TY - THES A1 - Nemec, Katarina T1 - Modulation of parathyroid hormone 1 receptor (PTH1R) signaling by receptor activity-modifying proteins (RAMPs) T1 - Regulierung der Signalübertragung des Parathormon 1-Rezeptors (PTH1R) durch Rezeptoraktivitäts-modifizierende Proteine (RAMPs) N2 - The receptor activity-modifying proteins (RAMPs) are ubiquitously expressed membrane proteins that interact with several G protein-coupled receptors (GPCRs), the largest and pharmacologically most important family of cell surface receptors. RAMPs can regulate GPCR function in terms of ligand-binding, G-protein coupling, downstream signaling, trafficking, and recycling. The integrity of their interactions translates to many physiological functions or pathological conditions. Regardless of numerous reports on its essential importance for cell biology and pivotal role in (patho-)physiology, the molecular mechanism of how RAMPs modulate GPCR activation remained largely elusive. This work presents new insights that add to the common understanding of the allosteric regulation of receptor activation and will help interpret how accessory proteins - RAMPs - modulate activation dynamics and how this affects the fundamental aspects of cellular signaling. Using a prototypical class B GPCR, the parathyroid hormone 1 receptor (PTH1R) in the form of advanced genetically encoded optical biosensors, I examined RAMP's impact on the PTH1R activation and signaling in intact cells. A panel of single-cell FRET and confocal microscopy experiments as well canonical and non-canonical functional assays were performed to get a holistic picture of the signaling initiation and transduction of that clinically and therapeutically relevant GPCR. Finally, structural modeling was performed to add molecular mechanistic details to that novel art of modulation. I describe here that RAMP2 acts as a specific allosteric modulator of PTH1R, shifting PTH1R to a unique pre-activated state that permits faster activation in a ligand-specific manner. Moreover, RAMP2 modulates PTH1R downstream signaling in an agonist-dependent manner, most notably increasing the PTH-mediated Gi3 signaling sensitivity and kinetics of cAMP accumulation. Additionally, RAMP2 increases PTH- and PTHrP-triggered β-arrestin2 recruitment to PTH1R and modulates cytosolic ERK1/2 phosphorylation. Structural homology modeling shows that structural motifs governing GPCR-RAMP interaction originate in allosteric hotspots and rationalize functional modulation. Moreover, to interpret the broader role of RAMP's modulation in GPCRs pharmacology, different fluorescent tools to investigate RAMP's spatial organization were developed, and novel conformational biosensors for class B GPCRs were engineered. Lastly, a high throughput assay is proposed and prototyped to expand the repertoire of RAMPs or other membrane protein interactors. These data uncover the critical role of RAMPs in GPCR activation and signaling and set up a novel platform for studying GPCR modulation. Furthermore, these insights may provide a new venue for precise modulation of GPCR function and advanced drug design. N2 - G Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bilden die größte und pharmakologisch wichtigste Familie von Zelloberflächenrezeptoren, die zahlreiche (patho-)physiologische Prozesse im menschlichen Körper steuern. GPCRs übertragen während des Rezeptoraktivierungsprozesses extrazelluläre Signale in das Zellinnere, wo durch die extrazelluläre Stimulation Konformationsänderungen des Rezeptorkerns auslöst und die Bindung intrazellulärer Bindungspartner – G Proteine, G Protein-gekoppelte Rezeptorkinase und Arrestine - ermöglicht. Es handelt sich also um einen kritischen Prozess in der Signaltransduktion, der durch einige endogene Moleküle wie Ionen, Lipide oder andere Proteine moduliert werden kann und Auswirkungen auf nachgeschaltete Signalkaskaden hat. GPCRs bilden gewebeabhängige Oligomere mit ihren interagierenden Partnern, Rezeptor-Aktivitäts-modifizierende Proteinen (RAMPs), ubiquitär exprimierten Membranproteinen. Bekannt ist, dass sie die Ligandenbindung, die G- Protein-Kopplung, die nachgeschaltete Signalisierung, das Trafficking und das Recycling einiger GPCRs modulieren. Ihre Rolle im kritischsten Prozess der Signaltransduktion - der Rezeptoraktivierung - wurde jedoch nur begrenzt erforscht. Anhand des physiologisch und therapeutisch wichtigen Parathormon-Rezeptors (PTH1R), einem GPCR der Klasse B, wurden die Modulationseffekte von RAMPs auf den Prozess der Rezeptoraktivierung und ihre Folgen für die nachgeschaltete Signalübertragung analysiert. Hierzu wurden verschiedene optische Biosensoren zur Messung der Aktivierung des PTH1R und seiner Signalkaskade entwickelt und in