Identifizierung neuer Schubspannungs-regulierter Gene mittels "Atlas cDNA Expression Array" : Bedeutung für die Funktion von Endothelzellen

Die Atherosklerose ist eine chronisch­entzündliche Erkrankung der Blutgefäße, die nach der "response­to­injury"­Hypothese durch die Verletzung des Endothels initiiert wird. Dabei führt die Aktivierung von Endothelzellen durch verschiedene proatherosklerotische Faktoren, wie z.B. das Komplementsystem oder das CD40­ System, zur "Endotheldysfunktion". In den betroffenen Bereichen des Gefäßes entstehen frühe atherosklerotische Läsionen, die durch veränderte Adhäsivität und Permeabilität des Endothels zur Rekrutierung und Aktivierung verschiedener Entzündungszellen und somit zum Fortschreiten der inflammatorischen Reaktion und zur Progression der Atherosklerose führen. Die laminare Schubspannung des fließenden Blutes (Shear Stress) ist einer der wichtigsten endogenen atheroprotektiven Faktoren im kardiovaskulären System. Dagegen sind Störungen der lokalen Hämodynamik im Blutgefäß mit endothelialer Dysfunktion und dem Auftreten von atherosklerotischen Läsionen assoziiert. Zur Identifizierung atheroprotektiver Mechanismen wurde die Shear Stress­regulierte Genexpression in Endothelzellen mittels ''Atlas cDNA Expression Array" im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Von den 55 Shear Stress­induzierten Genen, wurde die Expression der potentiell antiinflammatorischen Proteine Clusterin und TRAF3 und der möglichen Mechanotransduktoren Integrin alpha5 und Integrin ß1 analysiert und die Bedeutung für die Funktion von Endothelzellen untersucht. Shear Stress­Exposition erhöhte spezifisch die Expression des Komplement­Inhibitors Clusterin. Zusätzlich inhibierte Shear Stress, über die erhöhte Clusterin Expression, die Komplement­induzierte Expression der proinflammatorischen Chemokine MCP­1 (''Monocyte chemoattractant protein­1") und Interleukin­8, die Monozyten und Leukozyten anlocken und die Entzündungsreaktion der Endothelzellen vorantreiben. Desweiteren konnte gezeigt werden, daß Shear Stress die Expression des inhibitorischen Proteins TRAF3 (''tumor necrosis factor receptor­associated factor 3"), das an der CD40­Signalkaskade beteiligt ist, erhöht. Im Gegensatz dazu, wurden weder die homologen Proteine TRAF2 und TRAF5, noch der CD40 Rezeptor oder CD40 Ligand durch Shear Stress reguliert. Sowohl Shear Stress als auch TRAF3 hemmen die CD40­induzierte Expression des proinflammatorischen Proteins MCP­1 und des prothrombotischen Proteins "Tissue Factor". Entgegen den Erwartungen lokalisierte TRAF3, das urprünglich als Rezeptor­assoziiertes Adapterprotein identifiziert wurde, hauptsächlich im Zellkern. Demzufolge könnte TRAF3 eine inhibitorische Funktion im Zellkern ausüben, indem es beispielsweise die Translokation von MAP­Kinasen oder die Bindung von Transkriptionsfaktoren an die DNA beeinflußt. Die Umsetzung von mechanischen Kräften in biochemische Signale im Zytoplasma ist Voraussetzung für den protektiven Effekt von Shear Stress auf Endothelzellen. Als Mechanotransduktoren sind Integrine von zentraler Bedeutung, da sie eine Verbindung zwischen dem Zytoskelett und der extrazellulären Matrix herstellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß Shear Stress die Expression der Integrin­Untereinheiten alpha5 und ß1, die zusammen den Fibronektin­Rezeptor bilden, erhöht. Dabei konnte die Beteiligung von Stickstoffmonoxid (NO) und Wachstumsfaktoren, die durch Shear Stress­Exposition freigesetzt werden und die Expression von Integrinen stimulieren, ausgeschlossen werden. Andere Integrine, wie z.B. der Laminin­Rezeptor alpha6ß4, wurden durch Shear Stress nicht reguliert. Als physiologische Relevanz der Shear Stress­induzierten Integrin Expression wurde die Adhäsion von Endothelzellen erhöht. Weiterhin induzierte die Präexposition von Endothelzellen mit Shear Stress die Adhäsions­induzierte Aktivierung der MAP­Kinase ERK1/2, die wichtige Überlebenssignale in Endothelzellen vermittelt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, daß Shear Stress die Expression der antiinflammatorischen Proteine Clusterin und TRAF3 sowie der Mechanotransduktoren Integrin alpha5 und ß1 erhöht. Die Hemmung der Komplement­ und CD40­induzierten Aktivierung von Endothelzellen durch Shear Stress ist von Bedeutung, um sowohl der Initiation als auch der Progression der Atherosklerose entgegen zu wirken. Die Shear Stress­induzierte Adhäsion, die über die Stimulation der Expression des Fibronektin­Rezeptors alpha5ß1 vermittelt wird, ist eine wichtige Voraussetzung für die Mechanotransduktion von Shear Stress und das Überleben von Endothelzellen. Die Identifizierung und Aufklärung atheroprotektiver Mechanismen, die durch die laminare Schubspannung des Blutes aktiviert werden, könnten dazu beitragen, die Integrität des Endothels und die Funktionalität der Blutgefäße im Rahmen der Atherosklerose zu schützen

