Fumonisin B1 (FB1) is a mycotoxin produced by various Fusarium species and constitutes a major contaminant of maize worldwide. A 2-year carcinogenicity study of the National Toxicology Program (NTP) in Fischer N344 rats showed that male rats were most susceptible to FB1-induced tumor formation in the kidney. Histopathologically, a rare and highly malignant tumor type originating from the proximal tubules of rat kidney with increased potential for invasion and metastasis was identified. However, mechanisms underlying the FB1-induced carcinogenesis in kidneys of male rats are still not clear. Previous studies have shown that FB1-mediated disruption of sphingolipid metabolism via inhibition of ceramide synthase is a primary key event in FB1 toxicity. The disruption of sphingolipid metabolism may cause time- and dose-related changes in the relative balance of various bioactive intermediates. Furthermore, the ability of FB1 to induce renal cell death and subsequent compensatory cell proliferation is well known, but it does not completely explain the invasive growth characteristics and exceptionally high metastatic potential of FB1-induced tumors. Considering the complexity of sphingolipid metabolism and the fact that various sphingolipids (e.g. ceramide, sphingoid bases and their respective 1-phosphates) act on opposing signaling pathways, it is hypothesized that the balance between individual sphingolipids and thus the overall cellular response to FB1 may shift with time and by continuing FB1 exposure, resulting in the disruption of specific cell signaling pathways, which may promote tumor formation in kidney. To identify early FB1-induced gene expression patterns in the kidney, which may be associated with sphingolipid-mediated signaling pathways in cancer, a short-term i.p. study on FB1 in male Sprague Dawley rats was performed and changes in gene expression were analyzed using a qRT-PCR array that comprises 84 relevant genes of 6 pathways pivotally involved in the formation of cancer. Furthermore, apoptosis and cell proliferation as well as changes in specific sphingolipids were investigated in FB1-treated kidneys. As shown by classical histopathology (H&E) and (immuno)-histochemical staining (TUNEL and BrdU), FB1 caused a time- and dose-dependent increase in tubular apoptosis in the cortex and OSOM of the kidney, which was compensated by the induction of proliferation in the affected areas. HPLC-MS/MS analysis of bioactive sphingolipids demonstrated that FB1 induced a marked elevation of the pro-apoptotic sphingoid bases sphinganine and sphingosine, which paralleled the time- and dose-dependent increase in renal tubular apoptosis. With prolonged exposure to FB1, increased metabolic conversion of the accumulated sphinganine to the sphinganine-1-phosphate, a second messenger with anti-apoptotic and proliferative properties, was observed in kidney. This finding was compliant with the increased regenerative cell proliferation in the cortex and OSOM. In addition to effects on sphingoid bases and their 1-phosphate metabolites, this study, for the first time, demonstrated reduced levels of specific ceramides in rat kidney after FB1 exposure. In particular, C16-ceramide, which is a widespread constituent of membrane-bound complex sphingolipids involved in cell adhesion, was time- and dose-dependently decreased after treatment with FB1. Besides its role as component of the cell membrane, C16-ceramide functions as a signaling molecule for the initiation of apoptosis in response to various stress stimuli. Under conditions of chronic FB1 exposure, a significant reduction in pro-apoptotic C16-ceramide together with markedly increased levels of anti-apoptotic and proliferation-promoting sphingoid base 1-phosphates may thus favor resistance to stress-induced apoptosis and facilitate the survival of abnormal cells with potential to initiate tumor formation. Our study also revealed that early exposure to FB1 resulted in increased expression of a plethora of genes involved in tumor initiation as well as tumor progression. While single FB1 exposure was demonstrated to predominately induce gene expression of proto-oncogenic transcription factors (e.g. Fos, Jun, Myc) and apoptotis-related genes (e.g. members of the tumor-necrosis factor family), repeated exposure resulted in marked upregulation of genes mediating cell survival and cell proliferation (e.g. Bcl-XL, Bcl-2, Nfκb1 