Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3075
Authors: Zschocke, Jürgen
Title: Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen
Online publication date: 3-Feb-2005
Language: german
Abstract: Caveolae sind vesikuläre Invaginationen der eukaryontischen Zellmembran, die bei einer Vielzahl zellbiologischer Prozesse eine bedeutende Rolle spielen. Die strukturellen und funktionellen Hauptbestandteile der Caveolae sind die Caveolin-Proteine, welche von drei homologen Genen (Caveolin-1,-2,-3) kodiert werden. Die Caveoline stellen die Struktur-Organisatoren der Caveolae dar, und regulieren direkt die Aktivität von zahlreichen Caveolae-assoziierten Rezeptorproteinen und Signalmolekülen. Oftmals werden die pleiotropen Effekte der Caveoline über eine Veränderung der Caveolin-Genexpressionsstärke moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche biologische Steuerfaktoren identifiziert, unter deren Kontrolle die Caveolin-Genexpression in neuralen Zellsystemen steht. Bei diesen Faktoren handelt es sich um das Steroidhormon Oestrogen und seine Rezeptoren, den Wachstumsfaktor TGFa und den sekundären Botenstoff zyklisches AMP (cAMP). Oestrogen wirkt über die Aktivierung von Oestrogen-Rezeptoren (ERs) im zentralen Nervensystem in der Regel als neurotropher Faktor. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, daß in humanen Neuroblastom-Zellen (SK-N-MC) die stabile, rekombinante Expression des ERa-Subtyps zu einer drastischen Reduktion der Caveolin-1/-2-Transkription führt, und daß in der Folge die zelluläre Caveolin-Biosynthese eingestellt wird. Eine Analyse des Caveolin-1-Gens ergab, daß einhergehend mit der Inaktivierung der Caveolin-1-Transkription eine Vielzahl der im Promoter enthaltenen CpG-Dinukleotide methyliert vorliegen. Durch pharmakologische Inhibition der nukleären DNA-Methyltransferasen sowie der Histon-Deacetylasen konnte die Caveolin-1-Transkription teilweise wiederhergestellt werden. Diese Befunde lassen auf die Existenz eines DNA-Methylierungs-abhängigen Stilllegungsmechanismus der Caveolin-Genexpression durch ERa schließen. Dagegen führte die Überexpression des ERb-Subtyps in SK-N-MC-Zellen zu keiner Veränderung der Caveolin-1/-2-Expression. Interessanterweise wurde die supprimierende Wirkung des ERa durch die gleichzeitige Überexpression des ERb vollständig aufgehoben. Der mitogene Wachstumsfaktor TGFa wurde als zweites extrazelluläres Signalmolekül identifiziert, welches eine Reduktion der Caveolin-1/-2-Genexpression bewirkt. In primären kortikalen Astrozyten konnte gezeigt werden, daß TGFa seine supprimierende Wirkung auf die Caveolin-1-Expression partiell über die Aktivierung des PI3-Kinase-abhängigen Signalweges vermittelt. Zudem wurde die supprimierende Wirkung von TGFa durch einen Inhibitior der Histon-Deacetylasen relativiert. Daher scheinen sowohl für den ERa als auch für TGFa epigenetische Prozesse bei der Suppression der Caveolin-1-Genexpression eine entscheidende Rolle zu spielen. Intrazellulär wirkte neben der PI3-Kinase auch der Botenstoff cAMP in kortikalen Astrozyten als Suppressor der Caveolin-Genexpression. Es wäre denkbar, daß die Caveolin-Suppression funktioneller Bestandteil des seit langem etablierten Effekts der cAMP-induzierten Astrozyten-Differenzierung ist. Desweiteren wiesen der cAMP- und TGFa-abhängige Signalweg ein überlappendes, Gehirnregion-spezifisches Regulationsprofil der Caveolin-Expression in Astrozyten auf: während in Kortex und Striatum eine Regulation durch cAMP und TGFa erfolgte, blieb diese in Klein- und Zwischenhirn aus. Somit bewirken drei zentrale regulatorische Faktoren der Proliferation und Differenzierung neuraler Zellen eine Reduktion in der Konzentration der pleiotrop funktionellen Caveoline. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit die reduzierte Caveolin-Expression für die morphologischen und biochemischen Primärwirkungen dieser Faktoren während der Entwicklung und im Zuge der Tumorgenese mitverantwortlich ist. Außerdem könnten über die Beobachtungen der zellbiologischen Auswirkungen reduzierter Caveolin-Spiegel neue Erkenntnisse über die Funktion dieser Proteine gewonnen werden.
Caveolae represent membrane microdomains acting as integrators of cellular signaling and functional processes. Caveolin proteins are the main structural constituents of caveolae and are encoded by three homologous genes (Caveolin-1,-2,-3). The caveolins directly regulate the activity of caveolae-associated proteins such as membrane receptors and signaling molecules. The diverse effects of caveolins are dynamic as they can be modulated by a number of stimuli, including those that result in alterations of caveolin gene expression levels. In this study, several different regulatory factors have been identified which control caveolin gene expression in neural systems. These include the steroid hormone estrogen and its receptors (ERs), the growth hormone TGFa and the second messenger cAMP. In the central nervous system, oestrogen acts as a neurotrophic factor through activation of oestrogen receptors (ERs). This study demonstrates for the first time that stable recombinant expression of the ERa subtype in neuroblastoma cells (SK-N-MC) leads to the inhibition of caveolin-1/-2 transcription as well as caveolin biosynthesis. Molecular analysis of the caveolin-1 gene revealed that silencing of caveolin-1 expression is accompanied by methylation of certain CpG dinucleotides within the promoter region. Inhibition of nuclear DNA-methyltransferases, as well as histone deacetylases resulted in a partial reactivation of caveolin-1 transcription. These results infer the existence of an epigenetic silencing mechanism involving DNA methylation. In contrast, ectopic expression of ERb subtype did not alter caveolin expression levels in SK-N-MC cells. However, when co-expressed with ERa, the ERb subtype blocked the inhibitory effects of ERa. The glial mitogen TGFa has been identified as a second extracellular signaling molecule which suppresses caveolin gene expression. In primary astrocytes initiated from the rat cerebral cortex, TGFa-mediated caveolin suppression was observed to be partially due to the activation of the PI3-kinase dependent pathway. Moreover, an inhibitor of histone deacetylases reversed the repressive effects of TGFa. Therefore, epigenetic processes seem to be involved for both ERa and TGFa induced down-regulation of caveolin-1 expression. Apart from the PI3-kinase, intracellular cAMP acts as suppressor of caveolin expression in primary cortical astrocytes. Therefore, we have postulated that downregulation of caveolin might underly the well characterized differentiative effects of cAMP on astrocytes in vitro. Interestingly, activation of either cAMP or TGFa-dependent pathways resulted in a common, brain region-specific gene regulation pattern with respect to caveolin expression: while cAMP and TGFa exerted an effect in cortical and striatal astrocytes, these molecules failed to negatively regulate caveolin in astrocytes derived from cerebellum and midbrain. Taken together, several regulatory factors controlling proliferation and differentiation of neural cells have been identified which cause the reduction of caveolin-1 and caveolin-2 levels in neural system. Future studies have to clarify whether reduced caveolin levels are at least partially responsible for the morphological as well as biochemical primary effects of these factors. Furthermore, observations of the cellular consequences of caveolin down-regulation could provide new insights about the function of caveolins in neural cellular models.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3075
URN: urn:nbn:de:hebis:77-6795
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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