Das proinflammatorische Zytokin Interleukin-1 (IL-1) spielt eine zentrale Rolle bei Entzündungen und Infektionen. Die zellulären Antworten von IL-1 werden über den IL-1-Rezeptor Typ I (IL-1RI) vermittelt. Adapterproteine und die IL-1RI-assoziierte Kinase IRAK werden nach Ligandenbindung an den Rezeptor rekrutiert. Nach ihrer Phosphorylierung dissoziiert die IRAK vom IL-1RI-Komplex und aktiviert weitere Kinasen, was letztendlich zur Aktivierung von NF-κB und zur Induktion der Transkription von Genen führt. Für eine adäquate Immunantwort ist ein intrazellulärer reduzierter Status von Proteinthiolen essentiell. Vorausgegangene Untersuchungen an der murinen Thymomzelllinie EL-4 zeigten, dass die IL-1-Signalkaskade durch thiolmodifizierende Substanzen wie Menadion (MD) oder Phenylarsinoxid (PAO) gehemmt wird. Eine IL-1-abhängige Aktivierung von IL-1RI-assoziierte Kinasen oder NF-κB fand nicht mehr statt.<br><br> Ziele dieser Arbeit waren: (i) mögliche Proteine, die für den Angriff von thiolmodifizierenden Agenzien ein Ziel sein könnten, zu identifizieren und (ii) den Einfluss nahrungsrelevanter und redoxaktiver Substanzen auf frühe Ereignisse der IL-1-Signaltransduktion wie der Bildung des IL-1RI-Komplexes zu untersuchen. Als Zellmodell wurden EL-4-Zellen mit stabil überexprimierter IRAK (EL-4^IRAK) verwendet. Um die Bildung des IL-1RI-Komplexes, anschließende Phosphorylierungsereignisse und somit Kinase-Aktivitäten nachzuweisen, wurden Co-Präzipitations-Experimente und <i>in vitro</i> Kinase Tests durchgeführt. Die Markierung von Proteinthiolen erfolgte mit dem thiolspezifischen Reagenz Iodoacetyl-[¹²⁵I]-Iodotyrosin ([¹²⁵I]-IAIT).<br><br> Die Vorbehandlung von EL-4^IRAK-Zellen mit MD oder PAO führte zu einer Hemmung der Rekrutierung der IRAK an den IL-1RI und der anschließenden Phosphorylierungen. Zur Identifikation weiterer IL-1RI-assoziierter Proteine wurden IL-1RI-Immunpräzipitate zweidimensional aufgetrennt, Colloidal-Coomassie gefärbte Proteinspots ausgeschnitten und anschließend massenspektrometrisch mittels ESI-Q-TOF analysiert. Bei der Analyse wurden Proteine des Cytoskeletts wie z. B. Actin identifiziert.<br><br> In Analogie zu den synthetischen Substanzen MD und PAO wurden nahrungsrelevante und redoxaktive Substanzen wie Curcumin (Gelbwurz) und Sulforaphan (Broccoli) eingesetzt, um zu untersuchen, ob sie bereits früh die IL-1-Signaltransduktion beeinflussen. Bislang sind antiinflammatorische Effekte dieser beiden Nahrungsinhaltsstoffe nur auf der Ebene der Zytokin-vermittelten Aktivierung von NF-κB beschrieben. Sowohl Curcumin als auch Sulforaphan blockierten konzentrationsabhängig die Assoziation der IRAK an den IL-1RI in EL-4^IRAK-Zellen, wobei beide Substanzen unterschiedlich wirkten. Curcumin beeinflusste die IRAK-Aktivierung durch direkte Modifikation von Thiolen der IRAK ohne die Bindung von IL-1 mit dem IL-1RI zu beeinträchtigen. Sulforaphan hingegen induzierte auf mRNA- und Proteinebene die Expression von Tollip, welches durch PCR bzw. Western Blot nachgewiesen wurde. Tollip, ein negativer Regulator in TLR/IL-1RI-Signalkaskaden, könnte somit nach Induktion die IRAK-Aktivierung unterdrücken. Die Sulforaphan-abhängige Induktion der Tollip-Expression erfolgte jedoch nicht über Nrf2 und "antioxidant response element" (ARE)-regulierte Transkription, obwohl Sulforaphan ein bekannter Nrf2-Aktivator ist.<br><br> Diese Ergebnisse veranschaulichen, dass die IRAK ein redoxsensitives Protein ist und für die Bildung des IL-1RI-Komplexes reduzierte Proteinthiole eine Voraussetzung sind. Der Angriffspunkt für die antiinflammatorische Wirkung der beiden Nahrungsbestandteile Curcumin und Sulforaphan ist die Bildung des IL-1RI-Komplexes als ein frühes Ereignis in der IL-1-Signalkaskade. Die Hemmung dieses Prozesses würde die in der Literatur beobachteten Inhibitionen der abwärts liegenden Signale wie die Aktivierung von NF-κB und die Induktion proinflammatorischer Proteine erklären. / The pro-inflammatory cytokine Interleukin-1 (IL-1) generates cellular responses in infection and inflammation. Effects of IL-1 are mediated by the IL-1-receptor type I (IL-1RI). Following ligand binding the IL-1RI-associated kinase IRAK is recruited to the IL-1RI. After phosphorylation and dissociation of IRAK from the receptor different adapter proteins and kinases are activated finally leading to translocation of NF-κB into the nucleus and induction of gene expression. An intracellular reduced state of cysteine residues (thiols) of proteins is necessary for an appropriate IL-1 response. It was shown recently, that preincubation of murine thymoma EL-4 cells with the thiol modifying agents menadione (MD) or phenylarsine oxide (PAO) completely abolished e. g. the IL-1-induced activation of NF-κB. <br><br> The question to answer therefore was: (i) what are the proteins requiring free thiols and (ii) is the complex formation also influenced by dietary compounds exhibiting anti-inflammatory effects and being able to react with thiols in proteins. As a model the EL-4-cell line stably overexpressing IRAK (EL-4^IRAK) was used. Recruitment of IRAK was followed by its co-precipitation with the IL-1RI by means of Western blotting with an IRAK antibody. IRAK phosphorylation was demonstrated by in vitro kinase assays with the co-precipitates. Free thiols of IL-1RI complex-associated proteins were made visible by Iodo-acetyl-[¹²⁵I]-Iodotyrosine ([¹²⁵I]-IAIT). <br><br> By combining these methods with pretreatment of cells with MD or PAO, inhibition of recruitment of IRAK was identified as the first step in the IL-1 signaling cascade sensitive to thiol modification. To detect further redox-sensitive IL-1RI-associated proteins, receptor immunoprecipitates were separated by two dimensional gel electrophoresis and protein spots were analyzed by ESI-Q-TOF. In this way proteins of the cytoskeleton, including actin, were identified. <br><br> In addition to the synthetical compounds MD or PAO the effects of dietary agents were investigated on the IL-1 signaling pathway. Curcumin as a component of turmeric and sulforaphane from broccoli have been described to be redox-active and anti-inflammatory by an impairment of late events in IL-1- and Toll-like receptor (TLR) signaling. Increasing doses of curcumin and sulforaphane blocked the recruitment of IRAK to the IL-1RI in EL-4^IRAK cells, but these dietary compounds acted by different mechanisms. Curcumin exerted this inhibition not due to an interference with ligand binding to the receptor, it rather modified protein thiols of IRAK. In contrast, sulforaphane had an indirect effect by an induction of Tollip expression, as shown by mRNA (PCR) and protein (Western blot) analysis. Tollip is known as a negative regulator of IL-1- and TLR-mediated signaling and enhanced expression of Tollip mediated by sulforaphane might therefore inhibit IRAK activation. The induction of Tollip expression was not initiated by Nrf2 and antioxidant response element (ARE)-regulated transcription, which is known to be activated by sulforaphane. <br><br> These results demonstrate that IRAK is a redox-sensitive protein and the complex formation requires a reduced state of proteins involved. Curcumin and sulforaphane act anti-inflammatory by blocking IL-1 signaling pathway at the most early step, explaining its inhibitory effect on further downstream events in pro-inflammatory pathways.

Das 1817 erstmals schriftlich erwähnte Selen galt lange Zeit nur als toxisch und sogar als procancerogen, bis es 1957 von Schwarz und Foltz als essentielles Spurenelement erkannt wurde, dessen biologische Funktionen in Säugern durch Selenoproteine vermittelt werden. Die Familie der Glutathionperoxidasen nimmt hierbei eine wichtige Stellung ein. Für diese sind konkrete Funktionen und die dazugehörigen molekularen Mechanismen, welche über die von ihnen katalysierte Hydroperoxidreduktion und damit verbundene antioxidative Kapazität hinausgehen, bislang nur unzureichend beschrieben worden. <br><br> Die Funktion der gastrointestinalen Glutathionperoxidase (GI-GPx) wird als Barriere gegen eine Hydroperoxidabsorption im Gastrointestinaltrakt definiert. Neuen Erkenntnissen zufolge wird die GI-GPx aber auch in verschiedenen Tumoren verstärkt exprimiert, was weitere, bis dato unbekannte, Funktionen dieses Enzymes wahrscheinlich macht.<br> Um mögliche neue Funktionen der GI-GPx, vor allem während der Cancerogenese, abzuleiten, wurde hier die transkriptionale Regulation der GI-GPx detaillierter untersucht. Die Sequenzanalyse des humanen GI-GPx-Promotors ergab das Vorhandensein von zwei möglichen "antioxidant response elements" (ARE), bei welchen es sich um Erkennungssequenzen des Transkriptionsfaktors Nrf2 handelt. Die meisten der bekannten Nrf2-Zielgene gehören in die Gruppe der Phase-II-Enzyme und verfügen über antioxidative und/oder detoxifizierende Eigenschaften. Sowohl auf Promotorebene als auch auf mRNA- und Proteinebene konnte die Expression der GI-GPx durch typische, in der Nahrung enthaltene, Nrf2-Aktivatoren wie z.B. Sulforaphan oder Curcumin induziert werden. Eine direkte Beteiligung von Nrf2 wurde durch Cotransfektion von Nrf2 selbst bzw. von Keap1, das Nrf2 im Cytoplasma festhält, demonstriert. Somit konnte die GI-GPx eindeutig als Nrf2-Zielgen identifiziert werden. Ob sich die GI-GPx in die Gruppe der antiinflammatorischen und anticancerogenen Phase-II-Enzyme einordnen lässt, bleibt noch zu untersuchen. <br><br> Die Phospholipidhydroperoxid Glutathionperoxidase (PHGPx) nimmt aufgrund ihres breiten Substratspektrums, ihrer hohen Lipophilie und ihrer Fähigkeit, Thiole zu modifizieren, eine Sonderstellung innerhalb der Familie der Glutathionperoxidasen ein. Mit Hilfe eines PHGPx-überexprimierenden Zellmodells wurden deshalb Beeinflussungen des zellulären Redoxstatus und daraus resultierende Veränderungen in der Aktivität redoxsensitiver Transkriptionsfaktorsysteme und in der Expression atheroskleroserelevanter Adhäsionsmoleküle untersucht. Als Transkriptionsfaktoren wurden NF-kB und Nrf2 ausgewählt. Die Bindung von NF-kB an sein entsprechendes responsives Element in der DNA erfordert das Vorhandensein freier Thiole, wohingegen Nrf2 durch Thiolmodifikation von Keap1 freigesetzt wird und in den Kern transloziert. Eine erhöhte Aktivität der PHGPx resultierte in einer Erhöhung des Verhältnisses von GSH zu GSSG, andererseits aber in einer verminderten Markierbarkeit freier Proteinthiole. PHGPx-Überexpression reduzierte die IL-1-induzierte NF-kB-Aktivität, die sich in einer verminderten NF-kB-DNA-Bindefähigkeit und Transaktivierungsaktivität ausdrückte. Auch war die Proliferationsrate der Zellen vermindert. Die Expression des NF-kB-regulierten vaskulären Zelladhäsionsmoleküls, VCAM-1, war ebenfalls deutlich verringert. Umgekehrt war in PHGPx-überexprimierenden Zellen eine erhöhte Nrf2-Aktivität und Expression der Nrf2-abhängigen Hämoxygenase-1 zu verzeichnen. Letzte kann für die meisten der beobachteten Effekte verantwortlich gemacht werden.<br><br> Die hier dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass eine Modifizierung von Proteinthiolen als wichtige Determinante für die Regulation der Expression und Funktion von Glutathionperoxidasen angesehen werden kann. Entgegen früheren Vermutungen, welche oxidative Vorgänge generell mit pathologischen Veränderungen assoziierten, scheint ein moderater oxidativer Stress, bedingt durch eine transiente Thiolmodifikation, durchaus günstige Auswirkungen zu haben, da, wie hier dargelegt, verschiedene, miteinander interagierende, cytoprotektive Mechanismen ausgelöst werden. Hieran wird deutlich, dass sich "antioxidative Wirkung" oder "oxidativer Stress" keineswegs nur auf "gute" oder "schlechte" Vorgänge beschränken lassen, sondern im Zusammenhang mit den beeinflussten (patho)physiologischen Prozessen und dem Ausmaß der "Störung" des physiologischen Redoxgleichgewichtes betrachtet werden müssen. / Selenium was discovered in 1817 by the Swedish chemist Berzelius and was for a long time considered as being toxic and even procarcinogenic. In 1957, however, Schwarz and Foltz realized that selenium is an essential trace element which elicits its biological functions in mammals as a structural component of selenoproteins among which the family of glutathione peroxidases plays a dominant role. Glutathione peroxidases reduce hydroperoxides to the corresponding alcohols and contribute to the antioxidative capacity of a cell. However, other functions of glutathione peroxidases and the according molecular mechanisms have hardly been described.