M.E.(cvs)-wetenschap

februari 14, 2009

Samenspel tussen de Glucocorticoid Receptor en Nuclear Factor-κB

Filed under: Celbiologie,Immunologie — mewetenschap @ 8:25 am
Tags: , , , ,

Eerder werd hier de mogelijke betrokkenheid van het glucocorticoid receptor gen (NR3C1) bij M.E.(cvs) besproken.

Tijdens een boeiende uiteenzetting getiteld ‘Induction and repression of inflammatory cytokines: molecular mechanisms and signal transduction pathways’ door Prof. Guy Haegeman (Lab voor Eukaryote Gen Expressie en Signaal Transductie, van de Universiteit Gent) kwam ik wat meer te weten over de interakties tussen de Glucocorticoid Receptor en de Nucleaire Factor NF-κB. Over deze laatste is er een preliminair rapport over verhoogde gestimuleerde produktie van NF-κB bij M.E.(cvs) . Toen ik mij daaromtrent verder ging verdiepen, vond ik o.a. een zeer uitgebreide en diepgaande literatuurstudie hieromtrent van de groep van Prof. Haegeman.

Bij verdere contacten bleek een interesse voor een mogelijk verband tussen het werk van deze groep en de pathofysiologie van M.E.(cvs), alsook dat een therapeuticum tegen chronsiche inflammatie misschien wel zou kunnen worden getest…

Onderstaand stuk handelt echter niet specifiek over M.E.(cvs) maar een (door de complexiteit van de materie, sterk gereduceerde) samenvatting van de voor ons belangrijkste elementen, kan misschien bijdragen tot het aangeven van richtingen voor verder biochemsich onderzoek…

Voor uitleg over sommige begrippen en om de samanhang te zien, kan men ook de meer complexe hoofdstukken te raadplegen.

Endocrine Reviews (2003) 24(4):488–522

The Interplay between the Glucocorticoid Receptor and Nuclear Factor-κB or Activator Protein-1: Molecular Mechanisms for Gene Repression

K. De Bosscher, W. Vanden Berghe & G. Haegeman

Department of Molecular Biology, Ghent University, Belgium

De inflammatoire respons is een sterk gereguleerd fysiologisch proces dat heel belangrijk is voor homeostase. Een nauwkeurige fysiologische controle van inflammatie laat een tijdige reaktie toe tegen invaderende pathogenen of andere aanvallen zonder een over-reaktie te veroorzaken die schade kan veroorzaken bij de gastheer. De cellulaire signaliseringsmechanismen die werden geïdentificeerd als belangrijke regelaars van inflammatie zijn de signaal-transductie cascades die worden gemedieerd door de nucleaire factor κB en het the aktivator-eiwit 1, die beiden kunnen worden gemoduleerd door glucocorticoïden. Hun gebruik in de kliniek omvat behandeling van Reumatoïde Arthritis, asthma, allograft [transplantie] afstoting en allergische huidziekten. Hoewel glucocorticoïden veel worden gebruikt sinds de late jaren 40, worden de molekulaire mechanismen verantwoordelijk voor hun anti-inflammatoire aktiviteit nog steeds onderzocht. De diverse molekulaire mechanismen die tot nu werden voorgesteld worden hier gedetailleerd besproken.

I. Inleiding

[…] De inflammatoire respons kan worden geïinterpreteerd als kennisgeving van een bedreigend agens of organisme; de daaropvolgende aktivatie van het verdedigingssysteem werd ontwikkeld om deze bedreigingen te elimineren. Immuniteit en inflammatie zijn fysiologische processen die van uiterst belang zijn voor het organisme; zonder deze processen zou een gastheer snel bezwijken door de binnendringende pathogenen of beschadigende stimuli; terwijl overmatige of ongepaste aktivatie van deze responsen weefsel- en cel-schade, en zelfs sterfte kunnen veroorzaken. Daarom is het handhaven van immuun-homeostase kritiek voor het overleven van een organisme. Pro- én anti-inflammatoire mechanismen moeten aanwezig en funktioneel zijn opdat een cel (organisme) zou overleven bij blootstelling aan omgevingsstimuli die een immuun-respons opwekken. Deze mechanismen voorzien in homeostase door de cel in tegenstelde richtingen te bewegen. De transcriptie-factoren nucleaire factor (NF)-κB en aktivator-proteïne (AP)-1 werden aangewezen als cruciaal voor de inductie van genen betrokken bij inflammatie, zowel als bij een brede waaier aan ziekten ontstaan door chronische aktivatie van het immuunsysteem, inclusief asthma, atherosclerose, inflammatoire darm ziekte en auto-immuun-ziekten zoals Multipele Sclerose en Reumatoïde Arthritis. Een overvloed aan immuniteit-regelende genen coderend voor cytokinen, cytokine-receptoren, chemotactische proteïnen of adhesie-molekulen, zoals TNF-α, IL-1β, IL-2, IL-6, IL-8, macrofaag chemotactisch proteïne (MCP-1), […] interferon (IFN)-β, granulocyt-macrofaag kolonie stimulerende factor (GM-CSF), intercellulair adhesie molekule-1 (ICAM-1), vasculair cellulair adhesie molekule-1 (VCAM-1) en E-selectine, bevatten NF-κB en/of AP-1 plaatsen in hun promotors [plaats in het DNA, voor een gen, waarop RNA-polymerase kan binden met behulp van transcriptie-factoren, om transcriptie te starten] of regulerende gebieden. Daarom vertegenwoordigen beide transcriptie-factoren een overduidelijk doelwit voor immunosuppressieve therapieën. Glucocorticoïden (GC) en catecholaminen, de belangrijkste stress-hormonen, werken de produktie van (pro)inflammatoire cytokinen, zoals IL-12, IL-6 en TNF-α, tegen terwijl ze de produktie stimuleren van anti-inflammatoire cytokinen, zoals IL-10, IL-4 en TGF-β. Een buitensporige immuun-respons stimuleert, door aktivatie van het stress-systerm, een belangrijk negatief feedback-mechanisme [chronische inflammatie => chronische overbelasting stress-systeem], dat het organisme beschermt tegen een teveel aan pro-inflammatoire cytokinen en andere weefsel-beschadigende produkten.

