The Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator (ARNT/HIF-1β) is Influenced by Hypoxia and Hypoxia-Mimetics
- Abstract
- Indledning
- Materialer og metoder
- Cellekultur, hypoxiinduktion og hypoxi-mimetika
- Transient transfektion
- Immunoblot-analyse og densitometri
- RNA-isolering og RT-PCR
- Statistik
- Resultater
- ARNT-ekspression induceres ved hypoxi i MCF-7, HeLa, Hep3B- og REPC-celler
- Fig. 1
- Fig. 2
- Fig. 3
- Differente cellelinjer viser forskellige reaktioner på hypoxi og hypoxi-mimetika med hensyn til ARNT-proteinniveauer
- Fig. 4
- Ændringer i ARNT mRNA-niveauet korrelerer ikke med ARNT-proteinniveauet under påvirkning af hypoxi og hypoxi-mimetika
- Figur 5
- ARNT-protein stabiliseres i tilstedeværelse af HIF-1α
- Figur 6
- Diskussion
- Anerkendelser
- Author Contacts
- Artikel- / Publikationsdetaljer
- Open Access License / Drug Dosage / Disclaimer
- Open Access License: Dette er en Open Access-artikel, som er licenseret i henhold til betingelserne i Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0 Unported-licensen (CC BY-NC) (www.karger.com/OA-license), som kun gælder for online-versionen af artiklen. Distribution er kun tilladt til ikke-kommercielle formål. Dosering af lægemidler: Forfatterne og udgiveren har gjort deres yderste for at sikre, at valg og dosering af lægemidler i denne tekst er i overensstemmelse med gældende anbefalinger og praksis på udgivelsestidspunktet. I betragtning af den igangværende forskning, ændringer i statslige bestemmelser og den konstante strøm af oplysninger om lægemiddelbehandling og lægemiddelreaktioner opfordres læseren imidlertid til at kontrollere indlægssedlen for hvert enkelt lægemiddel for eventuelle ændringer i indikationer og dosering og for tilføjede advarsler og forsigtighedsregler. Dette er især vigtigt, når det anbefalede middel er et nyt og/eller sjældent anvendt lægemiddel.Afvisning: De udtalelser, meninger og data, der er indeholdt i denne publikation, tilhører udelukkende de enkelte forfattere og bidragydere og ikke udgiverne og redaktøren/redaktørerne. Forekomsten af reklamer og/eller produktreferencer i publikationen er ikke en garanti, godkendelse eller godkendelse af de produkter eller tjenester, der reklameres for, eller af deres effektivitet, kvalitet eller sikkerhed. Udgiveren og redaktøren/redaktørerne fraskriver sig ansvaret for eventuelle skader på personer eller ejendom som følge af ideer, metoder, instruktioner eller produkter, der henvises til i indholdet eller annoncerne.
Abstract
Baggrund: Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator (ARNT, HIF-1β) er medlem af Basic-Helix-Loop-Helix PER/ARNT/SIM (bHLH/PAS)-proteinfamilien og er en vigtig transkriptionel regulator i forbindelse med udvikling og fysiologiske tilpasningsprocesser. ARNT diskuteres at være forbundet med kræft og andre sygdomme. ARNT er kendt for at blive translokeret ind i cellekernen, hvor der sker en ophobning af proteinet. ARNT er en heterodimeriseringspartner til den xenobiotiske ligand-aktiverede Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR), Single Minded-proteinerne (SIM), den kardiovaskulære helix-loop-helix-faktor 1 og Hypoxia Inducible Factor-proteinerne (HIF-α). ARNT er obligatorisk for HIF-1, HIF-2 og HIF-3’s binding til DNA. Mens nedbrydningen af HIF-α-underenhederne undertrykkes af hypoxi, anses ARNT generelt for at være konstitutivt udtrykt i overskud i cellen, og stabiliseringen anses almindeligvis for at være ilt-uafhængig. Vi har dog fremlagt beviser for, at reguleringen af ARNT er langt mere kompleks. Formålet med vores undersøgelse var at reevaluere reguleringen af ARNT-ekspressionen. Metoder: Vi undersøgte cellelinjer af forskellig oprindelse som MCF-7 og T47D (humant brystkræft), HeLa (humant livmoderhalskræft), Hep3B og HepG2 (humant hepatom), Kelly (humant neuroblastom), REPC (humant nyre) og Cos7 (primær primatnyre) celler. Vi anvendte immunoblot-analyse, densitometri, RT-PCR og transient transfektion. Resultater og konklusion: Vores resultater viser, at ARNT-proteinniveauer påvirkes af hypoxi og hypoxi-mimetika såsom cobalt(II)-chlorid (CoCl2) og dimethyloxalylglycin (DMOG) på en cellelinjespecifik måde. Vi viser, at denne effekt kan udløses af HIF-1α, som spiller en vigtig rolle i processen med at stabilisere ARNT i hypoxi.
