Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

Der Einfluss einer wildtypischen SOD1-Untereinheit auf Konformation und Stabilität mutanter SOD1-Heterodimere

Die Erkrankung Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist gekennzeichnet durch eine progressive Degeneration der Motoneurone. Die hierdurch im Patienten hervorgerufene fortschreitende Paralyse kann von wenigen Wochen über Monate bis zu mehreren Jahren variieren. Im Durchschnitt beträgt die Krankheitsdauer 3 - 5 Jahre. Häufig führt respiratorische Insuffizienz letztendlich zum Tod des Patienten. ALS ist bis heute unheilbar. Etwa 10 % aller ALS Fälle zeigen einen familiären Hintergrund. Hiervon werden ~20 % durch Mutationen im Gen des antioxidativen Enzyms CuZnSuperoxiddismutase (SOD1) verursacht. Mehr als 150 Mutationen im Gen der SOD1 wurden bisher als Auslöser der ALS beschrieben. Durch die Mutation erlangen SOD1 Proteine zusätzliche, bisher jedoch unbekannte toxische Eigenschaften. Ein dismutaseaktives SOD1 Enzym setzt sich aus zwei SOD1 Untereinheiten zusammen. Aufgrund der autosomal dominanten Vererbung der Krankheit kann ein SOD1 Dimer im Patienten als wildtypisches Homodimer (SOD1WT‑WT), als mutantes Homodimer (SOD1mut‑mut) oder als Heterodimer (SOD1mut-WT) vorliegen. In dieser Arbeit wurden SOD1 Dimere untersucht, deren Untereinheiten kovalent miteinander verbunden waren. Es konnte gezeigt werden, dass sich die biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften mutanter SOD1 Heterodimere von mutanten SOD1 Homodimeren mit der gleichen Mutation unterschieden. Mutante SOD1 Heterodimere wiesen eine höhere Resistenz gegen einen Abbau durch Proteinase K auf als ihre korrespondierenden Homodimere. Des Weiteren verminderte eine wildtypische Untereinheit die Interaktion der Heterodimere mit Antikörpern gegen fehlgefaltete SOD1. Die Sekundärstruktur der mutanten SOD1 Heterodimere unterschied sich hierbei nicht auffällig von der Sekundärstruktur ihrer zugehörigen Homodimere. Eine wildtypische Untereinheit verändert somit möglicherweise die Tertiärstruktur seiner kovalent gebundenen mutanten SOD1 Untereinheit und/oder die Konformation des gesamten Dimerproteins. Durch die Mutation bedingte Missfaltungen werden hierdurch reduziert, die Stabilität des Dimers gegenüber proteolytischem Abbau erhöht. Nach der Aufreinigung der Dimerproteine wies das mutanten SOD1 Heterodimer diese Eigenschaften nicht mehr auf. Ein potentieller Interaktionspartner, der eine verminderte Fehlfaltung des Heterodimers oder eine verstärkte Missfaltung des Homodimers fördert, könnte hierbei während der Aufreinigungsprozedur verlorengegangen sein. Die hier nachgewiesene Konformationsänderung könnte über einen Prionen-ähnlichen Effekt übertragen werden und die erhöhte Stabilität das mutante, toxische Protein vor Degradation schützen. Dies korreliert mit der Beobachtung früherer Studien, in denen nachgewiesen wurde, dass mutante SOD1 Heterodimere potentiell toxischer sind als ihre korrespondierenden Homodimere.

Effects of maternal PETN treatment of spontaneously hypertensive rats on blood pressure in the offspring

