Background: Erythropoietin (EPO) can reduce myocardial ischemia/reperfusion (I/R) injury. However, the cellular mechanisms have not been elucidated entirely. The present study was to investigate whether transcription factor GATA-4 could be involved in EPO-induced cardioprotection when it was administered after ischemia, immediately before reperfusion. Methods and results: Male Balb/c mice treated with or without EPO were subjected to ischemia (45 min) followed by reperfusion (4 h). TTC staining showed that the infarct size in EPO-treated mice was significantly reduced compared with untreated I/R mice (P < 0.05). Echocardiography examination suggested that EPO administration significantly improved cardiac function following I/R. TUNEL assay indicated that EPO treatment decreased apoptosis. EPO administration also significantly increased the level of nuclear GATA-4 phosphorylation in the myocardium which was positively correlated with the reduction of myocardial infarction. In vitro hypoxia/re-oxygenation study showed that EPO treatment increased the levels of phospho-GATA-4 and decreased cardiomyocyte apoptosis. More significantly, blocking GATA-4 by transfection of a dominant-negative form of GATA-4 (dnGATA-4) abolished EPO-induced cardioprotective effects. Conclusion: EPO administration after ischemia, just before reperfusion induced cardioprotection and stimulated GATA-4 phosphorylation. Activation of GATA-4 may be one of the mechanisms by which EPO induced protection against myocardial I/R injury.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21009号 / 医博第4355号 / 新制||医||1028(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 羽賀 博典, 教授 前川 平, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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Angiogenesis is a normal and vital process that occurs during growth and development. Repair of bony defects, whether in the craniofacial complex or the alveolus, require an alloplastic or xenoplastic bone graft with angiogenic potential. This angiogenic potential is derived from existing blood vessels adjacent to the graft site. Improving the endogenous angiogenic potential with a molecule would drastically improve the survival rate of the bone graft material. This study was conducted to test the hypothesis that specific stem cell lines treated with erythropoietin, a positive promoter of angiogenesis, may increase the erythropoietin receptor expression in-vitro. In addition, this study also evaluated the vascular branching in vitro of human umbilical vein-derived endothelial cells treated with erythropoietin in the matrigel assay. Human umbilical vein-derived endothelial cells were treated for seven days with four concentrations of erythropoietin and cellular branching was evaluated in the matrigel assay. human bone marrow-derived mesenchymal stem cells and multi-potent cord blood derived unrestricted stromal stem cells were treated for seven days with erythropoietin and erythropoietin receptor expression was evaluated via reverse transcriptase real time polymerase chain reaction and real time polymerase chain reaction assays. The results of this study indicate that: erythropoietin had no effect on human umbilical vein-derived endothelial cells in the matrigel assay from a qualitative perspective, after treating multi-potent cord blood derived unrestricted stromal stem cells cells for 7 days with erythropoietin, there was no statistically significant difference between treatment groups when compared to control, and after treating human bone marrow-derived mesenchymal stem cells cells for 7 days with erythropoietin, the 20 U/ml treatment group showed a statistically significant reduction of the erythropoietin receptor as compared to the control group. / Biology

