title: The role of 12/15-lipoxygenases in ROS-mediated neuronal cell death
title: Die Rolle der 12/15-Lipoxygenasen im neuronalen Zelltod
Creators: name: Tobaben, Svenja
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Oxidativer Stress
Apoptosis
Mitochondria
Nervenzelle
Bcl-2-Proteinfamilie
Medizin, Gesundheit
Arachidons�ure
Oxidative stress
Mitochondrium
Bid
Lipoxygenasen
Lipoxygenases

description: Oxidative stress has been
      established as a key trigger of neuronal dysfunction and
      death in age-related neurodegenerative diseases and in
      delayed neuronal death after acute brain injury by ischemic
      stroke or brain trauma. Despite increasing knowledge on the
      toxicity of reactive oxygen species (ROS) and oxidized
      reaction products that may further accelerate neuronal cell
      death, the major sources of ROS formation and the mechanisms
      involved in cell death signaling triggered by oxidative
      stress in neurons are poorly defined. Therefore, major aims
      of this study included the characterization of key enzymes
      that contribute to the formation of ROS and key factors of
      the downstream signaling pathways that may amplify the
      oxidative cellular stress thereby causing irreversible damage
      and death in neurons. Major parts of the study were performed
      in a model of glutamate toxicity in immortalized hippocampal
      HT-22 neurons, since glutamate selectively induced oxidative
      stress through glutathione depletion in these cells. To
      verify the relevance of the findings in HT-22 cells for
      post-mitotic neurons, further experiments included models of
      glutamate-induced excitotoxicity and oxygen-glucose
      deprivation primary embryonic neurons in vitro and in a mouse
      model of cerebral ischemia in vivo. The findings of these
      studies revealed that 12/15-lipoxygenases (LOX), but neither
      5-LOX nor COX activation, mediated glutamate-induced lipid
      peroxidation and oxidative cellular death (oxytosis) in HT-22
      cells. Pharmacological inhibition of 12/15-LOX protected
      HT-22 cells as well as primary neurons against glutamate
      toxicity. This protective effect included significantly
      reduced ROS formation and attenuated deregulation of the
      intracellular calcium homeostasis in the cultured neurons.
      Moreover, the 12/15 LOX inhibitor PD146176 reduced neuronal
      cell death after OGD in primary neurons in vitro, and
      significantly reduced the infarct volume after MCAO in vivo.
      Further experiments addressing the involved signaling
      pathways linked, for the first time, 12/15-LOX activation and
      key mediators of mitochondrial death pathways. In particular,
      the selective 12/15-LOX inhibitor PD146176 reduced
      mitochondrial fragmentation and ATP depletion after exposure
      to glutamate in HT-22 cells. Most interestingly, this study
      identified the pro-apoptotic Bcl-2 protein Bid as a key link
      between 12/15-LOX activation, mitochondrial demise and the
      translocation of the mitochondrial protein AIF to the
      nucleus. In fact, mitochondrial transactivation of Bid
      downstream of 12/15-LOX activation was exposed as the key
      step for the mitochondrial damage that resulted in a second
      burst of lipid peroxidation and marked the ‘point of no
      return’ in the glutamate-induced death cascade. In summary,
      the glutamate-induced cell death mechanisms in HT-22 cells
      are highly relevant for neurodegenerative diseases and acute
      neurological disorders. Thus, 12/15-LOX is proposed as a
      potential therapeutic target for neuroprotective strategies
      in neurological disorders.
description: Oxidativer Stress spielt bei der
      Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen und neuronalem
      Zelltod nach traumatischen und ischämischen Hirnschädigungen
      eine wichtige Rolle. Trotz vermehrter Forschung auf dem
      Gebiet des oxidativen Stresses ist bis heute nicht bekannt,
      welche Zelltodmechanismen durch reaktive Sauerstoffspezies
      (ROS) ausgelöst werden und wie deren Bildung verursacht wird.
