Dissertation

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

Mohamad Toutounji

Mimicking the pathogenesis of inflammatory bowel disease in an intestinal cell model: Role of ER stress and RhoA signaling in intestinal barrier dysfunction

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-111014

title (ger.)

Die Pathogenese von entzündlichen Darmerkrankungen in einem intestinalen Zellmodell: Die Rolle von ER-Stress und RhoA-Signalisierung bei Dysfunktion der Darmbarrieren

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/toutounjim_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Normale biologische Aktivitäten in Epithelzellen, wie zum Beispiel Proliferation, Differenzierung, Absorption und Sekretion, werden hauptsächlich über hochsynchronisierte Signalisierungsnetze gesteuert. Diese Signalnetzwerke setzen sich nicht nur aus stimulierenden, bzw. inhibitorischen Hormonen, wie Zytokinen oder Wachstumsfaktoren zusammen, sondern beinhalten auch Lipide, Kalzium und andere Ionen, die in vielen Signalwegen eine bedeutende Rolle spielen.

 

Die wichtigsten Faktoren, die das Gleichgewicht der Synchronisation von Signalnetzwerken aufrechterhalten, sind die direkten Verbindungen zwischen Zellen, die durch die Junction-Plaques aufrechterhalten werden. Diese Plaques werden nach ihrer Funktion in Tight-Junctions, Adherens-Junctions und Gap-Junctions unterteilt. Diese Verbindung zwischen Epithelzellen wird durch Strukturen gewährleistet, die aufgrund ihrer Funktion als Abdichtung der Interzellularräume eine Schutzfunktion haben und als „intestinale Barriere“ bezeichnet werden. Der Zusammenbau dieser Junction-Plaques wird durch das kortikale Aktin-Zytoskelett und die Myosin-II-Aktivität reguliert. Eine große Anzahl von Publikationen zeigte, dass eine Störung der zellulären Signaltransduktion aufgrund von Entzündungen zu Funktionsstörungen der „intestinale Barriere“ führen kann.

 

Es wurde festgestellt, dass ein Verlust der Schutzfunktion von Epithelbarrieren, die mit der Umgebung interagieren und die Homöostase der Schleimhaut erhalten, an der Entwicklung von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) beteiligt ist. Der molekulare Mechanismus, der Defekte in intestinalen Epithelzellen (IECs) und deren Barrieren auslöst, ist jedoch weitgehend unbekannt. Es wurde auch festgetellt, dass der Verlust der Barrierefunktion mit ER-Stress in Verbindung steht. Wir verwendeten Dextran-Natriumsulfat (DSS), um ER-Stress in caco-2 Zellen zu induzieren, welche ein Modell für die Enterozyten des Epithels darstellen. Wir untersuchten den Einfluss der ER-Stressreaktion auf die Veränderung der Lipidflossenkonstruktion basierend auf dem Cholesteringehalt im intestinalen Epithelkultursystem und Proteinen, die die Zellintegrität vermitteln. Interessanterweise zeigte die Membran-Lipid-Raft-Analyse in Zellen, die mit DSS behandelt wurden, reduzierte Cholesterinspiegel in Lipid-Rafts. Darüber hinaus wurde in gestressten Zellen ein Verlust der Interaktion zwischen β-Actin, ZO-1 und E-cadherin beobachtet. Interessanterweise fanden wir, dass RhoA während der Veränderung von ER-Homöostase und Lipid-Rafts signifikant runterreguliert wird. Schließlich impliziert ER-Stress eine Veränderung innerhalb der Hydrolase-Enzym-Saccharose-Isomaltase-Homöostase. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass unsere Untersuchung eine Rolle bei der Zusammensetzung von RhoA und Lipid-Rafts spielt, die durch eine unausgeglichene ER-Homöostase während zellulärer Entzündung ausgelöst wird, die bei Störungen zu einer Herabregulierung von RhoA führt, die Biogenese von Lipiden unterbricht und folglich die Zellintegrität und -polarität reduziert. Letztendlich erweitert diese Studie unser Wissen über die fehlregulierte Funktion von Lipid-Rafts während der Entzündung und gibt eine Perspektive für die bevorstehende Entwicklung von regenerativen Therapien, die eine der therapeutischen Möglichkeiten zur Erzielung einer Schleimhautheilung bei refraktären Patienten von CED werden können.

abstract (englisch)

Normal biological activities within epithelial cells such as proliferation, differentiation, absorption and secretion are principally arranged via highly synchronized signaling networks. These signaling networks are not only the stimulative/inhibitory hormones, neurotransmitters, cytokines, growth factors but also lipids, calcium and other ions that take place in many signaling pathways.

 

The most important factors that keep the balance of synchronization of cell signaling networks is the interaction between cells through the junctional plaques. These plaques are specialized for joining neighboring cells and are divided upon their function into tight, adhesion and gap junctions. The assembly of these junctional plaques is regulated by the cortical actin cytoskeleton and myosin II activity. The structure formed between neighboring cells is called cellular (intestinal) barrier. A huge body of evidences showed that disturbance in cellular signaling due to inflammation could lead to dysfunction in cellular barriers.

 

A loss of the protective function of intestinal barriers that interact with the environment and keep the mucosa homeostasis was found to be involved in the development of IBD. However, the molecular mechanism initiating defects in intestinal epithelial cells (IECs) and their barriers are largely unrecognized. It has been also shown that ER-Stress is strongly associated with inflammatory conditions. In order to understand the mechanistic framework of epithelial cells during inflammation we used dextran sodium sulfate (DSS) to induce ER stress in caco-2 cells that mimic the enterocytes of the epithelium. We investigated the impact of ER stress response on alteration of lipid raft structure based on cholesterol content in the intestinal epithelial culture system and proteins mediating cellular integrity. Interestingly, membrane lipid raft analysis revealed reduced levels of cholesterol within lipid rafts in cells treated with DSS. Furthermore, a loss of interaction between β-actin, ZO-1 and E-Cadherin was observed in stressed cells. Most interestingly, we found that RhoA is significantly altered during ER stress and lipid rafts deregulation. Finally, ER stress implicates alteration within the hydrolase enzyme sucrose-isomaltase homeostasis. In summary, our investigation establishes a role for RhoA and lipid rafts composition, initiated via imbalanced ER homeostasis during cellular inflammation, which upon perturbations leads to downregulation of RhoA, disrupted lipid biogenesis and trafficking consequently to reduced cellular integrity and polarity. Ultimately, this study expands our knowledge on dysregulated function of lipid rafts during inflammation and gives a perspective to the upcoming development of regenerative therapies that may become one of the therapeutic choices to achieve mucosal healing in refractory patients of IBD.

keywords

Chronische Entzündung, ER stress, Zelluläre Integrität, Lipid Rafts, RhoA Signalisierung ; Inflammation, ER stress, cellular integrity, Lipid Rafts, RhoA signaling

kb

3.245