© 2013 S. Karger AG, Basel
Indledning
Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator (ARNT) er et medlem af basic-Helix-Loop-Helix PER/ARNT/SIM (bHLH/PAS)-proteinfamilien og en afgørende transkriptionel regulator med hensyn til organogenese og neurale udvikling samt fysiologiske tilpasningsprocesser til hypoxi og forurenende stoffer . Ud over ARNT (HIF-1β) findes der yderligere to isoformer ARNT2 og ARNT3 (BMAL1, MOP3, JAP3, ARNTL1) i forskellige arter. ARNT og ARNT2 har en >90 % aminosyreidentitet. ARNT har et mere allestedsnærværende udtryksmønster end ARNT2 i voksent væv. Nylige undersøgelser rapporterer om en forbindelse mellem ARNT og flere celledysfunktioner og sygdomme som f.eks. kræft og diabetes.
Som alle bHLH-molekyler skal ARNT dimerisere sig for at danne aktive DNA-bindingskomplekser. ARNT er kendt for at danne heterodimere med den xenobiotiske ligand aktiverede Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR), med hvilken metaboliserende enzymer induceres, med HIF-α-underenheder (Hypoxia Inducible Factors) under lave iltniveauer, SIM (Single Minded) proteiner til neurale udvikling og CHF1 (cardiovascular helix-loop-helix factor 1) . Vi har tidligere vist, at ARNT sandsynligvis translokeres ind i kernen ved klassisk nukleær import medieret af importiner α/β . På trods af en samtidig nukleær eksport akkumuleres ARNT hovedsageligt i kernen .
I hypoxi stabiliseres α-underenhederne af de hypoxi-inducerbare faktorer (HIF-α) og danner heterodimere med ARNT (HIF-1β), som regulerer det cellulære respons på lave iltniveauer. Der er i øjeblikket identificeret tre forskellige isoformer af ilt-afhængige HIF-α-underenheder: HIF-1α, HIF-2α (EPAS1) og HIF-3α . Under normoxiske forhold undergår HIF-α-proteiner hydroxylering af Prolyl-Hydroxylase-Domain enzymer 1-3 (PHD1-3). Prolyl-hydroxyleret HIF-α tjener som et genkendelsesmotiv for polyubiquitering af Von Hippel-Lindau Protein (pVHL) og efterfølgende proteasomal nedbrydning. ARNT mangler imidlertid Oxygen Dependent Degradation Domain (ODDD) og anses for at være konstant udtrykt under normoxiske forhold . Det er den nuværende opfattelse, at hypoxi ikke har nogen virkning på ARNT-niveauerne . Der findes dog spredte undersøgelser, der observerer en delvis samtidig stigning i ARNT-proteinniveauet ved hypoxi . Her er der beviser for, at ARNT-ekspressionen faktisk påvirkes og moduleres afhængigt af den evaluerede celletype. Dette tyder på, at tumorceller kan miste evnen til at regulere ARNT under tumorigenese. Vores data viser, at reguleringen af ARNT-ekspressionen er langt mere kompleks end generelt antaget.
I vores undersøgelse undersøgte vi ARNT-ekspressionen under forskellige typer hypoxi, hypoxi-mimetika og hypoxi-inducerbare faktorer, der afslører cellelinjespecifikke og cofaktorafhængige ekspressionsmønstre.
Materialer og metoder
Cellekultur, hypoxiinduktion og hypoxi-mimetika
Cellelinjerne MCF-7 (humant duktalt carcinom i brystet), T47D (humant duktalt carcinom i brystet), Hep3B (humant hepatocellulært karcinom), HeLa (humant cervix adenocarcinom), HepG2 (humant hepatocellulært karcinom) og Cos-7 (primate fibroblast-lignende nyreceller) blev inkuberet i DMEM-kulturmedium (Gibco). Cellelinjerne REPC (primær menneskelig nyre) og Kelly (humant neuroblastom) blev dyrket i RPMI-1640-medium (Gibco). Kulturmediet blev suppleret med henholdsvis 10 % føtal kalveserum (FCS, Gibco) og 100 IE/ml penicillin / 100 µg/ml streptomycin. Cellerne blev dyrket i en befugtet atmosfære ved 37 °C, 5 % CO2 og 20,9 % O2 (normoxi). Til hypoxiske undersøgelser blev cellerne anbragt i en befugtet atmosfære ved 37 °C, 5 % CO2, afbalanceret N2 med enten 1 % eller 3 % O2. Cobalt(II)-chlorid (CoCl2) blev anvendt i en 50 µM fortynding og dimethyloxalylglycin (DMOG) blev anvendt i en 1 mM fortynding som hypoxi-mimetikum.