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Das Problem des Missbrauchs von Erythropoietin (EPO) als Dopingsubstanz zur Steigerung der Ausdauerleistung wurde schlagartig weltweit durch den Skandal zur Tour de France 1998 bekannt. Das Internationale Olympische Komitee (IOC) führte ab 1992 Erythropoietin explizit auf der Liste der verbotenen Wirkstoffe auf, ohne des es möglich war zwischen den rekombinantem und dem körpereigene Erythropoietin zu unterscheiden. Bei der im Institut für Dopinganalytik und Sportbiochemie Kreischa durchgeführten Arbeit wurden zwei generelle Strategien verfolgt: zum einen ein indirekter Nachweis des rhEPO, basisierend auf dessen Auswirkungen auf die Erythropoese, und zum anderen der direkte Nachweis des Unterschieds zwischen rekombinantem und humanem Erythropoietin. In der ersten durchgeführten Populationsuntersuchung von 229 Leistungssportlern konnte bei der Auswertung der Daten lediglich eine signifikante Erhöhung des löslichen Transferrinrezeptors (sTfR) bei den Ausdauerathleten gefunden werden, während sich die hämatologischen Parameter nicht unterschieden. In der anschließenden Verlaufsuntersuchung von Ausdauerathleten des Deutschen Leichtathletikverbandes wurden zusätzlich zu den bereits in der Populationsstudie untersuchten Parametern erstmalig von Hochleistungs-athleten Retikulozyten und deren Reifeparameter untersucht. Bei den Hochleistungs-sportlern konnten, insbesondere für die Retikulozyten-parameter, über den Zeitraum der Studie konstante Werte gefunden werden. Die Untersuchung der zirkadianen Rhythmik zeigte lediglich für den Parameter Erythropoietin einen signifikante Veränderung mit einem Maximum in den späten Abendstunden (20:00 bis 23:00 Uhr) erreichte. Die Untersuchung der Variation der indirekten Parameter über den Zeitraum eines Jahres zeigte, dass im Gegensatz zu der Verlaufsuntersuchung der DLV-Athleten, bei der der längste Untersuchungs-zeitraum sechs Monate betrug, eine Veränderung aller Parameter, mit Ausnahme von Erythropoietin, bestand. Bei der Auswertung der Belastungsstudien wurde für die gut trainierten Athleten nur ein geringer Einfluss auf die hämatologischen Parameter gefunden, während bei einigen Retikulozytenparametern signifikante Erhöhungen durch die Belastung festgestellt werden konnten. Mit der Etablierung der direkten Nachweismethode für EPO im Urin und der Anpassung der ursprünglichen Methode an das neue Präparat ARANESP, ein modifiziertes EPO, änderte sich die Aufgabenstellung für die indirekten Parameter, da es ab sofort möglich war eine große Anzahl Proben unter Verwendung von niedrigeren Grenzwerten zu screenen. Anhand der Werte der weltbesten Ausdauerathleten wurden allgemein gültige Grenzwerte und eine globale Strategie für ein Screening aufgestellt. Bei einem auffälligen Befund würde in jedem Fall die korrespondierende Urinprobe mittels der direkten Methode untersucht und erst mit dem Nachweis des rekombinanten Erythropoietins als positiv bewertet werden. Zusätzlich zu den indirekten Parametern wurden Untersuchungen hinsichtlich des direkten Nachweis, d. h. der Anreicherung von Erythropoietin und einer massenspektrometrischen Analyse einzelner Glykanketten, durchgeführt, bei denen mit der Kombination Nanospray und TOF-MS die notwendigen Nachweisgrenzen erreicht werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass ausgewählter Blutparameter sehr gut geeignet sind, um als Screeningmethode für erythropoesesteigernde Substanzen zu dienen. Im Gegensatz zur Methode des direkten Nachweises von EPO im Urin, die durch die Verfügbarkeit der Referenzsubstanzen limitiert ist, bietet der indirekte Nachweis über Blutparameter den Vorteil, Veränderungen des erythropoetischen Systems, verursacht durch neue Substanzen oder Methoden, erfassen zu können.

