IL6,VEGF,IL8) In this study we provide evidence that HIF-1α, even in the absence of hypoxia signal, is expressed in MM plasma cells and further inducible by bone marrow milieu stimuli; moreover its inhibition is sufficient to induce a permanent cell cycle arrest. Our data support the hypothesis that HIF-1α inhibition may suppress tumor growth by preventing proliferation of plasma cells through p21 activation and blocking pro-survival stimuli from bone marrow microenvironment.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

Der enzymatische und anti-oxidative Mechanismus des anti-atherogenen Enzyms Paraoxonase-2

Das humane Enzym PON2 ist in eine Vielzahl pathophysiologischer Prozesse involviert und ist durch zwei Funktionen gekennzeichnet - eine enzymatische Laktonase-Aktivität und eine anti-oxidative Aktivität. Durch die Laktonase-Aktivität hydrolysiert PON2 vorwiegend das bakterielle Signalmolekül 3oxoC12. PON2 ist als Bestandteil des angeborenen Immunsystems anzusehen und trägt wahrscheinlich zur Immunabwehr gegen Infektionen mit den human-pathogenen Pseudomonas aeruginosa Bakterien bei. Durch die anti-oxidative Aktivität vermindert PON2 oxidative Schäden und verringert redox-abhängige pro-apoptotische Stimulation. Diese einzigartige Funktion von PON2 ist jedoch ambivalent zu betrachten, da hohe PON2-Spiegel zwar Arteriosklerose reduzieren können, aber im Verdacht stehen Tumorzellen zu stabilisieren.rnIn dieser Arbeit wurden die noch unbekannten Mechanismen und der Zusammenhang der enzymatischen und der anti-oxidativen Aktivität analysiert. In diesem Rahmen wurde gezeigt, dass PON2 spezifisch die Superoxidfreisetzung an Komplex I und III der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran reduzieren kann. PON2 veränderte dabei weder die Aktivitäten der Superoxiddismutasen noch die Cytochrom C-Expression. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass PON2 O2- nicht direkt abbaut, sondern vielmehr dessen Bildung verhindert. Diese Erkenntnisse implizieren, dass PON2 die anti-oxidative Aktivität über eine Beeinflussung des Quinon-Pools vermittelt. Anhand von verschiedenen Punktmutationen konnte gezeigt werden, dass die Histidinreste-114 und -133 für die Laktonase-Aktivität essentiell sind. Weiterhin wurden die Glykosylierungsstellen von PON2 identifiziert und gezeigt, dass die Glykosylierung, nicht aber der natürliche Polymorphismus Ser/Cys311 für die Laktonase-Aktivität von Bedeutung ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass keine dieser Mutationen die anti-oxidative Aktivität beeinflusste, wodurch erstmals die Unabhängigkeit der beiden Funktionen von PON2 gezeigt werden konnte. rnEs war bekannt, dass PON2 gegen intrinsische und ER-Stress-induzierte Apoptose schützt. Die Spezifität der anti-oxidativen / anti-apoptotischen Wirkung wurde hier an einem weiteren pathophysiologischen Modell untersucht. 7-Ketocholesterol (7-KC) ist der Hauptbestandteil des pro-arteriosklerotischen oxLDL und verursacht in Zellen des Gefäßsystems ER-Stress, oxidativen Stress und Apoptose. Unerwarteterweise konnte PON2 Endothelzellen nicht gegen den 7-KC-induzierten Zelltod schützen. Mehrere unabhängige experimentelle Ansätze belegen, dass 7-KC in Endothelzellen im Gegensatz zu Gefäßmuskelzellen den Zelltod über Autophagie und nicht über ER-Stress oder intrinsische Apoptose bewirkt. Weiterhin führt 7-KC, wie auch 3oxoC12 und Thapsigargin zu einem Abbau der PON2-mRNA, die über die 5’UTR der PON2-mRNA vermittelt wird. Diese Arbeit vermittelt detaillierte mechanistische Einsichten in die Funktionen von PON2, die für ihre Rolle bei Arteriosklerose, in der körpereigenen Immunabwehr und bei Krebs entscheidend sind.rn

Aktivierung von c-Jun-N-terminalen Kinasen (SAPK,JNK) als Teil der späten Cisplatin abhängigen DNA-Schadensantwort

