16 research outputs found
Muscle-derived cytokines reduce growth, viability and migratory activity of pancreatic cancer cells
The evidence that regular physical exercise reduces the risk of developing cancer is well described. However, the interaction between physical exercise and cancer is not fully clarified yet. Several myokines released by skeletal muscle appear to have a direct anti-tumour function. There are few data on myokine secretion after exercise in patients with advanced tumours. Pancreatic cancer (PC) is a very aggressive and usually fatal cancer. To investigate the effects of exercise in PC, the blood of advanced-stage PC patients was analysed after 12 weeks of resistance training using whole-body electromyostimulation. After the 12-week training period, the patient serum inhibited the proliferation and the motility of PC cells and enhanced PC cell apoptosis. The impact of exercise training was also investigated in an exercise-mimicking in vitro model using electric pulse stimulation of human myotubes and revealed similar anti-tumour effects on PC cells, clearly indicating direct cancer-protective properties of activated skeletal muscle. Protein and gene expression analyses in plasma from exercise-trained patients and in myotube cultures after in vitro exercise showed that interleukin 10 (IL10), C-X-C motif ligand 1 (CXCL1) and C-C motif chemokine ligand 4 (CCL4) are myokines released from activated skeletal muscle. In accordance with the effects of serum from exercise-trained patients, the supplementation with recombinant IL10, CXCL1 and CCL4 impaired growth and migration of PC cells. Treatment of PC cells with these myokines upregulated caspase 3/7 expression and the cleavage of poly(ADP-ribose) polymerase, leading to enhanced PC cell death. The identification of myokines with anti-tumour properties in advanced-stage PC patients after exercise opens a new perspective in supportive therapy with sports and exercise for cancer patients
Charakterisierung einer assoziierten Proteinkinase des BMP Typ II Rezeptors
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) regulate a plethora of cellular processes
as proliferation, differentiation, chemotaxis and apoptosis in embryonic and
mature tissue. The transduction of BMP signals is strictly regulated at each
step of the signaling cascade. The importance of this precise regulation is
reflected by developmental disorders and dysfunctions in humans such as bone
and cartilage diseases or cancer, which appear when specific components of the
BMP pathway are defective. BMP ligands bind to a set of two specific
transmembrane serine/threonine kinase receptors, the BMP type I receptor (BRI)
and the BMP type II receptor (BRII). These receptors prior to ligand binding
either reside preassembled in heteromeric preformed complexes (PFCs) in the
cell membrane or exist as monomers or homodimers. Ligand binding to PFCs
triggers transphosphorylation of BRI by BRII and propagation of the signal by
phosphorylation and concomitant activation of R-Smad1/5/8. The signal is then
transduced via heteromeric complexes of R-Smad1/5/8 and co-Smad4 and
subsequent translocation into the nucleus to regulate BMP-specific target gene
expression. Non-Smad signaling, however, is initiated by binding of BMP-2 to
the high affinity receptor BRI, which subsequently recruites BRII into a BMP-
induced signaling complex (BISC) to activate MAPK pathways. Mutations within
BRII are implicated in the development of pulmonary arterial hypertension
(PAH). PAH is characterized by narrowing of the pulmonary artery due to
abnormal cell proliferation resulting in elevated blood preassure and heart
failure. Several proteins have been shown to bind to BRII regulating BMP
signaling initiated by the receptor complex. Although some of these
interaction partners seem to interfere with the pathogenesis of PAH, the role
of BRII and its crosstalk mechanisms inside PAH are still unclear. In the
presented work, the impact of the cGMP-dependent kinase I (cGKI) on BRII and
thus on BMP signaling was investigated. Using a proteomics-based approach,
cGKI was identified to bind to BRII. So far, no function has been assigned to
cGKI in BMP signaling. cGKI is a soluble cytoplasmic serine/threonine kinase
and one of the major mediators in nitric oxide (NO)/cyclic guanosine 3',5'-
monophosphate (cGMP)-triggered signal transduction. The kinase plays a pivotal
role in many physiological processes such as vascular tone control, platelet
activation and synaptic plasticity. It is highly expressed in vascular smooth
muscle cells (VSMCs), where it regulates gene expression, morphology and
proliferation. Alterations of cGKI expression and activity are involved in the
pathogenesis of hypertension, atherosclerosis, restenosis, and hyperlipemia.