Das Problem des Missbrauchs von Erythropoietin (EPO) als Dopingsubstanz zur Steigerung der Ausdauerleistung wurde schlagartig weltweit durch den Skandal zur Tour de France 1998 bekannt. Das Internationale Olympische Komitee (IOC) führte ab 1992 Erythropoietin explizit auf der Liste der verbotenen Wirkstoffe auf, ohne des es möglich war zwischen den rekombinantem und dem körpereigene Erythropoietin zu unterscheiden. Bei der im Institut für Dopinganalytik und Sportbiochemie Kreischa durchgeführten Arbeit wurden zwei generelle Strategien verfolgt: zum einen ein indirekter Nachweis des rhEPO, basisierend auf dessen Auswirkungen auf die Erythropoese, und zum anderen der direkte Nachweis des Unterschieds zwischen rekombinantem und humanem Erythropoietin. In der ersten durchgeführten Populationsuntersuchung von 229 Leistungssportlern konnte bei der Auswertung der Daten lediglich eine signifikante Erhöhung des löslichen Transferrinrezeptors (sTfR) bei den Ausdauerathleten gefunden werden, während sich die hämatologischen Parameter nicht unterschieden. In der anschließenden Verlaufsuntersuchung von Ausdauerathleten des Deutschen Leichtathletikverbandes wurden zusätzlich zu den bereits in der Populationsstudie untersuchten Parametern erstmalig von Hochleistungs-athleten Retikulozyten und deren Reifeparameter untersucht. Bei den Hochleistungs-sportlern konnten, insbesondere für die Retikulozyten-parameter, über den Zeitraum der Studie konstante Werte gefunden werden. Die Untersuchung der zirkadianen Rhythmik zeigte lediglich für den Parameter Erythropoietin einen signifikante Veränderung mit einem Maximum in den späten Abendstunden (20:00 bis 23:00 Uhr) erreichte. Die Untersuchung der Variation der indirekten Parameter über den Zeitraum eines Jahres zeigte, dass im Gegensatz zu der Verlaufsuntersuchung der DLV-Athleten, bei der der längste Untersuchungs-zeitraum sechs Monate betrug, eine Veränderung aller Parameter, mit Ausnahme von Erythropoietin, bestand. Bei der Auswertung der Belastungsstudien wurde für die gut trainierten Athleten nur ein geringer Einfluss auf die hämatologischen Parameter gefunden, während bei einigen Retikulozytenparametern signifikante Erhöhungen durch die Belastung festgestellt werden konnten. Mit der Etablierung der direkten Nachweismethode für EPO im Urin und der Anpassung der ursprünglichen Methode an das neue Präparat ARANESP, ein modifiziertes EPO, änderte sich die Aufgabenstellung für die indirekten Parameter, da es ab sofort möglich war eine große Anzahl Proben unter Verwendung von niedrigeren Grenzwerten zu screenen. Anhand der Werte der weltbesten Ausdauerathleten wurden allgemein gültige Grenzwerte und eine globale Strategie für ein Screening aufgestellt. Bei einem auffälligen Befund würde in jedem Fall die korrespondierende Urinprobe mittels der direkten Methode untersucht und erst mit dem Nachweis des rekombinanten Erythropoietins als positiv bewertet werden. Zusätzlich zu den indirekten Parametern wurden Untersuchungen hinsichtlich des direkten Nachweis, d. h. der Anreicherung von Erythropoietin und einer massenspektrometrischen Analyse einzelner Glykanketten, durchgeführt, bei denen mit der Kombination Nanospray und TOF-MS die notwendigen Nachweisgrenzen erreicht werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass ausgewählter Blutparameter sehr gut geeignet sind, um als Screeningmethode für erythropoesesteigernde Substanzen zu dienen. Im Gegensatz zur Methode des direkten Nachweises von EPO im Urin, die durch die Verfügbarkeit der Referenzsubstanzen limitiert ist, bietet der indirekte Nachweis über Blutparameter den Vorteil, Veränderungen des erythropoetischen Systems, verursacht durch neue Substanzen oder Methoden, erfassen zu können.