Stress-aktivierte-Protein-Kinasen (c-Jun-N-terminal kinases) SAPK/JNK werden sehr schnell nach Exposition von Zellen mit verschiedensten Noxen, wie beispielsweise Genotoxinen, aktiviert. Sie sind allerdings noch nicht als Teil der DNA-Schadensantwort etabliert. In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, das SAPK/JNK einen wichtigen Teil innerhalb der DNA-Schadensantwort spielen. Aus diesem Grund wurde zu frühen (z.B.: 4 h) als auch zu späten Zeiten (z.B.: 24 h) die Bildung von DNA-Addukten nach Cisplatin Exposition untersucht und überprüft, ob diese mit dem Aktivierungsstatus der SAPK/JNK nach Cisplatinbehandlung korreliert. Menschliche Fibroblasten, die einen Defekt in der Transkription gekoppelten Nukleotid-Exzisionsreparatur (TC-NER) aufwiesen, wie beispielsweise CSB-Zellen (Cockayne Syndrom B) oder XPA-Zellen (Xeroderma Pigmentosum A), sind charakterisiert durch einen erhöhten Phosphorylierungsstatus der SAPK/JNK, 16 h nach Cisplatingabe, im Vergleich zu normalen Wildtyp-Fibroblasten. Die nach Cisplatin Exposition beobachtete Aktivierung der SAPK/JNK ist quantitativ jedoch nicht vergleichbar mit dem Level an gebildeten Cisplatin-DNA-Addukten, wie in den Southwestern- und Massenspektrometrischen Untersuchungen gezeigt werden konnte. Es konnten jedoch Parallelen zwischen der Aktivierung der SAPK/JNK, sowie den gezeigten γ-H2AX-Foci als auch der Aktivierung von Check-Point Kinasen gefunden werden. Dies lässt darauf schließen, dass DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) an der späten Aktivierung des SAPK/JNK Signalweges beteiligt sind. Dementsprechend lässt sich ebenfalls in Zellen, die einen Defekt in der Reparatur von Doppelstrangsbrüchen aufweisen, wie beispielsweise DNA-PKcs Zellen, eine erhöhte, durch Cisplatin hervorgerufene späte Phosphorylierung der SAPK/JNK als auch eine vermehrte γ-H2AX-Foci Bildung und Check-Point Kinasen Aktivierung nachweisen. Vergleichend dazu zeigten Zellen mit einem Defekt in ATM (Ataxia telegiectasia mutated protein) oder XPC keine erhöhte Phosphorylierung zu späten Zeiten nach Cisplatin Behandlung. Weiterhin bleibt festzuhalten, dass die späte, durch Cisplatin hervorgerufene Schadensantwort unabhängig von p53, ER-Stress oder MKP-1 ist. Die SAPK/JNK Aktivierung nach Cisplatin Exposition erfordert funktionsfähige Rho-GTPasen und kann durch pharmakologische Hemmung der Tyrosin-Kinasen und durch N-Acetylcystein gehemmt werden. Es lässt sich zusammenfassend sagen, dass die durch Cisplatin induzierte späte SAPK/JNK Aktivierung durch die Formation von DSB initiiert wird und XPC, Rho-Proteine sowie Tyrosin Kinasen an der Signalweiterleitung beteiligt sind.

Chaperone BiP: Master regulator of the unfolded protein response (UPR) and its role in regulation of angiogenesis

