Double-Stranded RNA-Activated Protein Kinase Is a Key Modulator of Insulin Sensitivity in Physiological Conditions and in Obesity in Mice

The molecular integration of nutrient-and pathogen-sensing pathways has become of great interest in understanding the mechanisms of insulin resistance in obesity. The double-stranded RNA-dependent protein kinase (PKR) is one candidate molecule that may provide cross talk between inflammatory and metabolic signaling. The present study was performed to determine, first, the role of PKR in modulating insulin action and glucose metabolism in physiological situations, and second, the role of PKR in insulin resistance in obese mice. We used Pkr(-/-) and Pkr(+/+) mice to investigate the role of PKR in modulating insulin sensitivity, glucose metabolism, and insulin signaling in liver, muscle, and adipose tissue in response to a high-fat diet. Our data show that in lean Pkr(-/-) mice, there is an improvement in insulin sensitivity, and in glucose tolerance, and a reduction in fasting blood glucose, probably related to a decrease in protein phosphatase 2A activity and a parallel increase in insulin-induced thymoma viral oncogene-1 (Akt) phosphorylation. PKR is activated in tissues of obese mice and can induce insulin resistance by directly binding to and inducing insulin receptor substrate (IRS)-1 serine307 phosphorylation or indirectly through modulation of c-Jun N-terminal kinase and inhibitor of kappa B kinase beta. Pkr(-/-) mice were protected from high-fat diet-induced insulin resistance and glucose intolerance and showed improved insulin signaling associated with a reduction in c-Jun N-terminal kinase and inhibitor of kappa B kinase beta phosphorylation in insulin-sensitive tissues. PKR may have a role in insulin sensitivity under normal physiological conditions, probably by modulating protein phosphatase 2A activity and serine-threonine kinase phosphorylation, and certainly, this kinase may represent a central mechanism for the integration of pathogen response and innate immunity with insulin action and metabolic pathways that are critical in obesity. (Endocrinology 153:5261-5274, 2012)

Angiotensin II-induced JNK activation is mediated by NAD(P)H oxidase in isolated rat pancreatic islets

Angiotensin II (All), the active component of the renin angiotensin system (RAS), plays a vital role in the regulation of physiological processes of the cardiovascular system, but also has autocrine and paracrine actions in various tissues and organs. Many studies have shown the existence of RAS in the pancreas of humans and rodents. The aim of this study was to evaluate potential signaling pathways mediated by All in isolated pancreatic islets of rats. Phosphorylation of MAPKs (ERK1/2, JNK and p38MAPK), and the interaction between proteins JAK/STAT were evaluated. All increased JAK2/STAT1 (42%) and JAK2/STAT3 (100%) interaction without altering the total content of JAK2. Analyzing the activation of MAPKs (ERK1/2, JNK and p38MAPK) in isolated pancreatic islets from rats we observed that All rapidly (3 min) promoted a significant increase in the phosphorylation degree of these proteins after incubation with the hormone. Curiously JNK protein phosphorylation was inhibited by DPI, suggesting the involvement of NAD(P)H oxidase in the activation of protein. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nuevos compuestos antileucémicos

[ES] Los flavonoides son compuestos polifenólicos que están omnipresentes en las plantas y muestran un amplio espectro de actividades biológicas. Aquí hemos estudiado el efecto del derivado tetraacetilado (QD) del producto natural 3 metil éter quercetina, sobre la viabilidad celular en las líneas celulares de leucemia humana Hl-60 y u937. Los resultados muestran que QD es citotóxico e induce parada en la fase G2-M del ciclo celular en ambas líneas celulares y es un potente inductor de la apoptosis. La apoptosis inducida por QD (i) es mediada por la activación de las caspasas, (ii) está asociada con la liberación del citocromo c y (iii) es activada en células u937 que sobreexpresan bcl-2. El tratamiento de células Hl-60 y u937 con QD provoca la activación de la vía de las quinasas activadas por mitógenos (MaPKs), incluyendo JNK, p38 MaPK y ErK 1/2. La inhibición de JNK mediante el sP600125 y de p38 MaPK mediante sB203580 no tiene influencia en la apoptosis mediada por QD. Por el contrario, la inhibición de ErK 1/2 con inhibidores farmacológicos u0126 o PD98059 potenció el porcentaje de apoptosis inducida por QD y sugiere que la inhibición de esta vía es una estrategia valiosa para aumentar la sensibilidad de células de leucemia humana Hl-60 hacia la QD.