and Egfr). Moreover, continued exposure to FB1 initiated increased expression of genes critically involved in tumor migration, adhesion, invasion and metastasis. A close correlation was established between gene expression changes in response to FB1 and known signaling pathways mediated by extracellular or intracellular action of sphingoid base 1-phosphates - bioactive lipids that were markedly increased after FB1 treatment. In particular, genes encoding components of the plasminogen activator system were abundantly upregulated. These mediate invasion and metastasis in response to So1P, and may hence particularly promote the formation of highly aggressive and invasive tumors in kidney as observed after chronic exposure to FB1. Thus, it is conceivable that upregulation of a majority of genes in response to FB1 may be a direct or indirect consequence of increased So1P signaling. Another aim of this study was to identify differences in the organ-specific susceptibility for tumor formation by comparing FB1-mediated effects on apoptosis, cell proliferation, sphingolipids, and selected cancer-related genes in kidney and liver. Collectively, the present results revealed that kidney and liver showed marked differences in several endpoints of FB1 toxicity, which seemed to be primarily associated with their different susceptibility to FB1-mediated alterations in sphingolipid metabolism. The strong correlation between histopathological lesions and alterations in sphingolipid metabolism as well as sphingoid base 1-phosphate accumulation and concomitant S1P receptor expression suggested that tumor formation and progression to highly malignant carcinomas seems to be rather favored in kidney compared to liver. However, genes mostly deregulated by FB1 treatment in kidney (PAI-1, Thbs1 and Itga2) were also found to be induced in liver. To verify FB1-induced gene expression in kidney, normal rat tubular epithelial (NRK-52E) cells were analyzed for FB1-induced expression changes of the same cancer-related genes as in vivo. The results of qRT-PCR analysis revealed that gene expression changes in NRK-52E cells after FB1 treatment strongly correlated with those found in rat kidney and paralleled the marked alterations in sphingolipid metabolism. Furthermore, a good correlation between FB1-induced expression changes of cancer-related genes obtained in vivo and in vitro and those known to be mediated by bioactive sphingoid base 1-phosphates in cancer was established. Moreover, experiments modeling the invasive behavior of NRK-52E cells showed that FB1 may enhance cell invasion, which also correlated with both the increase in invasion- and metastasis-associated genes and bioactive sphingoid base 1-phophates. Importantly, NRK-52E cells basally expressed the S1P receptors S1P2 and S1P3, which are known to be involved in tumor migration and invasion. Since these receptors were also identified as most abundant S1PRs in kidneys of male Sprague Dawley rats, they may present important mediators of gene expression and invasion in response to FB1 in vivo. In summary, FB1-mediated disruption of sphingolipid metabolism and subsequent time- and dose-related increase in intermediates, such as bioactive sphingoid base 1-phosphates, correlate with early changes in genes and signaling pathways that may mediate loss of growth control, replication, evasion of apoptosis, cell motility and invasion, and thus favor renal tumor formation in response to FB1. However, to clarify whether the obtained gene expression changes in cancer-related genes in kidney are specific to the biological action of sphingoid base 1-phosphates and their respective receptors, further mechanistic studies are necessary. / Fumonisin B1 ist ein Mykotoxin, das von verschiedenen Spezies der Gattung Fusarium produziert wird, und weltweit wesentlich zur Kontamination von Mais beiträgt. Eine zweijährige Kanzerogenitätsstudie des National Toxicology Programs (NTP) zeigte, dass männliche Ratten nach Verabreichung von FB1 am anfälligsten für die Bildung von Nierentumoren waren. Aus histopathologischer Sicht handelte es sich dabei um sehr seltene und hoch maligne Formen von Tumoren des proximalen Tubulus der Niere, die eine verstärkte Neigung zur Invasion und Metastasierung aufwiesen. Jedoch sind bis heute die genauen Mechanismen nicht hinreichend geklärt, die zu einer FB1-induzierten Kanzerogenese in der Rattenniere führen