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EU-Project number / Contract (GA) number
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Connecting lysosomes and mitochondria – a novel role for lipid metabolism in cancer cell death
(2019)
Background
The understanding of lysosomes has been expanded in recent research way beyond their view as cellular trash can. Lysosomes are pivotal in regulating metabolism, endocytosis and autophagy and are implicated in cancer. Recently it was discovered that the lysosomal V-ATPase, which is known to induce apoptosis, interferes with lipid metabolism in cancer, yet the interplay between these organelles is poorly understood.
Methods
LC-MS/MS analysis was performed to investigate lipid distribution in cells. Cell survival and signaling pathways were analyzed by means of cell biological methods (qPCR, Western Blot, flow cytometry, CellTiter-Blue). Mitochondrial structure was analyzed by confocal imaging and electron microscopy, their function was determined by flow cytometry and seahorse measurements.
Results
Our data reveal that interfering with lysosomal function changes composition and subcellular localization of triacylglycerids accompanied by an upregulation of PGC1α and PPARα expression, master regulators of energy and lipid metabolism. Furthermore, cardiolipin content is reduced driving mitochondria into fission, accompanied by a loss of membrane potential and reduction in oxidative capacity, which leads to a deregulation in cellular ROS and induction of mitochondria-driven apoptosis. Additionally, cells undergo a metabolic shift to glutamine dependency, correlated with the fission phenotype and sensitivity to lysosomal inhibition, most prominent in Ras mutated cells.
Conclusion
This study sheds mechanistic light on a largely uninvestigated triangle between lysosomes, lipid metabolism and mitochondrial function. Insight into this organelle crosstalk increases our understanding of mitochondria-driven cell death. Our findings furthermore provide a first hint on a connection of Ras pathway mutations and sensitivity towards lysosomal inhibitors.
Stimulating the immune system to attack cancer is a promising approach, even for the control of advanced cancers. Several cytokines that promote interferon-γ-dominated immune responses show antitumor activity, with interleukin 12 (IL-12) being of major importance. Here, we used an antibody-IL-12 fusion protein (NHS-IL12) that binds histones of necrotic cells to treat human sarcoma in humanized mice. Following sarcoma engraftment, NHS-IL12 therapy was combined with either engineered IL-7 (FcIL-7) or IL-2 (IL-2MAB602) for continuous cytokine bioavailability. NHS-IL12 strongly induced innate and adaptive antitumor immunity when combined with IL-7 or IL-2. NHS-IL12 therapy significantly improved survival of sarcoma-bearing mice and caused long-term remissions when combined with IL-2. NHS-IL12 induced pronounced cancer cell senescence, as documented by strong expression of senescence-associated p16\(^{INK4a}\) and nuclear translocation of p-HP1γ, and permanent arrest of cancer cell proliferation. In addition, this cancer immunotherapy initiated the induction of myogenic differentiation, further promoting the hypothesis that efficient antitumor immunity includes mechanisms different from cytotoxicity for efficient cancer control in vivo.
Die Gattung Bordetella, die phylogenetisch in die Gruppe der β-Proteobakterien eingeordnet und zur Familie der Alcaligenaceae gezählt wird, umfasst nach heutigem Wissenstand neun Gram-negative Arten. Die klassischen Bordetella-Arten B. pertussis, B. parapertussis und B. bronchiseptica werden im sogenannten B. bronchiseptica-Cluster zusammengefasst. Der strikt humanpathogene Erreger B. pertussis stellt als Verursacher des Keuchhustens das wohl bedeutendste Mitglied der Gattung dar. B. parapertussis ist der Verursacher von respiratorischen Erkrankungen in Menschen und Schafen, während B. bronchiseptica für Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren verantwortlich gemacht wird. Zudem kann B. bronchiseptica für einen längeren Zeitraum in der Umwelt überleben. Die in den letzte Jahren identifizierten „neuen“ Bordetella-Arten, B. avium, B. hinzii, B. holmesii, B. trematum und B. ansorpii, wurden alle human- oder tierassoziiert isoliert und besitzen unterschiedliches