Regulation of SRC-3 localization and dynamics by phosphorylation during ERα-dependent transcriptional activation

Transcription is controlled by promoter-selective transcriptional factors (TFs), which bind to cis-regulatory enhancers elements, termed hormone response elements (HREs), in a specific subset of genes. Regulation by these factors involves either the recruitment of coactivators or corepressors and direct interaction with the basal transcriptional machinery (1). Hormone-activated nuclear receptors (NRs) are well characterized transcriptional factors (2) that bind to the promoters of their target genes and recruit primary and secondary coactivator proteins which possess many enzymatic activities required for gene expression (1,3,4). In the present study, using single-cell high-resolution fluorescent microscopy and high throughput microscopy (HTM) coupled to computational imaging analysis, we investigated transcriptional regulation controlled by the estrogen receptor alpha (ERalpha), in terms of large scale chromatin remodeling and interaction with the associated coactivator SRC-3 (Steroid Receptor Coactivator-3), a member of p160 family (28) primary coactivators. ERalpha is a steroid-dependent transcriptional factor (16) that belongs to the NRs superfamily (2,3) and, in response to the hormone 17-ß estradiol (E2), regulates transcription of distinct target genes involved in development, puberty, and homeostasis (8,16). ERalpha spends most of its lifetime in the nucleus and undergoes a rapid (within minutes) intranuclear redistribution following the addition of either agonist or antagonist (17,18,19). We designed a HeLa cell line (PRL-HeLa), engineered with a chromosomeintegrated reporter gene array (PRL-array) containing multicopy hormone response-binding elements for ERalpha that are derived from the physiological enhancer/promoter region of the prolactin gene. Following GFP-ER transfection of PRL-HeLa cells, we were able to observe in situ ligand dependent (i) recruitment to the array of the receptor and associated coregulators, (ii) chromatin remodeling, and (iii) direct transcriptional readout of the reporter gene. Addition of E2 causes a visible opening (decondensation) of the PRL-array, colocalization of RNA Polymerase II, and transcriptional readout of the reporter gene, detected by mRNA FISH. On the contrary, when cells were treated with an ERalpha antagonist (Tamoxifen or ICI), a dramatic condensation of the PRL-array was observed, displacement of RNA Polymerase II, and complete decreasing in the transcriptional FISH signal. All p160 family coactivators (28) colocalize with ERalpha at the PRL-array. Steroid Receptor Coactivator-3 (SRC-3/AIB1/ACTR/pCIP/RAC3/TRAM1) is a p160 family member and a known oncogenic protein (4,34). SRC-3 is regulated by a variety of posttranslational modifications, including methylation, phosphorylation, acetylation, ubiquitination and sumoylation (4,35). These events have been shown to be important for its interaction with other coactivator proteins and NRs and for its oncogenic potential (37,39). A number of extracellular signaling molecules, like steroid hormones, growth factors and cytokines, induce SRC-3 phosphorylation (40). These actions are mediated by a wide range of kinases, including extracellular-regulated kinase 1 and 2 (ERK1-2), c-Jun N-terminal kinase, p38 MAPK, and IkB kinases (IKKs) (41,42,43). Here, we report SRC-3 to be a nucleocytoplasmic shuttling protein, whose cellular localization is regulated by phosphorylation and interaction with ERalpha. Using a combination of high throughput and fluorescence microscopy, we show that both chemical inhibition (with U0126) and siRNA downregulation of the MAP/ERK1/2 kinase (MEK1/2) pathway induce a cytoplasmic shift in SRC-3 localization, whereas stimulation by EGF signaling enhances its nuclear localization by inducing phosphorylation at T24, S857, and S860, known partecipants in the regulation of SRC-3 activity (39). Accordingly, the cytoplasmic localization of a non-phosphorylatable SRC-3 mutant further supports these results. In the presence of ERalpha, U0126 also dramatically reduces: hormone-dependent colocalization of ERalpha and SRC-3 in the nucleus; formation of ER-SRC-3 coimmunoprecipitation complex in cell lysates; localization of SRC-3 at the ER-targeted prolactin promoter array (PRL-array) and transcriptional activity. Finally, we show that SRC-3 can also function as a cotransporter, facilitating the nuclear-cytoplasmic shuttling of estrogen receptor. While a wealth of studies have revealed the molecular functions of NRs and coregulators, there is a paucity of data on how these functions are spatiotemporally organized in the cellular context. Technically and conceptually, our findings have a new impact upon evaluating gene transcriptional control and mechanisms of action of gene regulators.

Post-transkriptionelle Regulation der Expression der humanen induzierbaren NO-Synthase

