The function of TAK1 in hepatocarcinogenesis

Bettermann, Kira; Baumgartner, Werner

doi:999910053590

The function of TAK1 in hepatocarcinogenesis = Die Funktion von TAK1 in der Hepatokarzinogenese

Bettermann, Kira

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kira Bettermann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXVIII, 107 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Baumgartner, Werner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36969
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63326/files/3696.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Leberkrebs (Genormte SW) ; Hepatitis (Genormte SW) ; Cholangitis (Genormte SW) ; Knockout <Molekulargenetik> (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; TAK1 (frei) ; NEMO (frei) ; frühe Leberkrebsentwicklung (frei) ; Mausmodell (frei) ; Duktopenie (frei) ; early-onset of hepatocarcinogenesis (frei) ; mouse model (frei) ; ductopenia (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die MAP3-kinase TGF-beta-aktivierende Kinase (TAK1) wird durch Zytokine wie z.B. TNF-alpha, TGF-beta, aber auch durch bakterielle Lipopolysaccharide (LPS) aktiviert. TAK1 hat eine wichtige Kontrollfunktion in Bezug auf die Aktivierung von p38MAPK, JNK und NF-kappaB in verschiedenen Zellsystemen, aber auch in der Regulation der angeborenen als auch der erworbenen Immunantwort und stellt ein wichtiges Bindeglied zwischen der Stimulation von Zytokinen und der daraus resultierenden Aktivierung pro-entzündlicher Signalwege dar. Während der Aktivierung des TNF-Signalweges binden TAK1 und seine Adapter, TAB2 und TAB3, als auch NEMO an das polyubiquitinierte RIP1, welches anschließend zur Phosphorylierung und somit zur Aktivierung der katalytischen IKK-Unterheinheiten durch TAK1 führt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der spezifischen Rolle von TAK1 in den parenchymatösen Zellen der Leber. In diesem Zusammenhang wurden Tiere mit einer TAK1-Deletion in Hepatozyten und Cholangiozyten generiert (TAK1LPC-KO) und mit den TAK1-expremierenden Wurfgeschwistern (WT), als auch mit Tieren verglichen, die eine Deletion von NEMO (NEMOLPC-KO) in den parenchymatösen Zellen der Leber aufwiesen. Die Deletion von Tak1 in den Parenchymzellen der Leber verursachte die Entwicklung eines spontanen und sehr massiven Phänotyps, welcher u.a. durch die Entwicklung einer letalen biliären Zirrhose gekennzeichnet war. Diese Tiere litten im Alter von 6 Wochen an einer fortgeschrittenen Hepatitis und einer akuten Cholangitis, die im weiteren Verlauf tödlich war (erhöhte Sterberate im Alter zwischen 14 und 36 Wochen). Es konnte gezeigt werden, dass nach Stimulierung der Leber mit LPS, welches zu einer erhöhten TNF-Sekretion nicht-parenchymatöser Zellen führt, TAK1 aufgrund seiner vermittelnden Aktivierung von NF-kappaB die Zellen vor Apoptose und proentzündlichen Prozessen bewahrte. Des Weiteren konnte durch qRT-PCR gezeigt werden, dass das Fehlen von TAK1 zu einer spontanen Aktivierung des TGF-beta Signalweges führte. Diese Daten offenbarten, dass die drei TGF-beta-Isoformen deutlich hochreguliert waren, korrelierend mit einer erhöhten SMAD2 Aktivierung und verstärkter Expression verschiedener Matrix-Gene, wie z.B. CollagenIalpha1, Mmp-1 und Mmp-9. TGF-beta vermittelt zudem den Prozess der epithelialen-mesenchymalen Transition (EMT), welcher an der Entwicklung der primären biliären Zirrhose (PBZ) im Menschen maßgeblich beteiligt ist. Weitere qRT-PCRs zeigten, dass die Gene Snail1 und Hey, die diesen Prozess hauptsächlich beeinflussen, in den Lebern der TAK1LPC-KO Mäuse hochreguliert waren. Die Auswertungen histologischer Schnitte von Lebern 6 Wochen alter TAK1LPC-KO Tiere zeigte einen deutlichen Rückgang von Gallengangsepithelzellen im Vergleich zu den Lebern der WT und NEMOLPC-KO Tiere. Ferner zeigten immunhistologische Färbungen eine erhöhte Apoptose und Proliferation der Gallengangsepithelzellen in Leberschnitten 3 bis 4 Wochen alter TAK1LPC-KO Mäuse, was darauf hinweisen könnte, dass der Verlust an Gallgangsepithelzellen im Alter von 5 und 6 Wochen einsetzt. Die genetische Charakterisierung der Lebertumoren in den TAK1LPC-KO Tieren zeigte eine auffallende chromosomale Signatur, da > 85% aller untersuchten Lebertumoren Amplifikationen des gesamten Chromosoms 13 oder große Bereiche davon aufwiesen. Größere und kleinere Amplifikationen wurden ebenso auf den Chromosomen 4 und 8 gefunden. Mittels einer 16-Gen-Analyse konnte gezeigt werden, dass diese Tumoren hochproliferativ sind. Im Gegensatz dazu konnten die Lebertumoren der NEMOLPC-KO Tiere als differenzierter und weniger proliferativ eingestuft werden. Diese Ergebnisse zeigten, dass das Fehlen von TAK1 in parenchymatösen Leberzellen zu einer 5-9 Monate früheren Entwicklung von Tumoren führte als in den Lebern der NEMOLPC-KO Mäuse. Zusammenfassend lässt sich sagen, das die konditionelle Deletion von Tak1 in Hepatozyten und Cholangiozyten zu Dysplasien, und zu einer HCC-Frühmanifestation führt, welche durch eine biliäre Ductopenie und Cholestase begeleitet wird.