Fluid shear stress-induced transcriptional activation of the vascular endothelial growth factor receptor-2 gene requires Sp1-dependent DNA binding

AbstractHemodynamic forces play a fundamental role in the regulation of endothelial cell survival. As signaling via the vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor-2 pathway has been previously demonstrated to impact endothelial cell survival, we hypothesized that laminar shear stress may facilitate survival in part by inducing VEGF receptor-2 expression. This study shows a time- and dose-dependent upregulation of endothelial VEGF receptor-2 expression by fluid shear stress in microvascular and large-vessel derived endothelial cells. A functional analysis of the 5′-regulatory region of the VEGF receptor-2 promoter localized the shear stress-response element to a sequence between bp −60 and −37 that encompasses two adjacent consensus Sp1 transcription factor binding sites. Constitutive and shear stress-inducible Sp1-dependent complexes are bound to this element, indicating that fluid shear stress-induced transcriptional activation of the VEGF receptor-2 gene requires Sp1-dependent DNA binding. Together, these results suggest that biomechanical stimulation may lead to endothelial cell survival by upregulating VEGF receptor-2 expression

Role of β2-integrins for homing and neovascularization capacity of endothelial progenitor cells

The mechanisms of homing of endothelial progenitor cells (EPCs) to sites of ischemia are unclear. Here, we demonstrate that ex vivo–expanded EPCs as well as murine hematopoietic Sca-1+/Lin− progenitor cells express β2-integrins, which mediate the adhesion of EPCs to endothelial cell monolayers and their chemokine-induced transendothelial migration in vitro. In a murine model of hind limb ischemia, Sca-1+/Lin− hematopoietic progenitor cells from β2-integrin–deficient mice are less capable of homing to sites of ischemia and of improving neovascularization. Preactivation of the β2-integrins expressed on EPCs by activating antibodies augments the EPC-induced neovascularization in vivo. These results provide evidence for a novel function of β2-integrins in postnatal vasculogenesis

Histone deacetylase activity is essential for the expression of HoxA9 and for endothelial commitment of progenitor cells

The regulation of acetylation is central for the epigenetic control of lineage-specific gene expression and determines cell fate decisions. We provide evidence that the inhibition of histone deacetylases (HDACs) blocks the endothelial differentiation of adult progenitor cells. To define the mechanisms by which HDAC inhibition prevents endothelial differentiation, we determined the expression of homeobox transcription factors and demonstrated that HoxA9 expression is down-regulated by HDAC inhibitors. The causal involvement of HoxA9 in the endothelial differentiation of adult progenitor cells is supported by the finding that HoxA9 overexpression partially rescued the endothelial differentiation blockade induced by HDAC inhibitors. Knockdown and overexpression studies revealed that HoxA9 acts as a master switch to regulate the expression of prototypical endothelial-committed genes such as endothelial nitric oxide synthase, VEGF-R2, and VE-cadherin, and mediates the shear stress–induced maturation of endothelial cells. Consistently, HoxA9-deficient mice exhibited lower numbers of endothelial progenitor cells and showed an impaired postnatal neovascularization capacity after the induction of ischemia. Thus, HoxA9 is regulated by HDACs and is critical for postnatal neovascularization

Angiopoietin-2 regulates gene expression in TIE2-expressing monocytes and augments their inherent proangiogenic functions

TIE2-expressing monocytes/macrophages (TEM) are a highly proangiogenic subset of myeloid cells in tumors. Here, we show that circulating human TEMs are already preprogrammed in the circulation to be more angiogenic and express higher levels of such proangiogenic genes as matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), VEGFA, COX-2, and WNT5A than TIE2(-) monocytes. Additionally, angiopoietin-2 (ANG-2) markedly enhanced the proangiogenic activity of TEMs and increased their expression of two proangiogenic enzymes: thymidine phosphorylase (TP) and cathepsin B (CTSB). Three "alternatively activated" (or M2-like) macrophage markers were also upregulated by ANG-2 in TEMs: interleukin-10, mannose receptor (MRC1), and CCL17. To investigate the effects of ANG-2 on the phenotype and function of TEMs in tumors, we used a double-transgenic (DT) mouse model in which ANG-2 was specifically overexpressed by endothelial cells. Syngeneic tumors grown in these ANG-2 DT mice were more vascularized and contained greater numbers of TEMs than those in wild-type (WT) mice. In both tumor types, expression of MMP-9 and MRC1 was mainly restricted to tumor TEMs rather than TIE2(-) macrophages. Furthermore, tumor TEMs expressed higher levels of MRC1, TP, and CTSB in ANG-2 DT tumors than WT tumors. Taken together, our data show that although circulating TEMs are innately proangiogenic, exposure to tumor-derived ANG-2 stimulates these cells to exhibit a broader, tumor-promoting phenotype. As such, the ANG-2-TEM axis may represent a new target for antiangiogenic cancer therapies