Die Expression der humanen induzierbaren NO-Synthase (iNOS) wird sowohl über transkriptionelle als auch über post-transkriptionelle Mechanismen reguliert. Dabei spielt die Modulation der iNOS-mRNA-Stabilität durch RNA-bindende Proteine eine bedeutende Rolle. In dieser Arbeit konnte eine Beteiligung des p38-MAPK-Signaltransduktionsweges sowie der RNA-bindenden Proteine TTP, KSRP, HuR und PTB an der Regulation der iNOS-Expression dargestellt werden. Hemmung der p38-MAPK führte zu einer Reduktion der iNOS-mRNA-Expression, hatte aber keinen Effekt auf die iNOS-Promotoraktivität. Das RNA-bindende Protein Tristetraprolin (TTP) erhöhte die Stabilität der iNOS-mRNA nach Zytokin-Stimulation, ohne jedoch mit ihr zu interagieren. Die Proteinexpression von TTP war unter dem Einfluss von Zytokinen erhöht; Inhibition der p38-MAPK verursachte eine Verminderung der Zytokin-stimulierten TTP-Expression. Das „KH-type splicing regulatory protein" (KSRP) übte einen destabilisierenden Effekt auf die iNOS-mRNA aus. Der Abbau der mRNA wird dabei wahrscheinlich durch eine Zytokin-unabhängige Interaktion von KSRP mit dem Exosom vermittelt. Ebenso konnte zwischen KSRP und TTP eine Wechselwirkung beobachtet werden, die nach Induktion der iNOS-Expression mit Zytokinen verstärkt und durch p38-MAPK-Inhibitoren hemmbar war. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Bindung von KSRP an die iNOS-mRNA-3’-UTR für die Vermittlung des destabilisierenden Effekts essentiell ist. Eine genaue Lokalisierung der KSRP-Bindungsstelle ergab, dass KSRP ebenso wie HuR mit dem AU-reichen Element am 3’-Ende der 3’-UTR interagiert. KSRP und HuR sind in der Lage, um diese Bindungsstelle zu konkurrieren. Nach Zytokin-Stimulation war dementsprechend die endogene Bindung von KSRP an die iNOS-mRNA vermindert, während die endogene Bindung von HuR an die iNOS-mRNA verstärkt war. Die Stabilisierung der iNOS-mRNA nach Zytokin-Stimulation ergibt sich demnach aus einer Verminderung der Bindung des KSRP-Exosom-Komplexes an die iNOS-mRNA als Folge der verstärkten Interaktion von TTP und KSRP. Dies ermöglicht parallel eine vermehrte Bindung von HuR an die iNOS-3’-UTR und führt damit zu einer Stabilisierung der iNOS-mRNA und so letztendlich auch zu einer Erhöhung der iNOS-Expression. Außerdem konnte eine Beteiligung des Polypyrimidin-Trakt-bindenden Proteins (PTB) an der Regulation der humanen iNOS-Expression gezeigt werden. PTB erhöhte die Expression der iNOS und interagierte Zytokin-unabhängig mit KSRP. Zusammenfassend lässt sich schließen, dass ein Zusammenspiel verschiedener Proteine in einem komplexen Netzwerk für die fein abgestimmte Regulation der humanen iNOS-Expression auf post-transkriptioneller Ebene verantwortlich.

Entstehung und Dynamik des Keratinfilament-Netzwerks

Das zytoplasmatische Zytoskelett besteht aus drei Filamentsystemen, die aus Aktin, Tubulin und Intermediärfilamentproteinen aufgebaut sind und dreidimensionale Netzwerke ausbilden. Das Intermediärfilamentsystem, dem vor allem mechanische Stabilisierungsfunktionen zugesprochen werden, unterscheidet sich von den anderen durch seine Fähigkeit, spontan aus seinen Polypeptiduntereinheiten ohne weitere Kofaktoren zu polymerisieren und durch seinen unpolaren Aufbau. Es ist bis heute unbekannt, wie Intermediärfilamentnetzwerke in vivo moduliert werden und wie ihre Anordnung in den Kontext des Gesamtzytoskeletts koordiniert wird. Am Beispiel der epithelialen Intermediärfilamentproteine, den Keratinen, sollte daher untersucht werden, wie und wo neue Intermediärfilamente entstehen, welche Bedeutung den anderen Filamentsystemen bei dem Netzwerkaufbau und –Turn-Over zukommen und wie die Netzwerkbildung gesteuert wird. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Zellklone hergestellt, die fluoreszierende Keratine synthetisieren. In der Zelllinie SK8/18-2, deren gesamtes Netzwerk aus derartigen Chimären aufgebaut ist, konnten anhand von mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen der Fluoreszenzmuster Keratinfilamentvorläufer (KFP) identifiziert und deren Dynamik direkt in lebenden Zellen verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die KFP in einem Plasmamembran-nahen Bereich entstehen, in dem sie zuerst als punktförmige Partikel detektiert werden. Nach einer initialen, sphäroidalen Wachstumsphase elongieren die Partikel zu kleinen Filamentstückchen. Diese können miteinander fusionieren und werden über ihre Enden in das periphere Netzwerk integriert. Der Wachstumsprozess ist gekoppelt an eine kontinuierliche, langsame Bewegung in Richtung auf das Zellzentrum. Diese Motilität sistiert vollständig nach pharmakologisch induziertem Abbau der Aktinfilamente. In Zeitraffer-aufnahmen kann jedoch in derartig behandelten Zellen ein wesentlich schnellerer Transport, der in verschiedene Richtungen verläuft und durch lange Ruhephasen unterbrochen wird, beobachtet werden. Dieser Modus, der gelegentlich auch in unbehandelten Zellen gefunden wurde, ist abhängig von intakten Mikrotubuli. Erst durch Zerstörung der Aktinfilamente und der Mikrotubuli erlischt die Motilität der KFPs vollständig. Bei der Suche nach Regulatoren der Keratinnetzwerkbildung wurde die p38 MAPK als zentraler Faktor identifiziert. Erstmals konnte eine direkte räumliche und zeitliche Korrelation zwischen einer spezifischen Enzymaktivität durch Nachweis der phosphorylierten p38 MAPK, der daraus folgenden Phosphorylierung eines Keratins, hier Serin 73 des Keratin 8, und der daraus resultierenden Veränderung des Netzwerkaufbaus, d. h. der Ausbildung von Keratingranula, nachgewiesen werden. Diese koordinierten Veränderungen wurden in unterschiedlichen Stresssituationen in verschiedenen Zellsystemen und in Zellen mit mutierten Keratinen beobachtet. Genetische (shRNA) und pharmakologische Manipulationen der p38 MAPK-Aktivität deuten auf einen engen kausalen Zusammenhang hin.