Verschiedene Krankheiten gehen mit einer fehlerhaften Vaskularisierung einher. Allerdings ist der Erfolg der derzeitig vorhandenen Therapieansätze, die sich z.B. auf VEGF fokussieren, beschränkt. Aus diesem Grund ist es wichtig, neue Strategien zur Regulation der Angiogenese zu entwickeln. Hierbei stehen neue Signaltransduktions-wege im Fokus, die sich als vielversprechend erweisen, um Angiogenese zu fördern oder zu inhibieren. Die Blutgefäßneubildung ist ein hochregulierter Prozess, der mit einer hohen Proteinsyntheserate verknüpft ist. Die Angiogenese wurde bereits mit dem ER-Stress Signaltransduktionsweg, der Unfolded Protein Response (UPR), in Verbindung gebracht (Zeng et al., 2013; Bouvier et al., 2012). Eine im Rahmen der vorliegenden Studie durchgeführte histologische Untersuchung konnte eine Fehlregulierung der Expression von UPR beteiligten Proteinen in vivo unter pathologischen Bedingungen gezeigt werden. Bemerkenswerter Weise war BiP, der Hauptsensor der UPR, in Endothelzellen von Angiosarkomen sehr stark exprimiert. In in vitro Experimenten wurde gezeigt, dass das Herunterregulieren von BiP mittels RNAi Einfluss auf die inflammatorische Antwort und die Bildung angiogener Strukturen in Endothelzellen nimmt. Das Herunterregulieren des Proteins BiP verstärkte die inflammatorische Antwort von HUVEC, was sich in einer gesteigerten Bildung von IL-8 und ICAM-1 äußerte und wurde auf die Aktivierung der UPR durch die verringerte Menge an BiP zurückgeführt. Der Phänotyp BiP-herunterregulierter Zellen entsprach dem untransfizierter Zellen, welcher durch das Cytoskelett und die Expression des endothelspezifischen Markers CD31 charakterisiert wurde. Im Gegensatz dazu änderte sich der Grad der Glykosylierung in transfizierten Zellen. Im Hinblick auf die Blutgefäßbildung, zeigten sich eine gehemmte Migration und eine inhibierte Bildung Gefäß-ähnlicher Strukturen in BiP-herunterregulierten Zellen. In diesen Zellen war die Expression von KDR auffallend stark inhibiert, wohingegen die Flt-1 Expression sich als gleichbleibend herausstellte, was ebenfalls auf die Aktivierung der UPR zurückgeführt werden konnte. Alternativ wäre der reduzierte Level des Proteins BiP im Hinblick auf die Funktion als Helferenzym in der Proteinfaltung eine mögliche Erklärung für die gehemmte Expression von KDR. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass stabile Spiegel von BiP die Regulierung der Angiogenese durch die Kontrolle der UPR in physiologischen Prozessen unterstützen könnte. Eine Fehlregulierung von BiP durch Unterdrückung der UPR, wie z.B. in malignen Tumoren, könnte Tumorzellen und beteiligten Endothelzellen einen Vorteil verschaffen und zu einer gestörten Vaskularisierung führen. Somit stellt das Stresssensorprotein BiP und die UPR einen potentiellen Angriffspunkt für die Regulation der Angiogenese dar.

Unfolded protein response suppresses CEBPA by induction of calreticulin in acute myeloid leukaemia

The unfolded protein response (UPR) is triggered by the accumulation of misfolded proteins within the endoplasmic reticulum (ER). The role of the UPR during leukemogenesis is unknown so far. Here, we studied the induction of mediators of the UPR in leukaemic cells of AML patients. Increased expression of the spliced variant of the X-box binding protein 1 (XBP1s) was detected in 17.4% (16 of 92) of AML patients. Consistent with activated UPR, this group also had increased expression of ER-resident chaperones such as the 78 kD glucose-regulated protein (GRP78) and of calreticulin. Conditional expression of calreticulin in leukaemic U937 cells was found to increase calreticulin binding to the CEBPA mRNA thereby efficiently blocking translation of the myeloid key transcription factor CEBPA and ultimately affecting myeloid differentiation. Consequently, leukaemic cells from AML patients with activated UPR and thus increased calreticulin levels showed in fact suppressed CEBPA protein expression. We identified two functional ER stress response elements (ERSE) in the calreticulin promoter. The presence of NFY and ATF6, as well as an intact binding site for YY1 within these ERSE motifs were essential for mediating sensitivity to ER stress and activation of calreticulin. Thus, we propose a model of the UPR being activated in a considerable subset of AML patients through induction of calreticulin along the ATF6 pathway, thereby ultimately suppressing CEBPA translation and contributing to the block in myeloid differentiation.

Protein disulfide isomerase blocks CEBPA translation and is up-regulated during the unfolded protein response in AML

Deregulation of the myeloid key transcription factor CEBPA is a common event in acute myeloid leukemia (AML). We previously reported that the chaperone calreticulin is activated in subgroups of AML patients and that calreticulin binds to the stem loop region of the CEBPA mRNA, thereby blocking CEBPA translation. In this study, we screened for additional CEBPA mRNA binding proteins and we identified protein disulfide isomerase (PDI), an endoplasmic reticulum (ER) resident protein, to bind to the CEBPA mRNA stem loop region. We found that forced PDI expression in myeloid leukemic cells in fact blocked CEBPA translation, but not transcription, whereas abolishing PDI function restored CEBPA protein. In addition, PDI protein displayed direct physical interaction with calreticulin. Induction of ER stress in leukemic HL60 and U937 cells activated PDI expression, thereby decreasing CEBPA protein levels. Finally, leukemic cells from 25.4% of all AML patients displayed activation of the unfolded protein response as a marker for ER stress, and these patients also expressed significantly higher PDI levels. Our results indicate a novel role of PDI as a member of the ER stress-associated complex mediating blocked CEBPA translation and thereby suppressing myeloid differentiation in AML patients with activated unfolded protein response (UPR).