A. NF-κB

Transcriptionele regulators van de NF-κB / inhibirend proteïne (I)κB familie helpen de expressie van meer dan 100 doelwit-genen, waarvan de meerderheid participeren in de immuun-respons van de gastheer (zie http://people.bu.edu/gilmore/nf-kb/). Studies toonden rollen voor NF-κB in de ontogenie [ontwikkelingsleer] van het immuunsysteem en demonstreerden dat NF-κB in vele stappen deelneemt tijdens oncogenese [onstaan van kanker] en regulatie van geprogrammeerde cel-dood [apoptose]. De betrokkenheid van de alomtegenwoordige transcriptie-factor NF-κB bij de pathogenese van de inflammatoire respons is goed gedocumenteerd door allerlei experimenten. NF-κB is een heterodimeer [proteïne bestaande uit twee verschillende proteïne-subunits], bestaande uit [de 2 subunits] p50 en p65 monomere proteïnen. […] De NF-κB / Rel familie bij zoogdieren omvat vijf leden: p65 of RelA, RelB, c-Rel, NF-κB1(p50/p105) en NF-κB2 (p52/p100). Alle leden worden gekenmerkt door een geconserveerd gebied van 300 aminozuren: het Rel homologie domein (RHD). Dit is belangrijk voor DNA-binding en wederzijdse interakties tussen de verschillende Rel familie-leden. Het dient ook als een interaktie-oppervlak voor IκB. NF-κB is latent aanwezig in het cytoplasma, onder strenge controle van het geassocieerde proteïne IκB-α. De IκB protïnen-famile bestaat uit: IκB-α, IκB-β, IκB-γ/p105, IκB-δ/p100, IκB-ε en B-cel lymphoma (Bcl)-3. Ze worden gekenmerkt door meerdere 30 tot 33 aminozuur-motieven genaamde ‘ankyrin-repeats’. Krachtige induceerders van NF-κB omvatten de pro-inflammatoire cytokinen IL-1 en TNF, nevenprodukten van microbiële, schimmel- en virale infekties zoals lipopolysacchariden (LPS), sfingomyelinase, dubbelstrengig (ds)RNA, Tax-proteïne van humaan T-cel leukemie / lymfoma virus (HTLV) en pro-apoptotische en necrotische stimuli, zoals vrije zuurstof-radikalen, UV- en γ-straling. De eerste stap in het aktivatie-proces van NF-κB is een IκB kinase complex (IKK)-afhankelijke fosforylatie van IκB-α. […]

De aktiviteit van de twee IKK-kinasen op verschillende leden van de IκB familie resulteert waarschijnlijk ook in een anders gereguleerde NF-κB respons en aktiviteit verderop. […]

Er werden ook alternatieve IKK-complexen geïndentificeerd die NF-κB aktivatie veroorzaken. […] De release en aktiviteit van NF-κB zijn onderworpen aan verschillende controle-mechanismen. […]

B. AP-1

De transcriptie-factor AP-1 wordt gecodeerd door proto-oncogenen [genen waarvan de eiwit-produkten celgroei stimuleren en na mutatie kunnen veranderen in genen die bijdragen aan kwaadaardige celgroei] en reguleert verscheidene aspekten van cel-proliferatie [-vermeerdering] en -differentiatie. AP-1 kan samengesteld zijn uit ofwel homodimeren of heterodimeren van verschillende leden van Jun-familie, Fos-famie, aktiverende transcriptie-factoren of Maf-familie [bepaalde eiwit-families]; ze behoren allen tot de klasse van de ‘basic zipper’ (bZIP) familie [regulerende proteïnen die schijnbaar de vorm van een rits hebben] van sequentie-specifieke dimerische DNA-bindende proteïnen. […] De regulering van AP-1 aktiviteit is complex […]. Verscheidene stimuli, zoals fysiologische agentia (groei-factoren, mitogenen, polypeptide hormonen, cel-matrix interakties en inflammatoire cytokinen), bakteriële en virale infekties, farmacologische stoffen, cellulaire stress (ultraviolet of ioniserende straling), alsook belasting met zware metalen, induceren AP-1 aktiviteit. […] Bovenop de positief-regulerende effekten, is aangetoond dat het AP-1 complex negatieve regulering uitoefent, bv.op de GC-receptor (GR). […]

C. Glucocorticoid (GC) hormonen

1. Molekulaire aspekten en fysiologie

GC oefenen hun effekten uit door binding op de GR [Glucocorticoid Receptor], een transcriptie-factor die in staat is meerdere genen op een positieve of negatieve manier te reguleren. GR behoort tot de familie van de steroid-hormoon receptoren, bestaande uit struktureel gelijkaardige proteïnen, zoals progesteron (PR), mineralocorticoid (MR), androgeen (AR) en oestrogen (ER) receptor-vormen; die verder behoren tot de nucleaire receptoren (NR) super-familie. Andere klassen van NR omvatten thyroid (TR), retinoid en wees-receptoren. In het algemeen delen de receptor-leden een trans-aktivatie-gebied, een centraal en goed-bewaard DNA-bindend domein (DBD) en een matig bewaard gebied verantwoordelijk voor ligand-binding. Dit laatste omvat ook aktiverende funkties.

