Die Hemmung des Ubiquitin-Proteasom-Systems induziert eine Hitze-Schock- Antwort und schützt Kardiomyozyten vor Stress

Abstract

Lebende Organismen haben eine Vielzahl von Warn- und Reparaturmechanismen, um ihre Stoffwechselprozesse, zelluläre Integrität und ihre Funktionalität auch unter zytotoxischen Bedingunen aufrecht zu erhalten. Eine dieser Schutzeinrichtungen ist das System der Hitze-Schock-Proteine. Hitze-Schock- Proteine sind in allen pro- und eukaryotischen Zellen konstitutionell vorhanden und werden nach Exposition mit verschiedenen Stressoren vermehrt de novo synthetisiert. Unter physiologischen Bedingungen agieren sie als molekulare Chaperone, indem sie die Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen gewährleisten, deren Transport über intrazelluläre Membranen ermöglichen und somit ihre Funktionalität sichern. Kommt es bei gesteigerter Produktion missgefalteter Proteine, durch z.B. anhaltend hyperthermen Stress, so resultiert dieses in einer Polyubiquitinierung der Proteine mit folgendem Abbau über den Multienzymkomplex Proteasom. Der Ubiquitin-Proteasom-Komplex ist der entscheidende und potenteste zelluläre Protein-Abbaumechanismus und bildet, zusammen mit den molekularen Chaperone, eine essentielle Voraussetzung für das Zellüberleben. In der vorliegenden Arbeit wurden in neonatalen Rattenkardiomyozyten zentrale Protease-Funktionen des Proteasoms mit dem Proteasom-Inhibitor MG132 blockiert. Folgend konnte im Rahmen einer Hitze- Schock-Antwort eine sowohl dosis- als auch zeitabhängige Steigerung der mRNA- wie auch Proteinsynthese verschiedener Hitze-Schock-Proteine, insbesondere des Hsp 70, mittels RT-PCR und Western Blot nachgewiesen werden. Im folgenden, potentiell letalen, hyperthermischem oder oxidativem Stress zeigte sich für die Kardiomyozyten in denen zuvor eine Hitze-Schock-Antwort induziert wurde, ein deutlich verbessertes Überleben im Vergleich zu den Kontrollgruppen. Zusammenfassend konnte erstmalig eine, durch den Proteasom-Inhibitor MG132 vermittelte, Hitze-Schock-Anwort mit konsekutiver Zytoprotektion gegenüber letaler Hyperthermie und oxidativem Stress in neonatalen Rattenkardiomyozyten nachgewiesen und etabliert werden.

In living organisms there are multiple different mechanisms to secure and maintain cellular integrity and functionality in a stressful and possibly toxic enviroment. One of these mechanisms is the system of heat-shock-proteins (hsp). Hsp are constitutionally expressed in all pro- and eukaryotic cells and are subjected to a de novo synthesis after exposure to stressful stimuli. Under physiological conditions hsp act as molecular chaperones by providing proteins formation and structure, transport across intracellular membranes and with that the basis for their functional activity. Under stressful conditions, such as hyperthermia or oxidation, proteins can denaturate or their folding might be impaired. This triggers for polyubiquitylation of the proteins followed by degradation in the multi-enzyme-complex 26S proteasome. The ubiquitin-proteasome-complex is the essential and the most powerful cellular protein-degrading machinery and is, together with the molecular chaperones, essential for cellular viability. In this work central protease functions of the proteasome of neonatal cardiomyocytes of the rat were inhibited using the proteasome-inhibitor MG132. With that initializing a heat-shock-response, dose- as well as time-dependent increase of hsp-mRNA and heat shock proteins, mainly hsp 70, could be detected using RT-PCR and Western Blot. In a subsequent, potentially lethal, hyperthermic or oxidative stress, cardiomyocytes with a preliminary induced heat-shock-response showed significantly improved survival compared to the control group. Summarizing we were able to show for the first time, that a MG132 mediated heat-shock- response results in cellular protection against hyperthermic and oxidative conditions in neonatal cardiomyocytes of the rat.