Molekulare Grundlagen der protektiven Effekte von Proteasominhibitoren im kardiovaskulären System

Abstract

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist als zentraler Proteinabbaumechanismus eukaryontischer Zellen verantwortlich für die Degradation defekter und nicht mehr benötigter Proteine. Zugleich ist es durch den regulierten Abbau von Mediatorproteinen an der Regulation zahlreicher Signalwege beteiligt. Entsprechend seiner essentiellen Bedeutung induziert eine potente Hemmung des UPS regelhaft eine Apoptose. Demgegenüber konnten wir in mehreren Arbeiten zeigen, dass eine partielle Hemmung des Proteasoms kardiovaskuläre Zellen vor oxidativem Stress schützt. Als zugrunde liegenden Mechanismus identifizierten wir eine Nrf2-vermittelte Induktion antioxidativer Enzyme in Kardiomyozyten, glatten Gefäßmuskelzellen sowie Endothelzellen. Diese nachhaltige Aktivierung der zelleigenen, antioxidativen Abwehrmechanismen steht im Kontrast zur Wirkung der von uns in einem parallelen Projekt untersuchten Polyphenole EGCG und TF3, die in unserem Stressmodell Kardiomyozyten durch ihre direkte antioxidative, d.h. radikalfangende Wirkung vor oxidativem Stress schützten. Das therapeutische Potential einer partiellen Proteasomhemmung unterstrichen Versuche in LDL-Rezeptor-defizienten Mäusen, in denen eine Behandlung mit Proteasominhibitoren die Akkumulation oxidierter Lipide und Proteine im Serum und in der Aorta reduzierte, was mit einer verringerten Atherogenese assoziiert war. In einem weiteren Projekt konnten wir zeigen, dass die aus sich teilenden Zellen bekannte antiproliferative Wirkung von Proteasominhibitoren durch Hemmung zentraler Wachstumssignalwege auch in postmitotischen Zellen positive Effekte haben kann: sowohl in vitro als auch in vivo führte eine niedrig-dosierte Proteasomhemmung zur Verminderung einer kardialen Hypertrophie. Schwerpunkt unserer jüngsten Projekte ist die Aufklärung einer möglichen Verbindung zwischen dem UPS und epigenetischen Regulationsmechanismen. In diesem Zusammenhang konnten wir erstmals zeigen, dass partielle Proteasominhibition in einer verminderten Expression der Histonmethyltransferase Ezh2 resultiert. Da zur physiologischen Rolle von Ezh2 in differenzierten Zellen bis dato keine Informationen vorlagen, identifizierten wir kürzlich die Zielgene von Ezh2 in Endothelzellen und konnten zeigen, dass Ezh2 an der epigenetischen Regulation von Angiogenese- Prozessen beteiligt ist. Zusammenfassend suggerieren unsere Ergebnisse ein therapeutisches Potential für Proteasominhibitoren bei kardiovaskulären Erkrankungen, das derzeit jedoch limitiert wird durch das Fehlen zelltypspezifischer Inhibitoren. Zugleich sind unsere Daten ein erster Hinweis auf eine mögliche Verbindung zwischen dem UPS und epigenetischen Regulationsmechanismen.

The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is the major protein degradation mechanism in eukaryotic cells responsible for the degradation of misfolded and aged proteins. Through regulated degradation of mediator proteins, the UPS is also actively involved in the regulation of various signaling pathways. In accordance with its essential role, potent inhibition of the UPS induces apoptosis. In contrast, partial proteasome inhibition protects cardiovascular cells from oxidative stress as it Nrf2-dependently induces antioxidative enzymes in cardiac myocytes, vascular smooth muscle cells and endothelial cells. This sustained induction of endogenous defense mechanisms differs distinctly from the effect of polyphenols, e.g. EGCG and TF3, which protected cardiac myocytes in our stress model only via their direct antioxidative, radical scavenging properties. The therapeutic potential of proteasome inhibitors was underscored by in vivo experiments which showed a diminished accumulation of oxidized lipids and proteins in the serum and aortas of LDL- receptor-deficient mice after treatment with proteasome inhibitors. This was associated with a markedly reduced atherogenesis. In another study, we could demonstrate that partial proteasome inhibition suppresses cardiac hypertrophy in vitro and in vivo through inhibition of central signaling pathways. In our most recent project, we explored a possible link between the UPS and the epigenome. In endothelial cells, proteasome inhibitors reduced the expression of the histone methyl transferase Enhancer of zeste homolog 2 (Ezh2). As little is known about the function of Ezh2 in differentiated cells, we identified the target genes of Ezh2 in endothelial cells and could demonstrate that Ezh2 is involved in the epigenetic regulation of angiogenesis. In summary, our results suggest a therapeutic potential of proteasome inhibitors in cardiovascular disease. Their use, however, is currently limited by the lack of cell type-specific inhibitors. In addition, our data indicate a link between the UPS and the epigenome.