[Trans-aktivatie = toegenomen transcriptie, Trans-repressie = afgenomen transcriptie]

GC hormonen worden stapsgewijs gesynthetiseerd uit cholesterol via een aantal door cytochroom P450 gekatalyseerde reakties in de bijnierschors. De synthese en secretie van cortisol, het belangrijkste menselijk GC hormoon, wordt strikt gecontroleerd door het evenwicht van adrenocorticotropine (afgegeven door de hypofyse) en CRH (corticotropine-vrijgevend hormoon; gesecreteerd door de hypothalamus bij stress). Het meest geaccepteerde mechanisme voor het binnenkomen van GC in de cel is door diffusie van de lipofiele [‘vet-lievende’] molekulen door de dubbele laag lipiden van de cel in het cytoplasma. In deze rust-status (zonder ligand), in afwezigheid van GC hormoon, is GR aanwezig in het cytoplasma in een inaktief complex (d.i. DNA-binding incompetent) met chaperones [eiwitten die helpen om andere eiwitten in een goede vorm te brengen of te houden, die helpen bij het modelleren en vouwen; het ‘eiwit kwaliteitscontrole systeem’] en co-chaperone molekulen. De belangrijkste chaperones bij de werking van NR zijn ‘heat-shock’ proteïnen Hsp90 en Hsp70. Hun werking wordt verder positief of negatief gereguleerd door co-chaperones […]. Receptor-aktivatie en hyper-fosforylatie gebeurt na binding met het ligand, […]. Verplaatsing van het cytoplasma naar de kern gaat vooraf aan de dissociatie van het gevormde complex en omzetting van GR naar de DNA-bindende vorm. […] Geaktiveerd GR bindt op specifieke DNA-sequenties. Genen die positief worden gereguleerd door GR worden gekenmerkt door ‘GC-response elements’ (GRE) in de promotor, terwijl negatief gereguleerde genen ofwel een negatief GRE (nGRE) bevatten of worden geïnhibeerd door direct of indirecte interferentie van GR met de transcriptionele aktiviteit van andere DNA-gebonden transcriptie-factoren (zoals NF-κB, AP-1, ‘signal-transduction activator of transcription’ (STAT), e.a.).

2. Biologishe effekten van GC

GC zijn van uiterst belang bij de bescherming van het lichaam tegen stress via regulering van het glucose-metabolisme en de bloeddruk. Ze zijn ook betrokken bij het lipiden-metabolisme en afzetting van glycogeen in de lever. Naast deze metabole aktiviteiten, werden ook GC effekten beschreven met betrekking tot gedrag en hersen-funktie. Verder, beïnvloeden GC orgaan-ontwikkeling, weefsel-maturatie, wondheling en calcium-reabsorptie. Erg van belang is de rol van GC bij de dynamische modulatie van inflammatoire en immuun-responsen. Dit omvat communicatie met transcriptie-factoren en signaliseringsmechansimen, effekten op cytokine-receptor expressie, regulering van thymocyten- en lymfocyten-overleving, -selektie en -funkties, alsook interferentie met eosinopoiese [vorming van eosinofiele granulocyten] of erythropoiese [vorming van rode bloedcellen]. Bij een optimaal evenwicht zullen GC-afhankelijke funkties bijdragen tot het oplossen van infektie, trauma of andere immuniteits-gerelateerde stressoren. Verstoring of dysfunktie van deze dynamische interakties kunnen echter resulteren in een acute inflammatie of kunnen voorbestemmen tot auto-immune of atopische reakties. Een goed begrip van de precieze rol van endogene GC in gastheer-verdediging kunnen nieuwe wegen openen voor de behandeling of profylaxis van immuniteit-gemedieerde ziekten.

3. Weefsel-specificiteit van GC-effekten

Omdat GR tot expressie komt in de overgrote meerderheid van de weefsels, is het redelijk te veronderstellen dat GC inwerken op bijna alle cellen in het lichaam. De regulering en werking van GC-gemedieerde effekten hangen verder af van andere weefsel-specifieke factoren, van de bio-beschikbaarheid van het hormoon en van weefsel-specifieke hormoon-modificerende enzymen. Op één niveau wordt de biologische sensitiviteit van GC tot stand gebracht door binding op circulerende proteïnen aanwezig in het plasma en bloed, zoals corticosteroid-bindend globuline (CBG). […] Op een ander niveau wordt GC gevoeligheid bepaald door expressie-waarden van het transport-proteïne LEM1 of het ‘multidrug resistance’ proteïne MDR1. De expressie-niveaus van GR zijn ook cel- en weefsel-specifiek. GR-waarden worden zelf negatief gereguleerd door GC, wat bijdraagt tot het feit dat langdurige behandeling met GC resulteert in een daling van de fysiologische respons. Andere niveaus van regulering die GC-sensitiviteit bepalen, omvatten variaties in het receptor-eiwit (mutaties, polymorfismen, isoformen), alternatieve receptor-dimerisatie […], receptor co-chaperones, DNA-binding, veranderde expressie-niveaus van Hsp-proteïnen, effekten van signalisering-cascades en post-translationele modifikaties (fosforylatie, nitrosylatie,…). Ten slotte is het nu duidelijk dat verschillen tussen endogene GC (geproduceerd door de bijnieren) en synthetische GC, wat betreft hun regulerende mechanismen, cruciaal zijn voor hun biologische akties. […]

