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Titelaufnahme

Titel
Regulators of cellular senescence and tumorigenesis / Dipl. Biol. Alexander Pauck
VerfasserPauck, Alexander
Begutachter / BegutachterinRedl, Bernhard ; Agorastos, Theodoros
GutachterJansen-Dürr, Pidder
ErschienenInnsbruck, February 2016
Umfang145 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus drei Artikeln
Datum der AbgabeFebruar 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Altern / altersbedingte Erkrankungen / Seneszenz / UVB / NADPH Oxidase 5 (NOX5) / ROS / HPV / Humane Papillomaviren / p16INK4a
Schlagwörter (EN)aging / age related diseases / senescence / UVB / NADPH Oxidase 5 (NOX5) / ROS / HPV / human papillomavirus / p16INK4a
Schlagwörter (GND)Altern / Alterskrankheit / Ultraviolett B / NADPH-Oxidase / Stickstoffoxide / Reaktive Sauerstoffspezies / Humanes Papillomavirus
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-4205 Persistent Identifier (URN)
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Regulators of cellular senescence and tumorigenesis [68.28 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Altern und altersbedingte Erkrankungen sind die häufigsten Todesursachen. Herzerkrankungen und Krebs sind die beiden häufigsten Todesursachen bei über 65-Jährigen (Sahyoun et al., 2001). Während des Alterungsprozesses akkumulieren seneszente Zellen im Körper. Sie führen zur Zerstörung von Gewebe und chronischer Entzündung und beschleunigen dadurch den Prozess der altersbedingten Degeneration der Gewebeintegrität und begünstigen die Entwicklung von Krebs. Prostatakrebs ist die häufigste Krebsart bei Männern und, nach Lungenkrebs, die zweithäufigste Ursache für den Krebstod (Jemal et al., 2010). Gebärmutterhalskrebs ist die vierthäufigste Krebsart in den Industrienationen und die zweithäufigste in den Entwicklungsländern (Pisani et al., 2002). Die positiven Effekte der Seneszenz sind Tumorsuppression als Antwort auf verschiedene Stressoren und die Begrenzung von Leber- und Herzfibrosen sowie Fibrosen der Haut während der Wundheilung (Demaria et al., 2014; Jun and Lau, 2010; Krizhanovsky et al., 2008b). Aktuelle Studien weisen darauf hin, dass Seneszenz auch in der Embryonalentwicklung eine Rolle spielt (Muñoz-Espín et al., 2013; Storer et al., 2013).

Aufgrund der funktionellen Bedeutung von zellulärer Seneszenz für Krebserkrankungen und Altern ist die Erforschung der Seneszenz-Signalwege und deren Rolle in Tumorsuppresion und Tumorentwicklung ein Forschungsgebiet von höchster Priorität.

In dieser Dissertation werden drei Publikationen vorgestellt, von denen zwei die Mechanismen der zellulären Seneszenz analysieren und eine die ROS (Engl. reactive oxygen species)-abhängige Signaltransduktion durch die NADPH Oxidase in Prostatakarzinomzellen behandelt.

Die erste Publikation beschäftigt sich mit der stressinduzierten, frühzeitigen Seneszenz (Engl. Stress-induced premature senescence SIPS) von normalen humanen Hautfibroblasten (HDF) nach UVB Bestrahlung. UVB Bestrahlung induziert DNS Schäden und Produktion von ROS, was wiederum zu mehr DNS Schäden führt und die Zellen in die Seneszenz treibt. Die zentralen regulatorischen Signalwege p53/p21 und pRB/p16INK4a werden aktiviert und induzieren die Seneszenz. Die Zellen produzieren ROS als antiproliferatives Signal um den seneszenten Phänotyp aufrecht zu erhalten. Die Kombination von genomweiten Transkriptionsanalysen und microRNA Analysen in Kombination mit bioinformatischen Interaktionsanalysen zeigt wie komplex die Etablierung des seneszenten Phänotyps ist. Die erstellte Datenbank von miRNAs und mRNAs, die während UVB induzierter Seneszenz reguliert sind, dient als wichtige Informationsquelle für neue Projekte in diesem Bereich.

