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Titel: The role of 12/15-lipoxygenases in ROS-mediated neuronal cell death
Autor: Tobaben, Svenja
Weitere Beteiligte: Culmsee, Carsten (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0052
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-00529
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0052
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): Die Rolle der 12/15-Lipoxygenasen im neuronalen Zelltod

Dokument

Schlagwörter:
Nervenzelle, Apoptosis, Lipoxygenases, Oxidative stress, Oxidativer Stress, Mitochondria, Bid, Arachidons�ure, Lipoxygenasen, Bcl-2-Proteinfamilie, Apoptosis, Mitochondrium

Summary:
Oxidative stress has been established as a key trigger of neuronal dysfunction and death in age-related neurodegenerative diseases and in delayed neuronal death after acute brain injury by ischemic stroke or brain trauma. Despite increasing knowledge on the toxicity of reactive oxygen species (ROS) and oxidized reaction products that may further accelerate neuronal cell death, the major sources of ROS formation and the mechanisms involved in cell death signaling triggered by oxidative stress in neurons are poorly defined. Therefore, major aims of this study included the characterization of key enzymes that contribute to the formation of ROS and key factors of the downstream signaling pathways that may amplify the oxidative cellular stress thereby causing irreversible damage and death in neurons. Major parts of the study were performed in a model of glutamate toxicity in immortalized hippocampal HT-22 neurons, since glutamate selectively induced oxidative stress through glutathione depletion in these cells. To verify the relevance of the findings in HT-22 cells for post-mitotic neurons, further experiments included models of glutamate-induced excitotoxicity and oxygen-glucose deprivation primary embryonic neurons in vitro and in a mouse model of cerebral ischemia in vivo. The findings of these studies revealed that 12/15-lipoxygenases (LOX), but neither 5-LOX nor COX activation, mediated glutamate-induced lipid peroxidation and oxidative cellular death (oxytosis) in HT-22 cells. Pharmacological inhibition of 12/15-LOX protected HT-22 cells as well as primary neurons against glutamate toxicity. This protective effect included significantly reduced ROS formation and attenuated deregulation of the intracellular calcium homeostasis in the cultured neurons. Moreover, the 12/15 LOX inhibitor PD146176 reduced neuronal cell death after OGD in primary neurons in vitro, and significantly reduced the infarct volume after MCAO in vivo. Further experiments addressing the involved signaling pathways linked, for the first time, 12/15-LOX activation and key mediators of mitochondrial death pathways. In particular, the selective 12/15-LOX inhibitor PD146176 reduced mitochondrial fragmentation and ATP depletion after exposure to glutamate in HT-22 cells. Most interestingly, this study identified the pro-apoptotic Bcl-2 protein Bid as a key link between 12/15-LOX activation, mitochondrial demise and the translocation of the mitochondrial protein AIF to the nucleus. In fact, mitochondrial transactivation of Bid downstream of 12/15-LOX activation was exposed as the key step for the mitochondrial damage that resulted in a second burst of lipid peroxidation and marked the ‘point of no return’ in the glutamate-induced death cascade. In summary, the glutamate-induced cell death mechanisms in HT-22 cells are highly relevant for neurodegenerative diseases and acute neurological disorders. Thus, 12/15-LOX is proposed as a potential therapeutic target for neuroprotective strategies in neurological disorders.