4. GC in de kliniek

GC behoren tot de meest gangbare en effektieve faramaceutica gebruikt om inflammatie en verscheidene immuniteitsaandoeningen te verlichten. Inflammatoire ziekten waarvoor toediening van GC een standaard behandeling zijn, omvatten Reumatoïde Arthritis, inflammatoire darm ziekten, Systemische Lupus Erythematosus, sarcoidose en nefrotisch syndroom. Lokale behandeling met GC wordt toegepast bij dermatitis, ofthalmologische aandoeningen, asthma en conjunctivitis. Verder worden GC gebruikt om het immuunsysteem na transplantatie te onderdrukken. GC worden ook aangewend om hersen-oedeem, shock-condities en sommige kankers (e.g. haematologische kwaadaardigheden) te behandelen, zowel als aandoeningen met betrekking tot bijnierschors-insufficientie (bv. Addison’s). Er is echter een reusachtig nadeel naast het voordelige gebruik van GC omdat behandelingen met hoge dosissen gedurende langere perioden niet enkel resistentie tegen de op steroïden gebaseerde therapie kunnen veroorzaken, maar ook gepaard kunnen gaan met een waaier aan nadelige bijwerkingen. Deze omvatten diabetes, gestoorde wondheling, huid-atrofie, spier-atrofie, verhoogde vatbaarheid voor infekties, aktivatie van latente infekties, HPA-as insufficientie, katarakt, maagzweren, hypertensie (door aktivatie van de mineralocorticoid receptor), metabole aandoeningen (door de hyperglycemie en een gedaalde carbohydraten-tolerantie), retentie van water en natrium plus excretie van kalium (wat de water-huishouding balans van het lichaam verstoort), en verlies van mineralen uit bot (leidend tot osteoporose). Artsen pogen de bijwerkingen mimimaal te houden door gebruikt te maken van lokale behandelingen, intervallen, aanvulling met vitamin-D3 en oestrogenen, en specifieke GC met een minimum aan mineralocorticoïde effekten.

5. GC en inflammatie

Van GC werd beschreven dat ze leukocyten-migratie naar de plaatsen van inflammatie verhinderen en interferen met de funkties van endotheliale cellen, leukocyten en fibroblasten. Ze onderdrukken de produktie en effekten van humorale factoren betrokken bij de inflammatoire respons. Er wordt algemeen verondersteld dat het voordelig, anti-inflammatoir potentieel van de GR schuilt in een negatieve modulatie van pro-inflammatoire cytokinen en dat zijn bijwerkingen hoofdzakelijk het gevolg zijn van zijn trans-aktiverende capaciteiten. Niettemin hebben andere stoffen het klinisch gebruik van GC als krachtig immunosuppressivum en anti-inflammatoir agens niet kunnen evenaren.

Om de onderdrukkende werking van GC op immune doelwit-genen te verklaren, werd de rol van GC bij de inhibitie van de aktiviteit van de transcriptie-factoren NF-κB, AP-1 of CREB veelvuldig onderzocht. […] Het zou een verbetering zijn voor vele met steroïden behandelde patiënten als iemand de funktie van GR zou kunnen her-ontwerpen en zijn bijwerkingen zou kunnen reduceren maar met behoud van de anti-inflammatoire karakteristieken. Daarvoor proberen vele onderzoekers te verhelderen hoe het aktie-mechanisme van GC verloopt. Het uiteindelijke doel is een meer effektieve en doelgerichte immunosuppressieve therapie te vinden. […]

Het hoofddoel van dit overzicht is het bespreken van mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de anti-inflammatoire eigenschappen van GC. […] Er wordt gefocust op tegenstellingen in de hypothesen en op de bijkomende controverse aangaande mechanismen die de communicatie tussen de GR en de door NF-κB of AP-1 aangedreven genen verklaren.

II. Molelulair Mechanismen

[Vanwege de complexiteit en het academisch niveau wordt dit beperkt tot de hoofdlijnen. De uitgebreide besprekingen van experimenten en hypothesen zijn voor de specialisten. Dit alles betreft de stand van zaken in 2003. Enkele vaststellingen kunnen mogelijks een licht werpen op de M.E.(cvs)-problematiek. De details vallen buiten dit gezichtsveld.]

A. GC receptor (GR) aktiviteit en directe DNA-binding

Geaktiveerd GR bindt op specifieke DNA-sequenties als een homodimeer. […] Eén funktie van het dimerisatie-domein is het discrimineren tussen verschillende respons-elementen en bepalen welke doelwit-genen worden geaktiveerd. […]

Directe transcriptionele onderdrukking door GC kan worden bereikt via de interaktie van GR met een plaats op het DNA, nGRE genoemd. […] Daarnaast bleek voor sommmige genen het mechanisme ook de betrokkenheid van GR-afhankelijke verplaatsing van een andere factor of DNA-onafhankelijke verankering van GR met een andere transcriptie-factor te omvatten. […]

B. Proteïne-proteïne koppeling

Omdat bij de meerderheid van inflammatoire genen geen nGRE kon worden gedekteerd, werd ontdekt dat transcriptionele interferentie meestal resulteert uit ‘cross-talk’ tussen de GR en andere transcriptie-factoren, zoals NF-κB of AP-1. GC repressie door een directe fysieke associatie tussen GR en NF-κB werd door meerdere research-groepen ondersteund met in vitro gegevens. […] Om verder te begrijpen hoe GR interfereert met de aktiviteit van NF-κB en AP-1, zijn bijkomende experimenten nodig. […] De aanwezigheid van een verschillende subset co-factoren of chaperones die de GR-funktie moduleren of uitgesproken signaliseringsmechanismen in verschillende cellijnen zouden bepaalde discrepanties kunnen verklaren. Anders zou de promotor-context of de effector-site ook kunnen bepalen of een specifieke NR kan interfereren met NF-κB activiteit. […]

Hoewel AP-1 trans-repressie veel gelijkenissen vertoont met NF-κB repressie, moeten sommige belangrijke verschillen worden opgemerkt. […] Net zoals voor NF-κB, werd aangetoond dat repressie van AP-1 aktiviteit ook strikt afhankelijk is van de promotor, receptor en cel-type.

