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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79424
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7942/


Schmich, Kathrin

Analysis of the TNFalpha-dependent apoptosis-survival switch in hepatocytes by a systems biology approach

Systembiologische Analyse des TNFalpha-abhängigen Switches zwischen Apoptose und Überleben in Hepatozyten

Dokument1.pdf (11.283 KB) (md5sum: 8b6a2f0e7f021942169b85ab00b333f7)

Kurzfassung in Englisch

TNFalpha is a pleiotropic cytokine that fails to provoke cell death in isolated hepatocytes but has been implicated in hepatocyte apoptosis during liver diseases associated with chronic inflammation. In this thesis, the role and function of the proinflammatory cytokine TNFalpha in the switch between apoptosis and survival has been investigated in primary murine hepatocytes by a systems biological approach. Insights were provided how TNFalpha induces apoptosis in combination with the transcriptional inhibitor actinomycin D. It could be demonstrated that TNFalpha and actinomycin D induce apoptosis via the Bid-dependent type II pathway. In addition, it could be shown that TNFalpha and actinomycin D treatment led to the accumulation of reactive oxygen species (ROS) which in turn induced sustained activation of JNK. Hence, results from this work demonstrate that TNFalpha-activated type II mitochondrial pathway crosstalks with JNK and ROS signaling to induce apoptosis in hepatocytes. Additionally, the crosstalk of TNFalpha signaling with the major hepatic death receptor ligand FasL was investigated. It has been demonstrated for the first time that TNFalpha sensitizes primary murine hepatocytes to FasL-induced apoptosis. The synergism was shown to be time-dependent and specific for the cytokine TNFalpha. Additional experiments revealed that the sensitizing effect of TNFalpha was clearly dependent on Bid. Moreover, both, early JNK activation and Bim, another BH3-only protein, turned out to be crucial mediators of TNFalpha-induced apoptosis sensitization. Altogether, the data presented in this work suggest that TNFalpha can cooperate with FasL to induce type II hepatocyte apoptosis by activating the BH3-only proteins Bim and Bid. The mechanism of TNFalpha-induced sensitization was supported by a mathematical model that correctly reproduced the biological findings. A systems biology approach was further applied to provide a holistic understanding of TNFalpha signaling and its crosstalk with other pathways in primary hepatocytes. Therefore, the biological data on TNFalpha and actinomycin D signaling, which were obtained in this work, were included in the existing sensitizing model. Furthermore, in this work, a Boolean logical model of apoptosis based on literature data, was biologically verified in two different cell types. Remarkably, all model predictions could be experimentally verified in both cell types. Moreover, an unexpected UV dose-effect on apoptosis induction was detected in primary murine hepatocytes. Besides the analysis of hepatic apoptosis signaling, another focus of this work was the role of TNFalpha-induced inflammatory gene expression and its crosstalk with the cytokine IL-17 in heptocytes. The genes Nfkbiz, Cxcl2 and Zc3h12a were identified to be synergistically upregulated by TNFalpha and IL-17. Thereby, IL-17 was shown to be involved in the synergistical upregulation of TNFalpha-induced genes by modulation of mRNA stability. Taken together, results from this work contribute to a deeper insight in the complex apoptotic and survival signaling network and enhance the understanding of the processes involved in liver diseases.