pathogenes Potential, das zum Teil noch näher untersucht werden muss. Eine Ausnahme stellt der aus einer anaeroben dechlorinierten Flusssediment-Anreicherungskultur isolierte Keim B. petrii dar. Dieser ist bis zum heutigen Zeitpunkt der einzige Umweltkeim der Gattung Bordetella (von Wintzingerode, Schattke et al. 2001). In evolutionärer Hinsicht ist B. petrii besonders interessant, da er sowohl für orthologe Gene einiger Virulenzfaktoren der pathogenen Bordetellen kodiert, als auch die typischen Eigenschaften eines Umweltkeims aufweist und somit als Bindeglied zu fungieren scheint. Ein solcher Virulenzfaktor ist das BvgAS-System, das in den pathogenen Bordetellen den Hauptregulator der Virulenzgenexpression darstellt, aber in B. petrii strukturell komplexer aufgebaut ist. Neben dem auf Aminosäureebene hoch konservierten Response Regulator bvgA, finden sich in B. petrii Gene für zwei Histidinkinasen, bvgS1 und bvgS2, sowie eine unabhängige hpt-Domäne. Eine periplasmatische Sensordomäne fehlt in beiden Kinasen, und nur in BvgS1 konnte eine PAS-Domäne identifiziert werden. In den letzten Jahren wurden zunehmend B. petrii-Isolate aus den verschiedensten Habitaten isoliert, wie z.B. das Schwammisolate R521 (Sfanos, Harmody et al. 2005) und das klinisches Isolat aus einem Patienten mit mandibulärer Osteomyelitis (Fry, Duncan et al. 2005). Im Rahmen dieser Arbeit wurde über einen PCR-Ansatz versucht, mit aus der Wildtypsequenz abgeleiteten Oligonukleotiden das BvgAS1,2-System der Isolate zu sequenzieren, aber nur im klinischen Isolat konnte ein orthologes Genfragment zum Response Regulator bvgA identifiziert werden. Ein Nachweis der Histidinkinasen sowie der hpt-Domäne schlug in allen untersuchten Isolaten fehl. Die vergleichenden Genomanalysen mittels DNA-Microarrays konnten aufgrund fehlender Hybridisierungen keine weiteren Gemeinsamkeiten und Unterschiede auf DNA-Ebene zwischen den Isolaten und B. petrii DSM 12804 aufzeigen. B. petrii ist ein hoch variabler Umweltkeim, der sich an verschiedene Lebensbedingungen anpassen kann. Dies konnte auch durch die Isolation dreier phänotypisch unterscheidbare Varianten während eines Langzeitwachstumsversuches gezeigt werden (Lechner 2008). Durch die Genomsequenzierung von B. petrii DSM 12804 konnten wenigsten sieben genomischen Inseln beschrieben werden (Gross, Guzman et al. 2008), die durch unterschiedliche Exzision für die Entstehung der Varianten und daraus resultierend für die Variabilität in B. petrii verantwortlich sind. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Größe der einzelnen genomischen Inseln im Genom von B. petrii durch vergleichende Genomanalysen mittels DNA-Microarrays, mit Ausnahme von GI1, GI5 und GI6, im Vergleich zu den bioinformatischen Vorhersagen bestätigt werden. Diese Inseln zeigten in den Microarray-Analysen eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung im Vergleich zu den zuvor beschrieben putativen Grenzen. Die große Instabilität des Genoms von B. petrii DSM 12804 konnte in dieser Arbeit auch durch Microarray-Analysen einzelner Klone aufgezeigt werden, die unterschiedliche Variationen im Bereich der genomischen Inseln aufwiesen. In den Analysen von B. petrii 12804 ΔbvgA bzw. ΔbvgAS konnten zusätzlich zu den gezielten Manipulation im BvgAS1,2-Lokus weitere Deletionen im Bereich von bpet0196-0200, bpet4219-4235 und bpet4176 detektiert werden. Die Re-Integration dieser Genbereiche nach Klonierung einer BvgA-Komplementationsmutante deutet auf eine extrachromosomale plasmid-ähnliche Struktur dieser Bereiche hin. Dies konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend bestätigt werden und bleibt weiter zu untersuchen. Im Verlauf der evolutionären Entwicklung der Bordetellen wurde das BvgAS-System, das ursprünglich für die Adaption an Umweltbedingungen mit verschiedenen Sauerstoff-konzentrationen und/oder Temperaturen zuständig war, mit der Regulation der Expression der Virulenzgene verknüpft (von Wintzingerode, Gerlach et al. 2002). In den Transkriptomanalysen zur Untersuchung der Funktionalität des BvgAS1,2-Systems in B. petrii konnte aufgezeigt werden, dass die Temperatur ein wichtiger Signalgeber für die Expression des Flagellen- und Chemotaxisoperons ist. In B. bronchiseptica wird die Motilität, bei Temperaturen unter 25°C, negativ durch das BvgAS-System reguliert. Auch in B. petrii konnte