Analyse des anti-inflammatorischen Pilzmetaboliten S-Curvularin in verschiedenen Modellen der rheumatoiden Arthritis

An der Entwicklung und Aufrechterhaltung chronisch-inflammatorischer Erkrankungen wie der rheumatoiden Arthritis (RA) ist die Fehlregulation verschiedener pro-inflammatorischer Gene von entscheidender Bedeutung. Bei der RA führt unter anderem eine erhöhte Expression der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) zu einer gesteigerten NO-Produktion, was schließlich zum Knochenabbau beiträgt. Für eine Therapie der RA werden häufig Glukokortikoide eingesetzt, die jedoch viele Nebenwirkungen zeigen. Um eine mögliche Therapiealternative zu identifizieren, sollten die Effekte des anti-inflammatorisch wirksamen Pilzmetaboliten S-Curvularin in verschiedenen Modellen der RA analysiert werden.rnIn humanen C-28/I2-Chondrozyten als in vitro-Modell der RA führte die Inkubation mit einem Zytokingemisch zu einer Induktion der iNOS-Expression, die vom chondrogenen Differenzierungsgrad der Zellen abhängig war. Entscheidend für die iNOS-Induktion in C-28/I2-Zellen ist hauptsächlich der p38-MAPK-, der JAK-STAT- und der NF-kappa B-Signaltransduktionsweg. Eine Inkubation der Zellen mit S-Curvularin führte zu einer deutlichen Hemmung der iNOS-Expression. Dexamethason hatte hingegen keinen Effekt auf die iNOS-Expression, was vermutlich auf die fehlende Expression der Glukokortikoidrezeptor-mRNA zurückgeführt werden kann. Daher können von S-Curvularin abgeleitete Pharmaka möglicherweise auch in Fällen einer Steroidresistenz zur Therapie von RA-Patienten zum Einsatz kommen.rnIm Tiermodell der Kollagen-induzierten Arthritis konnte die anti-inflammatorische Wirkung von S-Curvularin auf mehreren Ebenen bestätigt werden. Die Pilzsubstanz reduzierte sowohl die Schwellung der Pfoten als auch die Expression CII-induzierter pro-inflammatorischer Gene, wie z.B. S100A8, Defb6, Camp und Mpo. Dabei waren die Effekte von S-Curvularin meist deutlicher als in Dexamethason-behandelten Mäusen. Die Analyse von Zytokinen (z.B. TNF-alpha, IL-1beta) und Chemokinen (z.B. MCP-1, MIP-1alpha) zeigte, dass die CII-induzierte Expression dieser pro-inflammatorischen Mediatoren in den Pfoten der Mäuse durch eine Therapie mit S-Curvularin und Dexamethason wieder reduziert werden konnte, wobei Unterschiede zwischen den Behandlungen beobachtet werden konnte.rnAuch im Tiermodell der LPS-induzierten akuten Entzündung wurde die iNOS- und die S100A8-Expression in verschiedenen Geweben S-Curvularin reduziert. rnrnS-Curvularin ist also in der Lage, in verschiedenen Modellen der RA und im akuten Entzündungsmodell die pro-inflammatorische Genexpression effizient zu hemmen und könnte somit in Zukunft eine Rolle in der Therapie der RA einnehmen.rn

Die Bedeutung von KSRP für die pro-inflammatorische Genexpression in Autoimmunerkrankungen - Einfluss des Naturstoffes Resveratrol auf KSRP-vermittelte Regulationsmechanismen

