| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (20MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-150025
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.15002
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 18 Januar 2011 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Anja-Katrin Bosserhoff |
| Tag der Prüfung: | 7 Mai 2010 |
| Institutionen: | Medizin > Lehrstuhl für Pathologie Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Zoologie > Entwicklungsbiologie (Prof. Dr. Stephan Schneuwly) |
| Themenverbund: | Nicht ausgewählt |
| Stichwörter / Keywords: | Bone Morphogenetic Proteins, Hypoxie, HIF-1alpha, Ets-1, Eisenstoffwechsel, Hämojuvelin, Hepcidin, hepatozelluläres Karzinom, hypoxia, iron metabolism, hepatocellular carcinoma |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 15002 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) sind sowohl an der Regulation zahlreicher Stoffwechselvorgänge als auch an der Entwicklung verschiedener Tumore wesentlich beteiligt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die spezifische Rolle ausgewählter BMPs in der Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase, sowie in der Entstehung und Progression des hepatozellulären Karzinoms (HCCs) eingehend untersucht. So ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) sind sowohl an der Regulation zahlreicher Stoffwechselvorgänge als auch an der Entwicklung verschiedener Tumore wesentlich beteiligt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die spezifische Rolle ausgewählter BMPs in der Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase, sowie in der Entstehung und Progression des hepatozellulären Karzinoms (HCCs) eingehend untersucht. So konnte in den durchgeführten Expressionsanalysen erstmals gezeigt werden, dass BMP4 in vitro in HCC-Zelllinien und in vivo in tumorösen Lebergeweben verstärkt exprimiert wird. Computer-basierte Analysen des bmp4-Promotors wiesen auf potentielle Bindestellen für die Transkriptionsfaktoren HIF-1α und Ets-1 hin. Da das hepatozelluläre Karzinom ein hypoxisches Gewebe darstellt, wurde eine potentielle HIF-1-abhängige Induktion der BMP4-Expression im Detail analysiert. Dabei konnte zwar eine Steigerung der BMP4-Expression unter hypoxischen Bedingungen detektiert, jedoch keine direkte Bindung von HIF-1α an den Promotorbereich von bmp4 nachgewiesen werden. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass der Transkriptionsfaktor Ets-1 im HCC in Abhängigkeit vom vorherrschenden Sauerstoffgehalt reguliert wird und dadurch unter hypoxischen Bedingungen die HIF-abhängige Induktion der BMP4-Expression vermittelt. Funktionelle Studien ergaben, dass die im HCC nachgewiesene Überexpression von BMP4 entscheidend die Progression des Karzinoms fördert. Zum einen begünstigt BMP4 die Migration, die Invasion sowie das Matrix-unabhängige Wachstumsverhalten der malignen Zellen (autokriner Effekt), zum anderen gewährleistet der hohe BMP4-Spiegel auch eine verbesserte Gefäßversorgung des Tumors, da die Vaskularisierung gefördert wird (parakriner Effekt).
Zwar wurde in der Literatur bislang für mehrere Mitglieder der BMP-Familie auch eine Beteiligung an der Regulation des Eisenstoffwechsels in vitro beschrieben, doch konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals BMP6 als der Hauptregulator der Hepcidin-Expression in vivo identifiziert werden. Weitere Analysen ergaben, dass BMP6 nicht wie vermutet in der Leber, sondern in den Enterozyten des Dünndarms in Abhängigkeit vom Eisenspiegel exprimiert wird. Dadurch konnte ein komplexes System zur Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase im Detail charakterisiert werden, in welchem BMP6 als Eisensensor im Dünndarm fungiert. Das bedeutet, bei hohen Eisenspiegeln wird BMP6 dort gezielt exprimiert, um anschließend in der Leber die Induktion der Hepcidin-Expression zu vermitteln und so die Eisenaufnahme bzw. -freisetzung zu limitieren.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass BMP6 in Analogie zu BMP4 im HCC verstärkt exprimiert wird. Überraschenderweise konnte jedoch bei einer Analyse der Hepcidin-Spiegel im HCC trotz der verstärkten BMP-Expression keine Induktion, sondern vielmehr eine Reduktion der Hepcidin-Expression detektiert werden. Expressionsanalysen der BMP6-spezifischen Rezeptoruntereinheit Alk2 zeigten, dass diese im HCC kaum exprimiert wird. Deshalb ist BMP6 nicht in der Lage, die Hepcidin-Expression im HCC zu induzieren bzw. zu modulieren. BMP4, welches auch in vitro als Modulator des Eisenstoffwechsels beschrieben wurde, konnte in HCC-Zelllinien im Vergleich zur physiologischen Situation keine starke Induktion der Hepcidin-Expression bewirken. Die Suche nach einem zwischengeschalteten Molekül, welches potentiell für die fehlende Vermittlung der BMP-induzierten Effekte verantwortlich sein könnte, ergab, dass der BMP-Ko-Rezeptor Hämojuvelin (HJV, RGMc) im HCC nur sehr schwach exprimiert wird. Es konnte gezeigt werden, dass es aufgrund des Verlusts von HJV im HCC, trotz der in diesem Gewebe vorliegenden verstärkten BMP-Expression, nicht zu einer Induktion der Hepcidin-Expression und somit auch nicht zu einer verstärkten Eisenaufnahme bei HCC-Patienten kommt. Als Ursache der geringen HJV-Expression wiesen erste Untersuchungen auf eine verstärkte Destabilisierung des HJV-Transkriptes in HCC-Zellen hin, was in zukünftigen Untersuchungen bestätigt werden muss. Zusammenfassend stellen diese molekularen Veränderungen einen entscheidenden Mechanismus im Eisenstoffwechsel dar, durch welchen HCC-Patienten mit erhöhten BMP-Expressionspiegeln vor dem Auftreten ernsthafter Veränderungen des Eisenstoffwechsels geschützt werden.