Zusammenfassung:
Oxidativer Stress spielt bei der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen und neuronalem Zelltod nach traumatischen und ischämischen Hirnschädigungen eine wichtige Rolle. Trotz vermehrter Forschung auf dem Gebiet des oxidativen Stresses ist bis heute nicht bekannt, welche Zelltodmechanismen durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) ausgelöst werden und wie deren Bildung verursacht wird. Folglich sollten in dieser Arbeit Mechanismen genauer untersucht werden, die beim neuronalen Zelltod zur Entstehung von ROS beitragen. Des Weiteren sollten auch die Signalkaskaden näher charakterisiert werden, die durch oxidativen Stress letztlich zum neuronalen Zelltod führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde vor allem eine neuronale hippokampale Zelllinie (HT-22 Zellen) verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Schädigung mit Glutamate zu einem kontinuierlichen Abfall der intrazellulären Glutathionspiegel führt und somit oxidativen Stress induziert. Zusätzlich wurden primäre neuronale Zellkulturen und ein in vivo-Modell der zerebralen Ischämie eingesetzt, um die in HT-22 Zellen erhaltenen Ergebnisse zu bestätigen und auszubauen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass nach Glutamatschädigung vor allem 12/15-Lipoxygenasen für die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies in den neuronalen Zellen verantwortlich sind und somit im Rahmen des glutamatinduzierten oxidativen Stresses eine entscheidende Rolle spielen. Es konnte dagegen ausgeschlossen werden, dass Cyclooxigenasen (COX) und 5-LOX zur Bildung von ROS nach Glutamatschädigung von HT-22 Zellen beitragen. Durch Hemmung bzw. genetische Deletion der 12/15-LOX konnte sowohl in HT-22 Zellen als auch in primären neuronalen Kulturen eine deutliche protektive Wirkung gegenüber Glutamatschädigung gezeigt werden. Zusätzlich konnten, die nach Glutamatbehandlung auftretenden erhöhten Konzentrationen von reaktiven Sauerstoffspezies durch 12/15-LOX-Inhibition deutlich reduziert werden und auch die glutamatinduzierte Störung der Calciumhomöostase wurde durch den selektiven 12/15-LOX-Inhibitor PD146176 deutlich verringert. PD146176 reduzierte zudem den neuronalen Zelltod nach Sauerstoff-Glucose-Entzug in primären Neuronen und verringerte auch signifikant das Infarktvolumen in einem Schlaganfallmodell in Mäusen. Weitere Untersuchungen beleuchteten den Zusammenhang zwischen der Aktivierung von 12/15-LOX und mitochondrialer Schädigung, die wiederum durch einen starken Anstieg der reaktiven Sauerstoffspezies gekennzeichnet war. Durch Hemmung der 12/15-LOX wurde sowohl der glutamatinduzierte Abfall der ATP-Spiegel als auch die Fragmentierung der Mitochondrien verhindert. Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Studie zum ersten Mal gezeigt, dass die Schädigung von Mitochondrien nach der initialen Aktivierung der 12/15-LOX und Bildung größerer Mengen ROS vor allem durch das proapoptotische Bcl-2 Protein Bid vermittelt wird. Nach diesen Befunden induziert 12/15-LOX-Hemmung über die Aktivierung von Bid die Depolarisation der Mitochondrienmembran und die Translokation des mitochondrialen proapoptotischen Proteins AIF in den Zellkern, wo AIF über die Zerstörung der DNA die Endphase des Zelltods einleitet. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit dargestellt werden, dass 12/15-LOX über die Bildung von ROS eine wichtige Stellung im glutamatinduzierten oxidativen Stress einnimmt. Nach dem Abfall von Glutathion in der Zelle werden 12/15-Lipoxygenasen aktiviert und bewirken in der Folge eine Aktivierung des cytotoxischen Proteins Bid, dass die Schädigung von Mitochondrien vermittelt. Durch die mitochondriale Schädigung kommt es zum Abfall von ATP-Spiegeln sowie zur Bildung weiterer großer Mengen reaktiver Sauerstoffspezies und zur Freisetzung proapoptotischer Proteine wie AIF aus den Mitochondrien. Im Rahmen dieser Arbeit konnte daher gezeigt werden, dass 12/15-Lipoxygenasen möglicherweise ein neues Target für die Therapie von neurologischen Erkrankungen sind, bei denen Glutamattoxizität und oxidativer Stress zur Schädigung und zum irreversiblen Verlust von Nervenzellen beitragen.


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