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Effects of nerve growth factor on TGF-Beta,Smad signal transduction in PC12 cells

Einfluß von NGF auf die TGF-ß/Smad Signaltransduktion in PC12 Zellen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-4248
  • Transforming growth factor-ß (TGF-ß) is a multifunctional cytokine that is engaged in regulating versatile cellular processes that are pivotal for development and homeostasis of most tissues in multicellular organisms. TGF-ß signal transduction is initially propagated by binding of TGF-ß to transmembrane serine/threonine kinase receptors, designated TßRI and TßRII. Upon activation, the receptors phosphorylate Smad proteins which serve as downstream mediators that enter the nucleus and finally trigger transcriptional responses of specific genes.Transforming growth factor-ß (TGF-ß) is a multifunctional cytokine that is engaged in regulating versatile cellular processes that are pivotal for development and homeostasis of most tissues in multicellular organisms. TGF-ß signal transduction is initially propagated by binding of TGF-ß to transmembrane serine/threonine kinase receptors, designated TßRI and TßRII. Upon activation, the receptors phosphorylate Smad proteins which serve as downstream mediators that enter the nucleus and finally trigger transcriptional responses of specific genes. During the past years, it became evident that signaling cascades do not proceed in a linear fashion but rather represent a complex network of numerous pathways that mutually influence each other. Along these lines, members of the TGF-ß superfamily are attributed to synergize with neurotrophins. Together, they mediate neurotrophic effects in different populations of the nervous system, suggesting that an interdependence exists between TGF-ßs on the one hand and neurotrophins on the other. In the present work, the crosstalk of NGF and TGF-ß/Smad signaling pathways is characterized in rat pheochromocytoma cells (PC12) which are frequently used as a model system for neuronal differentiation. PC12 cells were found to be unresponsive to TGF-ß due to limiting levels of TßRII. However, stimulation with NGF results in initiation of Smad-mediated transcription independent of TGF-ß. Binding of NGF to functional TrkA receptors triggers activation of Smad3. This NGF-dependent Smad activation occurs by a mechanism which is different from being induced by TGF-ß receptors in that it provokes a different phosphorylation pattern of R-Smads. Together with an inferior role of TßRI, Smad3 is proposed to serve as a substrate for cellular kinases other than TßRI. Based on the presented involvement of components of both, the MAPK/Erk and the TAK1/MKK6 cascade, signal mediators of these pathways rank as candidates to mediate direct activation of Smad3. Smad3 is subsequently translocated to the nucleus and activates transcription in a Smad4-dependent manner. Negative regulation is provided by Smad7 which was found to act as a potent inhibitor of Smad signaling not only in TGF-ß- but also in NGF-mediated cascades. The potential of NGF to activate the Smad pathway independent of TGF-ß might be of special importance in regulating expression of genes that are essential for the development and function of neuronal cells or of other NGF-sensitive cells, in particular those which are TGF-ß-resistant.show moreshow less
  • Das multifunktionelle Zytokin TGF-ß ist an der Regulation vielfältiger zellulärer Prozesse beteiligt. Diese sind für die Entwicklung und die Homöostase der meisten Gewebe vielzelliger Organismen essenziell. Die TGF-ß Signaltransduktionskaskade wird durch die Bindung des Zytokins an spezifische transmembrane Serin/Threonin-Kinase Rezeptoren (TßRI und TßRII) initiiert. Eine solche Rezeptoraktivierung führt zur Phosphorylierung von Smad Proteinen. Diese dienen der Signalweiterleitung, indem sie anschließend in den Zellkern translozieren und dortDas multifunktionelle Zytokin TGF-ß ist an der Regulation vielfältiger zellulärer Prozesse beteiligt. Diese sind für die Entwicklung und die Homöostase der meisten Gewebe vielzelliger Organismen essenziell. Die TGF-ß Signaltransduktionskaskade wird durch die Bindung des Zytokins an spezifische transmembrane Serin/Threonin-Kinase Rezeptoren (TßRI und TßRII) initiiert. Eine solche Rezeptoraktivierung führt zur Phosphorylierung von Smad Proteinen. Diese dienen der Signalweiterleitung, indem sie anschließend in den Zellkern translozieren und dort die Transkription spezifischer Zielgene modulieren. In den letzten Jahren wurde deutlich, dass Signalkaskaden nicht nur linear weitergeleitet werden, sondern dass vielmehr ein komplexes Netzwerk aus zahlreichen, sich gegenseitig regulierenden, Signalwegen existiert. In diesem Zusammenhang wird auch den Mitgliedern der TGF-ß Superfamilie zugeschrieben, dass sie mit Neurotrophinen kooperieren und somit deren Effekte in unterschiedlichen neuronalen Zellpopulationen unterstützen. In der vorliegenden Arbeit wurde der "crosstalk" von NGF- und TGF-ß/Smad-Signalwegen charakterisiert. Als Zellsystem dienten dazu Ratten Pheochromocytoma Zellen (PC12), die weithin als Modellsystem für neuronale Differenzierung verwendet werden. Basierend auf der Expression limitierender Mengen an TßRII, zeigen PC12 Zellen keine Responsivität gegenüber TGF-ß. Stimulation mit NGF hingegen resultiert - unabhängig von TGF-ß - in der Initiation von Smad-vermittelter Transkription. Die initiale Bindung von NGF an TrkA Rezeptoren führt zur Aktivierung von Smad3. Diese NGF-induzierte Smad-Aktivierung unterscheidet sich von der durch TGF-ß-Rezeptoren initiierten Aktivierung hinsichtlich des Phosphorylierungsmusters der R-Smads. Da weiterhin gezeigt werden konnte, dass die TGF-ß Rezeptoren für NGF-induzierte Ereignisse eine untergeordnete Rolle spielen, wird angenommen, dass Smad3 ein Substrat für andere zelluläre Kinasen als TßRI ist. Die hier nachgewiesene Beteiligung der MAPK/Erk Kaskade sowie des TAK1/MKK6 Signalwegs an der Weiterleitung des NGF-Signals machen deren Signalmoleküle zu potenziellen Kinasen für die direkte Aktivierung von Smad3. Im Anschluß daran erfolgt die nukleäre Translokation des Smad3 und spezifische Promotoraktivierungen unter Beteiligung von Smad4. Abschließend konnte gezeigt werden, dass das Smad7 Protein, nicht nur nach TGF-ß- sondern auch nach NGF-Stimulation als effektiver Inhibitor der Smad Signalkaskade wirkt. Die bislang unbekannte Fähigkeit, den Smad-Signaltransduktionsweg unabhängig von TGF-ß zu aktivieren, schreibt NGF eine besondere Bedeutung für die Genregulation in neuronalen Zellpopulationen oder anderen NGF-sensitiven - insbesondere TGF-ß-resistenten - Zellen zu.show moreshow less

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Metadaten
Author: Marion Lutz
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-4248
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Medizinische Fakultät / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2003/01/15
Language:English
Year of Completion:2002
Source:Cellular signalling 2002; 14: 977-988
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Transforming growth factor beta; Nervenwachstumsfaktor; Signaltransduktion
Tag:NGF; Signaltransduktion; TGF-ß
NGF; TGF-ß; crosstalk; signal transduction
Release Date:2003/01/20
Advisor:Prof. Dr. Walter Sebald