Pentaerithrityltetranitrat (PETN) ist ein organisches Nitrat und wird in der Klinik zur Behandlung der Angina Pectoris eingesetzt. PETN hat, wenn direkt verabreicht, kaum Wirkung auf den Blutdruck. Diese Arbeit wurde konzipiert, um einen potentiellen „perinatalen Programmierung“-Effekt von PETN in spontan-hypertensiven Ratten (SHR), einem Rattenmodel der genetischen Hypertonie, zu testen. Die F0-Elterntiere wurden mit PETN (50 mg/kg/Tag) während der Schwangerschaft und der Laktation behandelt; die F1-Nachkommen bekamen nach der Ablaktation normales Haltungsfutter. Der Blutdruck wurde an den Nachkommen vom 3. Monat bis zum 8. Monat nach der Geburt gemessen. Maternale PETN-Behandlung hatte kaum Wirkung auf den Blutdruck in den männlichen SHR-Nachkommen. Dagegen zeigten die weiblichen Nachkommen der PETN-Behandlungsgruppe eine persistente Reduktion des Blutdrucks. Der systolische Blutdruck war in den weiblichen Nachkommen in der PETN-Gruppe etwa 13 mmHg niedriger im 4. Monat und etwa 10 mmHg niedriger im 8. Monat als in den Kontrolltieren. Dieser lang-anhaltende Effekt ging mit einer substanziellen Änderung der Genexpression einher, die auch beim 8. Monat noch nachzuweisen war. In den Aorten der weiblichen F1-Nachkommen wurde Veränderungen an Genexpression der α-adrenergen Rezeptoren sowie Endothelin-Rezeptoren festgestellt, die aber funktionell von minimaler Bedeutung für die PETN-Wirkung waren. Hingegen war eine klare Rolle des StickstoffmoNOXid (NO) zu sehen. Maternale PETN-Behandlung führte zur Heraufregulation der endothelialen NO-Synthase (eNOS) und der GTP-Cyclohydrolase I (GCH-1). GCH-1 ist für die Biosynthese des Tetrahydrobiopterins, eines essentiellen eNOS-Kofaktors, entscheidend, und dadurch auch für die eNOS-Funktionalität. Zusätzlich wurden auch anti-oxidative Enzyme wie die mitochondriale Superoxid-Dismutase (SOD2), die Glutathion-Peroxidase 1 (GPx1) und die Hem-Oxygenase 1 (HO-1) heraufreguliert, und die Superoxid-produzierende NADPH-Oxidase NOX1 herunterreguliert. Dies kann zur Verminderung vom oxidativen Stress und Erhöhung der NO-Bioverfügbarkeit führen. Letztlich wurde auch ~ 74 ~ die Sirtuin 1 (SIRT1) durch maternale PETN-Behandlung heraufreguliert, die auch zur Heraufregulation der SOD2, GPx1 und eNOS beitragen kann. Im Organbad-Experiment wurde die Acetylcholin-induzierte, Endothel-abhängige Vasodilatation in der Aorta der weiblichen Nachkommen der PETN-Gruppe verstärkt. Diese verbesserte Endothelfunktion, was vermutlich aus der Genexpressionsänderung resultiert, stellt sehr wahrscheinlich einen Schlüsselmechanismus der Blutdrucksenkung in den Nachkommen der PETN-behandelten F0-Tiere dar.

Die Rolle der IFN-gamma Signalübertragung und von MyD88 in der Angiotensin-II-induzierten vaskulären Dysfunkion, Inflammation und arteriellen Hypertonie