Die Pathogenese chronisch inflammatorischer Erkrankungen ist von einer Dysregulation der pro-inflammatorischen Genexpression geprägt. Dieser liegen wahrscheinlich pathologische Veränderungen der Aktivität von verschiedenen Transkriptionsfaktoren und RNA-bindenden Proteinen zugrunde. In dieser Arbeit konnte die Regulation der KSRP-Expression in einem murinen Modell der rheumatoiden Arthritis (RA) nachgewiesen werden. In humanen Chondrozyten führte eine erhöhte KSRP-Expression zu einer Reduktion der Expression von bekannten KSRP-Zielgenen. Der Vergleich von verschiedenden Microarray-Analysen aus den verwendeten humanen und murinen Modellen der RA führte zur Identifikation von pro-inflammatorischen und pro-angiogenetischen Faktoren (SPARC, MMP2, MMP3, PLA2G2D, GZMA, HPSE, TNMD und IL-18-R), die in der RA eine Rolle spielen und höchstwahrscheinlich durch eine erhöhte KSRP-Expression reguliert werden. Daher könnte eine Modulation der KSRP-Expression bei der Therapie von Autoimmunerkrankungen von Bedeutung sein. In diesem Zusammenhang ist die Detektion der Bindung des cardioprotektiven und anti-inflammatorisch wirkenden Naturstoffs Resveratrol an KSRP zu nennen. Diese spezifische Interaktion führte zu einer Reduktion der p38-MAPK-vermittelten Thr-Phosphorylierung des KSRP-Proteins (in situ und in vivo), was eine Aktivierung der KSRP-vermittelten Mechanismen zur Folge hatte. Somit konnte in situ die mRNA-Stabilität der iNOS reduziert und die miR-155-Expression erhöht werden. Im murinen Atherosklerosemodell führte die Behandlung mit Resveratrol zu einer verringerten Expression bekannter KSRP-Ziel-mRNAs. rnNeben diesem post-translationalen Regulationsmechanismus von KSRP durch Resveratrol konnte die Modulation der KSRP-Expression auf transkriptioneller Ebene durch KSRP selbst gezeigt werden. Dies geschieht möglicherweise über die Bindung von KSRP an das FUSE-analoge Element innerhalb des KSRP-Promotors, welches eine positive Autoregulation der KSRP-Expression bewirkt. Bei der Analyse der post-transkriptionellen Regulation der KSRP-Expression interagierten die mRNA-bindenden Proteine HuR, PABP und die AUF-1-Isoformen p40, p42 und p45 in vitro mit der KSRP-3’UTR. Dabei konnte in Expressionsanalysen nachgewiesen werden, dass die KSRP-mRNA durch PABP positiv und durch p42 negativ reguliert wird.rnZusammenfassend ist zu sagen, dass die KSRP-Expression neben post-translationalen Mechanismen auch auf transkriptioneller und post-transkriptioneller Ebene moduliert wird. Zusätzlich wurde eine Regulation der KSRP-Expression innerhalb entzündlicher Erkrankungen nachgewiesen, die Bedeutung dieser Modulation für die pro-inflammatorischen Genexpression diskutiert und ein möglicher therapeutischer Angriffspunkt durch Resveratrol identifiziert.

Pathogenetische Bedeutung der Glutathionperoxidase-1 in der arteriellen Gefäßwand

Die antioxidative Aktivität des Enzyms Glutathionperoxidase-1 (GPx-1) schützt vor Atherosklerose und ihren Folgeerkrankungen. In einer Vorstudie konnten wir zeigen, dass der Mangel an GPx-1 die Atheroskleroseentwicklung in Apolipoprotein E defizienten (ApoE-/-) Mäusen beschleunigt und modifiziert. Allerdings sind die Verteilung der GPx-1 in atherosklerotischen Läsionen und die Mechanismen für den erhöhten Makrophagengehalt in der Läsion noch nicht geklärt. Deshalb haben wir (1) die in-situ Expression der GPx-Isoformen in atherosklerotischen Läsionen von GPx-1-/-ApoE-/- und ApoE-/- Mäusen und (2) den Einfluss der GPx-1 Defizienz auf die Schaumzellbildung und Proliferation der Peritonealmakrophagen in ApoE-/- Mäusen untersucht. Die GPx-1-/-ApoE-/- und ApoE-/- Weibchen wurden für 6 und 12 Wochen auf einer atherogenen „Western-type“ Diät gehalten. Die in situ-Hybridisierung zeigte, dass die verschiedenen Isoformen der GPx (GPx-1, GPx-3, GPx-4) vorwiegend in Makrophagen, nicht jedoch in glatten Muskelzellen der atherosklerotischen Läsionen von ApoE-/- Mäusen exprimiert wurden. Für die in vitro Untersuchungen wurden 5 Monate alte, GPx-1 defiziente und Wildtyp-Mäuse, gehalten auf Normaldiät, verwendet. Die Öl-Rot-O Färbung zeigte, dass die GPx-1 Defizienz die OxLDL (oxidiertes LDL) - und E-LDL (enzymatisch modifiziertes LDL) - induzierte Schaumzellbildung förderte. Darüber hinaus war die OxLDL-induzierte Cholesterinakkumulation (zellulärer Cholesterinester/ Cholesterin-Gehalt) in GPx-1 defizienten Makrophagen verstärkt, sodass ein Mangel an GPx-1 die Aufnahme von OxLDL durch Monozyten und damit die Umwandlung in Schaumzellen beschleunigt. Hinsichtlich der Proliferation zeigte sich, dass MCSF (Macrophage Colony-Stimulating Facotr) ein stärkerer Stimulus als OxLDL ist. Ein Mangel an GPx-1 fördert die Proliferation zusätzlich. Daran ist die ERK1/2 (extracellular-signal regulated kinase 1/2) - Kaskade beteiligt, denn es wurde eine schnelle Phosphorylierung der ERK1/2-Kaskade durch MCSF und/oder OxLDL nachgewiesen. Entsprechend reduzieren ERK1/2-Inhibitoren die proliferative Aktivität der Makrophagen. Die Hemmung der p38-MAPK (p38 mitogen-activated protein kinase) führt zur vermehrten Proliferation und bei gleichzeitig verringerter Caspase-3/7 Aktivität der Makrophagen unabhängig von der Expression der GPx-1. Ein Mangel an GPx-1 hat auch keinen Einfluss auf die MCSF-vermittelte Aktivierung der p38-MAPK und JNK (c-Jun N-terminal kinase). Zusammenfassend läßt sich feststellen, dass die GPx-1-Defizienz einen signifikanten Einfluss auf die Schaumzellbildung und Proliferation von Makrophagen hat, was zur Beschleunigung der Atherosklerose und zu vermehrter Zellularität der entstehenden atherosklerotischen Läsionen führt. Die Proliferation wird über den ERK1/2 Signal-transduktionsweg positiv und über den p38-MAPK Weg negativ reguliert, wobei die ERK1/2-Kaskade empfindlich gegenüber oxidativem Stress bei GPx-1-Defizienz ist.

