Redoxregulation of Prostanoid Biosynthesis

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2005
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Redoxregulation der Prostanoidbiosynthese
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Dissertation
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Zusammenfassung

Neuere Arbeiten von Fitzgerald et al. haben gezeigt, daß das Gefäßendothel maßgeblich an der Freisetzung von Prostacyclin (PGI2) in gesunden Probanden beteiligt ist. Klinische Befunde deuten darauf hin, daß die Plasmaspiegel an 6-keto-PGF1a, dem stabilen Hydrolyseprodukt von PGI2, in septischen Patienten stark erhöht sind. Dies würde zunächst auf eine gesteigerte Freisetzung von PGI2 durch das Gefäßendothel hindeuten, jedoch haben frühere Arbeiten unserer Gruppe eine deutliche Nitrierung und Hemmung der endothelialen PGI2-Synthase unter diesen Bedingungen dargelegt.
Frühere Beobachtungen durch Smith und DeWitt haben darauf hingewiesen, daß der vaskuläre Glattmuskel eine starke Expression der PGI2-Synthase aufzeigt, jedoch im ruhenden Zustand nur eine marginale Cyclooxygenaseaktivität besitzt.
Als Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit ergab sich hieraus die Hypothese wonach der vaskuläre Glattmuskel durch die Induktion der Prostaglandin Endoperoxide H2 Synthase (PGHS-2) zur beobachteten Produktion von PGI2 beiträgt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit können unter folgenden Teilaspekten diskutiert werden:

1. Induktion der PGHS-2 und PGI2-Freisetzung durch Glattmuskelzellen. -
2. Die Rolle des Peroxid Tonus für die PGHS-2-abhängige PGI2 Produktion. -
3. Spezies-Unterschiede in der Induktion von PGHS-2 und NO-Synthase-2 (NOS-2). -
4. Nitrierung und Inhibition der PGHS-2 durch Nitrit in RAW 264.7 Makrophagen. -
5. Physiologische Bedeutung der PGHS-2-Nitrierung in Alveolarmakrophagen.


Die wichtigsten Ergebnisse sind wie folgt zusammengefasst:

1. Induktion der PGHS-2

- Die konstitutiv exprimierte PGI2-Synthase wird durch die Endotoxin-stimulierte Induktion der PGHS-2 in einen funktionell aktiven Zustand überführt. Der vaskuläre Glattmuskel kann somit durch die Freisetzung von PGI2 die Regulation der Gefäßhomeostase unter Bedingungen eines in seiner Funktion gestörten Endothels übernehmen.
- Aufgrund der nur sehr geringen Expression der NOS-2 und eines hohen zellulären Redoxpotentials findet im Glattmuskel keine Nitrierung der PGI2-Synthase statt.
-
2. Die Rolle des Peroxid Tonus

- Die Zugabe von Peroxynitrit-freisetzenden Substanzen wie SIN-1 führt in Glattmuskelzellen zu einer gesteigerten Produktion von PGI2.
- Peroxynitrit konnte als einer der potentesten endogenen Aktivatoren der PGHS-2 ausgemacht werden.
- Die intrazellulär gebildeten Spiegel von Peroxynitrit erlauben eine Aktivierung der PGHS-2, sind jedoch für eine Nitrierung der PGI2-Synthase nicht ausreichend.
- Die endogene Freisetzung von ·NO und ·O2-, welche zur Bildung von Peroxynitrit führt, verläuft nahezu im Verhältnis 1:1, wobei die Hemmung von ·NO oder ·O2- in einer reduzierten Freisetzung von PGI2 resultiert.