Transient transfektion
Cellelinjerne MCF-7, T47D og Hep3B blev transficeret med siRNA ved hjælp af Lipofectamine™ RNAiMAX-transfektionsreagenset (Invitrogen). Cellerne blev dyrket til 50 % konfluens i 6-well kulturplader, før transfektion blev udført efter producentens protokol. Inden hypoxi blev kulturmediet ændret, og cellerne blev inkuberet yderligere 6 timer under normoxiske forhold.
Immunoblot-analyse og densitometri
Til Western Blotting blev cellerne indsamlet efter behandling, vasket med iskold PBS, ekstraheret med urea lysisbuffer og soniceret for at samle hele cellelysater. Proteinkoncentrationerne blev bestemt ved hjælp af Bio-Rad DC Protein Assay efter producentens protokol. Proteinekstrakterne blev elektroforeset ved SDS-PAGE og overført til nitrocellulosemembraner ved hjælp af halvtørre elektroblotting. Membranerne blev blokeret med 5 % fedtfri mælk i PBS. Primære antistoffer (HIF-1α: BD transduction, 1:1000; ARNT: Novus 1:1000) blev inkuberet natten over efterfulgt af HRP-korresponderende sekundære antistoffer (DAKO 1:5000), der blev tilsat i 2 timer. ECL (GE Healthcare) blev anvendt som detektionsreagens. Proteinmængden blev sammenlignet ved hjælp af Aida Image Analyser v.4.27 (Raytest) i overensstemmelse med protokollerne. Hver Western Blot-baggrund blev subtraheret fra det individuelle måleområde. Tilsvarende Lamin A/C-belastning blev betragtet som 100 %, og den proportionelle værdi blev beregnet.
RNA-isolering og RT-PCR
For at måle specifikke kvantitative mRNA-niveauer blev total RNA isoleret fra cellerne ved hjælp af ABI Prism 6100 Nucleic Acid PrepStation (Applied Biosystems) efter producentens anvisninger. Derefter blev 0,2 µg RNA omvendt transskriberet ved hjælp af Superscript III (Invitrogen). Det genererede cDNA blev anvendt som skabelon i kvantitativ realtids-PCR-analyse (RT-PCR). RT-PCR blev udført ved hjælp af ABI 7000 Sequence Detection System (Applied Biosystems), TaqMan Universal PCR Master Mix (Applied Biosystems) og KAPA SYBR FAST Universal (Peqlab). Amplifikationen blev udført ved hjælp af TaqMan Gene Expression Assays (Hs01100353_m1, Applied Biosystems) i henhold til producentens protokoller. Primere, der er specifikke for L28-husekeeping-genet (sense: 5`-ATGGTCTCGTGCGGAACTGCT-3` og reverse: 3`-TTGTAGCGGAAGGAAGGAATTGCG-5`), blev anvendt til normalisering. Cyklusbetingelserne var et indledende polymeraseaktiveringstrin ved 95 °C i 10 min, efterfulgt af 45 cyklusser ved 95 °C i 15 s, 55 °C i 30 s og ved 72 °C i 20 s. Prøverne blev analyseret i quadruplikat, og de relative mængder af mRNA blev beregnet ved hjælp af ∆∆CT-metoden.
Statistik
Statistisk analyse blev udført med GraphPad InStat Software. Der blev anvendt uparret t-test. Graferne er vist som gennemsnit ± standardafvigelse (SD). Der blev udført MTT-overlevelsesanalyser (data ikke vist) for at sikre, at celleoverlevelsen ikke var forskellig fra prøve til prøve.