Zelluläre und molekulare Mechanismen der angeborenen Immunität

Die myeloide Zelllinie MUTZ-3 konnte als geeignetes Modellsystem zur Charakterisierung der TREM-1-Signaltransduktion etabliert werden, da diese TREM-1 und dessen essentielles Adaptermoleküle DAP12 funktional exprimiert. Übereinstimmend mit bisherigen Daten wurden die Kinasen PI3K und p38-MAPK als wichtige Regulatoren in der Signalweiterleitung nach TREM-1-Aktivierung identifiziert, wobei sich einige Unterschiede in der exakten Signalhierarchie zwischen monozytären und granulozytären Zellen ergaben. So erfolgt die Aktivierung von PI3K und p38-MAPK in PMN unabhängig voneinander und in monozytären Zellen findet die Aktivierung von p38-MAPK vor der Akt-Phosphorylierung statt und ist für Letztere notwendig. Zudem ist die Ca2+-Mobilisierung in PMN nur von PI3K abhängig und in monozytären Zellen von PI3K und p38-MAPK. Bei der durch TLR- oder NLR-Koligation gesteigerten TREM-1-Aktivierung sind PI3K und p38-MAPK ebenfalls zentrale Regulatoren. Es ergaben sich ebenfalls Unterschiede in der exakten TREM-1-Signaltransduktion.rnrnEin Mausmodell für invasive Aspergillose (IA) wurde erfolgreich etabliert, wobei die wichtige Rolle der PMN bei der Abwehr von Pilzinfektionen durch deren Depletion mit unterschiedlichen Antikörpern belegt wurde. Für das Abtöten von A. fumigatus-Konidien sind oxidative und nicht-oxidative PMN-Effektormechanismen notwendig. Dabei konnte die essentielle Rolle der oxidativen PMN-Effektorfunktionen anhand NADPH-Oxidase-defizienter p47phox-/- und gp91phox-/- Mäuse für das Überleben von Pilzinfektionen gezeigt werden. Dagegen war die Infektion von Neutrophiler Elastase defizienter ELANE Mäuse nicht letal. Dies deutet darauf hin, dass diese als prototypische Serinprotease und wichtiger Bestandteil der NET-Formation nicht essentiell für das Überleben von IA ist oder durch andere, nicht-oxidative Effektormechanismen kompensiert werden kann. Keinen Einfluss auf die IA hatte die Depletion von Arginin mittels ADI-PEG, da weder das Überleben der Mäuse noch das Abtöten der Pilzkonidien beeinflusst wurde. Außerdem wurden keine Veränderung in der Einwanderung und Aktivierung von PMN nach Infektion quantifiziert. Dagegen induzierte die Defizienz in ADAMTS13 (ADAMTS13-/- Mäuse) eine verminderte Rekrutierung von PMN, einhergehend mit erhöhter Mortalität, vermindertem Abtöten von A. fumigatus-Konidien und erhöhter Schädigung der Lunge bei IA. Da in vitro keine generellen oder pilzspezifischen Defekte der PMN quantifiziert wurden, muss ADAMTS13 die Einwanderung der PMN beeinflussen. Normalerweise spaltet die Protease ADAMTS13 den von-Willebrand-Faktor (vWF), der die Quervernetzung und das Anhaften von Blutplättchen an beschädigte Gefäßwände steuert. Ob und wie ADAMTS13 oder der vWF die verminderte PMN-Einwanderung bei Pilzinfektionen verursacht, muss weiter untersucht werden.rnrnZusammenfassend verbessern die erhaltenen Daten für eine zellspezifische TREM-1-Signaltransduktion, ein von oxidativen und nicht-oxidativen PMN-Effektorfunktionen abhängiges sowie Arginin-unabhängiges Abtöten vom Pilz A. fumigatus als auch der Einfluss von ADAMTS13 und vWF bei der Rekrutierung von PMN nach A. fumigatus-Infektion unser Verständnis der angeborenen Immunität. Diese Erkenntnisse dienen der zukünftigen Entwicklung von Therapien zur Behandlung von schweren Entzündungsreaktionen wie Aspergillose und Sepsis.