C. Up-regulering van IκB-α

De wijziging of geïnduceerde expressie van een regulerend proteïne dat in staat is NF-κB aktiviteit te inhiberen, zou aan de basis kunnen liggen van GC repressie van NF-κB gemedieerde gen-expressie. Eén zo’n kandidaat is de cytoplasmische inhibitor van NF-κB: IκB-α. […]

1. Transcriptionele regulering van de IκB-α promotor door GC

[…]

Homodimerisatie van de GR is een eerste vereiste voor inductie van het IκB-α gen, wat een argument is voor een klassieke GRE in de promotor. […]

De IκB-α promotor bevat ook drie elementen die responsief zijn voor NF-κB, wat een negatieve feedback-lus voor aktivatie van NF-κB verzekert. […] De diversiteit aan NR-interakties met co-factor-complexen kan verder meebepaald worden door chaperone-proteïnen.

2. IκB-α expressie vs. NF-κB/DNA binding

[…] Resultaten wijzen er op dat NR DNA-gebonden NF-κB kunnen onderdrukken via verankering, zonder DNA-binding zelf te beïnvloeden. Onderzoeken bewezen dat GC repressie gebeurt door de confirmatie te veranderen van de proteïne-complex binding met de NF-κB bindingsplaats, zonder klaarblijkelijke verstoring van NF-κB binding. […]

[…] Verder is gebleken dat er geen exclusieve relatie is tussen NF-κB relokalisatie van de nucleus naar het cytoplasma, verminderde NF-κB/DNA binding en stijjging van expressie-niveaus van IκB-α tijdens GC repressie.

3. Discriminerende omstandigheden die een mogelijke upregulering van IκB-α door GC bepalen

Hoe kunnen GC een upregulering van IκB-α in sommige cel-types en niet in andere bereiken? Verschillende cel-types maken mogelijks gebruik van alternatieve mechanismen om GC effekten te mediëren. In cellen van lymfoïde origine bv. werden unieke redox-gevoelige NF-κB signaliseringsmechansismen die lipoxygenasen [enzyme dat de omzetting van vetzuren tot hydroperoxiden katalyseert – veroorzaakt de vorming van zgn. leucotriënen, die voor chronische ontstekingen verantwoordelijk zijn; het anti-oxidant curcumine is een lipoxygenase-inhibitor en zou NF-κB inaktiveren; Boswellia-zuren remmen ook lipoxygenase en zouden daardoor het ontstekingsproces kunnen tegengaan] of glutathion nodig hebben beschreven. In dit opzicht werden reeds GC effekten op oxidatieve stress en op lipoxygenase en glutathion-waarden aangetoond voor cellen van lymfoïde oorsprong. […]

Naast cel-afhankelijke variaties in bepaalde redox-mechanismen, is sensitiviteit voor GC-geïnduceerde apoptose ook een cellulaire respons die gekend is zeer afhankelijk te zijn van het cel-type en stimulus-afhankelijk. Cellulaire schade induceert een adaptieve respons die afhangt van de aard van de beschadiging: fysiek (bv. hitte, straling), chemisch (bv. reaktieve zuurstof (ROS), GC), infektueus (bv. bakterieën) of inflammatoir (bv. LPS, TNF). Recente gegevens wijzen er op dat de communicatie tussen verscheidene responsen niet voorspelbaar is en dat wisselende triggers tegengestelde effekten op het resultaat van de beschadiging kunnen hebben. Bijvoorbeeld: hoewel het goed geweten is dat een voorafgaande ‘heat-shock’ cellen kan beschermen tegen inflammatoire stress in vitro en in vivo, werd ook aangetoond dat inductie van een ‘heat’-stress in cellen met inflammatie cel-dood door apoptose kan bewerkstelligen. […] Hsp-proteïnenn kunnen ‘death-receptor’ signalisering, steroid-aktiviteiten en inflammatoire responsen verbinden; naast zijn chaperone-funktie bij GR-aktiviteit is Hsp90 een funktionele component van het IKK-complex, vereist voor TNF-signalisering, gebleken. […]

Naast Hsp, werden ras [een signaal-transductie proteïne, communiceert dus ook signalen van buiten de cel naar de nucleus] chaperone-proteïnen, proteasomen [cytoplasmatische of nucleaire eiwit-complexen die afwijkende – overbodige of beschadigde – proteïnen afbreken via proteasen] en caspasen [proteasen, eiwit-afbrekende enzymen, die een essentiële rol vervullen bij de apoptose] beschreven als doelwittenvoor GC. […]

Men moet in gedachten houden dat, bij modellen voor chronische inflammatoire ziekten in vivo, de continue inductie van pro-inflammatoire responsen alsook de behandeling, veel langer duren (dagen tot maanden) dan onderzoekers doen bij in vitro cellijnen (minuten tot uren). Daarenboven moeten in in vivo situaties, met veel meer parameters rekening worden gehouden. Dit omvat signaal-transductie cascades teweeggebracht door verschillende cel-cel contacten, systemische signalen, GR metabolisme en neuro-endocriene effekten.