Resultater
ARNT-ekspression induceres ved hypoxi i MCF-7, HeLa, Hep3B- og REPC-celler
Vi undersøgte mængden af ARNT-proteinniveauer ved at dyrke MCF-7-celler under normoxiske (21 % O2) forhold i 24 timer efterfulgt af enten 48 timers normoxi (Nox) eller 24 timers normoxi og 24 timers hypoxi 1 % (Hox 1 % 24h, 1 % O2) eller kun 48 timers hypoxi 1 % (Hox 1 % 48h, 1 % O2). Hele celleekstrakter blev analyseret ved immunoblotting med et monoklonalt anti-ARNT-antistof fra musen. HIF-1α-protein blev observeret for at bekræfte hypoxisk celleinduktion. Som vist i fig. 1 blev ARNT-proteinniveauerne forhøjet som reaktion på hypoxi i MCF-7-celler. 24 timers inkubation med 1 % hypoxi førte til en signifikant stigning af ARNT i forhold til 48 timer med 1 % hypoxi.
Fig. 1
Immunoblot-analyse af ARNT-proteinniveauer i MCF-7. Hele cellelysater (50 µg) blev analyseret. Cellerne blev dyrket under normoxiske (21 % O2) forhold efterfulgt af enten 24 timers (Hox1 % 24h) eller 48 timers (Hox 1 % 48h) hypoxisk (1 % O2) induktion. Den hypoxiske induktion af ARNT-proteinniveauerne er vist i sammenligning med deres normoxiske (Nox) kontroller målt ved densitometri. Middel ± SD; * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 (to-halet P-værdi; n=6-11). Middelværdier er afbildet i procent. En repræsentativ immunoblot er vist. HIF-1α-proteinniveauer tjener som en kontrol af hypoxisk induktion. Lamin A/C tjener som belastningskontrol.
MCF-7-celler blev inkuberet i op til 96 timer i 1 % hypoxi for at afsløre langtidsvirkningerne af hypoxi. MCF-7-celler viste en stigende ARNT-koncentration efter 12 timer. Ved yderligere eksponering for hypoxi begyndte ARNT-koncentrationerne at falde til en basisværdi (fig. 2).
Fig. 2
Tidsafhængig immunoblot-analyse af ARNT-protein i MCF-7. Hele cellelysater (50 µg) blev analyseret. Cellerne blev dyrket under hypoxiske (1 % O2) forhold i 12 timer, 24 timer, 48 timer, 48 timer, 72 timer og 96 timer. Kulturmediet blev udskiftet dagligt med et 1 % O2-ækvilibreret medium. ARNT-proteinniveauerne blev målt ved densitometri og vises i procent i forhold til 12 timers hypoxi 1% (H1% 12h). Lamin A/C tjener som belastningskontrol.
ARNT-induktion som følge af forskellige intensiteter af hypoxi blev målt ved at dyrke MCF-7-celler i 3 % hypoxi (3 % O2) og 1 % hypoxi (1 % O2) i 12 timer og 24 timer (Fig. 3a).
Fig. 3
Immunoblot-analyse af ARNT-proteinniveauer i MCF-7, HeLa, Hep3B og REPC. Hele cellelysater (50 µg) blev analyseret. Cellerne blev dyrket under hypoxiske forhold (3% O2 eller 1% O2) i 12 timer eller 24 timer (H3% 12 timer, H1% 12 timer, H3% 24 timer, H1% 24 timer, H1% 24 timer). ARNT-proteinniveauer blev målt ved densitometri og er vist i procent i forhold til de normoxiske kontroller (Nox). HIF-1α-proteinniveauer tjener som en kontrol af hypoxisk induktion. Lamin A/C tjener som belastningskontrol.
For at belyse forskelle mellem forskellige cellelinjer dyrkede vi HeLa, Hep3B og REPC-celler svarende til MCF-7-celler (fig. 3b-d). I alle hypoxibehandlede celletyper var ARNT-proteinniveauerne forhøjet. 1 % hypoxi førte til en hurtigere stigning i ARNT-proteinniveauerne, men også til en tidligere normalisering end 3 % hypoxi. 3 % hypoxi viser en maksimal induktion af ARNT efter 24 timer.
Differente cellelinjer viser forskellige reaktioner på hypoxi og hypoxi-mimetika med hensyn til ARNT-proteinniveauer
For at undersøge en sammenhæng mellem ARNT-niveauer og HIF-α blev MCF-7, HeLa, Cos7, REPC, HepG2, Hep3B og Kelly-celler behandlet med hypoxi-mimetikane cobalt(II)-chlorid (CoCl2) og dimethyloxalylglycin (DMOG) (fig. 4a-g).
