Inhibition of hepatic cell proliferation through the systematic dissection of Cdk2/cyclin E complexes in mice

Hu, Wei; Bernhagen, Jürgen

doi:32049

Inhibition of hepatic cell proliferation through the systematic dissection of Cdk2/cyclin E complexes in mice = Inhibition der Proliferation von Hepatozyten durch systematische Analyse der Cdk2/Cyclin-E-Komplexe in Mäusen

Hu, Wei

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wei Hu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangII, 93 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bernhagen, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-01-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44762
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/210434/files/4476.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Leberepithelzelle (Genormte SW) ; Zellzyklus (Genormte SW) ; Leberresektion (Genormte SW) ; Helicasen (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Hepatozyten (frei) ; Partielle Hepatektomie (frei) ; Cdk2/Cyclin-E-Komplexe (frei) ; MCM-Helikase (frei) ; hepatocytes (frei) ; cell cycle (frei) ; cdk2 /cyclin E complexes (frei) ; partial hepatectomy (frei) ; MCM helicase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Komplexe von Cdk2 mit E-Cyclinen (CcnE1 und CcnE2) steuern den Übergang von ruhenden Säugerzellen in die S-Phase des Zellzyklus. Partielle 2/3 Hepatektomie (PH) in Nagern ist ein etabliertes Model, um diesen Prozess in vivo zu untersuchen. Nach PH durchlaufen ruhende Hepatozyten sehr synchron 1-2 Zellzyklen. Vorarbeiten zeigten, dass die alleinige Inaktivierung von CcnE1 oder CcnE2 nicht ausreicht, um die Leberregeneration nach PH maßgeblich zu blockieren. Erstes Ziel der Arbeit war es, die Funktion von Cdk2 für den Zellzyklus des Hepatozyten zu charakterisieren. Da diese Analysen frühzeitig zeigten, dass Cdk2 für den Zellzyklus von Hepatozyten nicht benötigt wird, sollten weiterhin die zugrunde liegenden kompensatorischen Mechanismen identifiziert werden mit dem Ziel, durch kombinierte Deletion von Cdk2 und E-Cyclinen den Zellzyklus von Hepatozyten zu hemmen. Hepatozyten-spezifische Deletion von Cdk2 (Cdk2Deltahepa) führte zu einer beschleunigten Induktion und erhöhten Expression von CcnE1 nach PH. Dies bewirkte jedoch keine zusätzliche Kinaseaktivität, sondern förderte Kinase-unabhängig das Beladen von Replikationsursprüngen mit dem Minichromosome Maintenance Complex (MCM). Dementsprechend konnten Hepatozyten mit gleichzeitigem Verlust von Cdk2 und CcnE1 MCM-Komplexe nicht mehr effektiv auf Chromatin laden. Zusätzlich war in diesen Hepatozyten die Aktivierung des S-Phase Mediators CcnA2 fast vollständig inhibiert. Als Folge zeigten Mitogen-induzierte Cdk2-/-CcnE1-/- Hepatozyten ein deutlich vermindertes Überleben und eine erheblich reduzierte DNA-Synthese und Proliferation. In vivo war in Cdk2DeltahepaCcnE1-/- Mäusen die DNA-Synthese sowie die Lebermassenrekonstitution nach PH ebenfalls stark inhibiert. Überraschenderweise bewirkte eine zusätzliche Deletion von CcnE2 in diesen Tieren keine weitere Beeinträchtigung der Hepatozytenproliferation. Daher scheint CcnE2 nur eine geringfügige Bedeutung bei der Leberregeneration zu besitzen. Trotzdem besitzen CcnE1 und CcnE2 eine partielle funktionelle Redundanz, da CcnE1DeltahepaCcnE2-/- Mäuse ebenfalls eine erheblich verschlechterte Leberregeneration zeigten. Zusammenfassend identifiziert die vorliegende Arbeit erstmalig Bedingungen, unter denen Cdk2 oder CcnE1 für die Zellzyklusregulation in der Leber essentiell sind. Diese Ergebnisse tragen zu einem deutlich verbesserten Verständnis der redundanten Zellzyklus-Mechanismen in Säugern bei und könnten helfen, die pathologische Leberzellproliferation z.B. beim Hepatozellulären Karzinom, zu hemmen.

Complexes of Cdk2 with E-type cyclins (CcnE1 and CcnE2) specifically regulate the onset of DNA replication in previously quiescent mammalian cells. Partial 2/3 hepatectomy (PH) in rodents is an established model to study this process in vivo as quiescent hepatocytes synchronously undergo 1-2 cell cycles after surgery. Surprisingly, previous studies from our lab demonstrated that unique depletion of CcnE1 or CcnE2 did not markedly impair hepatocyte proliferation after PH. Thus the initial aim of the present study was to characterize the role of Cdk2 for the hepatic cell cycle. As these analyses revealed that Cdk2 is also fully dispensable for cell cycle progression in hepatocytes, the underlying compensatory mechanisms were evaluated by detailed genetic dissection of the complete Cdk2/CcnE complexes with the ultimate aim to inhibit the hepatic cell cycle by blocking appropriate combinations of Cdk2 and E-cyclins. Hepatocyte-specific ablation of Cdk2 (Cdk2Deltahepa) resulted in accelerated induction and overall stronger expression of CcnE1 after PH. Elevated CcnE1 levels did not contribute to a non-canonical kinase activity but instead performed a kinase-independent function by facilitating the loading of minichromosome maintenance (MCM) proteins on chromatin. Accordingly, hepatocytes lacking both Cdk2 and CcnE1 showed severely impaired loading of MCM and were unable to activate the S-phase mediator CcnA2 which is a prerequisite for S-phase progression. As a consequence, mitogen-primed Cdk2-/-CcnE1-/- hepatocytes displayed severely impaired cell viability and dramatically reduced proliferative capability. In vivo, DNA replication and subsequent liver mass reconstitution following PH were substantially – but not completely blocked in Cdk2DeltahepaCcnE1-/- mice. Surprisingly, hepatocytes lacking Cdk2 and both E-cyclins did not show further impaired liver regeneration suggesting a negligible role of CcnE2 for cell cycle progression. In fact, Cdk2DeltahepaCcnE2-/- mice showed normal S-phase and liver regeneration. However, mice lacking both E-type cyclins exhibited strongly impaired liver regeneration pointing to some functional overlap of CcnE1 and CcnE2. In summary, the current study identifies for the first time combinations of Cdk2 and/or E-cyclins, which are largely essential for driving the hepatic cell cycle. This contributes to a better understanding of redundant mechanisms in the mammalian cell cycle machinery and may help to inhibit pathological liver cell proliferation e.g. in hepatocellular carcinoma.

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