Site-1 protease is essential for endochondral bone formation in mice

Site-1 protease (S1P) has an essential function in the conversion of latent, membrane-bound transcription factors to their free, active form. In mammals, abundant expression of S1P in chondrocytes suggests an involvement in chondrocyte function. To determine the requirement of S1P in cartilage and bone development, we have created cartilage-specific S1P knockout mice (S1P(cko)). S1P(cko) mice exhibit chondrodysplasia and a complete lack of endochondral ossification even though Runx2 expression, Indian hedgehog signaling, and osteoblastogenesis is intact. However, there is a substantial increase in chondrocyte apoptosis in the cartilage of S1P(cko) mice. Extraction of type II collagen is substantially lower from S1P(cko) cartilage. In S1P(cko) mice, the collagen network is disorganized and collagen becomes entrapped in chondrocytes. Ultrastructural analysis reveals that the endoplasmic reticulum (ER) in S1P(cko) chondrocytes is engorged and fragmented in a manner characteristic of severe ER stress. These data suggest that S1P activity is necessary for a specialized ER stress response required by chondrocytes for the genesis of normal cartilage and thus endochondral ossification.

RNAi reduces expression and intracellular retention of mutant cartilage oligomeric matrix protein.

Mutations in cartilage oligomeric matrix protein (COMP), a large extracellular glycoprotein expressed in musculoskeletal tissues, cause two skeletal dysplasias, pseudoachondroplasia and multiple epiphyseal dysplasia. These mutations lead to massive intracellular retention of COMP, chondrocyte death and loss of growth plate chondrocytes that are necessary for linear growth. In contrast, COMP null mice have only minor growth plate abnormalities, normal growth and longevity. This suggests that reducing mutant and wild-type COMP expression in chondrocytes may prevent the toxic cellular phenotype causing the skeletal dysplasias. We tested this hypothesis using RNA interference to reduce steady state levels of COMP mRNA. A panel of shRNAs directed against COMP was tested. One shRNA (3B) reduced endogenous and recombinant COMP mRNA dramatically, regardless of expression levels. The activity of the shRNA against COMP mRNA was maintained for up to 10 weeks. We also demonstrate that this treatment reduced ER stress. Moreover, we show that reducing steady state levels of COMP mRNA alleviates intracellular retention of other extracellular matrix proteins associated with the pseudoachondroplasia cellular pathology. These findings are a proof of principle and the foundation for the development of a therapeutic intervention based on reduction of COMP expression.

Neuroprotection through excitability and mTOR required in ALS motoneurons to delay disease and extend survival.

Delaying clinical disease onset would greatly reduce neurodegenerative disease burden, but the mechanisms influencing early preclinical progression are poorly understood. Here, we show that in mouse models of familial motoneuron (MN) disease, SOD1 mutants specifically render vulnerable MNs dependent on endogenous neuroprotection signaling involving excitability and mammalian target of rapamycin (mTOR). The most vulnerable low-excitability FF MNs already exhibited evidence of pathology and endogenous neuroprotection recruitment early postnatally. Enhancing MN excitability promoted MN neuroprotection and reversed misfolded SOD1 (misfSOD1) accumulation and MN pathology, whereas reducing MN excitability augmented misfSOD1 accumulation and accelerated disease. Inhibiting metabotropic cholinergic signaling onto MNs reduced ER stress, but enhanced misfSOD1 accumulation and prevented mTOR activation in alpha-MNs. Modulating excitability and/or alpha-MN mTOR activity had comparable effects on the progression rates of motor dysfunction, denervation, and death. Therefore, excitability and mTOR are key endogenous neuroprotection mechanisms in motoneurons to counteract clinically important disease progression in ALS.

Multiple programmed cell death pathways are involved in N-methyl-N-nitrosourea-induced photoreceptor degeneration.

PURPOSE: To identify programmed cell death (PCD) pathways involved in N-methyl-N-nitrosourea (MNU)-induced photoreceptor (PR) degeneration. METHODS: Adult C57BL/6 mice received a single MNU i.p. injection (60 mg/kg bodyweight), and were observed over a period of 7 days. Degeneration was visualized by H&E overview staining and electron microscopy. PR cell death was measured by quantifying TUNEL-positive cells in the outer nuclear layer (ONL). Activity measurements of key PCD enzymes (calpain, caspases) were used to identify the involved cell death pathways. Furthermore, the expression level of C/EBP homologous protein (CHOP) and glucose-regulated protein 78 (GRP78), key players in endoplasmic reticulum (ER) stress-induced apoptosis, was analyzed using quantitative real-time PCR. RESULTS: A decrease in ONL thickness and the appearance of apoptotic PR nuclei could be detected beginning 3 days post-injection (PI). This was accompanied by an increase of TUNEL-positive cells. Significant upregulation of activated caspases (3, 9, 12) was found at different time periods after MNU injection. Additionally, several other players of nonconventional PCD pathways were also upregulated. Consequently, calpain activity increased in the ONL, with a maximum on day 7 PI and an upregulation of CHOP and GRP78 expression beginning on day 1 PI was found. CONCLUSIONS: The data indicate that regular apoptosis is the major cause of MNU-induced PR cell death. However, alternative PCD pathways, including ER stress and calpain activation, are also involved. Knowledge about the mechanisms involved in this mouse model of PR degeneration could facilitate the design of putative combinatory therapeutic approaches.