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von myelomonozytären Zellen, IFN-gamma (Interferon gamma), MyD88 (myeloid differentiation factor 88) und zugrundeliegenden Signalwege in der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Inflammation, Dysfunktion und arteriellen Hypertonie untersucht. Wie bereits veröffentlichte Vordaten aus meiner Arbeitsgruppe zeigten, schützt die Depletion von Lysozym M (LysM)+ myelomonozytären Zellen (Diphteriatoxin-vermittelt in Mäusen, die transgen für den humanen Diphtheriatoxin-Rezeptor sind, LysMiDTR Mäuse) vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und arterieller Hypertonie, und kann durch adoptiven Zelltransfer von Wildtyp Monozyten wiederhergestellt werden. In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass die Rekonstitution von Monozyten-depletierten LysMiDTR Mäusen mit Wildtyp Monozyten den Phänotyp der vaskulären Dysfunktion wiederherstellen kann, die Rekonstitution mit gp91phox-/y oder Agtr1-/- Monozyten jedoch nicht. Die Hypertonus-mediierenden Effekte dieser infiltrierenden Monozyten scheinen demnach von der intakten ATII und NADPH Oxidase Signalübertragung in diesen Zellen abhängig zu sein. Vermutlich ebenfalls für die Aktivierung der Monozyten funktionell wichtig sind IFN-gamma, produziert durch NK-Zellen, und der Transkriptionsfaktor T-bet (T-box expressed in T cells), exprimiert von NK-Zellen und Monozyten. IFN-gamma-/- Mäuse waren partiell geschützt vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und charakterisiert durch reduzierte Level an Superoxid im Gefäß im Vergleich zu ATII-infundierten Wildtyp Mäusen. IFN-gamma-/- und T-bet defiziente Tbx21-/- Mäuse zeichneten sich ferner durch eine reduzierte ATII-mediierte Rekrutierung von NK1.1+ NK-Zellen, als ein Hautproduzent von IFN-gamma, sowie CD11b+GR-1low Interleukin-12 (IL-12) kompetenten Monozyten aus. Durch Depletions- und adoptive Transferexperimente konnte ich in dieser Arbeit NK-Zellen als essentielle Mitstreiter in der vaskulären Dysfunktion identifizieren und stellte fest, dass T-bet+LysM+ myelomonozytäre Zellen für die NK-Zellrekrutierung in die Gefäßwand und lokale IFN-gamma Produktion benötigt werden. Damit wurde erstmals NK-Zellen eine essentielle Rolle in der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion zugeschrieben. Außerdem wurde der T-bet-IFN-gamma Signalweg und die gegenseitige Monozyten-NK-Zellaktivierung als ein potentielles therapeutisches Ziel in kardiovaskulären Erkrankungen aufgedeckt. Des Weiteren identifizierte ich in meiner Arbeit MyD88 als ein zentrales Signalmolekül in der ATII-getriebenen Inflammation und vaskulären Gefäßschädigung. MyD88 Defizienz reduzierte den ATII-induzierten Anstieg des systolischen Blutdrucks und die endotheliale und glattmuskuläre vaskuläre Dysfunktion. Zusätzlich waren die vaskuläre Superoxid-Bildung sowie die Expressionslevel der NADPH Oxidase, der wichtigsten Quelle für oxidativem Stress im Gefäß, in ATII-infundierten MyD88-/- Mäusen im Vergleich zum Wildtyp reduziert. Mit Hilfe von durchflusszytometrischen Analysen deckte ich zudem auf, dass die ATII-induzierte Einwanderung von CD45+ Leukozyten, insbesondere CD11b+Ly6G-Ly6Chigh inflammatorischen Monozyten in MyD88-/- Mäusen signifikant abgeschwächt war. Diese Resultate wurden durch immunhistochemische Untersuchung von Aortengewebe auf CD68+, F4/80+ und Nox2+ Makrophagen/Phagozyten sowie Expressionsanalysen von Inflammationsmarkern untermauert. Analysen der mRNA Expression in Aortengewebe zeigten ferner eine in Wildtyp Mäusen nach ATII Infusion tendenziell gesteigerte Expression von inflammatorischen Monozytenmakern sowie eine abnehmende Expression von reparativen Monozytenmarken, während dieser Shift zu einem proinflammatorsichen Phänotyp in MyD88-/- blockiert zu sein schien. Dies zeigt eine Rolle von MyD88 in der terminalen Differenzierung von myelomonozytären Zellen an. Um dies weitergehend zu untersuchen und aufzudecken, ob die MyD88 Effekte abhängig sind von Zellen der hämatopoetischen Linie oder Gewebszellen, wurden Knochenmarktransferexperimente durchgeführt. MyD88 Defizienz in Knochenmark-abstammende Zellen reduzierte die ATII-induzierte vaskuläre Dysfunktion und Infiltration der Gefäßwand mit CD45+ Leukozyten und inflammatorischen myelomonozytären Zellen. Die protektiven Effekte der MyD88 Defizienz in der Angiotensin II-induzierten Inflammation konnten nicht auf Signalwege über die Toll-like Rezeptoren TLR2, -7 oder -9 zurückgeführt werden, wie die Untersuchung der vaskulären Reaktivität entsprechender Knockout Mäuse zeigte. Zusammenfassend konnte ich in meiner Arbeit zeigen, dass die Infiltration der Gefäßwand mit Nox2+AT1R+T-bet+MyD88+ myelomonozytären Zellen und die Wechselwirkung und gegenseitige Aktivierung dieser Zellen mit IFN-gamma produzierenden NK-Zellen eine zentrale Bedeutung in der Pathogenese der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Dysfunktion, Inflammation und arteriellen Hypertonie einnehmen.

