Das Glioblastom ist mit 70 % aller Gliome der häufigste humane Hirntumor mit sehr ungünstiger Prognose. Es konnte gezeigt werden, dass das natürlich vorkommende Dipeptid Carnosin (β-Alanyl-L-histidin) die Proliferation von Glioblastomzellen inhibiert. Diese Wirkung des Carnosins konnte ebenfalls in vivo nachgewiesen werden. Da Carnosin auch einen Einfluss auf den ATP-Haushalt der Glioblastomzellen besitzt, war das Ziel dieser Arbeit einen Wirkungsort von Carnosin zu identifizieren, womit die ATP mindernden und proliferationshemmenden Eigenschaften erklärt werden können. Es wurde untersucht, ob Carnosin den Energiemetabolismus der Glioblastome beeinflusst. Dabei konnte mithilfe zellbiochemischer Methoden gezeigt werden, dass die untersuchten Zelllinien nicht von der Energieversorgung durch die mitochondriale oxidative Phosphorylierung abhängen, da sich weder Hemmung (KCN) noch Entkopplung (DNP) der Elektronentransportkette auf den zellulären ATP-Gehalt auswirkten. Carnosin hingegen verringerte den ATP-Spiegel dieser Zellen. Die Hemmung der Glykolyse durch Oxamat (LDH-Hemmung), bewirkte einen starken Abfall des intrazellulären ATP-Spiegels, worauf Carnosin keinen zusätzlichen Effekt mehr besaß. Carnosin konnte eine Wirkung auf die glykolytische ATP-Synthese zugesprochen werden. Da ein direkter, molekularer Wirkungsort auf diesem Weg nicht identifiziert werden konnte, wurde parallel untersucht, ob sich über Proteomanalysen der Glioblastomzelllinie T98G ein Wirkungsort, bzw. -mechanismus bestimmen lässt. Anhand der Methode der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2D-GE) konnten 31 signifikant differenziell exprimierte Proteine detektiert werden, von denen 6 Proteine (VBP-1, OLA-1, TALDO 1, UROD, BAG-2, GRPEL1) über MALDI-TOF-Analysen identifiziert wurden. In Western-Blot-Analysen konnte ein Protein (VBP-1), neben T98G, auch in primären Glioblastomzelllinien als differenziell exprimiert nachgewiesen werden. Anhand der zellbiologischen und proteinbiochemischen Untersuchungen konnte einerseits eine Verbindung des Carnosins zum HIF1α-Signalweg und andererseits zur generellen posttranslationalen Peptidprozessierung hergestellt werden. Der direkte Nachweis eines Einflusses von Carnosin auf HIF1α wurde aber bisher nicht erbracht.

Das Glioblastoma multiforme (GBM) ist der am häufigsten vorkommende maligne Hirntumor mit äußerst ungünstiger Prognose für die betroffenen Patienten. Typisch für die Tumore ist eine hohe Aktivität der Glykolyse zur Generierung von ATP und zur Bereitstellung von Makromolekülen für die Zellproliferation, während die oxidative Phosphorylierung auch in Gegenwart von Sauerstoff praktisch keine Bedeutung für die Generation von ATP hat, was auch als Warburg Effekt bekannt ist. Das natürlich vorkommende Carnosin (β-Alanyl-LHistidin) wirkt sich antiproliferativ auf Tumorzellen aus, was mit einer Inhibition der glykolytischen ATP Produktion einhergeht. Der Mechanismus der Inhibition ist weitgehend unverstanden und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurde der Einfluss von Carnosin auf die mRNA Expressionen von für die Glykolyse relevanten Genen untersucht, wobei eine starke Induktion der Pyruvatdehydrogenase Kinase (PDK) 4 in drei GBM Zelllinien beobachtet wurde. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass L-Histidin den gleichen Effekt wie Carnosin zeigt, nicht jedoch β-Alanin, L-Alanin oder L-Alanyl-L-Histidin. Da Tumorzellen die intrazelluläre Gewebscarnosinase aber kaum die extrazelluläre Serumcarnosinase exprimieren, liegt die Vermutung nahe, dass die antineoplastische Wirkung des Carnosins auf die enzymatische Spaltung von Carnosin und die daraus resultierende Freisetzung von L-Histidin zurückzuführen ist. In weiteren Untersuchungen wurden Hinweise erbracht, dass Carnosin durch eine Beeinflussung von Histon-Deacetylasen, die endogene PDK4 mRNA Expression steigern könnte. Zusätzlich wurden die Proteinexpressionen der PDK1 und 4 unter dem Einfluss von Carnosin untersucht.