>br><br> The gastrointestinal glutathione peroxidase (GI-GPx) is believed to build a barrier against the absorption of foodborne hydroperoxides. In addition, GI-GPx expression is increased in different tumors. This indicates further, still unknown, functions of this enzyme.<br> In order to elucidate new possible functions of GI-GPx, especially during carcinogenesis, the transcriptional regulation of GI-GPx was analyzed in more detail. An analysis of the GI-GPx promoter sequence revealed the presence of two putative "antioxidant response elements" (ARE) which are recognition sites for the transcription factor Nrf2. Most of the known Nrf2 target genes either belong to the group of phase-II detoxification enzymes or possess antioxidative and/or detoxifying properties. On promoter level as well as on mRNA- and protein level the expression of GI-GPx was induced by typical Nrf2-activating compounds such as sulforaphane or curcumin that are contained in the diet. A direct involvement of Nrf2 was demonstrated by cotransfection of Nrf2 itself or by cotransfection of Keap1 which retains Nrf2 in the cytosol. Thus, the GI-GPx gene was unequivocally identified as a new target for Nrf2. Whether GI-GPx also belongs in the category of antiinflammatory and anticarcinogenic enzymes remains to be elucidated.<br><br> The phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase (PHGPx) is exceptional among the glutathione peroxidases because of its broad range of substrates, its high lipophilicity, and its ability to modify protein thiols. With PHGPx-overexpressing cells, the influence of PHGPx on the cellular redox state and on resulting changes in the activity of redox-sensitive transcription factors and on the expression of proatherogenic adhesion molecules was analyzed. For this, the redox-sensitive transcription factors NF-kB and Nrf2 were chosen. NF-kB requires free thiols for being able to bind to its responsive element within the DNA, whereas Nrf2 is released from Keap1 and translocates to the nucleus upon a modification of protein thiols. PHGPx-overexpression resulted in an increase in the ratio of GSH to GSSG, in a reduced amount of intracellular protein thiols, and in a diminished proliferation rate. Furthermore, PHGPx-overexpressing cells displayed a reduced IL-1-dependent NF-kB activity as was assessed by a reduced NF-kB DNA-binding ability and activity of a NF-kB-driven reporter gene. In addition, the expression of the NF-kB-dependent vascular cell adhesion molecule (VCAM-1) was also inhibited by overexpression of PHGPx. On the other hand, PHGPx-overexpressing cells displayed an increased activity of Nrf2 that was accompanied by an increased expression of the Nrf2-dependent heme oxygenase-1. Heme oxygenase-1 most likely is responsible for most of the aforementioned effects.<br><br> The data presented here show that a modification of protein thiols can be regarded as an important determinant for the regulation and for the functions of glutathione peroxidases. In contrast to the previous assumption that oxidative processes are always linked to pathologic changes, a moderate oxidative stress seems to have beneficial effects, because it triggers different cytoprotective mechanisms. It can be concluded that the terms "antioxidative effect" or "oxidative stress" cannot simply be restricted to "good" or "bad" processes, but need to be seen in context with the modulated (patho)physiological processes and the degree of "disturbance" of the physiologic redox balance.