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Molecular interactions of Caspase-8 and Notch signaling in the regulation of intestinal mucosal barrier = Charakterisierung der Rolle von Caspase-8 in der Interaktion mit Notch-Signalweg bei Regulation der intestinalen Schleimhautbarriere
2015
Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-18
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-012220
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/464329/files/464329.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/464329/files/464329.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
Kurzfassung
Die intestinale Schleimhautbarriere ist eine komplex aufgebaute Epithelzellschicht, die aus Enterozyten, enteroendokrinen Zellen, Becherzellen, und Paneth-Zellen besteht. Sie vermittelt einen selektiven Schutz vor schädlichen luminalen Bestandteilen durch Freisetzung von protektiven Komponenten wie Mucinen und sekretorischen Immunglobulinen. Die Störung der intestinalen Homöostase führt zu chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und intestinaler Karzinogenese. Durch zahlreiche molekulare Signalkaskaden wird die intestinale Homöostase gesteuert. Caspase-8 (Casp8) verhindert eine Nekroptose von Enterozyten und reguliert die Zellproliferation. Die Notch- und Hippo-Signalkaskaden bestimmen, ob die Differenzierung in die absorptive oder sekretorische Richtung verläuft. Die Aktivierung des Notch-Signalwegs fördert die Proliferation von Stammzellen und inhibiert die Differenzierung von sekretorischen Zellen. Die Aktivierung der Hippo-Signalkaskade verhindert die Stammzellproliferation und führt zur Differenzierung von sekretorischen Zellen.Die aktuelle Studie beschäftigt sich mit den Auswirkungen dieser drei Mechanismen auf die Differenzierung von intestinalen Epithelzellen. Die angesprochenen Auswirkungen wurden anhand eines in vivo und in vitro Moedlls analysiert. Zur in vivo Analyse wurde ein gewebespezifisches Casp8-Knockout-Mausmodell (Casp8Δint) erzeugt und etabliert. Als in vitro Modell dient die gut etablierte Caco2 Zellkultur, die ursprünglich aus einem humanen Coloncarcinom isoliert worden ist. Mittels dieser Ansätze konnte gezeigt werden, dass der Verlust von Casp8 eine überproportionale Aktivierung von Notch mit Reduktion der sekretorischen Differenzierung bewirkt. Dies führte wiederum zu einer inadäquaten Kontrolle der bakteriellen Flora mit bakterieller Translokation und Entzündungsreaktion. Die intestinale Permeabilität war stark erhöht, was in eine signifikant erhöhte Mortalitätsrate der Casp8-Knockout-Mäusen resultierte. Durch Analyse der Casp8-Hippo-Interaktion, konnte eine Überexpression von YAP in Casp8Δint Mäusen nachgewiesen werden. Dies deutet auf eine Inaktivierung des Hippo Signalwegs in Casp8Δint Mäusen hin, was potentiell eine Steigerung der Zellproliferation und Hemmung der Zelldifferenzierung auslöst. Im Gegensatz dazu wurde, eine signifikante Expressionssteigerung von Notch in Casp8Δint Mäusen gefunden. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Hemmung des Notch-Signalwegs Casp8 vermittelte Entzündung reduzieren könnte. Um die funktionelle Relevanz einer Interaktion des Notch-Signalwegs mit Casp8 zu untersuchen, wurde den Tieren ein Gamma-Sekretase-Inhibitor (GSI) verabreicht. Interessanterweise wurde nach Verabreichung des GSI die Bildung der sekretorischen Phänotypen wie Paneth oder Becher-ähnlichen Zellen in Casp8Δint Mäusen induziert. Zusätzlich wurde die Casp8 vermittelte Entzündungsaktivität und die intestinale Permeabilität signifikant verringert. Die Überlebensrate der Mäuse erhöhte sich um 50%. Als abschließendes Experiment wurde der Knockdown von Casp8 in Caco2 untersucht mit dem Ergebnis, dass das Ausschalten von Casp8 zu einer Erhöhung der Notch Aktivität führte. Nach der Behandlung mit GSI konnte die Bildung von sekretorischen Phänotypen in dieser Zelllinie nachgewiesen werden. Zusammenfassend ergibt sich, dass der Notch-Signalweg