Involvement of heterotrimeric G proteins in bone atrophy caused by Pasteurella multocida toxin
Public Health, Healthcare Research, Social and Occupational Medicine
Final Report Abstract
"Pasteurella multocida"-Toxin (PMT) ist der entscheidende Pathogenitätsfaktor bei der progressiven atrophischen Rhinitis, die insbesondere beim Schwein auftritt. Das Toxin führt bei einer Pasteurella-Infektion zu einer massiven Atrophie der Nasenknochen. In vorherigen Arbeiten zeigten wir, dass dieser Effekt auf eine Aktivierung heterotrimerer G-Proteine durch eine PMT-induzierte Deamidierung der Alpha-Untereinheit der G-Proteine zurückzuführen ist und dadurch die Differenzierung und Aktivität von Osteoklasten gesteigert, während die von Osteoblasten gehemmt werden. In dem Projekt wurde zunächst die Wirkung von PMT auf Osteozyten, die zahlenmäßig den größten Anteil der Knochenzellen ausmachen, untersucht, wobei die Osteozyten-ähnliche Zelllinie MLO-Y4 und primäre Mäuse-Osteozyten verwendet wurden. Zusammenfassend zeigten diese Arbeiten, dass die wenig untersuchten Osteozyten einen wesentlichen Anteil an der durch PMT-stimulierten Osteoklasten-Differenzierung haben und wahrscheinlich bei der Pathogenese der atrophischen Rhinitis eine grundlegende Rolle spielen. Des Weiteren wurden die Wirkungen von PMT in einem Zellmodell der Fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP), einer erblichen Erkrankung, untersucht. Hierbei kommt es zu einer massiven heterotopen Knochenbildung mit fortschreitender Verknöcherung des Binde- und Stützgewebes des menschlichen Körpers und damit einhergehender Invalidität. Als FOP-Zellkulturmodell wurde die Maus-Myoblastenzelllinie C2C12 verwendet, die zu Osteoblasten in Gegenwart von BMPs (bone morphogenetic proteins) differenziert. Es zeigte sich, dass PMT sehr potent die BMP-4-induzierte Differenzierung der C2C12-Zellen zu Osteoblasten hemmt. Ein halb-maximaler Effekt trat bereits bei 1,2 pM Toxin auf. In den C2C12-Zellen führte PMT zu einer Deamidierung heterotrimerer G-Proteine. Bei der FOP liegt eine Mutation (617 G-A) des ACVR1-Gens (Alk2-Gen) vor, das für den Activin A-Rezeptor Typ I (ACVR1, ALK2-Rezeptor) codiert. Unter normalen Bedingungen wirkt Activin als Antagonist am Activin-Rezeptor ACVR1. Am mutierten ACVR1 (R206H)-Rezeptor der FOP kann Activin jedoch die Osteoblasten-Differenzierung stimulieren. Zur Prüfung der Wirkung von PMT wurde deshalb eine stabile C2C12-Zelllinie mit der ACVR1 (R206H)-Mutation generiert. PMT blockierte in den mutierten FOP-Modellzellen die BMP-4- als auch die Activin A-stimulierte Osteoblastendifferenzierung. Das Toxin hemmte die induzierte Transkription typischer osteogener Marker wie alkalische Phosphatase (ALP), Osterix, Runx2 und Collagen1A2. Weitere Untersuchungen ließen den Schluss zu, dass eine generelle Aktivierung von Gq-Proteinen, wie sie durch PMT erfolgte, ein möglicher Weg zur Hemmung der FOP-Aktivität sein könnte. Diese Hypothese wurde bestätigt durch Überexpression und Stimulation von Alpha1A-Adrenozeptoren in dem FOP-Zellmodell. Insgesamt hat das Projekt wertvolle neue Erkenntnisse sowohl über die Wirkungen von PMT als auch über die Rolle und Bedeutung der Gq-Signaltransduktion beim Knochen-Metabolismus unter physiologischen und pathologischen Bedingungen ergeben.
Publications
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Noncanonical G-protein-dependent modulation of osteoclast differentiation and bone resorption mediated by Pasteurella multocida toxin. MBio. 2014 Nov 11;5(6):e02190
Strack J, Heni H, Gilsbach R, Hein L, Aktories K, Orth JH
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A systemic Pasteurella multocida toxin aggravates cardiac hypertrophy and fibrosis in mice. Cell Microbiol. 2015 Sep;17(9):1320-31
Weise M, Vettel C, Spiger K, Gilsbach R, Hein L, Lorenz K, Wieland T, Aktories K, Orth JH
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Auranofin Inhibits the Enzyme Activity of Pasteurella multocida Toxin PMT in Human Cells and Protects Cells from Intoxication. Toxins (Basel). 2017, 9(1)
Carle S, Brink T, Orth JH, Aktories K, Barth H
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Involvement of Osteocytes in the Action of Pasteurella multocida Toxin. Toxins (Basel). 2018,10(8)
Heni H, Ebner JK, Schmidt G, Aktories K, Orth JHC