in den Untersuchungen eine negative Regulation der Flagellen- und Chemotaxisgene durch das BvgAS1,2-System unter diesen Bedingungen detektiert werden. Ob aber in B. petrii die gleiche hierarchische Struktur zur Regulation der Motilität besteht wie in B. bronchiseptica, bleibt zu untersuchen. Im Verlauf der Untersuchungen konnte dem BvgAS-Zwei-Komponentensystem in B. petrii auch eine Funktion im Energiestoffwechsel eingeräumt werden, um auf wechselnde Sauerstoffbedingungen reagieren zu können. Die Messung des Sauerstoffgehaltes der Umgebung und damit eine Regulation der aeroben bzw. anaeroben Atmung erfolgt in B. petrii wahrscheinlich ebenfalls über das BvgAS1,2-System. Die in der Histidinkinase BvgS1 vorhergesagte PAS-Domäne scheint laut den Analysen für diesen Vorgang von großer Bedeutung zu sein. Desweiteren scheint das System auch die Zusammensetzung der Cytochromoxidase zur optimalen Anpassung an aerobe, mikroaerophile und anaerobe Bedingungen zu regulieren.
Several studies have shown that tapering or stopping disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) in rheumatoid arthritis (RA) patients in sustained remission is feasible. However, tapering/stopping bears the risk of decline in physical function as some patients may relapse and face increased disease activity. Here, we analyzed the impact of tapering or stopping DMARD treatment on the physical function of RA patients. The study was a post hoc analysis of physical functional worsening for 282 patients with RA in sustained remission tapering and stopping DMARD treatment in the prospective randomized RETRO study. HAQ and DAS-28 scores were determined in baseline samples of patients continuing DMARD (arm 1), tapering their dose by 50% (arm 2), or stopping after tapering (arm 3). Patients were followed over 1 year, and HAQ and DAS-28 scores were evaluated every 3 months. The effect of treatment reduction strategy on functional worsening was assessed in a recurrent-event Cox regression model with a study-group (control, taper, and taper/stop) as the predictor. Two-hundred and eighty-two patients were analyzed. In 58 patients, functional worsening was observed. The incidences suggest a higher probability of functional worsening in patients tapering and/or stopping DMARDs, which is likely due to higher relapse rates in these individuals. At the end of the study, however, functional worsening was similar among the groups. Point estimates and survival curves show that the decline in functionality according to HAQ after tapering or discontinuation of DMARDs in RA patients with stable remission is associated with recurrence, but not with an overall functional decline.
Objective
To analyse the role of multibiomarker disease activity (MBDA) score in predicting disease relapses in patients with rheumatoid arthritis (RA) in sustained remission who tapered disease modifying antirheumatic drug (DMARD) therapy in RETRO, a prospective randomised controlled trial.
Methods
MBDA scores (scale 1-100) were determined based on 12 inflammation markers in baseline serum samples from 94 patients of the RETRO study. MBDA scores were compared between patients relapsing or remaining in remission when tapering DMARDs. Demographic and disease-specific parameters were included in multivariate logistic regression analysis for defining predictors of relapse.
Results
Moderate-to-high MBDA scores were found in 33% of patients with RA overall. Twice as many patients who relapsed (58%) had moderate/high MBDA compared with patients who remained in remission (21%). Baseline MBDA scores were significantly higher in patients with RA who were relapsing than those remaining in stable remission (N=94; p=0.0001) and those tapering/stopping (N=59; p=0.0001). Multivariate regression analysis identified MBDA scores as independent predictor for relapses in addition to anticitrullinated protein antibody (ACPA) status. Relapse rates were low (13%) in patients who were MBDA-/ACPA-, moderate in patients who were MBDA+/ACPA- (33.3%) and MBDA-ACPA+ (31.8%) and high in patients who were MBDA+/ACPA+ (76.4%).
Conclusions
MBDA improved the prediction of relapses in patients with RA in stable remission undergoing DMARD tapering. If combined with ACPA testing, MBDA allowed prediction of relapse in more than 80% of the patients.
Trial registration number EudraCT
2009-015740-42.