Sabrina Moro

• Furan was recently found to be present in a variety of food items that undergo heat treatment. It is known to act as a potent hepatotoxin and liver carcinogen in rodents. In a 2-year bioassay, chronic furan administration to rats was shown to cause hepatocellular adenomas and carcinomas and very high incidences of cholangiocarcinomas even at the lowest furan dose tested (2.0 mg/kg bw). However, the mechanisms of furan-induced tumor formation are poorly understood. Furan is metabolized by cytochrome P450 (CYP) enzymes, predominantly CYP2E1, toFuran was recently found to be present in a variety of food items that undergo heat treatment. It is known to act as a potent hepatotoxin and liver carcinogen in rodents. In a 2-year bioassay, chronic furan administration to rats was shown to cause hepatocellular adenomas and carcinomas and very high incidences of cholangiocarcinomas even at the lowest furan dose tested (2.0 mg/kg bw). However, the mechanisms of furan-induced tumor formation are poorly understood. Furan is metabolized by cytochrome P450 (CYP) enzymes, predominantly CYP2E1, to its major metabolite cis-2-butene-1,4-dial (BDA). BDA is thought to be the key mediator of furan toxicity and carcinogenicity and was shown to react with cellular nucleophiles such as nucleosides and amino acid residues in vitro. It is well known that covalent protein binding may lead to cytotoxicity, but the cellular mechanisms involved remain to be elucidated. Since covalent binding of reactive intermediates to a target protein may result in loss of protein function and subsequent damage to the cell, the aim of this study was to identify furan target proteins to establish their role in the pathogenesis of furan-associated liver toxicity and carcinogenicity. In order to identify target proteins of furan reactive metabolites, male F344/N rats were administered [3,4-14C]-furan. Liquid scintillation counting of protein extracts revealed a dose-dependent increase of radioactivity covalently bound to liver proteins. After separation of the liver protein extracts by two-dimensional gel electrophoresis and subsequent detection of radioactive spots by fluorography, target proteins of reactive furan intermediates were identified by mass spectrometry and database search via Mascot. A total of 61 putative target proteins were consistently found to be adducted in 3 furan-treated rats. The identified proteins represent - among others - enzymes, transport proteins, structural proteins and chaperones. Pathway mapping tools revealed that target proteins are predominantly located in the cytosol and mitochondria and participate in glucose metabolism, mitochondrial β-oxidation of fatty acids, and amino acid degradation. These findings together with the fact that ATP synthase β subunit was also identified as a putative target protein strongly suggest that binding of furan reactive metabolites to proteins may result in mitochondrial injury, impaired cellular energy production, and altered redox state, which may contribute to cell death. Moreover, several proteins involved in the regulation of redox homeostasis represent putative furan target proteins. Loss of function of these proteins by covalent binding of furan reactive metabolites may impair cellular defense mechanisms against oxidative stress, which may also result in cell death. Besides the potential malfunction of whole pathways due to loss of functions of several participating proteins, loss of function of individual proteins which are involved in various cellular processes such as transport processes across the mitochondrial membranes, cell signaling, DNA methylation, blood coagulation, and bile acid transport may also contribute to furan-induced cytotoxicity and carcinogenicity. Covalent binding of reactive metabolites to cellular proteins may result in accumulation of high amounts of unfolded or damaged proteins in the endoplasmic reticulum (ER). In response to this ER stress, the cell can activate the unfolded protein response (UPR) to repair or degrade damaged proteins. To address whether binding of furan reactive metabolites to cellular proteins triggers activation of the UPR, semiquantitative PCR and TaqMan® real-time PCR were performed. In the case of UPR activation, semiquantitative PCR should show enhanced splicing of X-box binding protein-1 (XBP1) mRNA (transcription factor and key regulator of the UPR) and TaqMan® real-time PCR should determine an increased expression of UPR target genes. However, our data showed no evidence for activation of the UPR in the livers of rats treated either with a single hepatotoxic dose or with a known carcinogenic dose for 4 weeks. This suggests either that furan administration does not induce ER stress through accumulation of damaged proteins or that activation of the UPR is disrupted. Consistent with the latter, glucose-regulated protein 78 (GRP78), identified as a target protein in our study, represents an important mediator involved in activation of the UPR whose inhibition was shown to impair induction of the UPR. Thus, adduct formation and inactivation of GRP78 by furan metabolites may disturb activation of the UPR. In addition to impaired activation of UPR, protein repair and degradation functions may be altered, because several proteins involved in these processes also represent target proteins of furan and thus may show impaired functionality. Taken together...…