Das Glioblastoma multiforme (GBM) ist der am häufigsten vorkommende maligne Hirntumor mit äußerst ungünstiger Prognose für die betroffenen Patienten. Typisch für die Tumore ist eine hohe Aktivität der Glykolyse zur Generierung von ATP und zur Bereitstellung von Makromolekülen für die Zellproliferation, während die oxidative Phosphorylierung auch in Gegenwart von Sauerstoff praktisch keine Bedeutung für die Generation von ATP hat, was auch als Warburg Effekt bekannt ist. Das natürlich vorkommende Carnosin (β-Alanyl-LHistidin) wirkt sich antiproliferativ auf Tumorzellen aus, was mit einer Inhibition der glykolytischen ATP Produktion einhergeht. Der Mechanismus der Inhibition ist weitgehend unverstanden und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurde der Einfluss von Carnosin auf die mRNA Expressionen von für die Glykolyse relevanten Genen untersucht, wobei eine starke Induktion der Pyruvatdehydrogenase Kinase (PDK) 4 in drei GBM Zelllinien beobachtet wurde. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass L-Histidin den gleichen Effekt wie Carnosin zeigt, nicht jedoch β-Alanin, L-Alanin oder L-Alanyl-L-Histidin. Da Tumorzellen die intrazelluläre Gewebscarnosinase aber kaum die extrazelluläre Serumcarnosinase exprimieren, liegt die Vermutung nahe, dass die antineoplastische Wirkung des Carnosins auf die enzymatische Spaltung von Carnosin und die daraus resultierende Freisetzung von L-Histidin zurückzuführen ist. In weiteren Untersuchungen wurden Hinweise erbracht, dass Carnosin durch eine Beeinflussung von Histon-Deacetylasen, die endogene PDK4 mRNA Expression steigern könnte. Zusätzlich wurden die Proteinexpressionen der PDK1 und 4 unter dem Einfluss von Carnosin untersucht.

Das Glioblastom ist mit 70 % aller Gliome der häufigste humane Hirntumor mit sehr ungünstiger Prognose. Es konnte gezeigt werden, dass das natürlich vorkommende Dipeptid Carnosin (β-Alanyl-L-histidin) die Proliferation von Glioblastomzellen inhibiert. Diese Wirkung des Carnosins konnte ebenfalls in vivo nachgewiesen werden. Da Carnosin auch einen Einfluss auf den ATP-Haushalt der Glioblastomzellen besitzt, war das Ziel dieser Arbeit einen Wirkungsort von Carnosin zu identifizieren, womit die ATP mindernden und proliferationshemmenden Eigenschaften erklärt werden können. Es wurde untersucht, ob Carnosin den Energiemetabolismus der Glioblastome beeinflusst. Dabei konnte mithilfe zellbiochemischer Methoden gezeigt werden, dass die untersuchten Zelllinien nicht von der Energieversorgung durch die mitochondriale oxidative Phosphorylierung abhängen, da sich weder Hemmung (KCN) noch Entkopplung (DNP) der Elektronentransportkette auf den zellulären ATP-Gehalt auswirkten. Carnosin hingegen verringerte den ATP-Spiegel dieser Zellen. Die Hemmung der Glykolyse durch Oxamat (LDH-Hemmung), bewirkte einen starken Abfall des intrazellulären ATP-Spiegels, worauf Carnosin keinen zusätzlichen Effekt mehr besaß. Carnosin konnte eine Wirkung auf die glykolytische ATP-Synthese zugesprochen werden. Da ein direkter, molekularer Wirkungsort auf diesem Weg nicht identifiziert werden konnte, wurde parallel untersucht, ob sich über Proteomanalysen der