In der vorliegenden Arbeit konnte somit zum einen gezeigt werden, dass Bone Morphogenetic Proteins im Allgemeinen bzw. BMP4 im Speziellen entscheidend die Progression des hepatozellulären Karzinoms fördern und folglich einen interessanten therapeutischen Angriffspunkt zur Behandlung des HCCs darstellen. Zum anderen spielen sie aber auch in physiologischen Prozessen der Leber eine wesentliche Rolle, denn sie tragen durch die Regulation der Hepcidin-Expression zur Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase bei.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are involved in the regulation of numerous metabolic processes as well as in the development of several types of tumours. Within the scope of this doctoral thesis the specific role of selected BMPs for the maintenance of iron homeostasis as well as for the development and progression of hepatocellular carcinoma (HCC) had been analysed in detail. The expression ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are involved in the regulation of numerous metabolic processes as well as in the development of several types of tumours. Within the scope of this doctoral thesis the specific role of selected BMPs for the maintenance of iron homeostasis as well as for the development and progression of hepatocellular carcinoma (HCC) had been analysed in detail. The expression analyses performed revealed for the first time an enhanced expression of BMP4 in HCC cell lines in vitro as well as in tumourous liver tissues in vivo. A computer-based analysis of the bmp4 promoter sequence identified potential binding sites for the transcriptions factors HIF-1α and Ets-1. Since the hepatocellular carcinoma is known to be a hypoxic tissue, a potential HIF-1 dependent induction of BMP4 expression had been analysed in detail. Induction of BMP4 expression was detected under hypoxic conditions, but a direct binding of HIF-1 to the bmp4 promoter region could not be shown. In fact, it was demonstrated that in HCC the transcription factor Ets-1 is regulated in dependency of the prevalent oxygen concentration and subsequently mediates HIF-dependent induction of BMP4 expression under hypoxic conditions. Functional studies revealed that the over-expression of BMP4 detected in HCC strongly facilitates the progression of this carcinoma. On the one hand, BMP4 promotes migration as well as invasion and matrix-independent growth behaviour of the transformed cells (autocrine effect). On the other hand, high BMP4 expression levels additionally allow for an improved neovascularisation of the tumour (paracrine effect).
Up to now an involvement of several members of the BMP family in the regulation of iron metabolism in vitro had been described in literature. Nevertheless, in the course of this project BMP6 was identified as a main regulator of hepcidin expression in vivo. Detailed analyses further showed that BMP6 was not expressed in the liver as originally expected, but in the enterocytes of the small intestine and in dependence of the iron levels. Thus, a complex system for the maintenance of iron homeostasis could be characterized in-depth, in which BMP6 functions as an iron sensor in the small intestine. This implies that in case of high iron levels BMP6 is expressed in this tissue, subsequently mediates induction of hepcidin expression in the liver and, therefore, limits iron uptake and iron release, respectively.
Further analyses revealed that BMP6 expression is also enhanced in HCC analogous to BMP4. Surprisingly, an analysis of the hepcidin expression pattern showed no induction but rather a reduction of hepcidin expression in HCC despite the enhanced BMP expression levels detected. It was than shown that the BMP6 specific receptor subunit Alk2 is hardly expressed in HCC. Therefore, BMP6 is not able to induce or modulate, respectively, hepcidin expression in HCC. BMP4, which had also been described as a modulator of iron metabolism in vitro before, was not able to mediate a strong induction of hepcidin expression in HCC cell lines as compared to the normal physiological situation. Searching for a molecule responsible for the absence of BMP-induced effects, we revealed that the BMP co-receptor hemojuvelin (HJV, RGMc) is only weakly expressed in HCC. It could further be demonstrated that based on the loss of HJV in HCC an induction of hepcidin expression and also an enhanced iron uptake is not observed in HCC patients despite of the strong BMP expression detected. Preliminary data suggest that decreased stability of the HJV transcript in HCC cells may be causal for the strong reduction in HJV expression, although this implication has to be confirmed in future studies. Taken together, these molecular changes represent a crucial mechanism protecting HCC patients – which display enhanced BMP expression levels – from serious changes in their iron metabolism.
Within the scope of this doctoral thesis it was shown that Bone Morphogenetic Proteins in general and BMP4 in particular crucially promote the progression of hepatocellular carcinoma and, therefore, represent an interesting target for therapeutical intervention in HCC. Additionally, they also play an important role in physiological processes in the liver, as they contribute to maintenance of iron homeostasis by regulating hepcidin expression.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 09:17
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