Molecular Consequences of the SERPINH1/HSP47 Mutation in the Dachshund Natural Model of Osteogenesis Imperfecta.

Osteogenesis imperfecta (OI) is a heritable connective tissue disease characterized by bone fragility and increased risk of fractures. Up to now, mutations in at least 18 genes have been associated with dominant and recessive forms of OI that affect the production or post-translational processing of procollagen or alter bone homeostasis. Among those, SERPINH1 encoding heat shock protein 47 (HSP47), a chaperone exclusive for collagen folding in the ER, was identified to cause a severe form of OI in dachshunds (L326P) as well as in humans (one single case with a L78P mutation). To elucidate the disease mechanism underlying OI in the dog model, we applied a range of biochemical assays to mutant and control skin fibroblasts as well as on bone samples. These experiments revealed that type I collagen synthesized by mutant cells had decreased electrophoretic mobility. Procollagen was retained intracellularly with concomitant dilation of ER cisternae and activation of the ER stress response markers GRP78 and phospho-eIF2α, thus suggesting a defect in procollagen processing. In line with the migration shift detected on SDS-PAGE of cell culture collagen, extracts of bone collagen from the OI dog showed a similar mobility shift, and on tandem mass spectrometry, the chains were post-translationally overmodified. The bone collagen had a higher content of pyridinoline than control dog bone. We conclude that the SERPINH1 mutation in this naturally occurring model of OI impairs how HSP47 acts as a chaperone in the ER. This results in abnormal post-translational modification and cross-linking of the bone collagen.

The effects of proteasome inhibition in chronic lymphocytic leukemia and prostate cancer

The use of proteasome inhibitors in cancer has received much attention with the recent FDA approval of bortezomib (Velcade/PS-341). However, in the chronic lymphocytic leukemia (CLL) clinical trial, bortezomib was not as effective as it was in vitro. Accordingly, results in prostate cancer were not remarkable, although regression of lymphadenopathy was observed. This response was also seen in CLL. ^ The proteasome degrades ∼80% of intracellular proteins. Although specific pathways affected by proteasome inhibitors are known, there are still unidentified mechanisms by which they induce apoptosis. The efficacy and mechanism of action of the reversible proteasome inhibitor bortezomib were compared to the novel irreversible inhibitor NPI-0052 in this study, and their mechanisms of action in CLL and prostate cancer were examined. ^ NPI-0052 inhibited proteasome activity and induced apoptosis with more rapid kinetics than bortezomib in CLL. Inhibition of proteasome activity with NPI-0052 was also more durable. Interestingly, bortezomib is cleared from the serum within 15min, which is insufficient time for bortezomib to effectively inhibit the proteasome. However, only 5min exposure was needed for NPI-0052 to produce maximal proteasome inhibition. The data suggest that bortezomib's slow kinetics and reversible nature limit its potential in vivo and the use of NPI-0052 should be considered. ^ In examining the mechanism(s) by which bortezomib and NPI-0052 induce apoptosis in CLL, both were found to elicit the ER stress pathway. A stromal cell co-culture system prevented apoptosis induced by both proteasome inhibitors, suggesting that if such factors in vivo were responsible for reducing bortezomib's efficacy, NPI-0052 would not prove useful either. Finally, Lyn, a Src family kinase (SFK), was decreased in response to bortezomib and NPI-0052 and correlated with apoptosis induction in CLL and prostate cancer. Both proteasome inhibitors specifically targeted Lyn rather than SFKs in general. ^ SFKs are overexpressed in cancer and involved in cell signaling, survival, and metastasis. In prostate cancer cells, both proteasome inhibition and Lyn-silencing significantly inhibited migration. Preliminary evidence also suggested that Lyn downregulation decreases invasion potential. Together, these data suggest that proteasome inhibitors are potential candidates for anti-metastasic therapy and further investigation is warranted for the use of Lyn-targeted therapy to treat metastases. ^