-
3. Speziesabhängige Unterschiede in der Induktion von PGHS-2 oder NOS-2

- Vaskuläre Glattmuskelzellen des Menschen und des Rindes induzieren nach Behandlung mit LPS nahezu ausschließlich PGHS-2 und setzen dadurch PGI2 frei.
- Im Gegensatz dazu kann bei der Ratte nur eine marginale Expression der PGHS-2 beobachtet werden, wohingegen hier eine signifikante Induktion der NOS-2 und eine gesteigerte Freisetzung von ·NO zu beobachten ist.
-
4. Nitrierung der PGHS-2 durch Nitrit

- In LPS-behandelten RAW 264.7 Makrophagen kann sowohl eine Induktion der PGHS-2 als auch der NOS-2 gezeigt werden.
- Die endogene Peroxidaseaktivität der PGHS-2 kann in einem autokatalytischen Mechanismus zur Aktivierung von Nitrit und einer sich daran anschließenden Nitrierung und Hemmung der PGHS-2 führen.
-

5. Physiologische Bedeutung der PGHS-2-Nitrierung

- Alveolarmakrophagen der Ratte setzen nach Stimulation mit LPS Thromboxane A2 (TxA2) frei, dessen Produktion nahezu ausschließlich an die Induktion der PGHS-2 gekoppelt ist
- Ein Anstieg der Nitritkonzentration führt zur autokatalytischen Nitrierung der PGHS-2 und somit zur Hemmung der TxA2-Freisetzung.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
  1. Induction of PGHS-2

    - It was elaborated that vascular smooth muscle cells upon exposure to LPS induce PGHS-2 which supplies the constitutively expressed PGI2-synthase with substrate. The corresponding PGI2 release compensates the loss of endothelial PGI2, caused by nitration in the first phase of LPS action, and the vasospasm elicited by endothelial PGH2.
    - PGI2-synthase demonstrates no nitration and inhibition in smooth muscle cells which could be explained by the lack of NOS-2 induction and a high peroxidase activity. -

    2. Involvement of the Peroxide Tone

    - Addition of the peroxynitrite-releasing compound SIN-1 resulted in a concentration-dependent upregulation of PGI2 release.
    - Peroxynitrite levels formed endogenously by smooth muscle cells were found sufficient for providing the peroxide tone for PGHS-2 but inadequate to nitrate and inhibit PGI2-synthase.
    - Endogenous formation of ·NO or ·O2-, which together form peroxynitrite, was detected to occur in a nearly 1:1 ratio. Inhibition of either one radical resulted in a declined release of PGI2. -
    3. Species-dependent Mutual Induction of PGHS-2 or NOS-2

    - Human and bovine vascular smooth muscle cells mainly induce PGHS-2 in response to LPS thus enabling the release of PGI2.
    - In rat smooth muscle cells only a minimal induction of PGHS-2 was observed while NOS-2 was significantly upregulated to release ·NO. Thus, rat vascular tissue is not an inflammatory model for human sepsis.
    -

    4. Nitration of PGHS-2 by Nitrite.

    - LPS-challenged macrophages demonstrated induction of both PGHS-2 and NOS-2. Accumulated nitrite was found to be activated competitively to arachidonate by the heme catalytic site in presence of nanomolar peroxide levels.
    - Nitration of PGHS-2 was catalyzed by the intrinsic peroxidase activity of PGHS-2.
    -

    5. Physiological Relevance of PGHS-2 Nitration

    - Rat alveolar macrophages mainly release thromboxane A2 in response to LPS which is nearly exclusively dependent on the induction of PGHS-2.
    - Elevated levels of nitrite resulted in an autocatalytic inhibition of PGHS-2 and therefore terminate thromboxane A2 formation.
Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
cyclooxygenase, prostacyclin, smooth muscle cells, vasculature, nitric oxide synthase
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690SCHILDKNECHT, Stefan, 2005. Redoxregulation of Prostanoid Biosynthesis [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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Prüfungsdatum der Dissertation
July 15, 2005
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Kommentar zur Publikation
Teilw. veröffentlicht in: FASEB Journal, 18(2004), 6, pp.757-759; Biochemical and Biophysical Research Communications, 327(2005),1, pp. 43-48; FASEB Journal, 19(2005),9, pp. 1169-1171
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