Fig. 4
Immunoblot-analyse af ARNT-proteinniveauer i MCF-7, HeLa, Cos7, REPC, HepG2, Hep3B og Kelly. Hele cellelysater (50 µg) blev analyseret. Cellerne blev dyrket under normoxiske (21 % O2) forhold (Nox), hypoxiske (3 % O2) forhold i 24 timer (Hox 3 % 24 timer), normoxiske forhold med 50 µM cobalt(II)-chlorid (CoCl2) og under normoxiske forhold med 1 mM dimethyloxalylglycin (DMOG). Induktionen af ARNT-proteinniveauer er vist i sammenligning med deres normoxiske (Nox) kontroller målt ved densitometri. Middel ± SD; * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 (tosidet P-værdi; n = 3 – 7). Middelværdierne er vist i procent. En repræsentativ immunoblot er vist. Lamin A/C tjener som belastningskontrol.
HepG2- og Kelly-celler reagerede ikke på 24 timers hypoxi med en stigning i ARNT-proteinniveauet. HeLa-celler viste en svag ARNT-induktion ved hypoxi og under behandling med hypoxi-mimetika, men denne effekt var ikke statistisk signifikant. MCF-7-celler viste klart en stigning i ARNT-proteinniveauet under 24 timers 3 % hypoxi og en stigning i ARNT-proteinniveauet som følge af CoCl2-behandling. På den anden side havde DMOG-behandling ingen indvirkning på ARNT-niveauerne i MCF-7-celler, selv om DMOG er en meget potent HIF-stabilisator. Cos7-celler viste en stærk effekt af ARNT-induktion ved hypoxi og hypoxi-mimetika som CoCl2 og DMOG. REPC-celler viste et stærkt respons på hypoxi, men CoCl2-induktionen af ARNT var relativt lille. DMOG reducerede ARNT-proteinniveauet i REPC-celler. HepG2-celler reagerede ikke på hypoxi og heller ikke på DMOG med induktion af ARNT-proteinniveauet. HepG2-celler viste imidlertid en meget stærk ARNT-induktion ved CoCl2. Hep3B-celler reagerede med en stigning i ARNT-proteinniveauet på alle behandlinger. Kelly-celler viste ingen reaktion i ARNT-proteinniveauet, hverken på hypoxi eller hypoxi-mimetika.
Ændringer i ARNT mRNA-niveauet korrelerer ikke med ARNT-proteinniveauet under påvirkning af hypoxi og hypoxi-mimetika
Vi anvendte den kvantitative RT-PCR-metode til at undersøge mRNA-niveauet i forbindelse med de observerede ændringer af ARNT-proteinniveauet. MCF-7-, HeLa-, HeLa-, REPC- og Hep3B-celler blev dyrket under normoxiske forhold, før 3% hypoxi, 1% hypoxi, CoCl2- og DMOG-behandling i 24 timer blev anvendt (fig. 5). MCF-7-celler viste et ubetydeligt fald i ARNT mRNA-niveauet som reaktion på hypoxi. Der blev imidlertid observeret en betydelig reduktion af ARNT mRNA-niveauerne som følge af CoCl2- og DMOG-behandling. Mens HeLa- og REPC-cellerne ikke viste nogen effekt på ARNT mRNA-niveauerne efter behandlinger, reagerede Hep3B-cellerne på hypoxi med en stærk reduktion af ARNT mRNA-niveauet. Der blev observeret en mindre aftagende reaktion på CoCl2 i disse celler.
Figur 5
Kvantitativ RT-PCR af ARNT mRNA-niveauer i MCF-7-, HeLa-, REPC- og Hep3B-celler. Cellerne blev dyrket under normoxiske (21 % O2) forhold efterfulgt af enten 24 timers normoxi (Nox), 24 timer med 3 % hypoxi (Hox 3 % 24h), 24 timer med 1 % hypoxi (Hox 1 % 24h), 50 µM CoCl2 i 24 timer (CoCl2) eller 1 mM DMOG i 24 timer (DMOG). L28 housekeeping-genet blev anvendt til normalisering. Relative mængder af mRNA blev beregnet ved hjælp af ∆∆∆CT-metoden. Diagrammet viser middelværdierne af de relative mængder af ARNT mRNA-niveauer i forhold til normoxi (Nox). Middel ± SD; * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 (tosidet P-værdi; n = 4).
ARNT-protein stabiliseres i tilstedeværelse af HIF-1α
MCF-7-, T47D- og Hep3B-celler blev transient transficeret med HIF-1α siRNA for at klarlægge effekten af Hif-1α på ARNT-proteinniveauerne (Fig. 6). Cellerne blev inkuberet i 48 timer i normoxia med transfektionsreagenset RNAiMAX og siRNA efterfulgt af en 6 timers genopretningsfase. Efterfølgende blev cellerne holdt i 1 % hypoxi i 24 timer. Vi observerede, at ARNT-proteinniveauerne faldt i hypoxi, hvis HIF-1α blev blokeret. Uspecifik siRNA-transfektion havde imidlertid ingen indflydelse på den observerede stigning i ARNT-proteinniveauet i hypoxi.