4. Zijn GC-gemedieerde trans-repressie en IκB-α upregulering ongekoppelde fenomenen?

Observaties doen de veronderstelling rijzen dat upregulering van het IκB-α eiwit niet het hoofd-mechanisme is waardoor GC immuun-genen kunnen onderdrukken. […] Bevindingen demonstreren dat upregulering van IκB-α en het fenomeen van GC repressie in veel gevallen twee onafhankelijke processen zijn.

[…] Dat twee onafhankelijke mechanismen van NF-κB repressie door GR binnen dezelfde cel kunnen bestaan, suggereert dat het behouden van negatieve controle op NF-κB signaliserngsmechanismen van reëel fysiologisch belang is. IκB-α upregulering vertegenwoordigt een ‘rotonde’ route om effektieve repressie tot stand te brengen, terwijl een directe interferentie tussen vooraf bestaande, geaktiveerde GR en NF-κB proteïnen een directe en snellere manier om onmiddelijk pro-inflammatoire overdaad te onderdrukken. […] Data impliceren dat bepaalde cel-types (zoals T-lymfocyten), om te overleven, drempelwaarden aan NF-κB transcriptionele aktiviteit nodig hebben om cel-cyclus progressie te behouden. Deze drempel kan onderworpen zijn aan modulatie door GC via regulering van IκB-α expressie tijdens apoptose. Dit feedback-mechanisme kan fungeren als een back-up of finaal controle-punt om op efficiënte manier apoptose te induceren in cellen die te veel schade ondervonden en om een lawine te vookomen van systemische immuun-responsen, die in staat zijn een levensbedreigende septische shock te induceren.

D. Co-factor competitie model

Co-aktivator molekulen worden gekenmerkt door een intrinsieke histoon-acetyltransferase (HAT) [enzymen die histoon-proteïnen (kleine eiwitten met een hoog aantal van positief geladen aminozuren die aan negatief geladen DNA bindt en er als het ware zijn rond gedraaid) van een acetyl-groep voorzien bij aktivatie van transcriptie, door ‘opening’ van het nucleosoom (DNA + histonen) struktuur] aktiviteit, waarvan wordt geloofd dat deze resulteert in een meer gerelaxeerd DNA, wat dan gen-aktivitieit bevordert. Vandaar dat er zou kunnen worden verondersteld dat competitie tussen nucleaire transcriptie-factoren voor beperkte hoeveelheden co-aktivator molekulen leidt tot gen-repressie. […] Het competitie-model worstelt met een gebrek aan of specificiteit. […]

Een aantal of observaties zijn meer consistent met de notie van een territoriale onderverdeling dan met een competitie voor factoren. Als transcriptie-factor complexen worden geassembleerd binnen afgezonderde kern-compartmenten, dan zouden co-factor effekten beperkt kunnen worden gehouden tot de aangewezen compartmenten, zonder dezelfde factoren te beïnvloeden in andere compartmenten geassocieerd met andere genen. […]

Naast de ruimtelijke dimensie van transcriptie, spelen temporale aspekten tegen het co-factor competitie-model.

E. Nieuwe perspektieven

1. Histoon vs. (co)factor acetylatie

Omdat eenvoudige competitie voor gebruikelijke co-aktivatoren waarschijnlijk niet het belangrijste mechanisme voor GC repressie is, blijft de vraag wat het effektieve mechanisme is. Als een alternatief voor co-factor competitie werd een co-aktivator afstotingsmodel, […] gesuggereerd.

Er bestaat geen tijfel dat GR specifieke co-aktivatoren recruteert om trans-aktivatie mogelijk te maken. De sleutel-vraag is of een bijzondere GR co-factor configuratie betrokken is bij repressie van NF-κB gemedieerde gen-expressie.

2. Methylatie van histonen, (co)factoren en DNA

Naast acetylatie gebeuren nog andere post-translationele veranderingen zoals fosforylatie en methylatie in histonen. […] Omdat de inflammatoire respons van NF-κB doelwit-genen sterk afhankelijk bleek van zijn histoon-modifikaties […], blijft de potentiële interferentie van GC in histoon-regulering een research-onderwerp […].

[…] In welke mate methylatie van CBP [een co-factor], GR, AP-1 of NF-κB/IκB bijdraagt tot hormoon-afhankelijke repressie blijft een vraag. Uiteindelijk werd een rol voor DNA-methylatie in GR-trans-repressie én trans-aktivatie beschreven. Recent werd gevonden dat DNA-methylatie wordt begeleid door histoon-modifikaties.

3. GR repressie en histoon/co-factor/transcriptie-factor code

In parallel met modifikaties aan het DNA-chromatine raakvlak, hangt een specifieke biologische respons ook af van het volledig patroon van wijzigingen anwezig in de omringende transcriptie-factor of co-regulatoren op een bepaald tijdstip.