verschiedenen Versuchsanordnungen eingesetzt, mit dem Ziel einen holistischen Blick auf die Interaktion zwischen PTH1R und RAMPs und ihre funktionellen Auswirkungen zu erhalten. Die Interaktion zwischen PTH1R und RAMPs erwies sich als besonders ausgeprägt für RAMP2, und RAMP2 zeigte eine spezifische allosterische Modulation der PTH1R-Konformation, sowohl im basalen als auch im Liganden- aktivierten Zustand. Ein einzigartiger voraktivierter oder (meta-stabiler) Zustand ermöglichte eine schnellere Rezeptoraktivierung auf Liganden-spezifische Weise. Außerdem beeinflusste RAMP2 die G Protein- und Nicht-G Protein-vermittelte Signalübertragung indem es die PTH-vermittelte Gi3-Signalempfindlichkeit und die Kinetik der cAMP-Akkumulation modulierte. Weiterhin erhöhte RAMP2 die Menge der β-Arrestin2-Rekrutierung an PTH1R auf Liganden-spezifische Weise. Dies könnte mit einer erhöhten zytosolischen ERK-Menge zusammenhängen, die hat sich von der nukleären ERK-Phosphorylierung unterscheidet. Um einen molekularen Mechanismus für die vorgestellten Ergebnisse vorzuschlagen, wurden mehrere strukturelle Modelle entwickelt und analysiert. Diese Arbeit liefert den Beweis, dass RAMP die GPCR-Aktivierung mit funktionellen Auswirkungen auf die zelluläre Signalübertragung reguliert. Die Ergebnisse sollten im Zusammenhang mit zellspezifischen Koexpressionsmustern interpretiert werden und können zur Entwicklung von fortschrittlichen Therapeutika positiv beitragen. Da GPCRs praktisch alle Zellfunktionen koordinieren und seit jeher wichtigen Angriffspunkten für Medikamente sind, tragen die vorgestellten Erkenntnisse zum universellen Verständnis der molekularen Mechanismen bei, die den menschlichen Körper orchestrieren. KW - G-Protein gekoppelter Rezeptor KW - GPCR KW - RAMP KW - PTH1R KW - FRET KW - BRET KW - pharmacology KW - Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer KW - Förster Resonanz Energie Transfer Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288588 ER - TY - JOUR A1 - Hartmann, Nico A1 - Knierim, Maria A1 - Maurer, Wiebke A1 - Dybkova, Nataliya A1 - Hasenfuß, Gerd A1 - Sossalla, Samuel A1 - Streckfuss-Bömeke, Katrin T1 - Molecular and functional relevance of Na\(_V\)1.8-induced atrial arrhythmogenic triggers in a human SCN10A knock-out stem cell model JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - In heart failure and atrial fibrillation, a persistent Na\(^+\) current (I\(_{NaL}\)) exerts detrimental effects on cellular electrophysiology and can induce arrhythmias. We have recently shown that Na\(_V\)1.8 contributes to arrhythmogenesis by inducing a I\(_{NaL}\). Genome-wide association studies indicate that mutations in the SCN10A gene (Na\(_V\)1.8) are associated with increased risk for arrhythmias, Brugada syndrome, and sudden cardiac death. However, the mediation of these Na\(_V\)1.8-related effects, whether through cardiac ganglia or cardiomyocytes, is still a subject of controversial discussion. We used CRISPR/Cas9 technology to generate homozygous atrial SCN10A-KO-iPSC-CMs. Ruptured-patch whole-cell patch-clamp was used to measure the I\(_{NaL}\) and action potential duration. Ca\(^{2+}\) measurements (Fluo 4-AM) were performed to analyze proarrhythmogenic diastolic SR Ca\(^{2+}\) leak. The I\(_{NaL}\) was significantly reduced in atrial SCN10A KO CMs as well as after specific pharmacological inhibition of Na\(_V\)1.8. No effects on atrial APD\(_{90}\) were detected in any groups. Both SCN10A KO and specific blockers of Na\(_V\)1.8 led to decreased Ca\(^{2+}\) spark frequency and a significant reduction of arrhythmogenic Ca\(^{2+}\) waves. Our experiments demonstrate that Na\(_V\)1.8 contributes to I\(_{NaL}\) formation in human atrial CMs and that Na\(_V\)1.8 inhibition modulates proarrhythmogenic triggers in human atrial CMs and therefore Na\(_V\)1.8 could be a new target for antiarrhythmic strategies. KW - Na\(_V\)1.8 KW - iPSC-cardiomyocytes KW - late Na\(^+\) current (I\(_{NaL}\)) KW - CRISPR Cas9 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-362708 SN - 1422-0067 VL - 24 IS - 12 ER - TY - THES A1 - Ramge, Vanessa Magali T1 - Untersuchung der Genotoxizität von Pyrrolizidinalkaloiden \(in\) \(vitro\) am Beispiel von Riddelliin und Lasiocarpin T1 - Investigating the genotoxic potential of pyrrolizidine alkaloids \(in\) \(vitro\) using the example of riddelliin and lasiocarpin N2 - PA sind natürliche Pflanzeninhaltsstoffe, die wegen ihres genotoxischen Potentials bekannt sind. Nach Applikation mikromolarer Konzentrationen können bei in vitro Untersuchungen von Leberzellen chromosomale Schäden detektiert werden. PA stehen im Verdacht nach Aufnahme bei Menschen hepatotoxische und kanzerogene Wirkungen nach sich zu ziehen. In dieser Studie wurden