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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-30220
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/3022/


Wirkung von Arsenit auf die MAP-Kinase-Kaskaden vermittelte Genexpression und auf die erythroide Differenzierung in Leukämiezellen

Effect of Arsenic on the gene expression mediated by MAP-Kinase-cascades and on the erythroid differentiation in leukemia cells

Ramirez Chávez, Yoandra

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Arsenit , MAP-Kinase-Kascaden , erythroide Differenzierung , Leukämiezellen
Freie Schlagwörter (Englisch): Arsenic , MAP-Kinase-cascades , erythroid differentiation , leukemia cells
Basisklassifikation: 44.38 , 44.39
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Marquardt, Hans (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.02.2006
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 07.08.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Aus pharmakologischer und toxikologischer Sicht ist von Bedeutung, dass Arsenit in zelluläre Signalwege stimulierend bzw. auch hemmend eingreift und dadurch zelluläre Vorgänge wie Proliferation, Differenzierung und Apoptose beeinflusst.

In diesem Zusammenhang wurde in der vorliegenden Arbeit die Wirkung von Natriumarsenit auf die MAP-Kinase-Kaskaden und die daraus resultierende Regulation der egr-1 Expression in zwei hämatopoetischen Zelllinien untersucht. Es konnte aufgezeigt werden, dass Natriumarsenit in Konzentrationen von 12,5µM-50µM sowohl in ELM-I-1- als auch in K562 Zellen die Stresskinasen JNK- und p38-MAP-Kinasen aktiviert und die ERK-MAPK-Kaskade unterdrückt. Ebenfalls wurde eine Hochregulierung der egr-1 Expression durch Arsenit festgestellt. Unterbrechung der Signaltransduktion über die ERK/MAPK-Kaskade mit den MEK-Inhibitoren PD98059 und UO126 hat die Induktion der egr-1 Expression durch Arsenit nicht verhindert. Diese Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Arsenit gesteuerte Induktion der egr-1-Expression nicht durch Raf-MEK-ERK sondern durch die Stresskinasen JNK und p38 vermittelt wird.

Reportergen-Analyse in K562 Zellen zeigte eine Arsenit-Aktivierung der regulatorischen Sequenz CRE (cAMP-response element), während gleichzeitig die basale SRE-Aktivität unterdrückt wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Induktion der egr-1 Expression durch Arsenit in K562 Zellen nicht über SRE, sondern über CRE erfolgt, da die Stresskinasen über den ATF2 Transkriptionsfaktor CRE aktivieren können.

Die Hemmung der ERK-Kaskade durch Arsenit in Leukämiezellen könnte für die zytostatischen Effekte von Arsenit bei der Behandlung von Leukämie von Bedeutung sein, da dadurch proliferationshemende, differenzierungsinduzierende und apoptotische Signale in Gang gesetzen werden. Tatsächlich konnte mit niedrigen, therapeutisch relevanten Konzentrationen (0,5mM-2µM) gezeigt werden, dass Natriumarsenit in K562- und in ELM-I-1 Zellen erythroide Differenzierung induziert. Diese Wirkung von Arsenit korrelierte in Reportergen-Studien in K562 Zellen mit einer Abnahme Elk-1/SRE vermittelten Genexpression. Gleichzeitig wurde eine CRE-Aktivierung durch Arsenit in K562 Zellen auch in niedrigen therapeutisch relevanten Konzentrationen nachgewiesen.
Vergleichende Untersuchungen mit dem in klinischer Prüfung befindlichen Arsentrioxid (ATO) zeigten, dass auch diese Substanz mit der gleichen Konzentrationsabhängigkeit erythroide Differenzierung induziert. Ähnliche Wirkung auf die erythroide Differenzierung wurde mit dem bereits zugelassenen CML-Medikament, Imatinib in K562 Zellen beschrieben. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die Vorstellung, dass der Einsatz von Arsen-Verbindungen wie ATO in der Differenzierungstherapie bei chronischer myeloischer Leukämie zu Imatinib eine vielversprechende Alternative darstellt.
Kurzfassung auf Englisch: From the pharmacological and toxicological perspective, it is of interest that arsenic compounds can interfere with cellular pathways in a stimulating as well as in an inhibiting way. The effects may have influences on cellular processes like differentiation, proliferation and apoptosis.

Within this context, the present work analyzes the effect of sodium arsenite on MAP-Kinase-cascades and on the regulation of egr-1 expression in the hematopoetic cell lines (ELM-I-1 and K562). Sodium arsenite activates at concentrations of 12,5-50 µM the JNK and p38-MAP-Kinases and inhibits the ERK-MAP-Kinase-cascade in the cells studied. In addition, an up-regulation of the egr-1 expression by arsenite has been also observed. The interruption of the signal transduction from the ERK/MAP-Kinase pathway using the MEK Inhibitors PD98059 and UO126, has shown no effect on the arsenite induction of the egr-1 expression. This fact implies that the induction of the egr-1 expression by arsenite is not mediated by Raf-MEK-ERK but rather by the stresskinases JNK and p38.

The reporter gene analysis of K562 cells has shown that arsenite activates the regulatory sequence CRE (cAMP-response-element) and inhibits the basal SRE activity simultaneously. These results indicate that the induction of the egr-1 expression by arsenite in K562 cells is mediated by CRE and not by SRE. This is most probably due to the activation of the transcription factor ATF2 by stresskinases.

The inhibition of the ERK cascade by application of arsenic to leukemia cells, could be relevant for the treatment of leukemia using arsenics‘ cytostatic effects. The effect on the ERK cascade can potentially cause an inhibition of proliferation, induction of differentiation or apoptosis. Actually, it could be demonstrated that sodium arsenite induces erythroid differentiation in K562 and ELM-I-1 cells, already in low concentrations that would be therapeutically applicable. This effect of arsenite correlates in reporter gene studies with K562 cells with a decreased Elk-1/SRE-mediated gene expression. CRE activation by arsenite in K562 cells was demonstrated additionally.

Comparative studies with arsenic trioxid (ATO), which is currently used as arsenic compound in clinical trials has shown that induction of erythroid differentiation could be performed in a similar concentration-dependent manner. Similar effects on the erythroid differentiation in K562 cells were observed with the previously approved CML medicine, Imatinib. The results of this work support therefore the idea that the use of arsenic compounds like ATO, along with Imatinib represent promising alternatives in differentiation therapy for CML.

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