Figur 6
Immunoblot-analyse af ARNT-proteinniveauer i siRNA-behandlede MCF-7, T47D og Hep3B. Hele cellelysater (50 µg) blev analyseret. Cellerne blev dyrket under normoxiske (21 % O2) forhold og transient transficeret ved hjælp af Lipofectamine™ RNAiMAX transfektionsreagens (Invitrogen) og HIF-1α siRNA (Hox1% 24h siRNA HIF-1a) eller BlockIt™ (Invitrogen) siRNA (Hox1% 24h siRNA BlockIt) som en negativ kontrol for HIF-1α-specifik knock down. ARNT-proteinniveauer blev målt ved densitometri og er vist i procent. HIF-1α-proteinniveauer tjener som kontrol for hypoxisk induktion og Hif-1α knock down. Lamin A/C tjener som belastningskontrol. (n=4).
Diskussion
Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator (ARNT/HIF-1β) spiller en rolle som en central transkriptionel regulator i cellulær homøostase. Den fungerer som en heterodimeriseringspartner for forskellige vigtige regulatorproteiner, såsom HIF-α, SIM-proteiner, AhR og CHF1. Det er derfor involveret i mange forskellige regulatoriske cellulære veje. Da ARNT menes at være konstitutivt udtrykt og ikke påvirkes af fysiologiske eller farmakologiske ændringer, f.eks. hypoxi, blev ARNT i tidligere rapporter ikke anset for at være den begrænsende faktor og et muligt terapeutisk mål . I nyere undersøgelser rapporteres der imidlertid om en forbindelse mellem ARNT og flere sygdomme som f.eks. kræft . Det er velkendt, at HIF-1α og HIF-2α har afgørende funktioner i forbindelse med udvikling og/eller behandling af kræft . Da ARNT er deres obligatoriske cofaktor, vil en udtømning af ARNT resultere i inaktive eller nedsatte niveauer af HIF-α-komplekser. For yderligere at understrege ARNT’s relevans viser vi for første gang, at hypoxi, hypoxi-mimetika og HIF-1α spiller en vigtig rolle i reguleringsmekanismerne for ARNT-ekspression afhængigt af den evaluerede celletype.
Vi undersøgte otte forskellige cellelinjer fra 2 forskellige værtsarter for at påvise indflydelsen af hypoxi og hypoxi-mimetika på ARNT-proteinekspression. MCF-7 brystkræftceller reagerer på hypoxi med en stigning i ARNT-proteinniveauet, mens ARNT mRNA-niveauet synes at falde eller forblive uændret. Dette antyder, at der findes en gensidig feedback-regulering mellem proteinstabilisering og de novo-syntese. Lignende ned- og opreguleringer af gentranskription ved hypoxi er kendt for flere enzymer og molekyler . Vores resultater er ikke nødvendigvis et resultat af en generel reduktion af mRNA-syntesen i cellen som et svar på cellestress, fordi transkriptionen af ESR2-genet induceres ved hypoxi og HIF-1α knock-down (upublicerede data).