Glioblastomzelllinie T98G ein Wirkungsort, bzw. -mechanismus bestimmen lässt. Anhand der Methode der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2D-GE) konnten 31 signifikant differenziell exprimierte Proteine detektiert werden, von denen 6 Proteine (VBP-1, OLA-1, TALDO 1, UROD, BAG-2, GRPEL1) über MALDI-TOF-Analysen identifiziert wurden. In Western-Blot-Analysen konnte ein Protein (VBP-1), neben T98G, auch in primären Glioblastomzelllinien als differenziell exprimiert nachgewiesen werden. Anhand der zellbiologischen und proteinbiochemischen Untersuchungen konnte einerseits eine Verbindung des Carnosins zum HIF1α-Signalweg und andererseits zur generellen posttranslationalen Peptidprozessierung hergestellt werden. Der direkte Nachweis eines Einflusses von Carnosin auf HIF1α wurde aber bisher nicht erbracht.

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Das Glioblastom ist der häufigste maligne Hirntumor. Unter der aktuellen Standardtherapie bestehend aus möglichst kompletter Resektion, kombinierter Radiochemotherapie und einer Erhaltungstherapie mit Temozolomid bleibt die Prognose mit einer 5-Jahresüberlebensrate von 7,2% schlecht. Das natürlich vorkommende Dipeptid L-Carnosin (β-Alanyl-L-Histidin) schwächt das Wachstum von Tumorzellen ab. In der vorliegenden Arbeit sind wir der Frage nachgegangen, ob andere kleine imidazolhaltige Substanzen auch die Vitalität von Glioblastomzellen beeinflussen ohne dabei nicht-maligne Zellen zu beeinflussen und ob diesem Effekt die Bildung von Histamin zugrunde liegt. Primäre Fibroblastenkulturen und Glioblastomzellen wurden mit L-Carnosin, L-Alanyl-L-Histidin, β-Alanyl-L-Alanin, L-Histidin, Histamin, Imidazol, β-Alanin und L-Alanin für 48 Stunden behandelt. Über zellbasierte Vitalitätsassays und mikroskopische Analysen wurde die Zellvitalität unter dem Einfluss der verschiedenen Substanzen sowohl von den primären Fibroblastenkulturen als auch den Glioblastomzellen bestimmt. Zudem wurde die intrazelluläre Freisetzung von L-Histidin und die Bildung von Histamin nach Behandlung der Zellen entweder mit L-Carnosin oder mir L-Alanyl-L-Histidin mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) bestimmt. L-Carnosin und L-Alanyl-L-Histidin hemmten das Tumorwachstums bei gleichzeitig nur geringem Effekt auf die Vitalität der primären Fibroblastenkulturen. L-Histidin, Histamin und Imidazol hingegen reduzierten die Zellvitalität beider Zelltypen. Substanzen die keinen Imidazolanteil besaßen hatten keinen Einfluss auf die Zellvitalität. In Anwesenheit von L-Alanyl-L-Histidin aber nicht von L-Carnosin kam es zu einem signifikanten Anstieg der intrazellulären L-Histidinmenge. Die Bildung von Histamin konnte weder nach Behandlung der Zellen mit L-Carnosin und L-Alanyl-L-Histidin noch mit L-Histidin nachgewiesen werden. Zusammenfassend trägt der Imidazolanteil zum antineoplastischen Effekt von L-Carnosin bei, was auch auf den Effekt von L-Alanyl-L-Histidin und L-Histidin zutrifft. Obwohl Histamin einen starken Einfluss auf die Zellvitalität ausübt, ist die Bildung von Histamin nicht für den antineoplastischen Effekt von L-Carnosin, L-Alanyl-L-Histidin und L-Histidin verantwortlich.

Das Glioblastom ist der häufigste maligne Tumor des zentralen Nervensystems. Trotz leitliniengerechter Therapie, bestehend aus mikrochirurgischer Resektion, Strahlentherapie und ergänzender Chemotherapie mit Temozolomid, beträgt die 2-Jahres-Überlebensrate nur ca. 17%. Daher sind dringend neue Therapieansätze erforderlich. Dem natürlich vorkommenden Dipeptid Carnosin, welches vor über 100 Jahren erstmals isoliert wurde, konnten viele physiologische Funktionen zugeschrieben werden. Zu Beginn unserer Arbeiten war bekannt, dass das Dipeptid das Wachstum von Krebszellen inhibiert, wobei die genauen Mechanismen der antineoplastischen Wirkungsweise weitgehend unbekannt waren. Die Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Habilitationsarbeit setzten sich mit möglichen Wirkmechanismen des Dipeptides auseinander, wobei ebenfalls Fragestellungen zur klinischen Anwendung von Carnosin bearbeitet wurden. Im ersten Abschnitt werden die Transportmechanismen von Carnosin in Glioblastom-Zellen beschrieben. Weiterhin wird die Frage beantwortet, ob das Dipeptid die biologisch aktive Verbindung ist oder ob L-Histidin von Carnosin abgespalten werden muss, um die antineoplastische Wirkung zu entfalten. Der zweite Abschnitt beschäftigt sich mit den Einflüssen von Carnosin auf die Signaltransduktion und Genexpression. Im dritten Abschnitt wird unter anderem mit einem Metabolomics-Ansatz der Stoffwechsel von Glioblastom-Zellen charakterisiert und der Einfluss von Carnosin auf diesen bestimmt. Im vierten Abschnitt wird ein neuartiges Ko-Kultur Modell zur Untersuchung von Carnosins Einfluss auf Glioblastom-Zell-Migration und Koloniebildung vorgestellt. Weiterhin untersuchten wir die möglichen Interaktionen des Dipeptides mit der Standardtherapie von Glioblastomen. Zusammenfassend zeigten wir, dass Carnosin durch drei verschiedene Transporter aufgenommen werden kann. Das Dipeptid hemmt sowohl Proliferation und Migration von Glioblastom-Zellen. Die Spaltung des Dipeptides ist für seine antineoplastische Wirkung nicht notwendig. In die Zelle aufgenommen, wirkt Carnosin inhibitorisch auf den Pentosephosphatweg. Eine mögliche Erklärung dafür lieferte die beobachte nicht-enzymatische Reaktion von Glycerinaldehyd-3-phosphat mit dem Dipeptid. Weiterhin zeigten unsere Experimente zum ersten Mal eine Carnosin-bedingte Veränderung der Histonacetylierung und eine damit einhergehende Beeinflussung der Genexpression. Da das Dipeptid den Effekt der Radio-/Chemotherapie verstärkt, sollte die Wirkung von Carnosin in einer klinischen Studie an Glioblastom-Patienten untersucht werden. / Glioblastoma is the most common malignant tumour of the central nervous system. Only ~17% of patients undergoing standard therapy, including microsurgical resection, radiotherapy and adjuvant chemotherapy using temozolomide survive two years after diagnosis. Hence, new therapeutic approaches are urgently needed. The naturally occurring dipeptide carnosine was discovered more than 100 years ago. Since then, many physiological functions and beneficial effects have been ascribed to it. Previous studies demonstrated that carnosine inhibits growth of cancer cells. However, at the beginning of our investigations were the mechanisms behind carnosine’s anti-neoplastic effect mostly unknown. The present work addresses possible modes of action of carnosine and issues regarding the clinical application of the dipeptide. In the first paragraph we describe the transport mechanisms of carnosine in glioblastoma cells. Furthermore, we deal with the problem whether carnosine is the biological active compound or release of L-histidine from the dipeptide is required to deploy its anti-neoplastic effect. The second paragraph addresses the influence of carnosine on glioblastoma cell signal transduction and gene expression. In the third paragraph we characterise the metabolism of glioblastoma cells and how it is influenced by carnosine by using a metabolomics approach. The fourth paragraph introduces a novel co-culture model which allows the analysis of carnosine’s impact on glioblastoma cell migration and colony formation. Furthermore, the possible interaction of the dipeptide with the glioblastoma standard therapy is investigated. In conclusion, we demonstrated that three different transporters are capable for the uptake of carnosine in glioblastoma cells. The dipeptide inhibited in addition to proliferation also migration of glioblastoma cells. Moreover, cleavage of carnosine was not required for its anti-neoplastic effect. After taken up by the cell, carnosine inhibits the pentose phosphate pathway. The observed non-enzymatic reaction of glyceraldehyde-3-phosphate with the dipeptide could possibly explain this effect. Furthermore, our experiments showed for the first time that carnosine influences gene expression by an effect on histone acetylation. As the administration of carnosine arguments the effects of radio-/chemotherapy, we encourage the clinical evaluation of the dipeptide for glioblastoma patients.

Die Arbeit behandelt die Ergebnisse von Experimenten über die Wirkung des Dipeptides Carnosin (β Alanyl L Histidin) und der Aminosäuren L Histidin und β-Alanin auf Kulturen der humanen Zellreihen U87, T98G und LN405, welche von Zellen des malignen Hirntumors Glioblastoma multiforme abgeleitet sind. Die Vitalität der Zellen nach Inkubation mit Carnosin oder L Histidin wurde anhand der Adenosintriphosphatproduktion und der Dehydrohenaseaktivität für Inkubationszeiträume von 24, 48 und 72 Stunden bestimmt. Dabei zeigte sich eine signifikant niedrigere Vitalität der mit Carnosin oder L Histidin inkubierten Zellen gegenüber der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei L Histidin stärker ausgeprägt. Bei Messungen der Lakatdehydrogenaseaktivität im Medium der Zellen, welche als Indikator für Zellnekrosen diente, zeigten nur die mit L Histidin inkubierte Zellen Zeichen von Nekrose. Die gleichen Messungen wurden auch an humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt (HEK 293), wobei sich ein ähnliches Ergebnis feststellen ließ. In den drei Zellreihen wurde zudem mittels qRT-PCR die mRNA-Expression für die beiden Enzyme Carnosinase 1 und Carnosinase 2 bestimmt, welche L Histidin von Carnosin abspalten. Im Vergleich mit Proben aus normalem Hirngewebe war die Expression beider Enzyme in den Glioblastomzellen deutlich geringer, wenngleich nachweisbar. Nachdem vorhergehende Studien [8] einen Anstieg der Expression von mRNA der Pyruvatdehydrogenasekinase 4 (PDK4) in mit Carnosin inkubierten Glioblastomzellen gezeigt hatten, wurde dieser Effekt hier auch mittels qRT-PCR in mit L Histidin inkubierten Zellen nachgewiesen. Eine Wirkung von Carnosin oder L Histidin auf ein Reportergen des PDK4-Promoters wurde ebenfalls untersucht, wobei sich kein signifikanter Effekt nachweisen ließ.

