Ullrich, Oliver: Mechanismen protektiver und destruktiver Funktionen der Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1) bei Zell- und Gewebeschädigungen

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Kapitel 4. Zusammenfassung

Während die zellulären Abwehr- und Reparaturstrategien gegen oxidativ geschädigte DNA bisher gut untersucht waren, gab es bisher noch keine Erkenntnisse über mögliche Schutzmechanismen gegenüber oxidativ geschädigten Histonen, die nach ihrer Schädigung funktionell so entscheidene Prozesse wie Transkription, Replikation und DNA-Reparatur empfindlich stören könnten. Aus diesem Grund konzentrierten sich die Arbeiten zunächst auf die biologischen Konsequenzen und zellulären Abwehrstrategien gegen diese Produkt der oxidativen Zellschädigung, die oxidativ geschädigten Histone. In Untersuchungen zur Regulation des Abbaus oxidativ geschädigter Histone, die durch Reaktion mit inflammatorisch freigesetzten Sauerstoffradikalen wie z.B. Hypochlorit entstehen, konnte gezeigt werden, daß Zellen ein nukleäres proteolytisches System aufweisen, das in der Lage ist, oxidativ geschädigte Kernproteine, auch in Bindung an die DNA, selektiv zu erkennen und spezifisch abzubauen. Dieses System wurde als das 20S Proteasom identifiziert. In diesem Zusammenhang wurde deutlich, daß das bisherige Konzept der Stabilität und des sehr langsamen endogenen Turnovers der Histonproteine nur für den wenig physiologischen Fall einer oxidativ völlig unbelasteten Zelle gilt und daß schon geringgradiger oxidativer Stress zu einem deutlich gesteigerten Histonturnover führt. Dabei scheint dem Turnover von Histon H1 eine Sonderfunktion zuzukommen. Das nukleäre 20S Proteasom wird im Zellkern wesentlich durch hochaffine Bindung von ADP-Ribose-Polymeren aus der automodifizierten Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1) reguliert. Damit erwies sich die PARP-1 als ein mögliches wichtiges Signalmolekül zur Umsetzung eines zellulären Schadens in eine protektive Antwort. Darüberhinaus konnte das durch Lipidperoxidation endogen entstehende 4-Hydroxynonenal als ein starker endogener Inhibitor und damit negativer Regulator der PARP-1 während oxidativer Belastung identifiziert werden und sein intrazellulärer Metabolismus aufgeklärt werden.

Es stellte sich die Frage, inweit dieses protektive PARP-1-abhängige System nun an zellulären Resistenzmechanismen gegen die erwünschte oxidative Schädigung von Tumorzellen unter chemotherapeutischer Behandlung beteiligt ist und ob die Ausschaltung dieses Systems mittels chemischer Hemmung oder mittels antisense-Technik zu einer erhöhten Effktivität einer Antitumortherapie beitragen kann. Es konnte festgestellt werden, daß die Aktivierung des nukleären Proteasoms nach oxidativer Belastung vom Differenzierungsgrad der Zelle abhängig ist und diese


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Proteasomaktivierung auch in proliferierenden und retrodifferenzierten humanen Leukämiezellen auf der nicht-kovalenten Bindung von Poly(ADP-Ribose)-Ketten der automodifizierten PARP-1 beruht. Die PARP-1-regulierte Proteasomaktivierung schützt also oxidativ belastete proliferierende humane Leukämiezellen vor der Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine. Bei Behandlung mit Adriamycin konnte ebenfalls eine vom Differenzierungsgrad der Zelle abhängige PARP-1-regulierte Aktivierung des nukleären Proteasoms beobachtet werden, die der Entstehung von DNA-Protein-Crosslinks und weiteren Akkumulation von DNA-Strangbrüchen entgegenwirkt. Diese PARP-1-regulierte Proteasomaktivierung war auch in leukämischen Blasten von Patienten mit akuter myeloischer Leukämie nachweisbar und konnte nach Ausschaltung durch antisense-Technik oder nach chemischer Hemmung die Empfindlichkeit von humanen Leukämiezellen gegenüber Adriamycin deutlich erhöhen.

Nach Identifikation der PARP-1 als wichtiges Signalmolekül für protektive Reaktionen nach oxidativer Schädigung von Tumorzellen lag es nahe, phagozytotisch aktive Immunzellen sowohl in der Körperperipherie als auch im ZNS zu untersuchen, da diese gerade unter entzündlichen Bedingungen eine große Menge an Sauerstoffradikalen freisetzen, deren toxische Wirkung sie aber selbst überleben. Es konnte in diesem Zusammenhang gezeigt werden, daß in aktivierten Mikrogliazellen diese PARP-1-abhängige Aktivierung des nukleären Proteasoms einen wesentlichen antioxidativen Schutzmechanismus darstellt, der die Akkumulation von oxidativ geschädigten Proteinen und den dadurch induzierten Zelltod verhindern kann. Darüberhinaus konnte ein weiterer intrazellulärer Mechanismus identifiziert werden, der an der spezifischen Migration aktivierter Mikrogliazellen zum Ort der neuronalen Schädigung wesentlich beteiligt ist. Wir identifizierten die Expression des beta2-Integrins CD11a an der Oberfläche von aktivierten Mikrogliazellen als notwendige Voraussetzung zur Migration zum Ort der neuronalen Schädigung und fanden eine intrazelluläre Regulation der CD11a-Expression auf Transkriptionsebene durch Bildung eines Protein-Protein-Komplexes aus der automodifizierten PARP-1, dem nukleär transloziertem NF-_B und HMG-I(Y). Die funktionelle Bedeutung dieses Mechanismus konnte durch transiente Transfektion von primären Mikrogliazellen mit den entsprechenden antisense-Konstrukten belegt werden. Die Transfektion von Mikrogliazellen mit einem antisense-PARP-Vektor führte zur kompletten Aufhebung der Migration in das Gebiet des neuronalen Primärschadens und zu einer kompletten Vermeidung des mikroglial induzierten neuronalen Sekundärschadens. Daher könnte


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die spezifische Hemmung der PARP-1 in Mikrogliazellen eine mögliche neue therapeutische Strategie zur Entwicklung hochpotenter antiinflammatorischer Medikamente zum Zwecke der Neuroprotektion darstellen.

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Thu Nov 7 16:02:32 2002