[…] een evenwicht in co-factor niveaus speelt ook een rol. […]

Hoewel ligand-binding essentieel is voor de aktivatie van GR, is de receptor ook onderhevig aan post-translationele modifikatie door fosforylatie. GR is een fosfo-proteïne in afwezigheid van ligand; bijkomende fosforylatie gebeurt na hormoon-binding (ligand-afhankelijk). […]

Naast GR, zijn NF-κB en AP-1 ook onderworpen aan fosfo-regulering via verscheidene signaliseringsmechanismen […]. Fosforylatie van NF-κB en AP-1 heeft een invloed op verscheidene niveaus, bv. lokalisatie, dimerisatie, translokatie, DNA-binding, stabiliteit, trans-aktivatie en co-factor recrutering. […] MAPK-inhibitoren en GC kunnen onafhankelijk NF-κB aktiviteit onderdrukken, wat afzonderlijke anti-inflammatoire mechanismen suggereert. […]

Behalve fosforylatie hebben andere post-translationele modifikaties (acetylatie, ubiquitinylatie, sumoylatie en nitrosylatie) ook een invloed op GR, NF-κB p65 en AP-1 funktie en deze zullen verder de complexiteit van transcriptie-factor communicatie verhogen. […]

4. GR-repressie en chromatine-hermodelering

Naast chromatine-modifikatie, is er een ander type strukturele verandering in vivo genaamd chromatine-hermodelering. Dit refereert naar een dramatische, gelokaliseerde verandering in het chromatine waarbij een bijzonder nucleosoom, of meerdere naburige nucleosomen, een receptor-gecontroleerde strukturele wijziging ondergaan. […] Chromatine-hermodelering effekten geïnduceerd door GR kunnen variëren naar gelang de chromosomale lokatie. […]

5. GR-repressie en basale RNA-polymerase-II transcriptie

[…] De mogelijkheid bestaat dat GR NF-κB onderdrukt of vice versa, door een sterisch belemmeringsmechanisme [verschijnsel ten gevolge waarvan een reaktie vertraagd of binding gehinderd wordt door de aanwezigheid van grote atoomgroepen in de buurt van de reaktie-/bindingscentra] […] of door modifikatie van één van de basale machinerie-componenten, om een transcriptioneel aktief complex te elimineren. […]

6. GC en T-cel funktie

T-lymfocyten zijn verantwoordelijk voor coördinatie van de immuun-respons en betekenen een belangrijke bron van cytokinen. Verschillende cytokinen induceren verscheidene T-cel subsets of hebben uitéénlopende effekten op proliferatie binnen een bepaalde subset. De immuun-respons wordt gereguleerd door het evenwicht tussen T-helper (Th)1 en Th2 cytokinen. Th1-cellen produceren IL-2, IFN-γ en TNF-β, terwijl Th2-cellen IL-4, IL-6, IL-10 en IL-13 produceren. Deze twee mechanismen sluiten elkaar dikwijls wederzijds uit. Ontregelde chronische Th1-cel responsen resulteren dikwijls in auto-immuniteit, terwijl verlengde Th2-cel responsen tot allergie en atopie kunnen leiden. Inflammatie wordt ge-upreguleerd na aktivatie van Th1-cellen, terwijl Th2-cellen een significante rol kunnen spelen in de downregulering van Th1 pro-inflammatoire responsen door overproduktie van Th2 cytokinen. Hoe helper T-cellen gestuurd worden naar eender van deze mechanismen; wordt verder onderzocht. Er zijn aanwijzingingen dat GR, AP-1 en NF-κB participeren in het sturen van deze complexe mechansimen.

GC worden gebruikt bij het behandelen van immuniteitsaandoeningen zoals transplantaat-afstoting, ten gevolge hun capaciteit om T-cel aktivatie en apoptose te voorkomen via meerdere mechanismen; deze omvatten veranderde ontwikkeling van de Th-familie door het bevoordelen van het genereren van (anti-inflammatoire) Th2-cellen (humorale immuun-respons), het onderdrukken van de inductie of aktiviteit van (pro-inflammatoire) Th1-cellen (cellulaire immuniteit) en inductie van de expressie van het immunosuppressieve cytokine TGF-β. Om de immuun-respons om te zetten van een Th1 naar een Th2 fenotype, wordt de synthese van Th1 cytokine geïnhibeerd en IL-10 produktie wordt gestimuleerd. Gezien de induceerbaarheid van TGF-β expressie door GCs en de gelijkenissen van hun inhiberende effekten op cytokine-expressie en T-cel aktivatie met die geïnduceerd door TGF-β, werd gespeculeerd dat GC hun anti-proliferatief effekt uitoefenen via de inductie van TGF-β expressie op transcriptioneel en post-transcriptioneel niveau.

Lymfoïde cellen, in het bijzonder CD4+CD8+ thymocyten, behoren tot de weinige cel-types die apoptose ondergaan in respons op corticosteroïden. Niettegenstaande de enorme inspanningen om GC-gereguleerde cel-dood te begrijpen, zijn de mechanismen nog grotendeels onbekend […]. Of trans-aktivatie van dood-genen of trans-repressie van overleving-genen vereist is voor GC-geïnduceerde anti-proliferatieve of apoptotische eigenschappen is nog niet bekend. Er is bewijs ten voordele van beide hypothesen. […] Tot op heden werden geen overtuigende apoptotische doelwit-genen van GR gerapporteerd. […]

7. Niet-genomische GR-akties

Omdat GR gelokaliseerd zijn in het cytoplasma, moeten ze in de nucleus raken om gen-expressie te veranderen. Het duurt minder dan 30 min […] om te resulteren in biologische effekten. Andere regulerende akties manifesteren zich binnen sekonden tot enkele minuten. Dit is te snel om te wijten te zijn aan veranderingen op genomisch niveau en worden daarom niet-genomische of snelle akties genoemd om het onderscheid te maken met de klassieke regulering van gen-expressie door steroid-hormonen. Bepaalde GR vormen zouden de snelle akties van GC kunnen mediëren; deze omvatten mogelijks ofwel een a uniek gen-produkt, een specifieke isoform [verschillende vormen van hetzelfde proteïne, gevormd door bv. ‘single nucleotide polymorphisms’ in het gen] of een gemodificeerde versie van de klassieke GR die in staat is te binden, associëren of integreren in het plasma-membraan. […] De snelle werking van steroïden is een integraal deel van de genomische aktie en, zoals de laatste, kan ze funktioneren in fysiologische en pathofysiologische processen.