Die Arbeit behandelt die Ergebnisse von Experimenten über die Wirkung des Dipeptides Carnosin (β Alanyl L Histidin) und der Aminosäuren L Histidin und β-Alanin auf Kulturen der humanen Zellreihen U87, T98G und LN405, welche von Zellen des malignen Hirntumors Glioblastoma multiforme abgeleitet sind. Die Vitalität der Zellen nach Inkubation mit Carnosin oder L Histidin wurde anhand der Adenosintriphosphatproduktion und der Dehydrohenaseaktivität für Inkubationszeiträume von 24, 48 und 72 Stunden bestimmt. Dabei zeigte sich eine signifikant niedrigere Vitalität der mit Carnosin oder L Histidin inkubierten Zellen gegenüber der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei L Histidin stärker ausgeprägt. Bei Messungen der Lakatdehydrogenaseaktivität im Medium der Zellen, welche als Indikator für Zellnekrosen diente, zeigten nur die mit L Histidin inkubierte Zellen Zeichen von Nekrose. Die gleichen Messungen wurden auch an humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt (HEK 293), wobei sich ein ähnliches Ergebnis feststellen ließ. In den drei Zellreihen wurde zudem mittels qRT-PCR die mRNA-Expression für die beiden Enzyme Carnosinase 1 und Carnosinase 2 bestimmt, welche L Histidin von Carnosin abspalten. Im Vergleich mit Proben aus normalem Hirngewebe war die Expression beider Enzyme in den Glioblastomzellen deutlich geringer, wenngleich nachweisbar. Nachdem vorhergehende Studien [8] einen Anstieg der Expression von mRNA der Pyruvatdehydrogenasekinase 4 (PDK4) in mit Carnosin inkubierten Glioblastomzellen gezeigt hatten, wurde dieser Effekt hier auch mittels qRT-PCR in mit L Histidin inkubierten Zellen nachgewiesen. Eine Wirkung von Carnosin oder L Histidin auf ein Reportergen des PDK4-Promoters wurde ebenfalls untersucht, wobei sich kein signifikanter Effekt nachweisen ließ.:Table of contents Bibliographische Beschreibung I List of Abbreviations II List of Figures IV List of Tables V 1 Introduction 1 1.1 Overview 1 1.2 Glioblastoma 1 1.3 Carnosine 4 1.4 Histidine 8 1.5 Human pyruvate dehydrogenase kinase 4 gene and enzyme 9 2 Objectives of the study 12 3 Materials and Methods 13 3.1 Materials 13 3.1.1 Cell lines 13 3.1.2 Primers 13 3.1.3 Plasmids 14 3.1.4 cDNA of normal brain tissue 14 3.1.5 Solutions and buffers 14 3.1.6 Enzymes and kits 15 3.1.7 Media 16 3.1.8 Ready-made chemicals 17 3.1.9 Instruments 18 3.1.10 Software 19 3.1.11 Consumables 20 3.2 General microbiological and cytological methods 21 3.2.1 Production of competent E. coli 21 3.2.2 Transformation of RbCl-competent E. coli 21 3.2.3 Preparation of plasmid DNA from cultures of transformed E. coli 22 3.2.4 Cell culture conditions for human cell lines 22 3.3 Assay methods and protocols 24 3.3.1 Transfections and reporter gene assays 24 3.3.2 mRNA-isolation and qRT-PCR 25 3.3.3 Cell viability assays 26 3.4 Construction of the reporter gene (-3968/+319)_PDK4_GauIII 27 3.5 Statistical analysis 28 4 Results 29 4.1 Cell viability of glioblastoma cells under the influence of carnosine, L histidine and β-alanine 29 4.1.1 ATP production under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 29 4.1.2 Dehydrogenase activity under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 34 4.1.3 Lactate dehydrogenase activity and necrotic cell death under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 38 4.1.4 Concentration dependence of viability decrease under the influence of carnosine and L histidine 42 4.1.5 Effect of carnosine and β-alanine on viability of HEK 293 cells 44 4.2 Carnosinase mRNA expression 46 4.3 PDK4-mRNA expression under the influence of L-histidine 48 4.3.1 Enhancement of PDK4-mRNA-expression under the influence of L histidine 48 4.3.2 Development of L-histidine-mediated PDK4-mRNA increase over time 51 4.4 Reporter gene assays 54 5 Discussion 60 5.1 Conclusions 60 5.2 Outlook and suggestions for further research 63 6 Summary 65 7 Literature 68 8 Appendix - Optimization of transfection conditions for U87 cells 74