Kurzfassung in Deutsch

TNFalpha ist ein vielfältiges Zytokin welches keinen direkten Zelltod von isolierten Hepatozyten bedingt, aber mit der Hepatozytenapoptose während Lebererkrankungen, die mit einer chronischen Entzündung einhergehen, in Verbindung gebracht wurde. In dieser Arbeit wurden die Bedeutung und Funktion des proinflammatorischen Zytokins TNFalpha an der Entscheidung zwischen Apoptose und Überleben von primären Maushepatozyten mit Hilfe eines systembiologischen Ansatzes untersucht. Der Wirkmechanismus des durch TNFalpha in Kombination mit dem Transkriptionsinhibitor Actinomycin D induzierten Zelltods wurde hier näher beleuchtet. Es konnte gezeigt werden dass TNFalpha und Actinomycin D Apoptose über den Bid-abhängigen Typ II Signalweg induzieren. Zudem wurde aufgezeigt, dass TNFalpha and Actinomycin D Behandlung in einer Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) resultierte, welche wiederum zu einer verlängerten Aktivierung der JNK führten. Die Ergebnisse dieser Arbeit beweisen folglich dass der TNFalpha-aktivierte mitochondriale Typ II Apoptoseweg mit dem JNK and ROS Signalweg interagiert um Apoptose in Hepatozyten auszulösen. Weiterhin wurde in dieser Arbeit der Crosstalk von TNFalpha mit dem hauptsächlichen leberrelevanten Todesrezeptorliganden FasL untersucht. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass TNFalpha primäre Maushepatozyten gegenüber FasL induzierter Apoptose sensitiviert. Der Synergismus war hierbei in einer zeitabhängigen Weise und spezifisch aufgrund des Zytokins TNFalpha zu beobachten. Weitere Experimente bewiesen dass der Sensitivierungseffekt von TNFalpha abhängig ist von dem Protein Bid. Zudem stellte sich heraus, dass sowohl JNK Aktivierung wie auch ein weiteres BH3-only Protein, Bim, essentielle Mediatoren der TNFalpha vermittelten Apoptosesensitivierung sind. Insgesamt deuten die hier präsentierten Daten darauf hin, dass TNFalpha mit FasL mittels Aktivierung der BH3-only Proteine Bid und Bim kooperieren kann, um Typ II Hepatozytenapoptose zu induzieren. Der Mechanismus der TNFalpha vermittelten Sensitivierung wurde mit Hilfe eines mathematischen Modells untermauert, welches die biologischen Daten korrekt reproduziert. Ein weiterer systembiologischer Ansatz wurde gewählt um den TNFalpha Signalweg und sein Zusammenspiel mit anderen Signalwegen in primären Hepatozyten umfassend zu beschreiben. Hierzu wurden die im Zuge dieser Arbeit entstandenen Daten zum TNFalpha und Actinomycin D vermittelten Apoptoseweg in das existierende Sensitivierungsmodell integriert. In dieser Arbeit wurde zudem ein logische Boolean Apoptosemodell, welches auf Literaturdaten basiert, in zwei verschiednen Zelltypen experimentell verifiziert. Alle Modellvorhersagen konnten hierbei durch Experimente in beiden Zelltypen nachvollzogen und bewiesen werden. Ausserdem konnte ein unerwarteter Dosiseffekt in Bezug auf UV Strahlung vermittelte Apoptose in Hepatozyten detektiert werden. Neben Untersuchungen zu hepatischen Zelltodsignalwegen lag ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Analyse von TNFalpha bedingter Genexpression sowie deren Zusammenspiel mit dem Zytokin IL-17. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Gene Nfkbiz, Cxcl2 und Zc3h12a durch TNFalpha und IL-17 synergistisch hochreguliert werden. IL-17 bedingt diese synergistische Induktion durch Modulation der mRNA Transkriptstabilität. Insgesamt tragen die Ergebnisse dieser Arbeit dazu bei, das komplexe Netzwerk aus Apoptose und Überlebenssignalwegen im Kontext von Lebererkrankungen detaillierter zu erfassen.


SWD-Schlagwörter: Systembiologie , Tumor-Nekrose-Faktor <alpha> , Apoptosis , Fas-Ligand , Leber , Leberkrankheit , Interleukin 17
Freie Schlagwörter (englisch): apoptosis , systems biology , hepatocytes , TNF , FasL
CCS Klassifikation J.3 LIFE A
Institut: Institut für Pharmazeutische Wissenschaften
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Merfort, Irmgard (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 07.02.2011
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