Eksponering for hypoxi i en længere periode end 48 timer fører til en tilbagevenden til basale ARNT-proteinniveauer, som kan ses ved normoxi. Et lignende ekspressionstop er kendt for HIF-1α-protein efter 4 til 12 timer under hypoxisk behandling. Yderligere hypoxisk inkubation fører til faldende HIF-1α-niveauer, indtil der opnås en stabil tilstand . Denne kendsgerning kunne tyde på en stabiliserende virkning af HIF-1α-overekspression over for ARNT. Dannelsen af HIF-1α/ARNT-komplekser i kernen kunne forhindre ARNT-nedbrydning via proteasomer, hvilket er i overensstemmelse med Choi et al. og Mandl et al. . For at undersøge vores resultater slog vi transient HIF-1α ned i MCF-7-celler og observerede op til 90% reduktion af ARNT-proteinniveauer i hypoxi sammenlignet med normoxi. Denne effekt kunne også ses i T47D- og Hep3B-celler. En krydsreaktion af HIF-1α siRNA, der slår ARNT ned på grund af en stærk sekvenshomologi mellem ARNT og HIF-α, blev udelukket ved in silico-analyse af siRNA- og gensekvenserne. Disse resultater tyder på en stærk korrelation mellem ARNT og HIF-1α-proteinekspression. En forklaring kunne være en stabiliserende virkning af de O2-uafhængige ARNT-bindingspartnere, såsom AhR, SIM og CHF1, over for ARNT i normoxia. I hypoxi kan de reducerede niveauer af AhR, SIM og CHF1 kompenseres af overekspression af HIF-α med hensyn til ARNT-stabilisering. Nedbrydning af HIF-1α kan derfor føre til stærkt nedsatte ARNT-niveauer via reduceret de novo-syntese og mindre stabilitet over for ubiquitination og proteasomal nedbrydning, fordi der mangler dimeriseringspartnere. Denne hypotese ville understrege en regulering af ARNT, der i høj grad er afhængig af bindingspartnere, hvilket ville være i overensstemmelse med Choi et al. og Mandl et al. For at undersøge, om HIF-α-induktion fører til en samtidig stigning i ARNT-ekspressionen, behandlede vi celler med CoCl2 og DMOG. På trods af at den HIF-α-stabiliserende virkning af CoCl2 og DMOG er analog, reagerer MCF-7-celler efter DMOG mindre kraftigt med en stigning af ARNT-protein end efter CoCl2-behandling. Disse observationer er i overensstemmelse med en HIF-α-stabiliserende virkning på ARNT. En modsatrettet adfærd mellem CoCl2, der inducerer ARNT i modsætning til DMOG, kunne ses i HepG2-celler. Interessant nok reagerer REPC-celler med et fald i ARNT-niveauet under DMOG-behandling. Selv om den HIF-α-stabiliserende virkning af DMOG svarer til CoCl2, er en anderledes cellulær reaktion ved DMOG ikke usædvanlig på grund af en anden virkningsmåde. På den anden side reagerer Cos7- og Hep3B-celler på hypoxi og begge hypoxi-mimetika med en stærk stigning i ARNT-proteinniveauet, hvilket er i overensstemmelse med den HIF-α-stabiliserende virkning, som Mandl et al. har postuleret. Det forhold, at ARNT-niveauerne i modsætning til forskellige tumorcellelinjer er godt påvirket i den primære cellelinje Cos7 af hypoxi og hypoxi-mimetika, kunne antyde et tab af funktion under tumorigenese i visse tumorer. Data vedrørende ARNT i cellekræftudvikling er sparsomme, og der er derfor behov for yderligere undersøgelser.
Hep3B-cellinien viser signifikante stigninger i ARNT-proteinniveauet som følge af alle tre hypoxiske behandlinger, mens hypoxi og CoCl2 reducerer ARNT mRNA betydeligt. Disse resultater understøtter hypotesen om en gensidig feedbackmekanisme, som også kan antages at være en hypotese i MCF-7-celler. REPC-nyrecellelinjen viser en afvigende adfærd. Disse celler reagerer med en stærk stigning i ARNT-protein som følge af hypoxi, men med en mindre intens induktion som følge af CoCl2 og i modsætning hertil med faldende ARNT-proteinniveauer under DMOG-behandling, som beskrevet ovenfor. Men yderligere viser REPC-cellerne ikke nogen varians i ARNT mRNA-niveauet under de forskellige behandlinger, hvilket tyder på en regulering på proteinbasis.
Kelly-celler viser stabile ARNT-proteinniveauer. Hverken hypoxi eller hypoxi-mimetika er i stand til at påvirke ARNT. Sådanne stabile ARNT-niveauer kan også ses i HepG2-celler ved hypoxi og DMOG-behandling, men denne cellelinje reagerer med en kraftig stigning af ARNT-protein ved CoCl2-behandling. HeLa-celler viser ingen signifikante ændringer af ARNT-niveauet, hverken med hensyn til protein eller mRNA. Disse resultater støtter den nuværende opfattelse, at ARNT udtrykkes konstant og ikke påvirkes af hypoxi, som gennemgået af Semenza . Vi og andre har vist, at denne opfattelse ikke kan generaliseres . Vi fremlægger hermed data, der modsiger hypotesen om en konstant udtrykt og ureguleret ARNT heterodimeriseringspartner, men som er i overensstemmelse med Chilov et al., . Vi støtter også Choi et al. og Mandl et al. og viser, at heterodimerisering med HIF-α er en vigtig mekanisme til stabilisering af ARNT-protein i hypoxi .