Blood-CNS barriers in neurodegenerative diseases

The blood-brain barrier (BBB) and the blood-spinal cord barrier (BSCB) separate the brain and the spinal cord from the circulating blood and are important for the maintenance of the CNS homeostasis. They build a physical barrier thereby protecting the CNS from pathogens and toxic agents, and their disruption plays a crucial role in the pathogenesis of several CNS disorders. In this thesis, the blood-CNS-barriers were studied via in vitro models in two case studies for neurodegenerative disorders, in particular Alzheimer’s disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The first model evaluates treatment possibilities of AD using nanotechnology-based strategies. Since the toxic amyloid-β42 (Aβ42) peptide plays a crucial role in the pathogenesis of AD, reduced generation or enhanced clearance of Aβ42 peptides are expected to modify the disease course in AD. Therefore, several Aβ42-lowering drugs like flurbiprofen had been tested in clinical trials, but most of them failed due to their low brain penetration. Here, flurbiprofen was embedded in polylactide (PLA) nanoparticles and its transport was examined in an in vitro BBB model. The embedding of flurbiprofen into the nanoparticles disguised its cytotoxic potential and enabled the administration of higher drug concentrations which resulted in a sufficient transport of the drug across an endothelial cell monolayer. These results demonstrate that non-permeable drugs can be transported efficiently via nanoparticles and that these nanotechnology-based strategies are a promising tool to generate novel therapeutic options for AD and other CNS diseases. rnThe focus of the second project was to investigate the impaired integrity of the BSCB in a mouse model for ALS. About 20% of all familial ALS cases are associated with missense mutations or small deletions in the gene that encodes Cu/Zn-superoxide dismutase 1 (SOD1). To date, the molecular mechanisms resulting in ALS are still unknown, but there is evidence that the disruption of the BSCB is one of the primary pathological events. In both familial and sporadic ALS patients, loss of endothelial integrity and endothelial cell damage was observed, and studies with SOD1 transgenic mice demonstrated that the BSCB disruption was found prior to motor neuron degeneration and neurovascular inflammation. Thus, an in vitro model for ALS endothelial cells was generated which exhibited comparable integrity characteristics and tight junction (TJ) protein expression profiles as isolated primary endothelial cells of the BSCB of SOD1 transgenic mice. In this, an alteration of the βcat/AKT/FoxO1 pathway, which regulates the expression of the TJ protein claudin-5, could be observed. These data furthermore indicate that ALS is a neurovascular disease, and understanding of the primary events in ALS pathogenesis will hopefully provide ideas for the development of new therapeutic strategies. rn

Untersuchung zur endogenen Bildung von oxidativen DNA-Schäden in vivo und in vitro