      Folglich sollten in dieser Arbeit Mechanismen genauer
      untersucht werden, die beim neuronalen Zelltod zur Entstehung
      von ROS beitragen. Des Weiteren sollten auch die
      Signalkaskaden näher charakterisiert werden, die durch
      oxidativen Stress letztlich zum neuronalen Zelltod führen. Im
      Rahmen dieser Arbeit wurde vor allem eine neuronale
      hippokampale Zelllinie (HT-22 Zellen) verwendet, die dadurch
      gekennzeichnet ist, dass eine Schädigung mit Glutamate zu
      einem kontinuierlichen Abfall der intrazellulären
      Glutathionspiegel führt und somit oxidativen Stress
      induziert. Zusätzlich wurden primäre neuronale Zellkulturen
      und ein in vivo-Modell der zerebralen Ischämie eingesetzt, um
      die in HT-22 Zellen erhaltenen Ergebnisse zu bestätigen und
      auszubauen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass
      nach Glutamatschädigung vor allem 12/15-Lipoxygenasen für die
      Bildung reaktiver Sauerstoffspezies in den neuronalen Zellen
      verantwortlich sind und somit im Rahmen des
      glutamatinduzierten oxidativen Stresses eine entscheidende
      Rolle spielen. Es konnte dagegen ausgeschlossen werden, dass
      Cyclooxigenasen (COX) und 5-LOX zur Bildung von ROS nach
      Glutamatschädigung von HT-22 Zellen beitragen. Durch Hemmung
      bzw. genetische Deletion der 12/15-LOX konnte sowohl in HT-22
      Zellen als auch in primären neuronalen Kulturen eine
      deutliche protektive Wirkung gegenüber Glutamatschädigung
      gezeigt werden. Zusätzlich konnten, die nach
      Glutamatbehandlung auftretenden erhöhten Konzentrationen von
      reaktiven Sauerstoffspezies durch 12/15-LOX-Inhibition
      deutlich reduziert werden und auch die glutamatinduzierte
      Störung der Calciumhomöostase wurde durch den selektiven
      12/15-LOX-Inhibitor PD146176 deutlich verringert. PD146176
      reduzierte zudem den neuronalen Zelltod nach
      Sauerstoff-Glucose-Entzug in primären Neuronen und
      verringerte auch signifikant das Infarktvolumen in einem
      Schlaganfallmodell in Mäusen. Weitere Untersuchungen
      beleuchteten den Zusammenhang zwischen der Aktivierung von
      12/15-LOX und mitochondrialer Schädigung, die wiederum durch
      einen starken Anstieg der reaktiven Sauerstoffspezies
      gekennzeichnet war. Durch Hemmung der 12/15-LOX wurde sowohl
      der glutamatinduzierte Abfall der ATP-Spiegel als auch die
      Fragmentierung der Mitochondrien verhindert. Zusätzlich wurde
      im Rahmen dieser Studie zum ersten Mal gezeigt, dass die
      Schädigung von Mitochondrien nach der initialen Aktivierung
      der 12/15-LOX und Bildung größerer Mengen ROS vor allem durch
      das proapoptotische Bcl-2 Protein Bid vermittelt wird. Nach
      diesen Befunden induziert 12/15-LOX-Hemmung über die
      Aktivierung von Bid die Depolarisation der
      Mitochondrienmembran und die Translokation des
      mitochondrialen proapoptotischen Proteins AIF in den
      Zellkern, wo AIF über die Zerstörung der DNA die Endphase des
      Zelltods einleitet. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit
      dargestellt werden, dass 12/15-LOX über die Bildung von ROS
      eine wichtige Stellung im glutamatinduzierten oxidativen
      Stress einnimmt. Nach dem Abfall von Glutathion in der Zelle
      werden 12/15-Lipoxygenasen aktiviert und bewirken in der
      Folge eine Aktivierung des cytotoxischen Proteins Bid, dass
      die Schädigung von Mitochondrien vermittelt. Durch die
      mitochondriale Schädigung kommt es zum Abfall von
      ATP-Spiegeln sowie zur Bildung weiterer großer Mengen
      reaktiver Sauerstoffspezies und zur Freisetzung
      proapoptotischer Proteine wie AIF aus den Mitochondrien. Im
      Rahmen dieser Arbeit konnte daher gezeigt werden, dass
      12/15-Lipoxygenasen möglicherweise ein neues Target für die
      Therapie von neurologischen Erkrankungen sind, bei denen
      Glutamattoxizität und oxidativer Stress zur Schädigung und
      zum irreversiblen Verlust von Nervenzellen beitragen.