essentiell an der Regulation der Casp8 relevanten Funktionen im Darm und die Inaktivierung von Notch eine Reduktion des durch den Casp8 Knockout bedingten Krankheitsbildes bewirkt. Ferner konnte festgestellt werde, dass die Wechselwirkungen zwischen Notch und YAP über den Casp8-abhängigen Signalweg entscheidend zur intestinalen Homöostase beitragen. Durch die Erkenntnisse dieser Studie konnte eine tiefere Einsicht in die Pathogenese von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und der intestinalen Karzinogenese gewonnen werde.The intestinal mucosa is a highly specialized surface epithelium with absorptive enterocytes, hormone-secreting endocrine cells, mucus-secreting goblet cells and antimicrobial peptides-producing Paneth cells. Intestinal epithelial cells (IECs) provide a physical barrier as well as innate immune defense, preventing the gut micobiota from entering host tissues. To control the large amount of microbiota, the epithelial lining critically depends on innate antimicrobial peptides and mucins. Disrupted intestinal homeostasis leads to inflammatory bowel disease (IBD) and intestinal tumorigenesis. Several molecular signaling mechanisms are necessary for intestinal homeostasis. Caspase-8 (Casp8) prevents intestinal epithelial cells from undergoing necroptosis and regulates cell proliferation. Notch and Hippo signaling control the cell fate determination between absorptive and secretoy cell lines. Active Notch promotes stem cell proliferation and inhibits secretory cell differentiation. Active Hippo signaling prevents cell proliferation and induces maturation of secretory cells. The current study focused on the regulatory effects of these three mechanisms on the intestinal epithelial differentiation. To analyze the effects of intestinal Casp8 deficiency, in vivo and in vitro assays were performed using a Casp8 knockout (Casp8∆int) mouse model and Casp8-deficient Caco2 cell culture system.Loss of Casp8 in enterocytes induced increased stem cell-like population and inhibited secretory cell differentiation. Casp8∆int mice showed decreased mucosal antibacterial activity with loss of Paneth and goblet cells. This led to increased inflammatory response and changes in intestinal permeability. Consequently, Casp8∆int mice showed high mortality. By analysis of Casp8-Hippo interaction, we found up-regulated YAP levels, a target gene of Hippo signaling in Casp8∆int mice. This finding indicates that inactive Hippo signaling in Casp8∆int mice might lead to increasing cell proliferation, but inhibition of cell differentiation. In contrast, Notch signaling was active in Casp8∆int mice. Thus, we hypothesized that inhibition of Notch signaling could improve the outcome of Casp8 knockout mice by promotion of the intestinal mucosal barrier. To analyze this hypothesis, the functionality of the Notch signaling was pharmacologically modified using a gamma-secretase inhibitor (GSI). Interestingly, Casp8∆int mice exhibited induced secretory phenotype such as Paneth-like cells or goblet-like cells. Additionally Casp8-dependent inflammatory activity was diminished. Intestinal permeability was significantly decreased and the survival rate of Casp8∆int mice was increased by 50%. Finally, Caco2 lacking Casp8 showed an increase in Notch activity and after GSI treatment, an increase in secretory phenotype was confirmed. In summary, Notch signalling modified Casp8-related functions in the intestine and inactivation of Notch reduced the Casp8 knockout-related disorders. Furthermore, the interactions between Notch and YAP via Casp8-dependent signaling are crucial for intestinal epithelium homeostasis. Therefore, these findings provide a valuable insight to understand the pathogenesis of IBD and carcinogenesis.
Restricted: 
PDF 
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT018610384
Interne Identnummern
RWTH-2015-01222
Datensatz-ID: 464329
Beteiligte Länder
Germany
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