In dieser Arbeit sollte der Einfluss einer Überproduktion von humaner Superoxiddismutase 1 (hSOD1) auf die Spiegel der DNA-Schäden in verschiedenen Geweben von transgenen Mäusen untersucht werden. Tiere die eine Defizienz des Ogg1- und Csb- Proteins aufweisen und deshalb oxidative Purinmodifikationen nicht oder nur schwer reparieren können, akkumulieren 8-oxoG im Laufe ihres Lebens (Osterod, et al. 2001). Aus diesem Grund sind diese ein gutes Modell, um protektive Eigenschaften von Antioxidantien wie z.B. Substanzen oder Enzymen zu untersuchen. Fusser, et al. 2011 konnten beispielsweise zeigen, dass das pflanzliche Polyphenol Resveratrol die endogenen Spiegel an 8-oxoG sowie die spontanen Mutatiosraten im Lac I - Gen senken kann. Um den Einfluss von hSOD1 in vivo zu untersuchen, wurden in zwei Zuchtschritten 4 Mausgenotypen generiert, nämlich (Csb -/- Ogg1 -/- und Csb +/- Ogg1 +/- Mäuse jeweils mit ohne hSOD1 Überexpression). Diese wurden in verschiedenen Altersstufen auf die Basalspiegel an oxidativen Schäden (Einzelstrangbrüche und Fpg-sensitive Läsionen) in der Leber, der Niere und der Milz untersucht. Die Genotypen wurden zunächst charakterisiert und die hSOD1-Überexpression mittels qRT-PCR, Western Blot und Enzymaktivitätsbestimmung verifiziert. Es konnte an diesen Tieren erstmalig gezeigt werden, dass SOD die Generierung von DNA-Schäden in vivo mit zunehmendem Alter der Tiere senkt und dass deshalb Superoxid eine der reaktiven Sauerstoffspezies ist, die unter physiologischen Bedingungen für die DNA-Schäden verantwortlich ist. Außerdem kann ein möglicher toxischer Effekt der Überproduktion von SOD ausgeschlossen werden. Erhöhte Spiegel an oxidativen DNA-Schäden durch womöglich erhöhte Spiegel an H2O2 konnten in dieser Studie nicht beobachtet werden. Eine Messung der Genexpression anderer antioxidativer Enzyme wie Katalase, SOD2 und SOD3, GPX oder HO1 sind an diesem Effekt nicht beteiligt. Auch konnte kein Einfluss des redoxsensitiven Transkriptionsfaktors Nrf2 gezeigt werden. rnUm mögliche Quellen der für die oxidativ gebildeten DNA-Schäden verantwortlichen ROS zu identifizieren, wurde der Einfluss des Dopaminstoffwechsels untersucht. Während des Dopaminmetabolismus werden intrazellulär Reaktive Sauerstoffspezies (H2O2 und O2.-) gebildet und tragen sehr wahrscheinlich zur Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson bei. In dem gängigen Parkinson-Zellkulturmodell SH-SY5Y konnte keine Erhöhung von oxidativen Schäden in nukleärer DNA nach Dopaminbehandlung nachgewiesen werden. Eine Überexpression der Dopaminmetabolisierenden Enzyme MAO-A und MAO-B zeigen bei niedrigen Dosen Dopamin eine leichte jedoch nicht signifikante Erhöhung der Fpg-sensitiven Modifikationen. Die Überproduktion des Dopamintransporters zeigte keinen Effekt nach Dopaminzugabe. Es kann geschlussfolgert werden, dass durch erhöhte MAO-A und MAO-B endogen ROS gebildet werden, die die Bildung Fpg-sensitiver Läsionen hervorrufen. Bei hohen Dosen und langer Inkubationszeit steht die Dopaminautoxidation, anschließende Neuromelaninbildung und als Konsequenz Apoptose im Vordergrund.rn

Paracrine factors secreted by endothelial progenitor cells prevent oxidative stress-induced apoptosis of mature endothelial cells

Endothelial progenitor cells (EPC) play a fundamental role in tissue regeneration and vascular repair. Current research suggests that EPC are more resistant to oxidative stress as compared to differentiated endothelial cells. Here we hypothesized that EPC not only possess the ability to protect themselves against oxidative stress but also confer this protection upon differentiated endothelial cells by release of paracrine factors. To test this hypothesis, HUVEC incubated with conditioned medium obtained from early EPC cultures (EPC-CM) were exposed to H2O2 to assess the accumulation of intracellular ROS, extent of apoptosis and endothelial cell functionality. Under oxidative stress conditions HUVEC treated with EPC-CM exhibited substantially lower levels of intracellular oxidative stress (0.2+/-0.02 vs. 0.4+/-0.03 relative fluorescence units, p<0.05) compared to control medium. Moreover, the incubation with EPC-CM elevated the expression level of antioxidant enzymes in HUVEC (catalase: 2.6+/-0.4; copper/zinc superoxide dismutase (Cu/ZnSOD): 1.6+/-0.1; manganese superoxide dismutase (MnSOD): 1.4+/-0.1-fold increase compared to control, all p<0.05). Furthermore, EPC-CM had the distinct potential to reverse the functional impairment of HUVEC as measured by their capability to form tubular structures in vitro. Finally, incubation of HUVEC with EPC-CM resulted in a significant reduction of apoptosis (0.34+/-0.01 vs. 1.52+/-0.12 relative fluorescence units, p<0.01) accompanied by an increased expression ratio of the anti/pro-apoptotic factors Bcl-2/Bax to 2.9+/-0.7-fold (compared to control, p<0.05). Most importantly, neutralization of selected cytokines such as VEGF, HGF, IL-8 and MMP-9 did not significantly reverse the cyto-protective effect of EPC-CM (p>0.05), suggesting that soluble factors secreted by EPC, possibly via broad synergistic actions, exert strong cyto-protective properties on differentiated endothelium through modulation of intracellular antioxidant defensive mechanisms and pro-survival signals.