Lasiocarpin und Riddelliin an der humanen Leberkarzinomzelllinie Huh6 auf Genotoxizität getestet. Die ausgewählten Methoden waren der MK-Test, der alkalische und der FPG Comet Assay und die γ-H2AX-Färbung. In den Vorversuchen mit BaP und CPA wurde gezeigt, dass die Zellen durch Prodrugs genotoxisch geschädigt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Riddelliin und Lasiocarpin im MK-Test eine dosisabhängige, genotoxische Wirkung auf die Huh6 Zellen haben. Der Einfluss von Lasiocarpin war im MK-Test im Vergleich zum Einfluss von Riddelliin bei geringerer Konzentration detektierbar. Nach einer simultanen Behandlung der Huh6 Zellen mit verschiedenen PA kann konkludiert werden, dass keine signifikante Erhöhung an DNA-Schäden im Vergleich zu Behandlungen mit den Einzelsubstanzen festgestellt werden konnte, was möglicherweise auf eine Erschöpfung der metabolischen Kapazität der Zellen zurückzuführen ist. Insgesamt ist es den Ergebnissen zufolge wahrscheinlich, dass die Entstehung von Crosslinks durch Lasiocarpin und Riddelliin eher eine Rolle in der Genotoxizitätsinduktion auf Huh6 Zellen spielen als oxidativer Stress. Doppelstrangbrüche konnten nicht als sicherer Induktor von Genotoxizität identifiziert werden. Die Besonderheiten der Stoffwechselwege einzelner PA und die Spezifizierung einzelner, für die Metabolisierung relevanter Enzyme sollte in Zukunft Gegenstand der Forschung sein, um die kumulativen Wirkungen von PA besser nachzuvollziehen und die für den Menschen entstehenden Risiken durch die Aufnahme von PA konkretisieren zu können. N2 - PA are naturally occurring secondary plant metabolites which are known for their genotoxic potential. In vitro studies can detect chromosomal damage after application of micromolar doses. Notoriously, some PA are suspected to cause hepatotoxicity and carcinogenicity in human beings as well as in animals. In this study the genotoxic effects of Lasiocarpin and Riddelliin were tested on the human hepatoma cell line Huh6. Therefore, the micronucleus test, the alkaline and the FPG Comet Assay and γ-H2AX Assay were performed. The genotoxic potential of these prodrugs on Huh6 cells was proven in preliminary tests with BaP and CPA. In conclusion, the selected PA Riddelliin and Lasiocarpin induced micronuclei in Huh6 cells in a dose-dependent manner. In comparison to Riddelliin, the influence of Lasiocarpin was detectable at lower concentrations in micronucleus test. After the simultaneous treatment with different structure types of PA it can be observed that there is no significant elevation of DNA damage compared to the single substance tests. Possibly the reason for this is a depletion of the metabolic capacity of the Huh6 cells. Overall, according to the findings of the performed toxicological tests with Lasiocarpin and Riddelliin, it is likely that the formation of crosslinks plays a more important role in the induction of genotoxicity on Huh6 cells than oxidative stress. Double-strand breaks could not be identified as a reliable inducer of genotoxicity in this study. The peculiarities of the metabolic pathways of individual PA and the specification of relevant enzymes for metabolization should be subject of future research to create a better understanding of the cumulative effects and the resulting risks to humans from the ingestion of PA. KW - Pyrrolizidinalkaloide KW - Lasiocarpin KW - Riddelliin KW - Huh6 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319793 ER - TY - JOUR A1 - Janz, Anna A1 - Walz, Katharina A1 - Cirnu, Alexandra A1 - Surjanto, Jessica A1 - Urlaub, Daniela A1 - Leskien, Miriam A1 - Kohlhaas, Michael A1 - Nickel, Alexander A1 - Brand, Theresa A1 - Nose, Naoko A1 - Wörsdörfer, Philipp A1 - Wagner, Nicole A1 - Higuchi, Takahiro A1 - Maack, Christoph A1 - Dudek, Jan A1 - Lorenz, Kristina A1 - Klopocki, Eva A1 - Ergün, Süleyman A1 - Duff, Henry J. A1 - Gerull, Brenda T1 - Mutations in DNAJC19 cause altered mitochondrial structure and increased mitochondrial respiration in human iPSC-derived cardiomyocytes JF - Molecular Metabolism N2 - Highlights • Loss of DNAJC19's DnaJ domain disrupts cardiac mitochondrial structure, leading to abnormal cristae formation in iPSC-CMs. • Impaired mitochondrial structures lead to an increased mitochondrial respiration, ROS and an elevated membrane potential. • Mutant iPSC-CMs show sarcomere dysfunction and a trend to more arrhythmias, resembling DCMA-associated cardiomyopathy. Background Dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA) is an autosomal recessive disorder arising from truncating mutations in DNAJC19, which encodes an inner mitochondrial membrane protein. Clinical features include an early onset, often life-threatening, cardiomyopathy associated