Cell death is an essential aspect of life that plays an important role for successful development and tissue remodeling as well as for diseases. There are several different types of cell death that differ from each other in morphological, functional and biochemical ways. Regulated cell death that occurs in physiological processes is generally equated with programmed cell death (PCD), whereby apoptosis is the most studied form of PCD. Ferroptosis is a form of regulated cell death and unique in its requirements for iron and lipid peroxidation. It is linked to numerous biological processes, such as amino acid metabolism, phospholipid metabolism and sterol synthesis. Cholesterol biosynthesis is a complex pathway with a large number of enzymes and substrates that are potential target points for cellular dysfunctions. Motivated by the results from a CRISPR-based genetic screening in this thesis, we focused on 7-dehydrocholesterol reductase (DHCR7), the enzyme responsible for conversion of 7-dehydrocholesterol (7-DHC) to cholesterol. In this work we focused on the ferroptosis sensitive cell line HT1080 and generated a series of models to address the importance of DHCR7 in ferroptosis. Using CRISPR/Cas9, HT1080 DHCR7_KO and DHCR7/SC5D_KO cell lines were generated and used to validate their sensitivity against ferroptosis inducers and sterol consumption. We could show that 7-DHC is a strong antiferroptotic agent that could prevent cell death in genetic models as well as when supplemented directly to cells. Importantly, all the results obtained were subsequently confirmed in isogenic reconstituted pairs from the HT1080 DHCR7/SC5D_KO. Moreover, we demonstrate that this protective effect is not due to an inherent and unspecific resistance as the sensitivity to non-ferroptotic stimuli was equally effective in killing the HT1080 DHCR7_KO and DHCR7/SC5D_KO cell lines. We could also show that selenium present in the media has a strong impact on the activity of 7-DHC and this is because in its absence the effective concentration is rapidly decreased. Surprisingly we also demonstrate that removing sterol from cell culture triggers ferroptosis in cells unable to synthesize 7-DHC, suggestive that this could be used as a novel mechanism to trigger ferroptosis. Ultimately, in the present work we could show that unlike previously reported, 7-DHC is not only a toxic intermediate of the cholesterol biosynthesis pathway but under specific circumstances it has a strong pro-survival effect. / Der Zelltod ist ein unabdingbarer Bestandteil des Lebens, der sowohl für gesunde Entwicklung und Gewebeumbau, als auch für Krankheiten eine wichtige Rolle spielt. Es gibt viele verschiedene Arten des Zelltods, die sich in morphologischer, funktioneller und biochemischer Hinsicht unterscheiden. Regulierter Zelltod tritt im Rahmen physiologischer Prozesse auf und wird allgemein mit dem programmierten Zelltod gleichgesetzt, zu dem auch die am meisten untersuchte Apoptose gehört. Die von uns untersuchte Ferroptose ist eine Form des regulierten Zelltodes und einzigartig in ihrem Bedarf an Eisen und Lipidperoxidation. Sie ist mit zahlreichen biologischen Prozessen verknüpft, wie z.B. dem Aminosäuren- und Phospholipidstoffwechsel und der Sterolsynthese. Die Cholesterinbiosynthese ist ein komplexer Weg mit einer Vielzahl an Enzymen und Substraten, die potentielle Angriffspunkte für zelluläre Funktionsstörungen darstellen. Motiviert durch die Ergebnisse eines CRISPR-basierten genetischen Screenings haben wir uns in dieser Arbeit auf die 7-Dehydrocholesterol-Reduktase (DHCR7) konzentriert, das Enzym, das für die Umwandlung von 7-Dehydrocholesterol (7-DHC) in Cholesterol verantwortlich ist. In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf die ferroptosesensitive Zelllinie HT1080 und erstellten eine Reihe von Modellen, um die Bedeutung von DHCR7 in der Ferroptose zu untersuchen. Mittels CRISPR/Cas9 wurden HT1080 DHCR7_KO und DHCR7/SC5D_KO Zelllinien generiert und ihre Sensitivität gegenüber Ferroptose-Induktoren und ihr Sterolverbrauch validiert. Wir konnten zeigen, dass 7-DHC eine starke antiferroptotische Verbindung ist, die sowohl in genetischen Modellen als auch bei direkter Zugabe den Zelltod verhindern kann. Hervorzuheben ist, dass alle erhaltenen Ergebnisse anschließend anhand isogen rekonstituierter Paare aus den HT1080 DHCR7/SC5D_KO Zellen bestätigt wurden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass dieses protektive Mittel nicht auf eine inhärente und unspezifische Resistenz zurückzuführen ist, da die Empfindlichkeit gegenüber nicht-ferroptotischen Stimuli gleichermaßen effektiv bei der Abtötung der Zelllinien HT1080 DHCR7_KO und DHCR7/SC5D_KO war. Wir konnten auch zeigen, dass in den Zellmedien vorhandenes Selen einen starken Einfluss auf die Aktivität von 7-DHC hat, da in Abwesenheit von Selen die effektive Konzentration schnell abnimmt. Überraschenderweise konnten wir auch feststellen, dass die Entfernung von Sterolen aus dem Nährmedium Ferroptose in Zellen auslöst, die nicht in der Lage sind, 7-DHC zu synthetisieren. Dies regt dazu an, dass dieser Mechanismus zur Auslösung von Ferroptose genutzt werden könnte. Letztendlich konnten wir in der vorliegenden Arbeit darlegen, dass 7-DHC im Gegensatz zu den bisherigen Berichten nicht nur ein toxisches Zwischenprodukt der Cholesterinbiosynthese ist, sondern unter bestimmten Umständen eine starke überlebensfördernde Wirkung hat.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:21763 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Nehring, Helene |
| 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_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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