Regulation von Ceramidsynthasen in Tumorzellen und ihre Wirkung auf Proliferation und Apoptose
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sphingolipide sind zum einen Bestandteile von zellulären Membranen und wirken andererseits als Signalmoleküle auf verschiedene zelluläre Mechanismen. Metabolite des Sphingolipidstoffwechsels (z.B. Ceramide, Sphinganin, Sphingosin-1 Phosphat (S1P)) können die Proliferation und Apoptose von Zellen beeinflussen. Ceramide können über die de novo Synthese, den salvage-pathway oder über den Abbau von Sphingomyelin in der Zelle entstehen. Sowohl für die de novo Synthese der Ceramide, als auch über den salvage pathway, sind Ceramidsynthasen unerlässlich. Die Ceramidsynthasen unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer Gewebeexpression, sondern vor allem auch hinsichtlich ihrer Fähigkeit Ceramide mit unterschiedlichen Kettenlängen zu synthetisieren. Ceramide beeinflussen kettenlängenabhängig die physikochemische Eigenschaften von Membranen und die Aktivität von membranständigen Proteinen (z.B Wachstumsfaktorrezeptoren). Daher stellt die Regulation der Ceramidsynthasen Expression und Aktivität einen wichtiger Regulationsmechanismus dar, um das Wachstum und die Proliferation von Zellen zu beeinflussen. Innerhalb dieses Forschungsvorhabens untersuchten wir die Regulation von Ceramidsynthasen in Brust und Kolonkarzinomzellen sowohl in Abhängigkeit einer Estrogenbehandlung als auch nach Chemotherapie. In Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass in Estrogenrezeptor (ER)-positiven Brusttumoren die Expression der CerS4 und CerS6 im Vergleich zu ER-negativen Tumoren erhöht ist. In vitro-Analysen an humanen Brustkrebszelllinien zeigten, das in ER+ MCF-7 Zellen die Promotoraktivität der CerS4 und CerS5 durch Estradiol aktiviert wird, während in ER- MDA-MB-231 Zellen Estradiol keinen Effekt auf die Promotoraktivität der untersuchten CerS hatte. Weiterführende Studien mit Promotor-Deletions- und Mutationskonstrukten wiesen darauf hin, dass der Effekt von Estradiol in MCF-7 Zellen auf den CerS4 und CerS5 Promotor über eine AP-1 Bindestelle vermittelt wird. Neben der Estradiol abhängigen Regulation der CerS4 und CerS6 konnten wir eine Zytokin abhängige Regulation der CerS6 in Blutzellen und eine p53 abhängige Regulation der CerS5 in humanen Kolonkarzinomzellen nach Chemotherapie nachweisen. Die Hochregulation der CerS5 ging mit einem Anstieg von C16:0-Cer einher was jedoch unerwarteter weise nicht zu Apoptotse in den Zellen führte sondern zur Autophagy vermittelten Chemoresistenz. Die Überexpression von CerS4 und CerS6 in humanen Kolonkrebszellen führt zu einer verstärkten Expression von p21. Apoptose wird in diesen Zellen nicht durch den klassischen Apoptoseweg induziert, da weder die Aktivierung von Caspasen, noch PARP-Spaltung zu detektieren ist. Vielmehr scheint die apoptotische Wirkung durch ein Ungleichgewicht zwischen pro-apoptotischen Bax und anti-apoptotisch wirksamen Bcl-2 nach Überexpression der CerS4 oder CerS6 zu entstehen, was zur Permeabilisierung der äußeren mitochondrialen Membran und zur Freisetzung des apoptosis inducing factors (AIF) aus den Mitochondrien und Translokation in den Zellkern führt. Dieser Prozess wird jedoch nicht durch die Überexpression der CerS2 und vermehrten Bildung von sehr langkettigen Ceramiden (C24) in diesen Zellen induziert, sodass die pro-apoptotische Wirkung spezifisch für die langkettigen Ceramide C16-C20 (gebildet von der CerS4 und CerS6) in diesen Zellen ist. Die pro-apoptotische Wirkung von Ceramiden wird ebenfalls auf eine direkte Interaktion von CerS mit Bak, der Ausbildung von Ceramidkanälen in der Mitochondrienmembran und der Interaktion mit Kinasen oder Phosphatasen zugeschrieben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Chain length-specific properties of ceramides. Progress in Lipid Research, Vol. 51. 2012, Issue 1, pp. 50-62.
S. Grosch, S. Schiffmann, G. Geisslinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.plipres.2011.11.001) - Ceramide metabolism in mouse tissue, Int J Biochem Cell Biol 45(8) (2013) 1886-94
S. Schiffmann, K. Birod, J. Mannich, M. Eberle, M.S. Wegner, R. Wanger, D. Hartmann, N. Ferreiros, G. Geisslinger, S. Grösch
- The equilibrium between long and very long chain ceramides is important for the fate of the cell and can be influenced by co-expression of CerS, Int J Biochem Cell Biol 45(7) (2013) 1195-203
D. Hartmann, M.S. Wegner, R.A. Wanger, N. Ferreiros, Y. Schreiber, J. Lucks, S. Schiffmann, G. Geisslinger, S. Grösch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.biocel.2013.03.012) - Ceramide synthases CerS4 and CerS5 are upregulated by 17beta-estradiol and GPER1 via AP-1 in human breast cancer cells. Biochemical Pharmacology, Vol. 92. 2014, Issue 4, pp. 577-589.
M.S. Wegner, R.A. Wanger, S. Oertel, S. Brachtendorf, D. Hartmann, S. Schiffmann, R. Marschalek, Y. Schreiber, N. Ferreiros, G. Geisslinger, S. Grösch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bcp.2014.10.007) - Regulation of ceramide synthase 6 in a spontaneous experimental autoimmune encephalomyelitis model is sex dependent. Biochemical Pharmacology, Vol. 92. 2014, Issue 2, pp. 326-335.
M. Eberle, P. Ebel, M.S. Wegner, J. Mannich, N. Tafferner, N. Ferreiros, K. Birod, Y. Schreiber, G. Krishnamoorthy, K. Willecke, G. Geisslinger, S. Grosch, S. Schiffmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bcp.2014.08.016) - Exacerbation of experimental autoimmune encephalomyelitis in ceramide synthase 6 knockout mice is associated with enhanced activation/migration of neutrophils. Immunology & Cell Biology, Vol. 93. 2015, Issue 9, pp. 825-836.
M. Eberle, P. Ebel, C.A. Mayer, J. Barthelmes, N. Tafferner, N. Ferreiros, T. Ulshofer, M. Henke, C. Foerch, A.M. de Bazo, S. Grosch, G. Geisslinger, K. Willecke, S. Schiffmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/icb.2015.47) - The enigma of ceramide synthase regulation in mammalian cells.
Progress in Lipid Research, Vol. 63. 2016, pp. 93-119.
M.S. Wegner, S. Schiffmann, M.J. Parnham, G. Geisslinger, S. Grösch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.plipres.2016.03.006) - Chemosensitivity of human colon cancer cells is influenced by a p53-dependent enhancement of ceramide synthase 5 and induction of autophagy. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids, Vol. 1863. 2018, Issue 10, pp. 1214-1227.
S. Brachtendorf, R.A. Wanger, K. Birod, D. Thomas, S. Trautmann, M.S. Wegner, D.C. Fuhrmann, B. Brune, G. Geisslinger, S. Grosch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2018.07.011)