with other metabolic features. Here, we aim to understand the metabolic and pathophysiological mechanisms of mutant DNAJC19 for the development of cardiomyopathy. Methods We generated induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) of two affected siblings with DCMA and a gene-edited truncation variant (tv) of DNAJC19 which all lack the conserved DnaJ interaction domain. The mutant iPSC-CMs and their respective control cells were subjected to various analyses, including assessments of morphology, metabolic function, and physiological consequences such as Ca\(^{2+}\) kinetics, contractility, and arrhythmic potential. Validation of respiration analysis was done in a gene-edited HeLa cell line (DNAJC19tv\(_{HeLa}\)). Results Structural analyses revealed mitochondrial fragmentation and abnormal cristae formation associated with an overall reduced mitochondrial protein expression in mutant iPSC-CMs. Morphological alterations were associated with higher oxygen consumption rates (OCRs) in all three mutant iPSC-CMs, indicating higher electron transport chain activity to meet cellular ATP demands. Additionally, increased extracellular acidification rates suggested an increase in overall metabolic flux, while radioactive tracer uptake studies revealed decreased fatty acid uptake and utilization of glucose. Mutant iPSC-CMs also showed increased reactive oxygen species (ROS) and an elevated mitochondrial membrane potential. Increased mitochondrial respiration with pyruvate and malate as substrates was observed in mutant DNAJC19tv HeLa cells in addition to an upregulation of respiratory chain complexes, while cellular ATP-levels remain the same. Moreover, mitochondrial alterations were associated with increased beating frequencies, elevated diastolic Ca\(^{2+}\) concentrations, reduced sarcomere shortening and an increased beat-to-beat rate variability in mutant cell lines in response to β-adrenergic stimulation. Conclusions Loss of the DnaJ domain disturbs cardiac mitochondrial structure with abnormal cristae formation and leads to mitochondrial dysfunction, suggesting that DNAJC19 plays an essential role in mitochondrial morphogenesis and biogenesis. Moreover, increased mitochondrial respiration, altered substrate utilization, increased ROS production and abnormal Ca\(^{2+}\) kinetics provide insights into the pathogenesis of DCMA-related cardiomyopathy. KW - cell biology KW - molecular biology KW - dilated cardiomyopathy with ataxia KW - genetics KW - metabolism KW - mitochondria KW - OXPHOS KW - ROS KW - contractility Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350393 SN - 2212-8778 VL - 79 ER - TY - INPR A1 - Brenner, Marian A1 - Zink, Christoph A1 - Witzinger, Linda A1 - Keller, Angelika A1 - Hadamek, Kerstin A1 - Bothe, Sebastian A1 - Neuenschwander, Martin A1 - Villmann, Carmen A1 - von Kries, Jens Peter A1 - Schindelin, Hermann A1 - Jeanclos, Elisabeth A1 - Gohla, Antje T1 - 7,8-Dihydroxyflavone is a direct inhibitor of pyridoxal phosphatase T2 - eLife N2 - Vitamin B6 deficiency has been linked to cognitive impairment in human brain disorders for decades. Still, the molecular mechanisms linking vitamin B6 to these pathologies remain poorly understood, and whether vitamin B6 supplementation improves cognition is unclear as well. Pyridoxal phosphatase (PDXP), an enzyme that controls levels of pyridoxal 5’-phosphate (PLP), the co-enzymatically active form of vitamin B6, may represent an alternative therapeutic entry point into vitamin B6-associated pathologies. However, pharmacological PDXP inhibitors to test this concept are lacking. We now identify a PDXP and age-dependent decline of PLP levels in the murine hippocampus that provides a rationale for the development of PDXP inhibitors. Using a combination of small molecule screening, protein crystallography and biolayer interferometry, we discover and analyze 7,8-dihydroxyflavone (7,8-DHF) as a direct and potent PDXP inhibitor. 7,8-DHF binds and reversibly inhibits PDXP with low micromolar affinity and sub-micromolar potency. In mouse hippocampal neurons, 7,8-DHF increases PLP in a PDXP-dependent manner. These findings validate PDXP as a druggable target. Of note, 7,8-DHF is a well-studied molecule in brain disorder models, although its mechanism of action is actively debated. Our discovery of 7,8-DHF as a PDXP inhibitor offers novel mechanistic insights into the controversy surrounding 7,8-DHF-mediated effects in the brain. KW - 7,8-dihydroxyflavone (7,8-DHF) KW - pyridoxal phosphatase (PDXP) KW - vitamin B6 KW - PDXP inhibitors Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350446 ER - TY - THES A1 - Horn, Daniela T1 - Kardiotoxizität von CTRPs und das Vorkommen der CTRP-Rezeptoren in