Transiente Hypoxie schützt Endothelzellen vor Apoptose über MEK/ERK-vermittelte Bad-Phosphorylierung

Abstract

Endothelzellen verfügen über eine extreme Stresstoleranz gegenüber Hypoxie. Dies wurde in der Vergangenheit vor allem ihrer Fähigkeit zugeschrieben, unter hypoxischen Bedingungen ihr Phosphorylierungspotential aufrechterhalten zu können. Diese Fähigkeit mag eine ausreichende Erklärung für den Schutz vor nekrotischem Zelltod sein, nicht jedoch vor dem gleichermaßen bestehenden Schutz vor dem apoptotischen Zelltod. Bislang ist wenig über anti-apoptotische Mechanismen nach kurzzeitiger Hypoxie bekannt. In dieser Studie wurde der Effekt von Hypoxie auf den apoptotischen Zelltod untersucht, der zuvor zum einen durch Serumentzug und zum anderen durch TNFα/CHX induziert worden war. Um den endogenen anti-apoptotischen Effekt in Endothelzellen zu untersuchen, wurde Apoptose zum einen durch Serumentzug für 24 Stunden und zum anderen durch Inkubation mit TNFα/CHX für 24 Stunden ausgelöst. Anschließend wurden die Zellen einer zweistündigen Hypoxie ausgesetzt, gefolgt von 24 Stunden Reoxygenierung. Zwei Stunden Hypoxie schützten die Endothelzellen in beiden Modellen vor dem apoptotischen Zelltod. Nach 24 Stunden Reoxygenierung konnte eine signifikant verminderte Anzahl apoptotischer Zellen bei gleichzeitig signifikant gesteigerter Anzahl vitaler Zellen gezeigt werden. Dieser Effekt konnte durch die Inhibierung der MEK 1/2 durch PD 98059 oder der Verwendung von Antisense-Oligonukleotiden gegen ERK1/2 aufgehoben werden. Hypoxie führte zu einer transienten Aktivierung von ERK und Inaktivierung des pro-apoptotischen Bad durch Phosphorylierung an Serin 112, einer spezifische Phosphorylierungsstelle für ERK, sowie zu einer Reduktion der Aktivierung der Caspase 3. Die Hemmung von ERK unterdrückte neben der Hypoxie-induzierten ERK-Aktiverung auch die Bad-Phosphorylierung sowie die Reduktion der Caspasespaltung. Diese Daten zeigen, dass Endothelzellen neben dem aus ihrer metabolischen Stabilität resultierenden Nekroseschutz über einen spezifischen, endogenen und durch kurzzeitige Hypoxie induzierbaren Apoptoseschutz verfügen. Es konnte gezeigt werden, dass kurzzeitige Hypoxie sehr frühe und schnell wirksame endogene anti-apoptotische Signale induziert, welche die Apoptoseresistenz von Endothelzellen sowohl nach intrinsischer als auch nach extrinsischer Apoptoseinduktion signifikant erhöhen. Dieser Signalweg beruht auf der endogenen transienten Aktivierung des MEK/ERK-Signalweges, welche zu Phosphorylierung von Bad und reduzierter Aktivierung der Caspase 3führt. Endothelial Cells are extremely resistant against hypoxia. In the past this was traced back to the fact, that endothelial cells are able to sustain their phosphorylation potential during hypoxic conditions. This ability may be a sufficient explanation for the protection against necrotic cell death but not against apoptotic cell death. Little is known about anti-apoptotic mechanisms in response to short time hypoxia. In this study the effects of hypoxia on apoptotic cell death induced by serum stravation on the one hand and incubation with TNFα/CHX on the other hand was analysed. To analyse the anti-apoptotic mechanisms in endothelial cells. Apoptosis was induced by either serum starvation for 24 hours or incubation with TNFα/CHX for 24 hours. Subsequently cells were subjected to 2 hours of hypoxia followed by 24 hours of reoxygenation. Two hours of hypoxia protected endothelial cells from apoptotic execution, as evidenced by decreased apoptosis and increase of the number of healthy cells 24 hours after reoxygenation. This protective effect was inhibited by MEK 1/2 inhibitor PD 98059 as well as by antisense oligonucleotides against ERK1/2. Hypoxia induced a transient activation of ERK2 and phosphorylation of the pro-aptotic Bad at serine 112, a specific phosphorylation site of ERK leading to its inactivation and a reduction of activation of caspase 3. Inhibition of ERK activation abolished beside the hypoxia-induced ERK activation the Bad phosphorylation and reduction of Caspase cleavage. The data demonstrated that hypoxia protects endothelial cells by a specific endogenous pathway from apoptosis. It was demonstrated that short time hypoxia leads to early endogenous anti-apoptotic signals, which increase apoptotic resistance against intrinsic and extrinsic apoptosis. This signaling pathway leads by activation of the MEK/ERK pathway to phosphorylation of bad and reduction of caspase 3 cleavage.