Identification of interacting partners of the redox enzyme glutathione peroxidase 4 (GPx4), and evaluation of GPx4 as a mammalian redox sensor
Final Report Abstract
In den letzten Jahren wurde immer deutlicher, dass es sich bei der Glutathionperoxidase 4 (Gpx4) um eins der wichtigsten Vertreter der Selenoproteine bei Säugern und ein Schlüsselenzym des Glutathion (GSH)‐abhängigen Systems handelt. Gründe dafür sind ihre außergewöhnlichen Enzymeigenschaften. Bezüglich der von ihr zu reduzierenden Substrate zeigt sie eine besonders hohe Aktivität gegenüber Hydroperoxiden in Membranen, wodurch sie unkontrollierter Lipidperoxidation in Zellen effizient entgegenwirkt. Aufgrund ihrer breiten Substratspezifität auch gegenüber Thiolen ist die Gpx4 neben ihrer eigentlichen Peroxidasefunktion in der Lage als Protein Thiol‐Peroxidase zu fungieren, wodurch sie Disulfide in Proteine einführen kann. Dies konnte bereits in Spermien gezeigt werden, da die GSH‐Konzentrationen in diesen Zellen physiologischerweise sehr gering sind. Deshalb sollte dieses Vorhaben grundlegende Fragen über die mögliche Rolle der Gpx4 als mutmaßlicher Redox‐Sensor bei Säugetieren, die Identifizierung neuer potenzieller Bindepartner der Gpx4 in somatischen Zellen, den möglichen Vorteil der Selenothiol‐ vs. Thiol‐basierten Katalyse der Gpx4 und ihre Rolle beim oxidativen Stress‐induzierten Zelltod adressiert werden. Daher haben wir induzierbare Gpx4 knockout Zellen mit ektopischer Expression der wildtyp Gpx4 und ausgewählter Gpx4 Mutanten, sowie verschiedene gewebespezifische Knockout‐ Mausmodelle für die Gpx4 entwickelt und umfassend analysiert. Diese Untersuchungen zeigten, dass der induzierbare Verlust der Gpx4 einen massiven Zelltod verursacht, der nach einem klar definierten Zelltodsignalweg verläuft. Zudem konnten wir belegen, dass die Gpx4 mit einer Selenocystein zu Cystein Substitution das Überleben in Zellkultur ermöglicht, aber eine Serin Substitution weder das Überleben in Zellkultur noch in der Maus erlaubt. Die vielleicht faszinierendste Entdeckung dieser Arbeiten war die Erkenntnis, dass die Gpx4 der zentrale Regulator einer neuartigen Form des regulierten nekrotischen Zelltods, der sogenannten Ferroptose, ist. Dies begründet die einzigartige Effizienz der Gpx4 Hydroperoxide in Membranen entgiften zu können. Hauptmerkmal der Ferroptose ist die eisenabhängige Lipidperoxidation, wodurch sie sich deutlich von vielen anderen Zelltod‐ Paradigmen, wie Apoptose, Nekroptose und Parthanatos, unterscheidet. Zunächst wurde die Ferroptose nur mit dem Zelltod von Krebszellen in Verbindung gebracht, allerdings konnten wir zum ersten Mal belegen, dass diese neuartige Form des Zelltods bestimmten Krankheiten, wie beispielsweise dem akutem Nierenversagen, vaskulärer Dysfunktion und neurodegenerativer Erkrankungen, zugrunde liegt. Anhand unserer induzierbaren Gpx4 knockout Zellen konnten wir außerdem den ersten in vivo wirksamen Ferroptose‐Inhibitor identifizieren ‐ das sogenannte Liproxstatin‐1 ‐ welches das akute Nierenversagen bei adulten induzierbaren Gpx4 Knockout‐Mäusen verzögert, sowie den hepatischen Schaden infolge eines Ischämie / Reperfusionsszenarios reduziert. Weiterhin wurde kürzlich gezeigt, dass Liproxstatin‐1 die neuronale Reprogrammierung erheblich steigert, indem es die bei der Reprogrammierung von Astrozyten zu Neuronen auftretende Lipidperoxidation eindämmt. Zusammenfassend tragen die in diesem Projekt generierten Modelle und Erkenntnisse zu einem besseren Verständnis der Rolle von oxidierten Lipiden im ferroptotischen Zelltodgeschehen bei als Grundlage für die Entwicklung neuer Strategien zur effizienten Bekämpfung degenerativer Erkrankungen.
Publications
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