Kardiomyozyten T1 - Cardiotoxicity of CTRPs and the presence of CTRP receptors in cardiomyocytes N2 - Die C1q/tumor necrosis factor-related proteins (CTRPs) sind eine Ligandenfamilie aus sezernierten Plasmaproteinen, welche sich in ihrem Grundbauplan ähneln. Daten aus der Literatur deuten darauf hin, dass sie zum Teil positive Effekte auf den Stoffwechsel und das Herz-Kreislaufsystem besitzen und somit eine mögliche therapeutische Zielstruktur darstellen. Während für manche CTRPs bereits Rezeptoren identifiziert werden konnten, ist für andere immer noch nicht geklärt, an welche Rezeptoren sie binden oder über welche sie diese Wirkungen erzielen. Um die CTRPs zukünftig therapeutisch nutzen zu können, muss die Wirkung der CTRPs auf verschiedene Zellen weiter analysiert werden. Dafür wurden in dieser Arbeit Zellen, auf die Expression bereits bekannter CTRP-Rezeptoren hin, untersucht. Des Weiteren wurden die durch CTRP2, CTRP3, CTRP4, CTRP9A, CTRP10, CTRP11, CTRP13 und CTRP14 induzierten Änderungen in der ATP- und Laktatproduktion als Surrogatparameter für Kardiotoxizität in den Kardiomyozytenzelllinien H9c2 und AC16 getestet, um potenziell kardiotoxische Wirkungen frühzeitig erkennen zu können. Es konnte gezeigt werden, dass die CTRPs sicher für Kardiomyozyten zu sein scheinen, was eine wichtige Grundlage für die therapeutische Nutzbarkeit darstellt. N2 - C1q/tumor necrosis factor-related proteins (CTRPs) are a ligand family of secreted plasma proteins that are similar in their basic structure. Literature on the subject indicate that some of them have positive effects on the metabolism and the cardiovascular system and therefore represent a potential therapeutic target structure. While some receptors have already been identified for some CTRPs, for others it is still not clear which receptors they bind to or through which they achieve these effects. In order to be able to use the CTRPs therapeutically in the future, the effect of the CTRPs on different cells must be further analyzed. For that cells were examined in this study for the expression of already known CTRP receptors. Furthermore, CTRP2, CTRP3, CTRP4, CTRP9A, CTRP10, CTRP11, CTRP13 and CTRP14 were tested in the cardiomyocyte cell lines H9c2 and AC16 with respect to their effect on production of ATP and lactate as surrogate parameters for cardiotoxicity in order to be able to recognize potentially cardiotoxic effects at an early stage. It was shown that the CTRPs appear to be safe for cardiomyocytes, which is an important basis for therapeutic utility. KW - Herzmuskelzelle KW - Zelllinie KW - CTRP KW - C1q/tumor necrosis factor-related proteins KW - Kardiomyozyten Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349029 ER - TY - JOUR A1 - Eberl, Hanna A1 - Rebs, Sabine A1 - Hoppe, Stefanie A1 - Sedaghat-Hamedani, Farbod A1 - Kayvanpour, Elham A1 - Meder, Benjamin A1 - Streckfuss-Bömeke, Katrin T1 - Generation of an RBM20-mutation-associated left-ventricular non-compaction cardiomyopathy iPSC line (UMGi255-A) into a DCM genetic background to investigate monogenetic cardiomyopathies JF - Stem Cell Research N2 - RBM20 mutations account for 3 % of genetic cardiomypathies and manifest with high penetrance and arrhythmogenic effects. Numerous mutations in the conserved RS domain have been described as causing dilated cardiomyopathy (DCM), whereas a particular mutation (p.R634L) drives development of a different cardiac phenotype: left-ventricular non-compaction cardiomyopathy. We generated a mutation-induced pluripotent stem cell (iPSC) line in which the RBM20-LVNC mutation p.R634L was introduced into a DCM patient line with rescued RBM20-p.R634W mutation. These DCM-634L-iPSC can be differentiated into functional cardiomyocytes to test whether this RBM20 mutation induces development of the LVNC phenotype within the genetic context of a DCM patient. KW - cell biology KW - developmental biology KW - general medicine KW - RBM20 mutations KW - DCM genetic background KW - monogenetic cardiomyopathies Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350565 SN - 1873-5061 VL - 74 ER - TY - THES A1 - Hadi, Naji Said Aboud T1 - In vitro Studies on the Genotoxicity of Selected Pyrrolizidine Alkaloids T1 - In-vitro-Studien zur Genotoxizität ausgewählter Pyrrolizidinalkaloide N2 - Cancer is one of the leading causes of death worldwide. Toxic contaminants in human food or medicinal products, such as substances like pyrrolizidine alkaloids (PAs), have been thought to contribute to cancer incidence. PAs are found in many plant species as secondary metabolites, and they may affect humans through contaminated food sources, herbal medicines, and dietary supplements. Hundreds of compounds belonging to PAs have been identified, differing