Analyse der Wirkung des Naturstoffes Oxacyclododecindion in einem chronisch-inflammatorischen Krankheitsmodell

Die medikamentöse Standardtherapie entzündlich-rheumatischer Erkrankungen wie der rheumatoider Arthritis (RA) und des systemischen Lupus erythematodes (SLE) sind oft unzureichend und erlauben keine nebenwirkungsarme beziehungsweise -freie Behandlung. Daher ist es von großem Interesse für diese Indikationsgebiete, wirkungsvolle Substanzen zu entwickeln, die für eine Langzeittherapie geeignet sind. Naturstoffe wie Oxacyclododecindion (Oxa) können dabei als mögliche Leitstruktur dienen. Oxa wurde bereits in in-vitro Untersuchungen als ein potenter Inhibitor der Expression von proinflammatorischen und profibrotischen Genen identifiziert. rnZiel dieser Arbeit war es in in-vivo Modellen der RA und des SLEs das therapeutische Potential des Naturstoffes Oxa aufzuklären. Da eine Etablierung der Kollagen-induzierten Arthritis im untersuchten murinen RA-Modell, dem HLA-DR4.AE° Stamm, nicht möglich war, wurden die Untersuchungen ausschließlich im MRL Faslpr Mausstamm, einem anerkannten SLE-Modell durchgeführt. MRL Faslpr Mäuse entwickeln wie SLE-Patienten unter anderem eine schwerwiegende Glomerulonephritis. rnIn den Nieren weiblicher MRL Faslpr Mäuse konnte die Oxa-Behandlung die Expression zahlreicher proinflammatorischer Mediatoren beeinflussen, die in Zusammenhang mit der Pathogenese des humanen SLE gebracht werden. So reduziert der Naturstoff die Expression von Zytokinen wie TNFα, IFNγ und IL6 als auch Chemokinen wie CCL2, CSF-1 und RANTES auf mRNA- und Proteinebene. Dabei war die Wirkung von Oxa in den in-vivo Analysen ähnlich gut wie die des potenten Glukokortikoids Dexamethason. Die Reduktion chemotaktischer Moleküle durch die Oxa-Behandlung führte nachweislich zu einer reduzierten Akkumulation von Immunzellen. Die anti-inflammatorischen und immunmodulatorischen Effekte von Oxa waren so ausgeprägt, dass klinisch-pathologische Marker der Glomerulonephritis, wie die Ablagerung von Immunkomplexen, die vermehrte Bildung von Kollagenfasern und die Ausscheidung von Proteinen im Urin gemildert wurden. Weiterführende Untersuchungen im SLE Modell konnten neue Zielmoleküle von Oxa identifizieren, wie KIM1 und zahlreiche SLE-assoziierte microRNAs (miR 19a, 29c und 369). Diese Befunde legen nahe, dass Oxa eine vielversprechende anti-entzündliche und -fibrotische Verbindung darstellt. rnDie Entschlüsselung des Wirkmechanismus von Oxa steht erst am Anfang. Die Analysen im Rahmen dieser Arbeit zeigten jedoch, dass Oxa einen Einfluss auf die Phosphorylierung und somit Aktivierung der p38 MAPK sowie auf die mRNA-Stabilität von proinflammatorischen Zytokinen wie TNFα zu haben scheint.rn

Interfering with the connection between the nucleus and the cytoskeleton affects nuclear rotation, mechanotransduction and myogenesis

Mechanical stress controls a broad range of cellular functions. The cytoskeleton is physically connected to the extracellular matrix via integrin receptors, and to the nuclear lamina by the LINC complex that spans both nuclear membranes. We asked here how disruption of this direct link from the cytoskeleton to nuclear chromatin affects mechanotransduction. Fibroblasts grown on flexible silicone membranes reacted to cyclic stretch by nuclear rotation. This rotation was abolished by inhibition of actomyosin contraction as well as by overexpression of dominant-negative versions of nesprin or sun proteins that form the LINC complex. In an in vitro model of muscle differentiation, cyclic strain inhibits differentiation and induces proliferation of C2C12 myoblasts. Interference with the LINC complex in these cells abrogated their stretch-induced proliferation, while stretch increased p38 MAPK and NFkappaB phosphorylation and the transcript levels of myogenic transcription factors MyoD and myogenin. We found that the physical link from the cytoskeleton to the nuclear lamina is crucial for correct mechanotransduction, and that disruption of the LINC complex perturbs the mechanical control of cell differentiation.