A fluorescently labeled dendronized polymer-enzyme conjugate carrying multiple copies of two different types of active enzymes

A hybrid structure of a synthetic dendronized polymer, two different types of enzymes (superoxide dismutase and horseradish peroxidase), and a fluorescent dye (fluorescein) was synthesized. Thereby, a single polymer chain carried multiple copies of the two enzymes and the fluorescein. The entire attachment chemistry is based on UV/vis-quantifiable bis-aryl hydrazone bond formation that allows direct quantification of bound molecules: 60 superoxide dismutase, 120 horseradish peroxidase, and 20 fluorescein molecules on an average polymer chain of 2000 repeating units. To obtain other enzyme ratios the experimental conditions were altered accordingly. Moreover, it could be shown that both enzymes remained fully active and catalyzed a two-step cascade reaction.

Nitric oxide down-regulates the expression of the catalytic NADPH oxidase subunit Nox1 in rat renal mesangial cells

Glomerular mesangial cells can produce high amounts of nitric oxide (NO) and reactive oxygen species (ROS). Here we analyzed the impact of NO on the ROS-generating system, particularly on the NADPH oxidase Nox1. Nox1 mRNA and protein levels were markedly decreased by treatment of mesangial cells with the NO-releasing compound DETA-NO in a concentration- and time-dependent fashion. By altering the cGMP signaling system with different inhibitors or activators, we revealed that the effect of NO on Nox1 expression is at least in part mediated by cGMP. Analysis of a reporter construct comprising the 2547 bp of the nox1 promoter region revealed that a stimulatory effect of IL-1beta on nox1 transcription is counteracted by an inhibitory effect of IL-1beta-evoked endogenous NO formation. Moreover, pretreatment of mesangial cells with DETA-NO attenuated platelet-derived growth factor (PDGF)-BB or serum stimulated production of superoxide as assessed by real-time EPR spectroscopy and dichlorofluorescein formation. Transfection of mesangial cells with siRNAs directed against Nox1 and Nox4 revealed that inhibition of Nox1, but not Nox4 expression, is responsible for the reduced ROS formation by NO. Obviously, there exists a fine-tuned crosstalk between NO and ROS generating systems in the course of inflammatory diseases.

Exercise training in normobaric hypoxia in endurance runners. III. Muscular adjustments of selected gene transcripts

We hypothesized that specific muscular transcript level adaptations participate in the improvement of endurance performances following intermittent hypoxia training in endurance-trained subjects. Fifteen male high-level, long-distance runners integrated a modified living low-training high program comprising two weekly controlled training sessions performed at the second ventilatory threshold for 6 wk into their normal training schedule. The athletes were randomly assigned to either a normoxic (Nor) (inspired O2 fraction = 20.9%, n = 6) or a hypoxic group exercising under normobaric hypoxia (Hyp) (inspired O2 fraction = 14.5%, n = 9). Oxygen uptake and speed at second ventilatory threshold, maximal oxygen uptake (VO2 max), and time to exhaustion (Tlim) at constant load at VO2 max velocity in normoxia and muscular levels of selected mRNAs in biopsies were determined before and after training. VO2 max (+5%) and Tlim (+35%) increased specifically in the Hyp group. At the molecular level, mRNA concentrations of the hypoxia-inducible factor 1alpha (+104%), glucose transporter-4 (+32%), phosphofructokinase (+32%), peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1alpha (+60%), citrate synthase (+28%), cytochrome oxidase 1 (+74%) and 4 (+36%), carbonic anhydrase-3 (+74%), and manganese superoxide dismutase (+44%) were significantly augmented in muscle after exercise training in Hyp only. Significant correlations were noted between muscular mRNA levels of monocarboxylate transporter-1, carbonic anhydrase-3, glucose transporter-4, and Tlim only in the group of athletes who trained in hypoxia (P < 0.05). Accordingly, the addition of short hypoxic stress to the regular endurance training protocol induces transcriptional adaptations in skeletal muscle of athletic subjects. Expressional adaptations involving redox regulation and glucose uptake are being recognized as a potential molecular pathway, resulting in improved endurance performance in hypoxia-trained subjects.