in their chemical structures, either in their necine base moiety or esterification at their necic acid moiety. PAs undergo hepatic metabolism, and after this process, they can induce hepatotoxicity, genotoxicity, and carcinogenicity. However, the mechanism of inducing genotoxicity and carcinogenicity is still unclear and warrants further investigation. Therefore, the present study aims to investigate the mechanism of genotoxicity induced by selected PAs with different chemical structures in in vitro systems. Primarily, human hepatoma HepG2 cells were utilized, and in co-culture, metabolically active HepG2 cells were combined with non-metabolically active human cervical HeLa H2B-GFP cells. First, the genotoxicity of the PAs europine, lycopsamine, retrorsine, riddelliine, seneciphylline, echimidine, and lasiocarpine was investigated in the cytokinesis-block micronucleus (CBMN) assay. All seven selected PAs caused the formation of micronuclei in a dose-dependent manner, with the maximal increase of micronucleus formation ranging from 1.64 to 2.0 fold. The lowest concentrations at which significant induction of micronuclei was found were 3.2 µM for lasiocarpine and riddelliine, 32 µM for retrorsine and echimidine, and 100 µM for seneciphylline, europine, and lycopsamine. These results confirmed previously published potency rankings in the micronucleus assay. The same PAs, with the exception of seneciphylline, were also investigated in a crosslink-modified comet assay, and reduced tail formation after hydrogen peroxide treatment was found in all diester-type PAs. Meanwhile, an equimolar concentration of the monoesters europine and lycopsamine did not significantly reduce DNA migration. Thus, the crosslinking activity was related to the ester type. Next, the role of metabolic enzymes and membrane transporters in PA-induced genotoxicity was assessed. Ketoconazole (CYP 450-3A4 inhibitor) prevented lasiocarpine-induced micronucleus formation completely, while furafylline (CYP 450-1A2 inhibitor) reduced lasiocarpine-induced micronucleus formation, but did not abolish it completely. This implies that the CYP 450 enzymes play an important role in PA-induced genotoxicity. Carboxylesterase 2 enzyme (CES 2) is commonly known to be involved in the detoxification of xenobiotics. Loperamide (CES 2 inhibitor) yielded an increased formation of lasiocarpine-induced micronuclei, revealing a possible role of CES-mediated detoxification in the genotoxicity of lasiocarpine. Also, intracellular glutathione (GSH) plays an important role in the detoxification of xenobiotics or toxins in the cells. Cells which had been pretreated with L-buthionine sulfoximine (BSO) to reduce GSH content were significantly more sensitive for the induction of micronucleus formation by lasiocarpine revealing the importance of GSH in PA-induced genotoxicity. Quinidine (Q) and nelfinavir (NFR) are OCT1 and OATP1B1 influx transporter inhibitors, respectively, which reduced micronucleus induction by lasiocarpine (only quinidine significantly), but not completely, pointing to a relevance of OCT1 for PA uptake in HepG2 cells. Verapamil (V) and benzbromarone (Bz) are MDR1 and MRP2 efflux transporter inhibitors, respectively, and they caused a slightly increased micronucleus induction by lasiocarpine (significant only for benzbromarone) thus, revealing the role of efflux transporters in PA-induced genotoxicity. The mechanistic approach to PA-induced genotoxicity was further studied based on oxidative stress via the formation of reactive oxygen species (ROS) in HepG2 cells. Overproduction of ROS can cross-link cellular macromolecules such as DNA, leading to genomic damage. An equimolar concentration of 10 µM of lasiocarpine (open-diester PA), riddelliine (cyclic-diester PA), and europine (monoester) significantly induced ROS production, with the highest ROS generation observed after lasiocarpine treatment, followed by riddelliine and then europine. No significant increase in ROS production was found with lycopsamine (10 µM; monoester PA), even at a higher concentration (320 µM). The generation of ROS by these PAs was further analyzed for confirmation by using 5 mM of the thiol radical scavenger antioxidant N-acetyl cysteine (NAC) combined with lasiocarpine, riddelliine, or europine. This analysis yielded a significant decrease in ROS after combining NAC with lasiocarpine, riddelliine, and europine. In addition, lasiocarpine, riddelliine, and europine induced a loss of mitochondrial membrane potential, pointing to mitochondria as the source of ROS generation. In vivo, hepatic sinusoidal epithelial cells (HSECs) are known to be damaged first by PAs after hepatic metabolization, but HSECs themselves do not express the required metabolic enzymes for activation of PAs. To mimic this situation, HepG2 cells were used to metabolically activate PA in a co-culture with HeLa H2B-GFP cells as non-metabolically active neighbours. Due to the green fluorescent GFP label the HeLa cells could be identified easily based in the co-culture. The PAs europine, riddelliine and lasiocarpine induced micronucleus formation in HepG2 cells, and in HeLa H2B-GFP cells co-cultured with HepG2 cells, but not in HeLa H2B-GFP cells cultured alone. Metabolic inhibition of CYP 450 enzymes with ketoconazole abrogated micronucleus formation induced by the same PAs tested in the co-culture. The efflux transporter inhibitors verapamil and benzbromarone reduced the micronucleus formation in the co-culture. Furthermore, mitotic disturbances as an additional genotoxic mechanism of action were observed in HepG2 cells and in HeLa H2B-GFP cells co-cultured with HepG2 cells, but not in HeLa H2B-GFP cells cultured alone. Overall, we were able to show that PAs were activated by HepG2 cells and the metabolites induced genomic damage in co-cultured non-metabolically active green HeLa cells. Finally, in HepG2 cells as well as the co-culture, combinations of PAs lasiocarpine and riddelliine favoured an additive effect rather than synergism. Thus, this study therefore provides support that the assumption of dose-addition can be applied in the characterization of the genotoxicity risk of PAs present in a mixture. N2 - Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Toxische Verunreinigungen in Lebensmitteln oder pflanzlichen Arzneimitteln, wie Pyrrolizidinalkaloide (PAs), können zur Krebsinzidenz beitragen. PAs kommen in vielen Pflanzenarten als Sekundärmetabolite vor. Menschen können diese über kontaminierte Nahrungsquellen, pflanzliche Arzneimittel und Nahrungsergänzungsmittel aufnehmen. Eine Vielzahl von Verbindungen, die zu pyrrolizidinalkaloidhaltigen Substanzen (PAs) gehören, wurden identifiziert. Diese unterscheiden sich in ihrer chemischen Struktur entweder durch ihre Necinbaseneinheit oder ihre Veresterung an der Necicsäureeinheit. Nach metabolischer Aktivierung in der Leber können PAs Hepatotoxizität, Genotoxizität und Karzinogenität induzieren. Jedoch ist der Genotoxizitätsmechanismus nicht vollständig aufgeklärt und erfordert weitere Untersuchungen. Das Ziel dieser Studie liegt in der Untersuchung des Mechanismus der Genotoxizität, die in vitro durch bestimmte PAs mit unterschiedlicher chemischer Struktur induziert wird. Hierbei wurden primär humane Hepatom-HepG2-Zellen verwendet sowie in Co-Kultur metabolisch aktive HepG2-Zellen und nicht-metabolisch aktive humane zervikale HeLa H2B-GFP-Zellen. Zunächst wurde die Genotoxizität der PAs Europin, Lycopsamin, Retrorsin, Riddelliin, Seneciphyllin, Echimidin und Lasiocarpin im Zytokinese-Block-Mikronukleus-Assay (CBMN) untersucht. Die sieben (7) ausgewählten PAs führten dosisabhängig zur Bildung von Mikrokernen. Der maximale Anstieg der Mikronukleusbildung lag für alle PAs im Bereich des 1,64- bis 2,0-fachen des Ausgangswertes. Die niedrigsten Konzentrationen, bei denen eine signifikante Induktion von Mikrokernen gefunden wurde, waren 3,2 μM für Lasiocarpin und Riddelliin, 32 μM für Retrorsin und Echimidin sowie 100 μM für Seneciphyllin, Europin und Lycopsamin. Diese Ergebnisse bestätigen zuvor veröffentlichte Potenz-Rankings im Mikronukleus-Assay. Die Genotoxizität der gleichen PAs, mit Ausnahme von Seneciphyllin, wurde zusätzlich mittels eines Crosslink-modifizierten Comet-Assay untersucht. Es wurde eine reduzierte Schweifbildung nach der Behandlung mit Wasserstoffperoxid in allen PAs des Diestertyps gefunden, während eine äquimolare Konzentration der Monoester Europin und Lycopsamin die DNA-Migration nicht signifikant reduzierte. Dies deutet darauf hin, dass die Vernetzungsaktivität von PAs auf der Ester-Einheit beruht. Als nächstes wurde die Rolle von Stoffwechselenzymen und Membrantransportern in der PA-induzierten Genotoxizität untersucht. Ketoconazol (CYP 450-3A4-Inhibitor) verhinderte die Lasiocarpin-induzierte Mikronukleusbildung vollständig, während Furafyllin (CYP 450-1A2-Inhibitor) die Lasiocarpin-induzierte Mikronukleusbildung reduzierte, aber nicht vollständig beseitigte. Dies deutet darauf hin, dass CYP 450-Enzyme eine wichtige Rolle bei der PA-induzierten Genotoxizität spielen. Es ist allgemein bekannt, dass das Enzym Carboxylesterase 2 (CES-2) an der Entgiftung von Xenobiotika beteiligt ist. Loperamid (CES-2-Inhibitor) führte zu einer erhöhten Bildung von Lasiocarpin-induzierten Mikrokernen, was auf eine mögliche Rolle der CES-vermittelten Entgiftung bei der Genotoxizität von Lasiocarpin hindeutet. Auch intrazelluläres Glutathion (GSH) spielt eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Xenobiotika oder Toxinen. Zellen, die mit L-Buthioninsulfoximin (BSO) vorbehandelt worden waren, um den GSH-Gehalt zu reduzieren, waren signifikant empfindlicher für die Induktion der Mikronukleusbildung durch Lasiocarpin, was die Bedeutung von GSH für die PA-induzierte Genotoxizität zeigt. Chinidin (Q) und Nelfinavir (NFR) sind OCT1- bzw. OATP1B1-Influx-Transporter-Inhibitoren, die die Mikronukleus-Induktion durch Lasiocarpin reduzierten (nur Chinidin signifikant), aber nicht vollständig, was auf eine Relevanz von OCT1 für die PA-Aufnahme in HepG2-Zellen hindeutet.Verapamil (V) und Benzbromaron (Bz) sind MDR1- bzw. MRP2-Efflux-Transporter-Inhibitoren und verursachten eine leicht erhöhte Mikronukleus-Induktion durch Lasiocarpin (signifikant nur für Benzbromaron), was die Rolle von Efflux-Transportern bei der PA-induzierten Genotoxizität aufzeigt. Der Mechanismus der PA-induzierten Genotoxizität wurde auf der Grundlage von oxidativem Stress durch die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in HepG2-Zellen weiter untersucht. Eine Überproduktion von ROS kann zelluläre Makromoleküle wie DNA vernetzen, was zu genomischen Schäden führt. Eine äquimolare Konzentration von 10 μM von Lasiocarpin (Open-Diester PA), Riddelliin (Cyclic-Diester PA) und Europin (Monoester) induzierte signifikant die ROS-Produktion, wobei die höchste ROS-Erzeugung nach Lasiocarpin-Behandlung beobachtet wurde, gefolgt von Riddelliin und Europin. Mit Lycopsamin (10 μM; Monoester PA) wurde auch bei höherer Konzentration (320 μM) keine signifikante Steigerung der ROS-Produktion gefunden. Um die Beteiligung von ROS am Mechanismus der Genotoxizität einzelner PAs genauer zu betrachten und die bisherigen Ergebnisse zu bestätigen, wurden weitere Untersuchungen in Anwesenheit des Sauerstoffradikalfängers N-Acetylcysteine (NAC) in Kombination mit Lasiocarpin, Riddelliin oder Europin durchgeführt. Diese Analyse ergab eine signifikante Abnahme der ROS-Produktion nach der Kombination von NAC mit Lasiocarpin, Riddelliin und Europin. Darüber hinaus induzierten Lasiocarpin, Riddelliin und Europin Veränderungen im mitochondrialen Membranpotenzial. Dies deutet darauf hin, dass ROS vermehrt in den Mitochondrien der Zellen gebildet werden. Aus in vivo Daten ist bekannt, dass hepatische sinusoidale Epithelzellen (HSECs) die Zelltypen innerhalb der Leber sind, die nach der metabolischen Aktivierung von PAs zuerst geschädigt werden. Jedoch exprimieren HSECs nicht die erforderlichen Stoffwechselenzyme für die Aktivierung von PAs. Um diese Situation nachzuahmen, wurden HepG2-Zellen verwendet, um PAs in einer Kokultur mit HeLa H2B-GFP-Zellen als nicht-metabolisch aktive Nachbarn metabolisch zu aktivieren. Durch die grün fluoreszierende GFP-Markierung konnten die HeLa-Zellen in der Co-Kultur leicht identifiziert werden. Die PAs Europine, Riddelliin und Lasiocarpin induzierten die Bildung von Mikrokernen in HepG2-Zellen und in HeLa H2B-GFP-Zellen, die mit HepG2-Zellen kokultiviert wurden, jedoch nicht in HeLa H2B-GFP-Zellen, die allein kultiviert wurden. Die metabolische Hemmung von CYP 450-Enzymen mit Ketoconazol hob die Mikronukleusbildung, welche durch die zuvor getesteten PAs induziert wurde, auf. Die Efflux-Transporter-Inhibitoren Verapamil und Benzbromaron reduzierten die Mikronukleusbildung in der Kokultur. Darüber hinaus wurden mitotische Störungen als zusätzlicher genotoxischer Wirkmechanismus in der Co-Kultur aus HepG2-Zellen und in HeLa H2B-GFP-Zellen beobachtet, jedoch nicht in HeLa H2B-GFP-Zellen, die allein kultiviert wurden. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass PAs durch HepG2-Zellen bioaktiviert werden können und aus PAs gebildete Metabolite genomische Schäden in kokultivierten, nicht-metabolisch aktiven HeLa-Zellen induzierten. Abschließend zeigen Kombinationen der PAs Lasiocarpin und Riddelliin sowohl in HepG2-Zellen als auch in der Co-Kultur eher einen additiven Effekt als einen Synergismus. Diese Studie liefert daher Unterstützung für die Annahme, dass die Dosisaddition zur Charakterisierung des genotoxischen Risikos von in einem Gemisch vorhandenen PAs angewendet werden kann. KW - Pyrrolizidine alkaloids KW - HeLa H2B-GFP-Zellen KW - Pyrrolizidinalkaloide KW - Kleinkern KW - Mutagenität KW - Genotoxizität KW - DNA-Vernetzung KW - mitotische Störung KW - Co-culture KW - metabolische Aktivierung KW - Membrantransporter KW - metabolische Enzyme KW - HepG2-Zellen KW - Genotoxicity KW - Micronuclei KW - DNA crosslink KW - Mitotic disturbance KW - Metabolic activation KW - Membrane transporters KW - Metabolic enzymes KW - HepG2 cells KW - HeLa H2B-GFP cells KW - micronucleus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-370376 ER -