Identification of interacting partners of the redox enzyme glutathione peroxidase 4 (GPx4), and evaluation of GPx4 as a mammalian redox sensor
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008) Glutathione peroxidase 4 senses and translates oxidative stress into 12/15‐lipoxygenase dependent‐ and AIF‐mediated cell death. Cell Metab. 8, 237‐248
Seiler A, Schneider M, Förster H, Roth S, Wirth EK, Culmsee C, Plesnila N, Kremmer E, Rådmark O, Wurst W, Bornkamm GW, Schweizer U, Conrad M
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(2008) The cystine/cysteine cycle: a redox cycle regulating susceptibility versus resistance to apoptosis. Oncogene 27, 1618‐1628
Banjac A, Perisic T, Sato H, Bannai S, Seiler A, Weiss N, Kölle P, Tschoep K, Issels RD, Daniel PT, Conrad M, Bornkamm GW
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(2009) Mitochondrial glutathione peroxidase 4 disruption causes male infertility. FASEB J. 23, 3233‐3242
Schneider M, Förster H, Boersma A, Seiler A, Wehnes H, Sinowatz F, Neumüller C, Deutsch MJ, Walch A, Hrabé de Angelis M, Wurst W, Ursini F, Roveri A, Maleszewski M, Maiorino M, Conrad M
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(2009) Transgenic mouse models for the vital selenoenzymes cytosolic thioredoxin reductase, mitochondrial thioredoxin reductase and glutathione peroxidase 4. Biochim. Biophys. Acta. 1790, 1575‐1585
Conrad M
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(2010) 12/15‐lipoxygenase‐ derived lipid peroxides control receptor tyrosine kinase signaling through oxidation of protein tyrosine phosphatases. Proc Natl Acad Sci USA. 107, 15774‐15779
Conrad M, Sandin A, Förster H, Seiler A, Frijhoff J, Dagnell M, Bornkamm GW, Rådmark O, Hooft van Huijsduijnen R, Aspenström P, Böhmer F, Ostman A
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(2010) Loss of thioredoxin reductase 1 renders tumors highly susceptible to pharmacologic glutathione deprivation. Cancer Res. 70, 9505‐9514
Mandal PK, Schneider M, Kölle P, Kuhlencordt P, Förster H, Beck H, Bornkamm GW, Conrad M
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(2010) System x(c)‐ and thioredoxin reductase 1 cooperatively rescue glutathione deficiency. J Biol Chem. 285, 22244‐22253
Mandal PK, Seiler A, Perisic T, Kölle P, Banjac Canak A, Förster H, Weiss N, Kremmer E, Lieberman MW, Bannai S, Kuhlencordt P, Sato H, Bornkamm GW, Conrad M
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(2010) Unveiling the Molecular Mechanisms Behind Selenium‐ Related Diseases Through Knockout Mouse Studies. Antiox. Redox Signal. 12, 851‐865
Conrad M, Schweizer U
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Absence of glutathione peroxidase 4 affects tumor angiogenesis through increased 12/15‐lipoxygenase activity. Neoplasia 12, 254‐263
Schneider M, Wortmann M, Mandal PK, Arpornchayanon W, Jannasch K, Alves F, Strieth S, Conrad M, Beck H
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(2011) Cysteine mutant of mammalian GPx4 rescues cell death induced by disruption of the wild‐type selenoenzyme. FASEB J. 25, 2135‐2144
Mannes AM, Seiler A, Bosello V, Maiorino M, Conrad M
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(2011) Mitochondrial thioredoxin reductase is essential for early postischemic myocardial protection. Circulation. 124, 2892‐2902
Horstkotte J, Perisic T, Schneider M, Lange P, Schroeder M, Kiermayer C, Hinkel R, Ziegler T, Mandal PK, David R, Schulz S, Schmitt S, Widder J, Sinowatz F, Becker BF, Bauersachs J, Naebauer M, Franz WM, Jeremias I, Brielmeier M, Zischka H, Conrad M, Kupatt C
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(2011) Mutations in the mitochondrial thioredoxin reductase gene TXNRD2 cause dilated cardiomyopathy. Eur Heart J. 32, 1121‐1133
Sibbing D, Pfeufer A, Perisic T, Mannes AM, Fritz‐Wolf K, Unwin S, Sinner MF, Gieger C, Gloeckner CJ, Wichmann HE, Kremmer E, Schäfer Z, Walch A, Hinterseer M, Näbauer M, Kääb S, Kastrati A, Schömig A, Meitinger T, Bornkamm GW, Conrad M, von Beckerath N
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(2012) Mouse models for glutathione peroxidase 4 (GPx4) Selenium : Its Molecular Biology and Role in Human Health, D.L. Hatfield, M. J. Berry, V.N. Gladyshev, 3rd ed, Springer, New York
Conrad M
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(2013) Combined deficiency in glutathione peroxidase 4 and vitamin E causes multiorgan thrombus formation and early death in mice. Circ Res. 113, 408‐17
Wortmann M, Schneider M, Pircher J, Hellfritsch J, Aichler M, Vegi N, Kölle P, Kuhlencordt P, Walch A, Pohl U, Bornkamm GW, Conrad M, Beck H
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(2014) Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice. Nat Cell Biol. 16, 1180‐91
Friedmann Angeli JP, Schneider M, Proneth B, Tyurina YY, Tyurin VA, Hammond VJ, Herbach N, Aichler M, Walch A, Eggenhofer E, Basavarajappa D, Rådmark O, Kobayashi S, Seibt T, Beck H, Neff F, Esposito I, Wanke R, Förster H, Yefremova O, Heinrichmeyer M, Bornkamm GW, Geissler EK, Thomas SB, Stockwell BR, O'Donnell VB, Kagan VE, Schick JA, Conrad M
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(2015) Expression of a catalytically inactive mutant form of glutathione peroxidase 4 (Gpx4) confers a dominant‐negative effect in male fertility. J Biol Chem. 290, 14668‐78
Ingold I, Aichler M, Yefremova E, Roveri A, Buday K, Doll S, Tasdemir A, Hoffard N, Wurst W, Walch A, Ursini F, Angeli JP, Conrad M
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(2015) ROS, thiols and thiol‐regulating systems in male gametogenesis. Biochim Biophys Acta. 1850, 1566‐1574
Conrad M, Ingold I, Buday K, Kobayashi S, Angeli JPF
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(2016) Regulated necrosis: disease relevance and therapeutic opportunities. Nat Rev Drug Discov. 15, 348‐66
Conrad M, Angeli JPF, Vandenabeele P, Stockwell BR