8. Hormoon-selektiviteit door steroid-receptoren

GR behoort tot de NR-superfamilie, die MR, ER, PR, AR, PPAR, vitamin-D (VDR) en TR hormoon-receptoren omvat. Endogene steroid-hormonen zoals cortisol, testosteron of progesteron delen een gelijkaardige chemische struktuur maar komen tussen in afzonderlijke biologische responsen. Strukturele vergelijkingen van GR, AR, PR en ER bieden inzicht in hoe funktionele specificiteit wordt bekomen: er bestaan vele subtiele verschillen in de secundaire struktuur en de topologie van hun ligand-bindende plaats in deze steroid-receptoren. Steroïden-selektiviteit blijkt te worden bekomen door de complementariteit van vorm en waterstof-bruggen tussen liganden en ligand-bindende plaats in de receptoren. […] Trans-repressie van NF-κB en AP-1 door meerdere NR (AR, ER, PR, GR, PPAR, ROR-α, arylhydrocarbon receptor (AhR), vitamin-D, RAR/RXR) werd ook aangetoond en dit verhoogt verder de complexiteit van steroïden-specificiteit.

Het is evident dat hormoon-selektiviteit ook afhangt van cel-type specifieke receptor-expressie, bio-beschikbaarheid van het hormoon (systemisch transport) en weefsel-specifieke hormoon-modificerende enzymen (metabolisme). […] De werking van een om ‘t even welk hormoon is veel meer dan een simpele enkelvoudige lineaire sequentie van oorzaken en gevolgen. Hormonen en de regulerende mechanismen die ze controleren vormen in elkaar verstrengelde netwerken. […]

9. Steroïden-resistentie en combinatie-therapie

GC-resistentie vertegenwoordigt een ernstig klinisch probleem bij verscheidene chronische inflammatoire ziekten. GC-responsieve weefsels met een geaktiveerde inflammatoire respons (gemedieerd door geaktiveerd NF-κB) kan resistent worden voor GC-signalisering omwille van een geblokkeerde GR-funktie. […] Deze resistentie wordt vastgesteld op de plaats van inflammatie, waar cytokinen worden geproduceerd, maar niet op niet-geïnflammeerde plaatsen. […]

[…]

Veel pro-inflammatoire cytokinen, die abnormaal ge-upreguleerd zijn bij chronische inflammatoire ziekten, vergen geconcerteerde aktivatie van NF-κB en AP-1. […]

Naast de stress-signalerende aspekten die eerder warden besproken, werden van andere parameters ook aangetoond dat ze bijdragen tot steroïden-resistente pathologieën: NR-mutaties die ligand-binding beïnvloeden of co-factor affiniteiten, gewijzigde co-factor expressie-niveaus, NF-κB afhankelijke expressie van het ‘multi-drug resistance’ proteïne MDR1, oncogene aktivatie van groei-factor signalerende mechanismen en veranderde schakelingen in non-genomische NR-mechanismen.

III. Algemeen Besluit

Inspanningen voor de ontdekking van medicijnen zijn gericht op het selektief moduleren van NF-κB en AP-1. GC zijn de meest gebruikte anti-inflammatoire en immuun-modulerende moddelen; hun aktivitrieit is gebaseerd op de interferentie met deze transcriptie-factoren. Het begrijpen van hun precies werkingsmechanisme werd vertroebeld door talrijke en soms tegenstrijdige hypothesen, die zouden kunnen voortvloeien uit verschillen in het target-gen, receptor of cellijn die wordt onderzocht. Dit overzicht belicht niet enkel het enorme werk dat reeds heeft geleid tot de ontwikkeling van (op het eerste zicht plausibele) modellen maar heeft ook gewezen op enkele van de tekortkomingen van de huidige dogmas. We zouden er willen op attenderen dat de verschillende modellen die werden besproken elkaar niet noodzakelijk uitsluiten. […]

Tot besluit, co-factor(en) (domeinen) die specifiek interakties van GR met NF-κB, AP-1 en/of het RNA-polymerase-II holo-enzyme moduleren in een bepaalde promotor context, zowel als dynamische subcellulaire lokalisatie van de verscheidene transcriptie-componenten en spatio-temporaal gereguleerde signalen die de corresponderende promotor-‘enhanceosomen’ [een proteïne-complex dat bindt op het ‘enhancer’-gebied van een gen – het kan transcriptiefactoren omvatten, versnelt de transcriptie van een gen] beïnvloeden, moeten nog verder worden onderzocht en ze zullen het belangrijkste aandachtspunt van onderzoekers in de toekomst zijn. Recente vooruitgang in dat gebied omvat de ontwikkeling en karakterisatie van zogenaamde dissociërende liganden. […] Deze laten toe inzicht te verwerven in de manier waarop GC pro-inflammatoire genen kunnen onderdrukken maar vergemakkelijken ook de ontwikkeling van een doelgerichte strategie om inflammatie en auto-immun ziekten te bestrijden. Ze bieden verder perspektieven om ongewenste bijwerkingen te elimineren. […] Het is evident dat de molelulaire mechanismen betrokken bij GR/NF-κB of GR/AP-1 kruis-repressie nog helemaal niet volledig worden begrepen.

Geef een reactie »

Nog geen reacties

RSS feed for comments on this post. TrackBack URI

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.

%d bloggers op de volgende wijze: