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Transcriptional regulation of 12/15-lipoxygenase expression and the implication of the enzyme in hepoxilin biosynthesis and apoptosis

by Pattabhiraman, Shankaranarayanan

Abstract (Summary)
Die 12/15-Lipoxygenasen (12/15-LOXs) gehören zu einer heterogenen Klasse Lipid-peroxidierender Enzyme, deren biologische Rolle noch nicht vollständig geklärt ist. Eine Reihe experimenteller Daten deuten darauf hin, dass diese Enzym an Reifungs- und Differenzierungsprozessen beteiligt sind und auch für die Pathogenese verschiedener Erkrankungen (Asthma bronchiale, Entzündung, Atherosklerose) bedeutsam zu sein scheinen. Die Expression von 12/15-LOXs wird in vielen Säugetierzellen durch TH2-Zytokine reguliert und die Zytokin-induzierte Signaltransduktionskaskade verläuft über die Aktivierung van JAK-Kinasen und STAT6. Nach einer Stimulation von A549 Lungenkarzinomzellen mit Interleukin-4 (IL-4) kommt es erst nach 12 Stunden zu einer Hochregulation der 12/15-LOX mRNA Expression. Untersuchungen zum Induktionsmechanismus haben gezeigt, dass Genistein, ein Hemmstoff von Tyrosinkinasen, die Phosphorylierung von STAT6 und dessen Bindung an den Promoter des 12/15-LOX Gens verhinderte. Damit konnte die Induktion der katalytisch aktiven LOX geblockt werden. In Gegensatz dazu verhinderte Zykloheximid, ein spezifischer Hemmstoff der Proteinbiosynthese, die Expression der 12/15-LOX mRNA nicht, Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Neusynthese eines Transkriptionsfaktors im Rahmen der IL-4 induzierten Transduktionskaskade unwahrscheinlich ist. Weiterhin wurde beobachtet, dass IL-4 die zelluläre Histonacetyltransferase-Aktivität stark erhöhte und dass dieser Effekt überwiegend auf die enzymatische Aktivität des (CREB-bindenden Protein)-bindenden Proteins (CBP) zurückzuführen ist. Transfektion der Zellen mit E1A, einem viralen Protein, welches als Hemmstoff der Histonacetyltransferase-Aktivität von CBP/p300 bekannt ist, führte zu einer Unterdrückung der 12/15-LOX Expression. Andererseits stimuliert Natriumbutyrat, ein Hemmstoff der Histondeacetylase, die 12/15-LOX Synthese. Damit konnte gezeigt werden, dass die Acetylierung von Histonproteinen und von STAT6 ein essentieller Prozesse bei der IL-4 induzierten 12/15-LOX Expression in A549 Zellen ist. Weiterhin belegen diese Daten, dass sowohl die Phosphorylierung als auch die Acetylierung von STAT6 an der transkriptionellen Aktivierung des 12/15-LOX Gens beteiligt sind, obwohl beide Prozesse eine unterschiedliche Kinetik aufweisen. STAT6 Phosphorylierung erfolgt innerhalb der ersten Stunde nach IL-4 Stimulation, während die Acetylierungsreaktion zeitlich verzögert abläuft. Zusammenfassend kann die Signaltransduktionskaskade, die in A549 Zellen zur Expression der 12/15-LOX führt, wie folgt beschrieben werden: IL-4 induziert über die Aktivierung von JAK-Kinasen eine Phosphorylierung von STAT6, dessen Bindung an den 12/15-LOX Promotor jedoch zunächst durch nicht-acetylierte Histonproteine verhindert wird. Nach 9-11 Stunden werden Histone und der phosphorylierte STAT6 durch die Acetyltransferase-Aktivität von CBP/p300 acetyliert. Diese Reaktion führt zu einer Veränderung der Histonstruktur, wodurch die Bindung von modifizierten STAT6 und damit die Expression des 12/15-LOX Gens ermöglicht wird. Als wesentliche zellphysiologische Konsequenz der IL-4 induzierten 12/15-LOX Expression in A549 Zellen, wurde eine Apoptoseinduktion beobachtet. Das endogene 12/15-LOX Produkt 15-HETE bindet an den Kernrezeptor PPARg und induziert damit den programmierten Zelltod. Vorinkubation von A549 Zellen mit dem LOX-Hemmstoff NDGA oder der Einsatz von PPARg Dominant Negativ Vektor verhinderten die Apoptose. Mechanistische Untersuchungen zum Ablauf des durch IL-4 induzierten Zelltodes zeigten, dass der Prozess überwiegend dem extrinsischen Mechanismus folgt, bei dem Kaspasen-8 direkt zu einer Aktivierung der Effektorkaspase-3 führt. Der mitochondriale Mechanismus (Spaltung von Bid bzw. initiale Cytochrom C Freisetzung) scheint dabei nicht involviert zu sein. Die IL-4 induzierte Apoptose könnte von patho-physiologischer Bedeutung für den Verlauf von Lungenerkrankungen sein, bei denen Zellen mit hoher konstitutiver 12/15-LOX Expression, z.B. eosinophile Granulozyten, beteiligt sind. Hepoxiline sind bioaktive Mediatoren des 12/15-LOX Weges der Arachidonsäurekaskade, die durch Isomerisierung des primären Oxygenierungsproduktes 12S-HpETE gebildet werden. Zu Beginn unserer Untersuchungen war überwiegend unklar, welche Enzyme an der Isomerisierungsreaktion beteiligt sind. Bei der Suche nach geeigneten zellulären Modellen für die Untersuchung dieser Fragestellung fanden wir heraus, dass in den Ratteninsulinom-Zellen Rinm5F, die wegen ihres Mangels an Glutathionperoxidasen eine geringe Kapazität zur Reduktion von 12S-HpETE aufweisen, die Synthese von Hepoxilin A3 (HXA3) besonders hoch ist. Da wir vermuteten, dass 12/15-LOXs für die Isomerisierung von 12S-HpETE zu HXA3 verantwortlich sein könnten, verfolgten wir eine duale Forschungsstrategie um experimentelle Hinweise für unsere Arbeitshypothese zu finden. In den 12/15-LOX exprimierenden Rinm5F Zellen führte eine Immunopräzipitation mit 12/15-LOX spezifischen Antikörper zu einen vollständigen Verlust der 12/15-LOX- und der Hepoxilinsynthase-Aktivität eines Zelllysates. Beide Aktivitäten wurden fast vollständig im Immunopräzipitat wiedergefunden. 2. Transfektion von HeLa Zellen, die selbst keine 12/15-LOX exprimieren, mit 12/15-LOX und gleichzeitige Hemmung der zellulären Glutathionperoxidasen (Depletion von GSH mit Diethlmaleat) führte zu einer deutlichen zellulären Hepoxilinsynthese. Bei entsprechenden Kontrolltransfektanten wurde diese Aktivität nicht beobachtet. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass rekombinante 12/15-LOXs (Expression in E. coli) in vitro eine intrinsische Hepoxinsynthase-Aktivität aufweisen, wenn 12S-HpETE als Substrat angeboten wird. Diese Daten belegen, dass 12/15-LOXs neben den bisher beschriebenen katalytischen Aktivitäten (Oxygenase, Hydroperoxidase, Leukotrienesynthase) auch Hepoxilinsynthase-Aktivität aufweisen.
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Bibliographical Information:

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School:Humboldt-Universität zu Berlin

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:Medizin Medizin

ISBN:

Date of Publication:11/03/2003

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