L51P - A BMP2 variant with osteoinductive activity via inhibition of Noggin

Bone morphogenetic proteins (BMP) have to be applied at high concentrations to stimulate bone healing. The limited therapeutic efficacy may be due to the local presence of BMP antagonists such as Noggin. Thus, inhibiting BMP antagonists is an attractive therapeutic option. We hypothesized that the engineered BMP2 variant L51P stimulates osteoinduction by antagonizing Noggin-mediated inhibition of BMP2. Primary murine osteoblasts (OB) were treated with L51P, BMP2, and Noggin. OB proliferation and differentiation were quantified with XTT and alkaline phosphatase (ALP) assays. BMP receptor dependent intracellular signaling in OB was evaluated with Smad and p38 MAPK phosphorylation assays. BMP2, Noggin, BMP receptor Ia/Ib/II, osteocalcin, and ALP mRNA expressions were analyzed with real-time PCR. L51P stimulated OB differentiation by blocking Noggin mediated inhibition of BMP2. L51P did not induce OB differentiation directly and did not activate BMP receptor dependent intracellular signaling via the Smad pathway. Treatment of OB cultures with BMP2 but not with L51P resulted in an increased expression of ALP, BMP2, and Noggin mRNA. By inhibiting the BMP antagonist Noggin, L51P enhances BMP2 activity and stimulates osteoinduction without exhibiting direct osteoinductive function. Indirect osteoinduction with L51P seems to be advantageous to osteoinduction with BMP2 as BMP2 stimulates the expression of Noggin thereby self-limiting its own osteoinductive activity. Treatment with L51P is the first protein-based approach available to augment BMP2 induced bone regeneration through inhibition of BMP antagonists. The described strategy may help to decrease the amounts of exogenous BMPs currently required to stimulate bone healing.

Type I IFN induction in response to Listeria monocytogenes in human macrophages: evidence for a differential activation of IFN regulatory factor 3 (IRF3)

Listeria monocytogenes is a prototypic bacterium for studying innate and adaptive cellular immunity as well as host defense. Using human monocyte-derived macrophages, we report that an infection with a wild-type strain, but not a listeriolysin O-deficient strain, of the Gram-positive bacterium L. monocytogenes induces expression of IFN-beta and a bioactive type I IFN response. Investigating the activation of signaling pathways in human macrophages after infection revealed that a wild-type strain and a hemolysin-deficient strain of L. monocytogenes activated the NF-kappaB pathway and induced a comparable TNF response. p38 MAPK and activating transcription factor 2 were phosphorylated following infection with either strain, and IFN-beta gene expression induced by wild-type L. monocytogenes was reduced when p38 was inhibited. However, neither IFN regulatory factor (IRF) 3 translocation to the nucleus nor posttranslational modifications and dimerizations were observed after L. monocytogenes infection. In contrast, vesicular stomatitis virus and LPS triggered IRF3 activation and signaling. When IRF3 was knocked down using small interfering RNA, a L. monocytogenes-induced IFN-beta response remained unaffected whereas a vesicular stomatitis virus-triggered response was reduced. Evidence against the possibility that IRF7 acts in place of IRF3 is provided. Thus, we show that wild-type L. monocytogenes induced an IFN-beta response in human macrophages and propose that this response involves p38 MAPK and activating transcription factor 2. Using various stimuli, we show that IRF3 is differentially activated during type I IFN responses in human macrophages.

IL-3 induces a Pim1-dependent antiapoptotic pathway in primary human basophils

The contribution of basophils in allergic disease and other Th2-type immune responses depends on their persistence at sites of inflammation, but the ligands and molecular pathways supporting basophil survival are largely unknown. The comparison of rates of apoptosis and of the expression of antiapoptotic proteins in different human granulocyte types revealed that basophils have a considerably longer spontaneous life span than neutrophils and eosinophils consistent with high levels of constitutive Bcl-2 expression. Interleukin-3 (IL-3) is the only ligand that efficiently protects basophils from apoptosis as evidenced by screening a large number of stimuli. IL-3 up-regulates the expression of the antiapoptotic proteins cIAP2, Mcl-1, and Bcl-X(L) and induces a rapid and sustained de novo expression of the serine/threonine kinase Pim1 that closely correlates with cytokine-enhanced survival. Inhibitor studies and protein transduction of primary basophils using wild-type and kinase-dead Pim1-Tat fusion-proteins demonstrate the functional importance of Pim1 induction in the IL-3-enhanced survival. Our data further indicate that the antiapoptotic Pim1-mediated pathway operates independently of PI3-kinase but involves the activation of p38 MAPK. The induction of Pim1 leading to PI3-kinase-independent survival as described here for basophils may also be a relevant antiapoptotic mechanism in other terminally differentiated leukocyte types.