Die zweite Publikation handelt von NADPH Oxidase 5 (NOX5) stammenden ROS, welche in die Kontrolle der Proliferation und überlebensfördernde Signalwege von Prostatakarzinomzellen (PCa) involviert sind. Prostataepithelzellen können durch viele Faktoren zu einer PCa-Zelle transformieren, z.B. durch die Aktivierung eines Onkogens oder die Inaktivierung eines Tumorsuppressorgens. In der Mehrzahl der mutierten Krebszellen liegt eine Deaktivierung der Signalwege p53/p21 und pRB/p16INK4a vor, die durch Mutationen, Deletion oder epigenetisches Silencing inaktiviert sind. Im Gegensatz zu den antiproliferativen Eigenschaften von ROS aus UVB bestrahlten seneszenten Hautfibroblasten scheinen aus NOX5 stammende ROS einen proliferativen und überlebensfördernden Effekt für die Tumorzellen zu haben. Der Knock-down von NOX5 beeinträchtigt die Proliferation von NOX5 positiven Zellen und induziert Apoptose in PC-3 Zellen. Die Attenuierung von ROS durch chemische Antioxidantien verminderte außerdem deren Proliferation.

Die dritte Publikation beschäftigt sich mit der Rolle des Tumorsuppressors p16INK4a in etablierten Zervixkarzinom Zelllinien. Die Exprimierung der sog. „Hochrisiko“ Humanen Papillomaviren (hrHPV) Onkogene E6 und E7 treibt die Tumorentwicklung in zervikalen Keratinozyten durch Inaktivierung der Tumorsuppressoren p53 und pRB voran. In hrHPV induzierten Zervixkarzinomzellen ist die Konzentration des Tumorsuppressors p16INK4a erhöht und hat vermutlich keine Auswirkungen, da dessen Downstream Mediator, das Retinoblastom-Genprodukt pRB, inaktiviert ist (Agger et al., 2009; Tzatsos et al., 2009). p16INK4a wird als diagnostischer Marker für die Diagnose von Zervixkarzinomen verwendet. Die physiologische Funktion von p16INK4a in seneszenten Zellen besteht darin, die Inaktivierung von pRB zu verhindern, um die Freisetzung von E2F Transkriptionsfaktoren zu verhindern und damit den Zellzyklus zu unterbrechen. Die p16INK4a und pRB Signalwege scheinen zusammen für die Bildung der Seneszenz-assoziierten Heterochromatin-Foci (SAHF) benötigt zu werden und dadurch für das Silencing von pro-proliferativen Genen (Kosar et al., 2011). Im Gegensatz dazu hat der Tumorsuppressor p16INK4a durch Bildung eines positiven Rückkopplungseffektes zwischen der Expression von E7 und von p16INK4a eine kanzerogene Funktion in Zervixzellen. Die Verminderung der p16INK4a Expression in hrHPV infizierten HeLa Zellen treibt die Zellen in die Seneszenz und führt zu einer Stabilisierung von p53 und Aktivierung von p21.

Zusammengenommen zeigen wir hier die Validierung von in silico-basierten Analysen, die das Zusammenspiel von miRNA und mRNA durch biologische Assays in SIPS und HDF identifizieren. Weiterhin wird zusammengefasst, welche miRNAs und mRNAs während SIPS reguliert werden. Darüber hinaus zeigen wir, dass von NOX5 stammende ROS die Proliferation und überlebensfördenden Signalwege von NOX5 positiven PC Zelllinien vorantreiben. Zusätzlich zeigen wir eine neue Rolle des Tumorsuppressors p16INK4a auf, der nach unseren Erkenntnissen als positiver Regulator der E7 Onkogenexpression wirkt.

