Univ., Diss.--Marburg, 2000. / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Zugl.: Münster (Westfalen), Univ., Diss., 2008

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2007.

Transforming growth factor-ß (TGF-ß) is a multifunctional cytokine that is engaged in regulating versatile cellular processes that are pivotal for development and homeostasis of most tissues in multicellular organisms. TGF-ß signal transduction is initially propagated by binding of TGF-ß to transmembrane serine/threonine kinase receptors, designated TßRI and TßRII. Upon activation, the receptors phosphorylate Smad proteins which serve as downstream mediators that enter the nucleus and finally trigger transcriptional responses of specific genes. During the past years, it became evident that signaling cascades do not proceed in a linear fashion but rather represent a complex network of numerous pathways that mutually influence each other. Along these lines, members of the TGF-ß superfamily are attributed to synergize with neurotrophins. Together, they mediate neurotrophic effects in different populations of the nervous system, suggesting that an interdependence exists between TGF-ßs on the one hand and neurotrophins on the other. In the present work, the crosstalk of NGF and TGF-ß/Smad signaling pathways is characterized in rat pheochromocytoma cells (PC12) which are frequently used as a model system for neuronal differentiation. PC12 cells were found to be unresponsive to TGF-ß due to limiting levels of TßRII. However, stimulation with NGF results in initiation of Smad-mediated transcription independent of TGF-ß. Binding of NGF to functional TrkA receptors triggers activation of Smad3. This NGF-dependent Smad activation occurs by a mechanism which is different from being induced by TGF-ß receptors in that it provokes a different phosphorylation pattern of R-Smads. Together with an inferior role of TßRI, Smad3 is proposed to serve as a substrate for cellular kinases other than TßRI. Based on the presented involvement of components of both, the MAPK/Erk and the TAK1/MKK6 cascade, signal mediators of these pathways rank as candidates to mediate direct activation of Smad3. Smad3 is subsequently translocated to the nucleus and activates transcription in a Smad4-dependent manner. Negative regulation is provided by Smad7 which was found to act as a potent inhibitor of Smad signaling not only in TGF-ß- but also in NGF-mediated cascades. The potential of NGF to activate the Smad pathway independent of TGF-ß might be of special importance in regulating expression of genes that are essential for the development and function of neuronal cells or of other NGF-sensitive cells, in particular those which are TGF-ß-resistant. / Das multifunktionelle Zytokin TGF-ß ist an der Regulation vielfältiger zellulärer Prozesse beteiligt. Diese sind für die Entwicklung und die Homöostase der meisten Gewebe vielzelliger Organismen essenziell. Die TGF-ß Signaltransduktionskaskade wird durch die Bindung des Zytokins an spezifische transmembrane Serin/Threonin-Kinase Rezeptoren (TßRI und TßRII) initiiert. Eine solche Rezeptoraktivierung führt zur Phosphorylierung von Smad Proteinen. Diese dienen der Signalweiterleitung, indem sie anschließend in den Zellkern translozieren und dort die Transkription spezifischer Zielgene modulieren. In den letzten Jahren wurde deutlich, dass Signalkaskaden nicht nur linear weitergeleitet werden, sondern dass vielmehr ein komplexes Netzwerk aus zahlreichen, sich gegenseitig regulierenden, Signalwegen existiert. In diesem Zusammenhang wird auch den Mitgliedern der TGF-ß Superfamilie zugeschrieben, dass sie mit Neurotrophinen kooperieren und somit deren Effekte in unterschiedlichen neuronalen Zellpopulationen unterstützen. In der vorliegenden Arbeit wurde der "crosstalk" von NGF- und TGF-ß/Smad-Signalwegen charakterisiert. Als Zellsystem dienten dazu Ratten Pheochromocytoma Zellen (PC12), die weithin als Modellsystem für neuronale Differenzierung verwendet werden. Basierend auf der Expression limitierender Mengen an TßRII, zeigen PC12 Zellen keine Responsivität gegenüber TGF-ß. Stimulation mit NGF hingegen resultiert - unabhängig von TGF-ß - in der Initiation von Smad-vermittelter Transkription. Die initiale Bindung von NGF an TrkA Rezeptoren führt zur Aktivierung von Smad3. Diese NGF-induzierte Smad-Aktivierung unterscheidet sich von der durch TGF-ß-Rezeptoren initiierten Aktivierung hinsichtlich des Phosphorylierungsmusters der R-Smads. Da weiterhin gezeigt werden konnte, dass die TGF-ß Rezeptoren für NGF-induzierte Ereignisse eine untergeordnete Rolle spielen, wird angenommen, dass Smad3 ein Substrat für andere zelluläre Kinasen als TßRI ist. Die hier nachgewiesene Beteiligung der MAPK/Erk Kaskade sowie des TAK1/MKK6 Signalwegs an der Weiterleitung des NGF-Signals machen deren Signalmoleküle zu potenziellen Kinasen für die direkte Aktivierung von Smad3. Im Anschluß daran erfolgt die nukleäre Translokation des Smad3 und spezifische Promotoraktivierungen unter Beteiligung von Smad4. Abschließend konnte gezeigt werden, dass das Smad7 Protein, nicht nur nach TGF-ß- sondern auch nach NGF-Stimulation als effektiver Inhibitor der Smad Signalkaskade wirkt. Die bislang unbekannte Fähigkeit, den Smad-Signaltransduktionsweg unabhängig von TGF-ß zu aktivieren, schreibt NGF eine besondere Bedeutung für die Genregulation in neuronalen Zellpopulationen oder anderen NGF-sensitiven - insbesondere TGF-ß-resistenten - Zellen zu.