• Im Rahmen von Untersuchungen der U.S. Food and Drug Administration (FDA) wurde im Jahr 2004 bekannt, dass Furan in verschiedensten hitzebehandelten Lebensmitteln vorkommt. Durch Tierstudien des National Toxicology Programs (NTP) aus den 90er Jahren wusste man bereits, dass Furan hepatotoxische und leberkanzerogene Wirkungen in Nagern verursacht. In diesen Studien wurden nach chronischer Verabreichung von Furan an Ratten über einen Zeitraum von 2 Jahren bereits bei der niedrigsten getesteten Dosis von 2 mg/kg Körpergewicht hepatozelluläreIm Rahmen von Untersuchungen der U.S. Food and Drug Administration (FDA) wurde im Jahr 2004 bekannt, dass Furan in verschiedensten hitzebehandelten Lebensmitteln vorkommt. Durch Tierstudien des National Toxicology Programs (NTP) aus den 90er Jahren wusste man bereits, dass Furan hepatotoxische und leberkanzerogene Wirkungen in Nagern verursacht. In diesen Studien wurden nach chronischer Verabreichung von Furan an Ratten über einen Zeitraum von 2 Jahren bereits bei der niedrigsten getesteten Dosis von 2 mg/kg Körpergewicht hepatozelluläre Adenome und Karzinome sowie sehr hohe Inzidenzen von Cholangiokarzinomen beobachtet. Die Mechanismen, die der Tumorentstehung durch Furan zugrunde liegen, sind jedoch bis heute nicht ausreichend untersucht. Furan wird durch Enzyme der Cytochrom P450 (CYP) Familie, vor allem durch CYP2E1, zu seinem Hauptmetaboliten cis-2-Buten-1,4-dial (BDA) verstoffwechselt. Der reaktive Furan-Metabolit BDA kann in vitro mit zellulären Nukleophilen wie Nukleosiden und Aminosäureresten reagieren. Verschiedene Untersuchungen weisen darauf hin, dass die toxischen und kanzerogenen Effekte von Furan hauptsächlich durch BDA vermittelt werden. Es ist seit langem bekannt, dass kovalente Bindung an Proteine zu Zytotoxizität führen kann. Der zugrunde liegende Mechanismus ist bislang noch ungeklärt. Es wird jedoch vermutet, dass die kovalente Bindung von reaktiven Metaboliten an Proteine zu deren Funktionsverlust führt, was wiederum fatale Konsequenzen für die Zellen haben kann. Eine Identifizierung der Zielproteine von Furan, d.h. jener Proteine an denen eine Adduktbildung durch reaktive Metabolite von Furan erfolgt, könnte daher Aufschluss über deren mögliche Rolle in der Pathogenese der durch Furan induzierten Lebertoxizität und -kanzerogenität geben. Um die Zielproteine reaktiver Furan-Metabolite zu identifizieren, wurde [3,4-14C]-Furan an männliche F344/N Ratten verabreicht. Durch Flüssigkeitsszintillationszählung der Proteinextrakte wurde ein dosisabhängiger Anstieg der kovalent an Leberproteine gebundenen Radioaktivität ermittelt. Nach der Auftrennung der Leberproteinextrakte durch zweidimensionale Gelelektrophorese und der Detektion der radioaktiven Spots durch Fluorographie wurden die Zielproteine reaktiver Furan-Metabolite durch Massenspektrometrie und Datenbanksuche (Mascot-Datenbank) identifiziert. In 3 Ratten, die mit Furan behandelt worden waren, wurden übereinstimmend 61 mögliche Zielproteine von Furan identifiziert. Unter diesen Zielproteinen waren unter anderem Enzyme, Transportproteine, Strukturproteine und Chaperones vertreten. Die Zuordnung der identifizierten Proteine zu zellulären Signal- und Stoffwechselwegen mittels spezieller Software zeigte, dass die Zielproteine hauptsächlich aus dem Zytosol und den Mitochondrien stammen und an Glucosemetabolismus, mitochondrieller β-Oxidation von Fettsäuren und dem Abbau von Aminosäuren beteiligt sind. Außerdem wurde auch die β-Untereinheit der ATP-Synthase als mögliches Zielprotein identifiziert. Diese Ergebnisse weisen stark darauf hin, dass die Bindung reaktiver Furan-Metabolite an Proteine zur Schädigung der Mitochondrien, Beeinträchtigung der zellulären Energieproduktion und verändertem Redox-Status führen und damit zum Zelltod beitragen könnte. Weiterhin befanden sich unter den möglichen Zielproteinen auch Proteine, die für die Regulation der Redox-Homöostase in der Zelle verantwortlich sind. Ein Funktionsverlust dieser Proteine durch die kovalente Bindung reaktiver Furan-Metabolite könnte eine verminderte Fähigkeit der Zelle oxidativen Stress abzuwehren zur Folge haben, was wiederum zum Zelltod führen könnte. Zusätzlich dazu, dass die kovalente Modifikation mehrerer Proteine aus dem gleichen Stoffwechselweg dessen Gesamtfunktion beeinträchtigen kann, ist es außerdem möglich, dass Adduktbildung an einzelnen Proteinen mit Schlüsselfunktionen in der Aufrechterhaltung der Zellhomöostase toxische Effekte auslösen kann. Ein Funktionsverlust dieser Proteine, die z.B. in Transportprozesse durch Mitochondrienmembranen, zelluläre Signalwege, DNA-Methylierung, Blutgerinnung und Gallensäuren-Transport involviert sind, könnte ebenfalls an den zytotoxischen und kanzerogenen Wirkungen von Furan beteiligt sein. Die kovalente Bindung reaktiver Furan-Metabolite an zelluläre Proteine kann zu einer Akkumulation großer Mengen an ungefalteten oder beschädigten Proteinen im endoplasmatischen Retikulum (ER) führen. Als Antwort auf diesen sogenannten ER-Stress kann die Zelle den Unfolded Protein Response (UPR) aktivieren, einen zellulären Signalweg um vermehrt beschädigte Proteine zu reparieren oder abzubauen. Um festzustellen, ob die Bindung reaktiver Furan-Metabolite an zelluläre Proteine eine Aktivierung des UPR auslöst, wurden semiquantitative PCR und Real-Time-PCR Analysen durchgeführt. Nach einer Aktivierung des UPR sollte...…