In this thesis, it is shown that cGKI directly interacts with and
phosphorylates BRII which likely results in activation of the receptor
complex. Consistent with this, cGKI enhances the BMP-2-mediated Smad1/5/8
phosphorylation at the C-terminus and thus R-Smad function. Upon BMP-2
stimulation, cGKI is released from the receptor to bind to R-Smad1/5/8 as well
as to co-Smad4. BMP-2-dependently, these complexes translocate into the
nucleus, and bind to the promoter of the BMP target gene Id1. At the promoter,
the general transcription factor TFII-I, which is a known substrate for cGKI,
is recruited by the kinase to further enhance BMP signaling. In sum, this
thesis demonstrates a dual role for cGKI in BMP signaling through (1)
regulating BMP receptor and R-Smad activation at the plasma membrane, and
through (2) regulating expression of BMP target genes in the nucleus. In
addition, this study supposes that defective cellular responses induced by
mutant BRII underlying in patients with PAH can be compensated by cGKI
expression. Thus, the characterized cGKI crosstalk with BMP signaling not only
expands the functional flexibility of the cGMP/cGKI pathway, but also opens
new prospects for investigation of a BMP/cGKI/Smad pathway and treatment of
vascular diseases.Bone morphogenetic proteins (BMPs) regulieren sowohl in embryonalen als auch
adulten Geweben eine Vielzahl von zellulären Prozessen wie Proliferation,
Differenzierung, Chemotaxis und Apoptose. Jeder einzelne Schritt der
Weiterleitung von BMP-Signalen unterliegt einer strengen Kontrolle. Im
Menschen kĂśnnen Mutationen einzelner Komponenten dieses Signalweges unter
anderem fehlerhafte Knochen- und Knorpelentwicklung oder Krebs induzieren,
wodurch sich die Wichtigkeit dieser genauen Regulation widerspiegelt. Der BMP-
Ligand bindet an zwei spezifische, transmembrane Serin/Threonin Kinase-
Rezeptoren, den BMP Typ I Rezeptor (BRI) und Typ II Rezeptor (BRII). Vor
Ligandenbindung sind diese membranständigen Rezeptoren entweder bereits
komplexiert (präformierte Komplexe, PFCs) oder liegen als Monomere oder
Homodimere vor. Ligandenbindung an den präformierten Komplex lÜst die BRI-
Transphosphorylierung durch BRII aus und fĂźhrt zur Signalweitergabe durch
Phosphorylierung und Aktivierung der Rezeptor-regulierten R-Smads1/5/8. Durch
Komplexbildung zwischen phosphorylierten R-Smads und co-Smad4 und
anschliessender nukleärer Migration, wird das Signal zur Regulierung von BMP-
spezifischen Zielgenen in den Zellkern weitergeleitet. Smad-unabhängige BMP-
Signaltransduktion hingegen wird durch BMP-2-Bindung an den hochaffinen BRI
eingeleitet, der darauffolgend BRII in den BMP-induzierten Signalkomplex
(BISC) rekrutiert, um MAPK-Signalwege zu aktivieren. Mutationen in BRII kĂśnnen
pulmonäre arterielle Hypertonie (PAH) auslÜsen. PAH zeichnet sich durch
Verengung der pulmonalen Arterie durch Hyperproliferation von Zellen aus. Dies
resultiert in Bluthochdruck und Herzinsuffizienz. FĂźr mehrere Proteine wurde
bereits eine Assoziation mit BRII identifiziert, die die Rezeptor-induzierte
BMP-Signaltransduktion regulieren. Obwohl einige dieser Interaktionspartner
die Pathogenese von PAH scheinbar beeinflussen, ist die Rolle von BRII und
BRII-initiiertem Crosstalk bezĂźglich PAH dennoch unklar. In der vorliegenden
Arbeit wurde der Einfluss der cGMP-abhängigen Porteinkinase I (cGKI) auf BRII
und somit auf die BMP-Signalgebung untersucht. Mit Hilfe eines experimentellen
Ansatzes, der auf Proteom-Analyse basiert, konnte cGKI als ein BRII-
assoziiertes Protein identifiziert werden. Bis dato wurde keine Funktion von
cGKI innerhalb der BMP-Signaltransduktion beschrieben. Die Serin/Threonin-
spezifische Kinase ist einer der wichtigsten Mediatoren der durch
Stickstoffmonoxid (NO) und zyklischem Guanosin 3',5'-Monophosphat (cGMP)
ausgelĂśsten Signalkaskade. cGKI spielt eine zentrale Rolle in vielen
physiologischen Prozessen wie Kontrolle des Gefässtonus und der synaptischen
Plastizität sowie in der Regulation der Aggregation von Blutplättchen. Die
Kinase wird stark in Zellen der glatten vaskulären Muskulatur exprimiert, in
denen sie Genexpression, Zellmorphologie und Proliferation reguliert.
Veränderung der cGKI-Expression und -Aktivität werden mit der Pathogenese von
Hypertonie, Atherosklerose, Restenose und Hyperlipemie in Verbindung gebracht.
Durch dieser Promotionsarbeit kann gezeigt werden, dass cGKI direkt mit BRII
assoziiert und den Rezeptor phosphoryliert. Diese Modifikation fĂźhrt sehr
wahrscheinlich zur Aktivierung des Rezeptorkomplexes. Mit diesem Ergebnis
vereinbar ist die cGKI-vermittelte Steigerung der Smad1/5/8-Phosphorylierung
nach BMP-2-Stimulation. Behandlung mit dem BMP-2-Liganden fĂźhrt desweiteren
zur Dissoziation von cGKI von BRII. Gleichzeitig kommt es zur verstärkten
Komplexbildung von cGKI mit R-Smads und co-Smad4. In Abhängigkeit von BMP-2
wandert dieser Proteinkomplex in den Zellkern, um an spezifische Genpromotoren
zu binden. Der Transkriptionsfaktor TFII-I, der ein bekanntes cGKI-Substrat
darstellt, wird durch die Kinase an den Id1-Promotor rekrutiert, um eine
weitere Steigerung der BMP-Genantwort zu erzielen. Zusammenfassend wird
innerhalb dieser Promotionsschrift eine duale Rolle von cGKI innerhalb der
BMP-Signaltransduktion demonstriert: cGKI reguliert (1) die Aktivierung von
BMP-Rezeptoren und R-Smads an der Plasmamembran und (2) die Expression von
BMP-Zielgenen im Zellkern. Zusätzlich lassen die Ergebnisse der vorliegenden
Studie die Schlussfolgerung zu, dass fehlerhafte zelluläre Antworten, die
durch PAH-BRII-Mutanten ausgelĂśst werden, durch Expression von cGKI
kompensiert werden kĂśnnen. Somit erweitert der beschriebene Crosstalk von cGKI
zur BMP-Signaltransduktion nicht nur die funktionelle Flexibilität des cGMP
/cGKI-Signalweges, sondern erĂśffnet auch neue Perspektiven zur Erfoschung
einer BMP/cGKI/Smad-Kaskade und fßr die Behandlung von Gefässkrankheiten
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