Decreased infarct size after focal cerebral ischemia in mice chronically infected with Toxoplasma gondii

To determine whether Toxoplasma gondii infection could modify biological phenomena associated with brain ischemia, we investigated the effect of permanent middle cerebral artery occlusion (MCAO) on neuronal survival, inflammation and redox state in chronically infected mice. Infected animals showed a 40% to 50% decrease of infarct size compared with non-infected littermates 1, 4 and 14 days after MCAO. The resistance of infected mice may be associated with increased basal levels of anti-inflammatory cytokines and/or a marked reduction of the MCAO-related brain induction of two pro-inflammatory cytokines, tumor necrosis factor-alpha and interferon-gamma (IFNgamma). In addition, potential anti-inflammatory/neuroprotective factors such as nerve growth factor, suppressor of cytokine signaling-3, superoxide dismutase activity, uncoupling protein-2 and glutathione (GSH) were upregulated in the brain of infected mice. Consistent with a role of GSH in central cytokine regulation, GSH depletion by diethyl maleate inhibited Toxoplasma gondii lesion resistance by increasing the proinflammatory cytokine IFNgamma brain levels. Overall, these findings indicate that chronic toxoplasmosis decisively influences both the inflammatory molecular events and outcome of cerebral ischemia.

Vitamin C deficiency in weanling guinea pigs: differential expression of oxidative stress and DNA repair in liver and brain

Neonates are particularly susceptible to malnutrition due to their limited reserves of micronutrients and their rapid growth. In the present study, we examined the effect of vitamin C deficiency on markers of oxidative stress in plasma, liver and brain of weanling guinea pigs. Vitamin C deficiency caused rapid and significant depletion of ascorbate (P < 0.001), tocopherols (P < 0.001) and glutathione (P < 0.001), and a decrease in superoxide dismutase activity (P = 0.005) in the liver, while protein oxidation was significantly increased (P = 0.011). No changes in lipid oxidation or oxidatively damaged DNA were observed in this tissue. In the brain, the pattern was markedly different. Of the measured antioxidants, only ascorbate was significantly depleted (P < 0.001), but in contrast to the liver, ascorbate oxidation (P = 0.034), lipid oxidation (P < 0.001), DNA oxidation (P = 0.13) and DNA incision repair (P = 0.014) were all increased, while protein oxidation decreased (P = 0.003). The results show that the selective preservation of brain ascorbate and induction of DNA repair in vitamin C-deficient weanling guinea pigs is not sufficient to prevent oxidative damage. Vitamin C deficiency may therefore be particularly adverse during the neonatal period.

Genetic and pharmacologic manipulation of oxidative stress after neonatal hypoxia-ischemia

