Regulation von Selenoproteinen in inflammatorischen Erkrankungen und durch synthetische Selenverbindungen

Abstract

Selen ist ein essentielles Spurenelement, das über den Einbau als 21-ste proteinogene Aminosäure Selenocystein einer kleinen Gruppe von Selenoproteinen den Namen gibt und als Bestandteil des aktiven Zentrums dieser Proteine die enzymatische Katalyse bestimmter Reaktionen ermöglicht. In der Evolution haben sich eine komplexe Synthesemaschinerie zur Biosynthese von Selenoproteinen und besondere Regulationsmechanismen zur Kontrolle der Expressionsraten entwickelt. Selenoproteine sind von besonderer Bedeutung für den Energiestoffwechsel, die Schilddrüse und das Immunsystem. In der Klinik wird Selen als Supplement zur Unterstützung des Immunsystems und zum Ausgleich des Selenverlustes bei Sepsis eingesetzt. Allerdings sind die molekularen Mechanismen des Selenverlustes in Sepsis nicht verstanden, und es herrscht Uneinigkeit über die Wirkung verschiedener Formen selenhaltiger Supplemente. Diese beiden Punkte stehen im Zentrum meiner Arbeit. In einem murinen Sepsis- Modell wurde durch Endotoxin eine Akutphasenreaktion hervorgerufen. Es zeigte sich eine streng hierarchische Verteilung des verfügbaren Selens auf die Biosynthese der unterschiedlichen Selenoproteine, die darüber hinaus auch geschlechterspezifisch war. Der Selentransporter SePP erwies sich als stabiler Selenbiomarker und als Negativ-Akutphase-Protein, während das ER-residente Selenoprotein SepS als Positiv-Akutphase-Protein eingeordnet werden konnte. Auf molekularer Ebene konnten mit der Regulation geschwindigkeitsbestimmender Proteine des Selenmetabolismus und der Charakterisierung von Hypoxie als starker Modulator der Biosynthese wichtige Mechanismen identifiziert werden, die zu einer Verschiebung der Selenoprotein-Expression in schweren Erkrankungen beitragen. Diese Studien zur Grundlage des Selenstoffwechsels wurden durch Versuche zur Intervention mit neuen selenhaltigen Präparaten ergänzt. Hier konnte mit der Gruppe der Imidoselenocarbamate eine Substanzklasse charakterisiert werden, die therapeutisch vielversprechende Effekte spezifisch in Tumorzellen induzierte und als besonders aktive Induktoren der selenabhängigen Dejodasen wirkt, ohne dabei toxisch zu sein. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit somit neue klinisch relevante Regulationsmechanismen der Expression von Selenoproteinen charakterisiert und mit den Imidoselenocarbamaten eine vielversprechende Substanzklasse für eine zukünftige pharmakologische Intervention identifiziert.

The view on selenium (Se) changed from a toxic substance to an essential trace element with the discovery of the 21st aminoacid selenocysteine (Sec). Se exerts its biological function as part of Sec-containing selenoproteins. Sec synthesis is mediated by a complex molecular machinery and depends on an optimal selenium status. Se is essential for cellular functions and energy metabolism, thyroid gland and immune system. Se research gained interest by being linked to several diseases through animal and clinical studies. Se is a supplement in the clinics to support the immune system and replenish loss of Se in critical illness. Still, the function of several selenoproteins and the underlying physiological mechanisms controlling Se metabolism are not completely understood or have not even been explored. The present work includes experimental studies on the role and regulation of Se and selenoproteins in inflammatory diseases. To this end, an endotoxin (LPS)-challenged mouse model with different Se status was analysed, and Se- containing carbamates were characterized in tumor and non-transformed cells. Using LPS-injected mice as sepsis model, our work highlighted a hierarchical distribution of the available Se for the biosyntheses of the selenoproteome. In addition, these regulatory principles acted in a sex-specific way. The secreted SePP proved as stabile Se biomarker in blood. In inflammation, SePP qualified as a hepatic negative acute phase protein whereas SepS was regulated as a positive acute phase protein. SepS is located in the ER membrane and is part of the protein quality control and therefore reduces cellular ER stress. The second part of my work based on the interesting phenomenon that humans in Se deficient areas are diagnosed more often with cancer than others. In fact, several studies indicate an anticarcinogenic effect of Se. The relevant selenoproteins and physiological mechanisms are unknown. Comparative studies with the chemical class of imidoselenocarbamates using tumor-derived and non- transformed cells showed different effects on translation of different selenoproteins. The specific modulation of the selenoproteome expressed reflects substance- and cell-specific effects of selenocarbamates on specific selenoproteins, but not a general activation of the selenoprotein biosynthesis machinery. Especially methyl-carrying selenocarbamates proved to be efficient modulators. Moreover, this substance class proved to be effective modulators of deiodinase activities without showing toxic effects. A further characterization of the interaction of selenocompounds with specific selenoproteins and their role in inflammation, cancer and the immune system is needed to provide a better insight into underlying mechanisms needed to optimize Se supplementation.