können. Frühere Studien berichteten, dass die durch FB1 vermittelte Störung des Sphingolipidmetabolismus mittels Inhibierung der Ceramidesynthase ein initiales Ereignis in der Toxizität darstellt und zu zeit- und dosisabhängigen Veränderungen im relativen Gleichgewicht verschiedener bioaktiver Zwischenprodukte des Sphingolipidmetabolismus führen kann. Des Weiteren ist bekannt, dass FB1 dazu in der Lage ist, in der Niere Zelltod gefolgt von regenerativer Zellproliferation zu induzieren. Dies erklärt jedoch nicht vollständig, wie die durch FB1 verursachten Tumore ein invasives Wachstum und außergewöhnlich hohes Metastasierungspotential erlangen. Die Komplexität des Sphingolipidmetabolismus und die Tatsache, dass verschiedene Sphingolipide (z.B. Ceramide, Sphingoidbasen und ihre entsprechenden 1-Phosphate) einen Einfluss auf gegensätzliche Signalwege in der Zelle ausüben können, deuten darauf hin, dass das Gleichgewicht zwischen den einzelnen Sphingolipiden und somit die gesamten zellulären Effekte von FB1 über die Zeit und mit zunehmender Exposition gegenüber FB1 zu Störungen spezifischer Signalwegen führen können, die eine Tumorentstehung in der Niere begünstigen. Um frühere Effekte von FB1 auf das Expressionsmuster von Genen in der Niere zu ermitteln, die möglicherweise mit den durch Sphingolipide vermittelten Signalwegen und Krebs verbunden sind, wurde eine Kurzzeitstudie mit FB1 in männlichen Sprague Dawley-Ratten durchgeführt und die Veränderungen der Genexpression von 84 Genen der 6 wichtigsten, krebsrelevanten Signalwege mittels qRT-PCR untersucht. In diesem Zusammenhang wurden in Nieren der FB1-behandelten Tiere auch Untersuchungen zu Apoptose, Zellproliferation sowie zu Veränderungen der spezifischen Sphingolipide durchgeführt. Anhand klassischer histopatholgischer sowie (immun)-histologischer Färbungen konnte gezeigt werden, dass FB1 zu einem zeit- und dosisabhängigen Anstieg von Apoptose in Cortex und OSOM der Niere führte, dem gleichzeitig eine gesteigerte Proliferation in den entsprechenden Bereichen folgte. Die HPLC-MS/MS-Analyse bioaktiver Sphingolipide in der Niere zeigte, dass die Behandlung mit FB1 zeitgleich zu einem Anstieg der pro-apoptotischen Sphingoidbasen Sphinganin und Sphingosin und verstärkter tubulärer Apoptose führte. Mit anhaltender Exposition gegenüber FB1 konnte in der Niere eine Zunahme der metabolischen Umwandlung von Sphinganin in Sphinganine-1-Phosphat, einem sekundären Botenstoff mit anti-apoptotischen und wachstumsfördernden Eigenschaften, beobachtet werden. Diese Beobachtung stimmte auch mit der verstärkten regenerativen Zellproliferation in Cortex und OSOM der Niere überein. Weiterhin konnte mittels Sphingolipidanalyse erstmals gezeigt werden, dass die Exposition gegenüber FB1 zu einer Verminderung spezifischer Zellceramide führte. Insbesondere der Gehalt an C16-Ceramid wurden durch die Behandlung mit FB1 zeit- und dosishängig in der Niere reduziert. Neben seiner Funktion als Bestandteil der Zellmembran spielt C16-Ceramide eine wichtige Rolle als Grundbaustein von komplexen, Zelladhäsion fördernden Sphingolipiden und ist in Gegenwart verschiedener Stressfaktoren auch ein wichtiges Signalmolekül in der Initiierung von Apoptose. Im Fall einer chronischen Exposition gegenüber FB1 könnten demnach stark verminderte Gehalte an pro-apoptotischen C16-Ceramid, verbunden mit drastisch erhöhten Gehalten an anti-apoptotischen und wachstumsfördernden Sphingoidbasen-1-Phosphaten, zu einer Resistenz gegenüber stressbedingter Apoptose führen, die das Überleben initiierter Zellen und damit die Tumorentstehung begünstigen. Weiterhin zeigte unsere Studie, dass bereits eine frühe Exposition gegenüber FB1 die Expression einer Reihe von Genen in der Niere erhöht, die in der Tumorentstehung- sowie Progression eine Rolle spielen. Während die einmalige Verabreichung von FB1 hauptsächlich zu einem Anstieg der Expression von Transkriptionsfaktoren (z.B. Protoonkogene wie Fos, Jun und Myc) und apoptotischen Gene (z.B. Mitglieder der Familie der Tumornekrosefaktorrezeptoren) führte, wurde nach mehrmaliger Exposition eine deutliche Heraufregulierung von Genen beobachtet, die das Wachstum und Überleben von Zellen (z.B. Bcl-XL, Bcl-2, Nfκb1 und Egfr) vermitteln. Des Weiteren führte die längere Exposition zu einem Anstieg der Expression von Genen, die entscheidend an Migration, Adhäsion, Invasion und Metastasierung von Tumoren beteiligt sind. Dabei