Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Hendry Tri Sakti Surya Gunawan Saragih

PECAM-1-Dependent Regulation and Protective Effects of Heme Oxygenase-1 in the Endothelium

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107589

title (ger.)

PECAM-1 vermittelte Regulation und Schutzeffekte von Häm Oxygenase-1 im Endothel

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/saragihh_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Häm Oxygenase (HO)-1 stellt die induzierbare Isoform des Schrittmacherenzyms des Hämabbaus dar, die nicht nur antioxidative, sondern auch antientzündliche Effekte aufweist. Die HO-1 hat protektive Effekte bei entzündlichen Gefäßerkrankungen, die über ihre spezifischen Funktionen im Endothel vermittelt werden. In der  vorliegenden Arbeit wurden die Hypothesen überprüft: 1) ob die Genexpression der HO-1 durch den endothelialen Oberflächenrezeptor Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule-1 (PECAM-1)(CD31) in einer zell-präferentiellen Weise reguliert wird; 2) ob die spezifische Heraufregulation der endothelialen HO-1 gegen die pathologischen Effekte von anti-endothelialen Antikörpern (Ak), die gegen das Denguevirus (DV) non-structural-1 (NS1) Antigen und gegen humane Leukozyten Antigen (HLA) Klasse I Moleküle gerichtet sind, schützt. Im ersten Teil der Promotionsarbeit wird gezeigt, dass durch gezielten knockdown von PECAM-1 in Endothelzellen die Genexpression der HO-1, nicht jedoch anderer stress-induzierbarer Gene hochreguliert wird. Die PECAM-1-abhängige HO-1 Genregulation wird über einen redox-abhängigen Signalweg unter Beteiligung des antioxidativ wirksamen Transkriptionsfaktors Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) vermittelt, was in PECAM-1-defizienten humanen Umbilikalvenen Endothelzellen (HUVECs) und in zwei PECAM-1 überexprimierenden Zelllinien gezeigt werden konnte. Weiterhin wurde die HO-1 Genexpression durch die Interaktion von PECAM-1 mit einem Proteinkomplex aus dem Leukozytenoberflächenmolekül NB1 (CD177) und der Serinprotease Proteinase 3 in Endothelzellen heraufreguliert. Im zweiten Teil der vorliegenden Promotionsarbeit wird gezeigt, dass Ak gegen das DV NS1 Antigen (Anti-NS1) zu einer deutlichen Heraufregulation der HO-1 Genexpression in Zellkulturen von HUVECs führte. Diese HO-1 Induktion wurde über einen redox-abhängigen Phosphatidyinositol-3-Kinase/Akt-abhängigen Signalweg vermittelt und beinhaltete die Wechselwirkung von Anti-NS1 mit dem Enzym Proteindisulfid Isomerase auf der Oberfläche von humanen Endothelzellen. Darüberhinaus verursachte Anti-NS1 Apoptose in Zellkulturen von HUVECs. Heraufregulation der HO-1 durch Cobalt-Protoporphyrin IX (PPIX) schwächte die durch Anti-NS1 vermittelte Apoptose ab, während die gezielte Hemmung der HO-1 durch Zinn-Mesoporphyrin die Anti-NS1 abhängige Apoptose in Endothelzellen steigerte. Unabhängig hiervon konnte gezeigt werden, dass Ak gegen HLA Klasse I Moleküle zur Aktivierung von Endothezellen führte, was anhand der Heraufregulation von Vascular cell adhesion molecule (VCAM)-1, Intercellular cell adhesion molecule (ICAM)-1, Interleukin (IL)-8 und Monocyte chemotactic protein (MCP)-1 in humanen Endothelzellen gezeigt werden konnte. Die HLA Ak-vermittelte Induktion dieser proinflammatorischen Gene wurde durch Heraufregulation der HO-1 durch Cobalt-PPIX gehemmt und durch die Blockierung der HO-1 durch Zink-PPIX verstärkt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gezielte Heraufregulation der HO-1 im Endothel eine vielversprechende Möglichkeit für therapeutische Interventionen bei entzündlichen Gefäßerkrankungen darstellt. Daher ist ein besseres Verständnis der regulatorischen Mechanismen der endothelialen HO-1 erstrebenswert, um neue therapeutische Strategien bei der Behandlung dieser Erkrankungen zu entwickeln.

abstract (englisch)

Heme oxygenase (HO)-1 is the inducible isoform of the first and rate-limiting enzyme of heme degradation, which has antioxidant and anti-inflammatory effects. HO-1 affords protection against various inflammatory vascular disorders via its functions in the endothelium. In the current thesis it was hypothesized, 1) that HO-1 gene expression is regulated by the endothelial surface adhesion receptor platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1)(CD31) in an endothelial cell (EC) type-preferential manner, and 2) that specific up-regulation of endothelial HO-1 provides protection against the pathological effects of anti-EC antibodies (Abs) that are directed against the dengue virus (DV) non-structural 1 (NS1) antigen and against human leukocyte antigen (HLA) class I molecules. In the first part of the thesis it is demonstrated that knockdown of PECAM-1 in ECs up-regulated HO-1, but not other stress-inducible genes. HO-1 gene regulation by PECAM-1 was mediated via a redox-dependent pathway, which involved the master antioxidant transcriptional regulator nuclear factor-erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) as demonstrated by findings in PECAM-1-deficient human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and in two PECAM-1 overexpressing cell lines. Moreover, interaction of PECAM-1 with a protein complex of the leukocyte surface molecule NB1 (CD177) and the serine protease proteinase 3 markedly up-regulated HO-1 expression in ECs. In the second part of the thesis it is shown that Abs against the NS1 antigen (anti-NS1) caused a marked up-regulation of HO-1 gene expression in cell cultures of HUVECs. HO-1 induction by anti-NS1 was regulated via a redox-dependent phosphatidylinositol-3-kinase/Akt-mediated pathway involving the interaction of anti-NS1 with protein disulfide isomerase on the surface of human ECs. Anti-NS1 caused apoptosis in cell cultures of HUVECs and up-regulation of HO-1 by cobalt-protoporphyrin IX (PPIX) counteracted, whereas inhibition of HO-1 with tin-mesoporphyrin increased anti-NS1 mediated apoptosis in ECs. Independently, it is also demonstrated that Abs against HLA class I molecules caused EC activation as indicated by the up-regulation of vascular cell adhesion molecule (VCAM)-1 and other inducible proinflammatory genes including intercellular adhesion molecule (ICAM)-1, interleukin (IL)-8 and monocyte chemotactic protein (MCP)-1 in human ECs. HLA I Ab-dependent induction of these proinflammatory genes was inhibited by up-regulation via cobalt-PPIX, and increased by blockage of HO-1 via zinc-PPIX, respectively. In conclusion, targeted up-regulation of HO-1 in the endothelium could be a promising approach for therapeutic interventions in vascular inflammatory disorders. Thus, a better understanding of the regulatory mechanisms of endothelial HO-1 will help to develop novel therapeutic strategies for the treatment of such diseases.

keywords

PECAM-1, Häm Oxygenase-1, Endothel, PECAM-1, Heme Oxygenase-1, Endothelium

kb

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