Zusammenfassung (Englisch)

Aging and age related diseases are the most common cause of death. Heart disease and cancer are the two most common causes of death among persons from the age of 65 years and older (Sahyoun et al., 2001). During aging senescent cells accumulate in the body. They lead to tissue disruption and chronic inflammation and thereby accelerate the process of aging, degeneration of tissue integrity and promote the development of cancer. Prostate cancer is the most frequent type of cancer in men and the second most common cause of cancer death besides lung cancer (Jemal et al., 2010). Cervical cancer is the fourth most common cancer in developed countries and the second most common in developing countries (Pisani et al., 2002). The beneficial effects of senescence are tumor suppression in response to different stressors and the participation in the restriction of liver fibrosis, cardiac fibrosis and fibrosis during wound healing of the skin (Demaria et al., 2014; Jun and Lau, 2010; Krizhanovsky et al., 2008b). Recent studies showed that senescent cells also participate in the embryonic development (Muñoz-Espín et al., 2013; Storer et al., 2013).

The fact that senescence has to faces is a reason to put a lot of effort into the investigation of the senescence pathways and mediators and their role in tumor suppression and tumorigenesis.

In this dissertation, three publications are presented, two of which discuss the mechanisms of cellular senescence and one relates to ROS signaling by NADPH oxidase in prostate carcinoma cells.

The first publication deals with the stress induced premature senescence (SIPS) upon UVB irradiation of normal human dermal fibroblasts (HDF). UVB irradiation induces DNA damage and ROS production, which results in further DNA damage and drives cells into senescence. The key regulatory pathways p53/p21 and pRB/p16INK4a are activated and induce senescence. Cells produce ROS as an antiproliferative signal for maintenance of the senescence phenotype. The combination of genome-wide transcriptome analysis and regulated microRNAs analysis together with bioinformatics interaction analysis display the complexity of the establishment of the senescence phenotype. The creation of a database for miRNAs and mRNA regulated during UVB induced senescence serves as a source of information for new projects.

The second publication is about NADPH oxidase 5 (NOX5) derived ROS involved in proliferation and pro survival signaling of prostate cancer (PCa) cells. Prostate epithelial cells can be transformed by various factors, for example the activation of an oncogene or the inactivation of a tumor suppressor gene inside a PCa cell. In the majority of cancer mutations, deletions or epigenetic silencing disables the p53/p21 and pRB/p16INK4a pathways. Contrary to the anti-proliferative properties of ROS generated in UVB irradiated senescent HDFs, the NOX5 derived ROS seems to have proliferative and pro survival effects in prostate cancer cells. The knockdown of NOX5 impaired proliferation of NOX5 positive PCa cells and induced apoptosis in PC-3 cells. The attenuation of ROS also impaired the proliferation.

The third publication is concerned with the role of the tumor suppressor p16INK4a in established cervical carcinoma cell lines. The expression of high-risk human papillomavirus (hrHPV) oncogenes E6 and E7 drives tumorigenesis of cervical keratinocytes by inactivating the tumor suppressors p53 and pRB, respectively. In hrHPV induced cervical carcinoma cells, the expression level of tumor suppressor p16INK4a is elevated and is thought to have no influences, because the downstream mediator for holding the cell cycle pRB is disabled, due to E7-mediated degradation. p16INK4a is used as a diagnostic tool for the diagnosis of cervical cancer. The physiological function of p16INK4a in senescent cells is to block the inactivation of pRB and halt the cell cycle by preventing the release of E2F transcription factors. Together, the pRB/p16INK4a pathways appear to be required for senescence associated heterochromatin foci (SAHF) formation and thereby for silencing of pro proliferative genes (Kosar et al., 2011). Contrarily, the tumor suppressor p16INK4a functions as an oncogene in cervical carcinoma cells by driving a positive feedback loop between E7 and p16INK4a expression. The depletion of p16INK4a in hrHPV infected HeLa cells drives the cells into senescence and leads to a stabilization of p53 and to activation of p21.

Taken together, here we show the validation of in silico-based analyses that identified the interplay of miRNA and mRNA by molecular biological assays in SIPS of HDF and summarize the data of miRNA and mRNAs that are regulated during SIPS in our publication. Further we show that NOX5 derived ROS drives proliferation and pro-survival pathways of NOX5 positive PCa cell lines. In addition, we show a new role of the tumor suppressor p16INK4a to be responsible for the modulation of E7 oncogene expression.