Der Transkriptionsfaktor hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) trägt zur Expression von adaptiven Genen unter hypoxischen Bedingungen bei. Zusätzlich wurde vermutet, dass HIF-1 eine Rolle in der Regulation des späten neuronalen Zelltodes spielt. Suspensionszellen und adhärenten PC12-Zellen mit Nervenwachstumsfaktor (NGF) behandelt, wurden als ein experimentelles Modell für die Untersuchung der Beziehung zwischen Hypoxie induziertem Zelltod und Aktivität von HIF-1 herangezogen. Zelltod wurde durchflusszytometrisch mit einer Doppelfärbung (Annexin V und Propidium-Jodid) der Zellen und durch eine Analyse der allgemeinen Zelltodparameter wie LDH und die mitochondriale Dehydrogenase bestimmt. Parallel wurden Zellen mit einem Kontrollvektor und einem hypoxiesensitiven Vektor mit drei Hypoxie-bindenden-Elementen (HBE) transfiziert und die durch HIF-1 aktivierte Luciferase gemessen. Hypoxieexposition der NGF-behandelten PC12-Zellen resultierte in einer höheren Zelltodrate verglichen mit den unbehandelten Kontrollzellen. PC12 Zellen, zwei Tage mit NGF behandelt, zeigten eine bis zu 10-fach verminderte HIF-1-Aktivität. Diese Verminderung könnte zu dem erhöhten hypoxie-induzierten Zelltod durch verminderte Expression von HIF-1alpha-regulierten Genen, welche für die Anpassung an Hypoxie verantwortlich sind, beitragen. Die Verminderung der HIF-1 Aktivität und der Anstieg der Hypoxiesensitivität könnte darauf hinweisen, dass NGF als eine Art hierarchisch organisiertes Signalmolekül fungiert. / The transcription factor hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) strongly contributes to the expression of adaptive genes under hypoxic conditions. In addition, HIF-1 has been implicated in the regulation of delayed neuronal cell death. Suspension-grown and adherent PC12 cells treated with NGF were used as an experimental model for studying the relationship between hypoxia-induced cell death and activation of HIF-1. Cell damage was assessed by flow cytometry of double-stained (annexin V and propidiumiodide) cells, and by analysis of the overall death parameters LDH and mitochondrial dehydrogenase. In parallel, cells were transfected with a control and a three-hypoxia-responsive-elements (HRE)-containing vector and HIF-1-driven luciferase activity was determined. Exposure of NGF-treated PC12 cells to hypoxia resulted in a higher cell death rate when compared to untreated controls. PC12 cells exposed for 2 days to NGF exhibited a decrease of HIF-1 activity up to a factor of ten. This decrease may contribute to the enhanced hypoxia-induced cell death via reduced expression of HIF-1alpha-regulated genes resposible for adaptation to hypoxia, like those for glucose transport proteins and enzymes of the glycolytic chain. The decrease in HIF-1 activity and the increase in hypoxia sensitivity may suggest that NGF act as an hierachically organized signaling molecule.