Apart from CAD, the transient liberation of AIF during day 6 of TF-1 differentiation could pose another threat to the genomic DNA in cells. We have demonstrated the absence of AIF in the nucleus of TF-1 cells despite its release from the mitochondria by using confocal studies. Moreover, the expression of heat shock protein 70 kDa (Hsp70), a well-known antagonist of AIF, was found to be temporarily increased at day 6. Taken together, our results implied a plausible retention of AIF in the cytoplasm by Hsp70. Although Hsp70 is commonly utilized by many cancer cells to counteract AIF and avoid DNA fragmentation, we are the first to demonstrate its role in suppressing AIF during normal erythroid maturation. / As a whole, we have illustrated that the activated caspase-3, mediated most likely by the mitochondrial pathway, is an essential component in the differentiation of TF-1 cells. Its activation was nevertheless not coupled with DNA fragmentation due to some protective mechanisms such as CAD downregulation, Hsp70 upregulation and overexpression of Bcl-XL. Our study therefore provides some insights in the understanding of the relationship between human erythropoiesis and apoptosis and a better understanding in this regard will undoubtedly facilitate the development of new drugs in the treatment of different hematopoietic diseases. / Caspases play a central role in apoptosis. Their activations during the process are accounted for different biochemical and morphological changes in apoptotic cells. Yet in recent years, increasing studies had shown that caspases were also involved in some non-apoptotic cellular events, including T and B-lymphocytes activation, as well as the terminal differentiation of lens cells, megakaryocytes and erythrocytes. / In order to find out other unknown cellular mechanisms in erythropoiesis, mRNA differential display was employed to compare the gene expression pattern of TF-1 cells at different stages of differentiation. Several differentially expressed genes were identified and subsequently confirmed by RT PCR. These genes include formin binding protein 3, destrin and T-complex protein-1 (TCP-1). Their involvement in erythroid differentiation was still not clear at the moment but would be investigated in the near future. Furthermore, aiming at identifying the interacting proteins or inhibitors of caspase-3 in the system, a pull down assay was developed by means of the bacterial expression of a recombinant human caspase-3 mutant protein. With the mutation in the active site, the binding of our recombinant caspase-3 mutant with two known partners ICAD and BIRII (Baculovirus Inhibitor of apoptosis protein Repeat II) domain has been demonstrated. We hope in the near future that it can be employed to fish out some novel caspase-3 substrates from the differentiating TF-1 cell lysate. / In the present study, the participation of caspase in in vitro erythropoiesis was investigated using a human erythroleukemia cell line TF-1. Erythropoietin (EPO) induced erythroid maturation of TF-1 as indicated by the expression of erythroid-lineage markers like glycophorin A (GPA), transferrin receptors (CD71) and synthesis of hemoglobin (Hb). Activation of caspase-3 was observed from day 6 to day 12 during TF-1 differentiation after EPO treatment. With the administration of caspase-3 specific inhibitor, expressions of GPA and CD71 were partially blocked, suggesting that caspase-3 activation is essential in erythropoiesis in our TF-1 model. / Possible involvement of the intrinsic and extrinsic apoptotic pathways was studied by investigating respectively the activation of pro-caspase-9 and -8. It was found that caspase-9, but not -8, was activated at the corresponding time point when caspase-3 was activated. Besides, a transient mitochondrial depolarization coupled with the release of cytochrome c and apoptosis inducing factor (AIF) were detected on day 6, strongly implying a role of mitochondria in triggering the activation of executioner caspase-3. On the other hand, GPA and CD71 expressions were blocked by the application of mitochondrial depolarization inhibitor cyclosporin A (CyA). Also, the recovery of mitochondrial membrane potential was found to be correlated with an overexpression of Bcl-XL at a late stage of TF-1 differentiation, and the role of Bcl-XL was subsequently manifested further by a significant retardation of erythroid differentiation in the siRNA Bcl-XL knocked down TF-1 cells. / The exact role of caspase-3 in erythroid differentiation is far from clear at this moment. Yet, its regulation in the process is equally intriguing. On the course of TF-1 maturation, activated caspase-3 was able to cleave and de-localize the Inhibitor of Caspase-activated DNase (ICAD) from the nucleus, but at the same time DNA fragmentation was not detected by TUNEL assay nor agarose electrophoresis. Furthermore, protection against DNA fragmentation was observed in the EPO-treated TF-1 cells when challenged with a potent apoptotic inducer staurosporine (STS). These observations are in contrast to our understanding that DNA is fragmented by CAD (Caspase-activated DNase) when ICAD in the ICAD-CAD complex is cleaved by caspase-3. For these apparently contradictory observations, we demonstrated that downregulation of CAD occurred at the mRNA and protein levels during the erythroid differentiation in TF-1. This provides a cell rescuing mechanism in non-apoptotic cells with activated caspases. / Lui Chun Kin Julian. / "September 2006." / Adviser: Siu Kai Kong. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 68-03, Section: B, page: 1620. / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2006. / Includes bibliographical references (p. 239-253). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [200-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstracts in English and Chinese. / School code: 1307.

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