Sammenfattende tyder vores data på en generel stabiliserende regulering af ARNT-bindingspartnere, som HIF-α, AhR, SIM og CHF1 med hensyn til ARNT-ekspression. Desuden kan vi vise, at hver cellelinje/celletype reagerer forskelligt på hypoxi og hypoxi-mimetika med hensyn til induktion af ARNT-proteinsyntese. Derfor er det ikke muligt at foretage en universel cellespændingsforudsigelse af ARNT-proteinekspression. Disse resultater viser, at ARNT-regulering bør undersøges yderligere, især med hensyn til tumorigenese, fordi ARNT-regulering er langt mere kompleks, end man i dag anerkender.
Anerkendelser
Vi er taknemmelige over for T. Svensson, B. Rudzewski og A.-K. Hellberg for fremragende teknisk støtte. Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.
- Kewley RJ, Whitelaw ML, Chapman-Smith A: The mammalian basic helix-loop-helix/PAS family of transcriptional regulators. Int J Biochem Cell Biol 2004;36:189-204.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Shimoda LA, Semenza GL: HIF and the lung: role of hypoxia-inducible factors in pulmonary development and disease. Am J Respir Crit Care Med 2011;183:152-156.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Nakabayashi H, Ohta Y, Yamamoto M, Susuki Y, Taguchi A, Tanabe K, Kondo M, Hatanaka M, Nagao Y, Tanizawa Y: Dbp er en regulator af Arnt/Hif-1β-genekspression i β-celler i pancreatiske islet β-celler. Biochem Biophys Res Commun 2013;434:370-375.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Labrecque MP, Prefontaine GG, Beischlag TV: Arylhydrogencarbonreceptor nuclear translocator (ARNT)-familien af proteiner: Transkriptionelle modifikatorer med multifunktionelle proteingrænseflader. Curr Mol Med 2013;13:1047-1065.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Liang Y, Li W-W, Yang B-W, Tao Z-H, Sun H-C, Wang L, Xia JL, Qin LX, Tang ZY, Fan J, Wu WZ: Arylhydrogencarbonreceptor nuclear translocator er forbundet med tumorvækst og progression af hepatocellulært karcinom. Int J Cancer 2012;130:1745-1754.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Shi S, Yoon DY, Hodge-Bell K, Huerta-Yepez S, Hankinson O: Aryl hydrocarbon nuclear translocator (hypoxia inducible factor 1beta) aktivitet er mere påkrævet under tidlig end sen tumorvækst. Mol Carcinog 2010;49:157-165.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Chin MT, Maemura K, Fukumoto S, Jain MK, Layne MD, Watanabe M, Hsieh CM, Lee ME: Cardiovascular basic helix loop helix factor 1, en ny transkriptionel repressor, der fortrinsvis udtrykkes i det kardiovaskulære system under udvikling og i det voksne kardiovaskulære system. J Biol Chem 2000;275:6381-6387.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Depping R, Steinhoff A, Schindler SG, Friedrich B, Fagerlund R, Metzen E, Hartmann E, Köhler M: Nuklear translokation af hypoxi-inducerbare faktorer (HIF’er): inddragelse af den klassiske importin alfa/beta-vej. Biochim Biophys Acta 2008;1783:394-404.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Berchner-Pfannschmidt U, Frede S, Wotzlaw C, Fandrey J: Imaging af den hypoxi-inducerbare faktorvej: indsigt i iltsensorering. Eur Respir J 2008;32:210-217.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Lisy K, Peet DJ: Turn me on: regulating HIF transcriptional activity. Cell death Differ 2008;15;15:642-649.
Eksterne ressourcer
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
- Pubmed/Medline (NLM)
- Crossref (DOI)
Author Contacts
Dr. rer. nat. Reinhard Depping
Universität zu Lübeck, Institut für Physiologie, Zentrum für Medizinische Struktur
und Zellbiologie, Ratzeburger Allee 160, D-23562 Lübeck (Tyskland)
Tel. +49 451 5004712, Fax +49 451 5004171, E-Mail [email protected]
Artikel- / Publikationsdetaljer
Accepteret: August 30, 2013
Publiceret online: 20. september 2013
Udgivelsesdato: November 2013
Antal trykte sider: Antal trykte sider: 10
Antal af figurer:: 9293>Antal af trykte sider: 10
Antal af figurer: 10
Antal af figurer: 10
Antal af figurer: 10 0
Antal tabeller: 0
ISSN: 1015-8987 (Print)
eISSN: 1421-9778 (Online)
For yderligere oplysninger: https://www.karger.com/CPB
Open Access License / Drug Dosage / Disclaimer
Open Access License: https://www.karger.com/CPB