The MAP3-kinase TGF-beta-activated kinase 1 (TAK1) is activated in response to cytokines like TNF-alpha, TGF-beta as well as by the bacterial endotoxin lipopolysaccharide (LPS). TAK1 is involved in controlling the activation of p38MAPK, JNK, and NF-kappaB in various cellular systems thereby critically modulating innate and adaptive immune responses and connecting cytokine stimulation with activation of inflammatory signalling pathways. After activation of the TNF signalling cascade, TAK1 and its adaptors TAB2, TAB3, and NEMO are recruited to polyubiquinated RIP1, by which TAK1 phosphorylates and activates the catalytic IKK subunits. Although it has been shown that TAK1 is essential for innate and adaptive immune responses, its functional role in liver parenchymal cells remains elusive. In the present work, a conditional deletion of Tak1 in liver parenchymal cells (hepatocytes and cholangiocytes) was generated to investigate the role of TAK1 in the liver and was correlated to the liver parenchymal knockout of Nemo. The deletion of Tak1 in liver parenchymal cells (TAK1LPC-KO) causes spontaneous development of a severe phenotype causing lethal biliary chirrosis. These animals suffer from advanced hepatitis and an acute cholangitis at the age of 6 weeks, leading to enhanced mortality rate between 14 and 36 weeks of age. We showed that TAK1 prevents liver cell apoptosis and hepatic inflammation since it is necessary for NF-kappaB activation but not JNK activation in response to LPS stimulation, a potent inducer of TNF secretion from non-parenchymal liver cells. However, qRT-PCR analysis revealed that ablation of TAK1 in liver parenchymal cells spontaneously activates the TGF-beta signaling pathway. This data showed that the TGF-beta isoforms 1 to 3 were strongly upregulated, correlating with increased SMAD2 activation and upregulation of the matrix genes CollagenIalpha1, Mmp-1, and Mmp-9. Moreover, histological analysis of liver tissues from 6 week old TAK1LPC-KO mice displayed a strong reduction of biliary epithelial cells compared with age-matched WT and NEMOLPC-KO animals. Immunohistochemical stainings of liver sections from 3 to 4 week old TAK1LPC-KO mice showed enhanced apoptotis as well proliferation of cholangiocytes, indicating that the leakage of cholangiocytes might begin between 5 and 6 weeks of age. Characterization of liver tumours in 16 to 33 week old TAK1LPC-KO mice revealed an intriguing chromosomal signature. More than 85% of all investigated HCCs displayed amplifications on the entire chromosome 13 or large portions of it, whereas large amplifications on chromosomes 4 and 8 were detected but in a smaller proportion of TAK1LPC-KO livers. In addition, a 16-gene array analysis demonstrated that these tumours were highly proliferative active while NEMOLPC-KO HCCs were less proliferative but more differentiated. These results showed that the deletion of TAK1 in liver parenchymal cells promotes a 5 to 9 month earlier development of HCCs than in NEMOLPC-KO mice. In summary, the ablation of TAK1 in hepatocytes and cholangiocytes causes a dramatic phenotype which is characterized by dysplasia and an early-onset of HCC coinciding with biliary ductopenia and cholestasis.

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