Oxidative stress is a critical component of the injury response to hypoxia-ischemia (HI) in the neonatal brain, and this response is unique and at times paradoxical to that seen in the mature brain. Previously, we showed that copper-zinc superoxide-dismutase (SOD1) over-expression is not beneficial to the neonatal mouse brain with HI injury, unlike the adult brain with ischemic injury. However, glutathione peroxidase 1 (GPx1) over-expression is protective to the neonatal mouse brain with HI injury. To further test the hypothesis that an adequate supply of GPx is critical to protection from HI injury, we crossed SOD1 over-expressing mice (hSOD-tg) with GPx1 over-expressing mice (hGPx-tg). Resulting litters contained wild-type (wt), hGPx-tg, hSOD-tg and hybrid hGPx-tg/hSOD-tg pups, which were subjected to HI at P7. Confirming previous results, the hGPx-tg mice had reduced injury compared to both Wt and hSOD-tg littermates. Neonatal mice over-expressing both GPx1 and SOD1 also had less injury compared to wt or hSOD-tg alone. A result of oxidative stress after neonatal HI is a decrease in the concentration of reduced (i.e. antioxidant-active) glutathione (GSH). In this study, we tested the effect of systemic administration of alpha-lipoic acid on levels of GSH in the cortex after HI. Although GSH levels were restored by 24h after HI, injury was not reduced compared to vehicle-treated mice. We also tested two other pharmacological approaches to reducing oxidative stress in hSOD-tg and wild-type littermates. Both the specific inhibitor of neuronal nitric oxide synthase, 7-nitroindazole (7NI), and the spin-trapping agent alpha-phenyl-tert-butyl-nitrone (PBN) did not reduce HI injury, however. Taken together, these results imply that H2O2 is a critical component of neonatal HI injury, and GPx1 plays an important role in the defense against this H2O2 and is thereby neuroprotective.

Manipulation of antioxidant pathways in neonatal murine brain

To assess the role of brain antioxidant capacity in the pathogenesis of neonatal hypoxic-ischemic brain injury, we measured the activity of glutathione peroxidase (GPX) in both human-superoxide dismutase-1 (hSOD1) and human-GPX1 overexpressing transgenic (Tg) mice after neonatal hypoxia-ischemia (HI). We have previously shown that mice that overexpress the hSOD1 gene are more injured than their wild-type (WT) littermates after HI, and that H(2)O(2) accumulates in HI hSOD1-Tg hippocampus. We hypothesized that lower GPX activity is responsible for the accumulation of H(2)O(2). Therefore, increasing the activity of this enzyme through gene manipulation should be protective. We show that brains of hGPX1-Tg mice, in contrast to those of hSOD-Tg, have less injury after HI than WT littermates: hGPX1-Tg, median injury score = 8 (range, 0-24) versus WT, median injury score = 17 (range, 2-24), p < 0.01. GPX activity in hSOD1-Tg mice, 2 h and 24 h after HI, showed a delayed and bilateral decline in the cortex 24 h after HI (36.0 +/- 1.2 U/mg in naive hSOD1-Tg versus 29.1 +/- 1.7 U/mg in HI cortex and 29.2 +/- 2.0 for hypoxic cortex, p < 0.006). On the other hand, GPX activity in hGPX1-Tg after HI showed a significant increase by 24 h in the cortex ipsilateral to the injury (48.5 +/- 5.2 U/mg, compared with 37.2 +/- 1.5 U/mg in naive hGPX1-Tg cortex, p < 0.008). These findings support the hypothesis that the immature brain has limited GPX activity and is more susceptible to oxidative damage and may explain the paradoxical effect seen in ischemic neonatal brain when SOD1 is overexpressed.

Fructose-1,6-bisphosphate preserves intracellular glutathione and protects cortical neurons against oxidative stress

Fructose-1,6-bisphosphate (FBP), an endogenous intermediate of glycolysis, protects the brain against ischemia-reperfusion injury. The mechanisms of FBP protection after cerebral ischemia are not well understood. The current study was undertaken to determine whether FBP protects primary neurons against hypoxia and oxidative stress by preserving reduced glutathione (GSH). Cultures of pure cortical neurons were subjected to oxygen deprivation, a donor of nitric oxide and superoxide radicals (3-morpholinosydnonimine), an inhibitor of glutathione synthesis (L-buthionine-sulfoximine) or glutathione reductase (1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea) in the presence or absence of FBP (3.5 mM). Neuronal viability was determined using an 3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide assay. FBP protected neurons against hypoxia-reoxygenation and oxidative stress under conditions of compromised GSH metabolism. The efficacy of FBP depended on duration of hypoxia and was associated with higher intracellular GSH concentration, an effect partly mediated via increased glutathione reductase activity.