konnte ein enger Zusammenhang zwischen den FB1-induzierten Genexpressionsveränderungen und bereits bekannten extrazellulären und intrazellulären Signalwegen von bioaktiven Sphingoidbasen-1-Phosphaten hergestellt werden. Dazu zählte vor allem die Erhöhung von Genen, die wichtige Komponenten des ‚Plasminogen-Aktivator‘-Systems kodieren, und in Gegenwart von Sphingosine-1-Phosphat zu einer Erhöhung der Invasivität und Metastasierung, und somit möglicherweise auch zu einer begünstigten Bildung hochaggressiver und invasiver Tumoren in der Niere nach chronischer Exposition gegenüber FB1 beitragen können. Ein weiteres Ziel der Studie war es, mögliche Unterschiede in der organspezifischen Disposition für die Entstehung von Tumoren zu ermitteln, indem die FB1-vermittelten Effekte auf Apoptose, Zellproliferation, Sphingolipide, und ausgewählte krebsrelevante Gene zwischen Niere und Leber verglichen wurden. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass zwischen Niere und Leber deutliche Unterschiede in den verschiedenen Endpunkten der FB1-vermittelten Toxizität existieren, welche hauptsächlich mit der unterschiedlichen Anfälligkeit gegenüber den FB1-induzierten Veränderungen des Sphingolipidmetabolismus in Zusammenhang gebracht werden. Anhand der starken Korrelation zwischen den beobachteten histopathologischen Läsionen und gleichzeitig starken Veränderungen im Sphingolipidmetabolismus, sowie der Akkumulation von Sphingoidbasen-1-Phosphaten und entsprechender Expression der Sphingosine-1-Phosphatrezeptoren in der Niere, lässt sich vermuten, dass die Tumorentstehung- und Progression zu hoch malignen Karzinomen eher in der Niere als in der Leber begünstigt ist. Die durch die FB1-Behandlung am stärksten deregulierten Gene (PAI-1, Thbs1 und Itga2) in der Niere, wurden jedoch auch in der Leber durch FB1 induziert. Um die Genexpressionsveränderungen in der Niere zu verifizieren, wurden Ratten-tubulusepithelzellen (NRK-52E-Zellen) mit FB1 behandelt und Veränderungen in der Expression der gleichen krebsrelevanter Gene, die zuvor in vivo untersucht wurden, analysiert. Die Ergebnisse der qRT-PCR-Analyse zeigten, dass die Genexpressionsveränderungen in NRK-52E-Zellen nach Behandlung mit FB1 sowie die damit verbundenen Veränderungen im Sphingolipidmetabolismus stark mit denen in der Rattenniere korrelierten. Es konnte zudem sowohl in vivo als auch in vitro eine gute Übereinstimmung der FB1-induzierten Veränderungen in der Expression krebsrelevanter Gene gefunden werden, die auch in Signalwegen von Sphingoidbasen-1-Phosphaten und der damit verbundenen Krebsentstehung eine Rolle spielen. Darüber hinaus zeigten Experimente zur Untersuchung der Invasivität von NRK-52E-Zellen, dass diese nach Behandlung mit FB1 ein höheres Invasionspotential aufweisen. Dies korrelierte sowohl mit der Beobachtung von Expressionserhöhungen von invasions- und metastasierungsfördernden Genen als auch dem Anstieg bioaktiver Sphingoidbasen-1-Phosphate. Interessanterweise konnte in der vorliegenden Studie festgestellt werden, dass NRK-52E-Zellen die Sphingosine-1-Phosphatrezeptoren S1P2 und S1P3 expremieren und über diese Rezeptoren möglicherweise Signalwege zur Migration und Invasion anregen können. Da S1P2 und S1P3 auch als Hauptsphingosine-1-Phosphatrezeptoren in der Rattenniere identifiziert wurden, lässt sich vermuten, dass diese nach FB1-Behandlung in vivo wesentlich zur Expression von Genen, die die Invasivität von Zellen erhöhen, beitragen können. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die FB1-vermittelte Störung im Sphingolipidmetabolismus und der damit verbundene zeit- und dosisabhängige Anstieg bioaktiver Intermediate wie den Sphingoidbasen-1-Phosphaten, zu frühen Veränderungen in Genen und Signalwegen führen kann. Diese können Zellwachstum, Inhibierung von Apoptose, Migration und Invasion und somit die Bildung von Nierentumoren nach Exposition gegenüber FB1 fördern. Um jedoch zu klären, ob die ermittelten Genexpressionsveränderungen der untersuchten krebsrelevanten Genen in der Niere spezifisch mit der Wirkung von Sphingoidbasen-1-Phosphaten und deren Rezeptoren zusammenhängen, sind weiterführende mechanistische Studien notwendig.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:5904 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Müller, Stephanie |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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