Charakterisierung der TNF-α-vermittelten Hochregulation des Glutamat-Cystin-Antiporters System xc- in Astrozyten und Fibroblasten

Abstract

System xc- ist ein Cystin-Glutamat-Antiporter, der im Menschen vor allem in Zellen des zentralen Nervensystems vorkommt. Insbesondere in Astrozyten ist er sehr ausgeprägt exprimiert. System xc- tauscht Glutamat (Glu) und Cystin im Verhältnis 1:1 aus. Dieser Austausch ist prinzipiell in beiden Richtungen möglich. In vivo wird aufgrund der Konzentrationsgradienten Glutamat exportiert und Cystin importiert. Cystin ist das limitierende Substrat der Glutathionsynthese. Glutathion (GSH) ist das wichtigste Antioxidanz des Körpers und dient somit dem Schutz der Zelle vor oxidativem Stress - dem Ungleichgewicht zwischen freien Sauerstoffradikalen (ROS) und Antioxidanzien. Oxidativer Stress führt zur Schädigung von Proteinen, Lipiden und DNA und trägt zur Alterung der Zellen bei. Diese führt zur Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson- und Alzheimer-Erkrankung der Amyotrophen Lateralsklerose und der Multiplen Sklerose. Während eine System xc--Induktion gegen oxidativen Stress durch Steigerung der GSH-Synthese protektiv wirkt, hat die Induktion auch Schattenseiten. Im zentralen Nervensystem ist System xc- hauptverantwortlich für extrasynaptisches Glutamat. Eine zu hohe extrazelluläre Glu-Konzentration kann zu Exzitotoxizität führen. Dabei entsteht durch Übererregung der NMDA-Rezeptoren ein Calcium-Einstrom, der zum Zelltod führt und an der Pathogenese von Epilepsien, Multipler Sklerose, der Amyotophen Lateralsklerose und der Chorea Huntington beteiligt ist. System xc- wird durch oxidativen Stress, Schwermetalle und Elektrophile über den Transkriptionsfaktor nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) und bei Aminosäuremangel über den aktivierenden Trankriptionsfaktor 4 (ATF4) hochreguliert. Weiterhin sind einige mit Entzündung assoziierte Induktoren wie Interleukin 1β, Lipoploysaccharide und Tumornekrosefaktor α (TNF-α) bekannt Dabei ist der genaue Mechanismus noch ungeklärt ist. Die Induktion durch TNF-α wurde in dieser Arbeit untersucht. Die Experimente wurden mit primären murinen Astrozyten und mit murinen embryonalen Fibroblasten (MEF) durchgeführt. Letztere wurden als Modell verwendet, da knock-out-Zelllinien in der Regel nur als MEF zur Verfügung standen. Die System xc--Aktivität wurde funktionell mittels eines Glu-Aufnahmeassays mit radioaktiv markiertem L-[3H]-Glu bestimmt. System xc- wird sowohl in primären Astrozyten als auch in MEF über den TNF-α-Rezeptor 1 zeit- und konzentrationsabhängig induziert. Der zeitliche Verlauf deutete auf einen transkriptionellen Mechanismus hin. Der Transkriptionsfaktor Nrf2 ist essentiell für die TNF-α-vermittelte System xc-- Induktion. In Nrf2-/- MEF ließ sich die System xc--Aktivität nicht mehr durch TNF-α induzieren. Die pharmakologische Inhibition von nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells (NF-κB) sowie Inhibitor von κB-Kinase beta(IKKbeta)-Defizienz führten zu einer Steigerung der System xc--Aktivität. Dies könnte durch den hemmenden Einfluss von NF-κB auf den Nrf2-Signalweg erklärt werden. Bei p38-Inhibition konnte eine Steigerung der Induktion gesehen werden, die darauf zurückzuführen sein könnte, dass p38 hemmende Effekte auf den Nrf2-Signalweg hat. Gegenteilig dazu erzielte eine Inhibition der durch extrazelluläres Signal regulierten Kinasen (ERK1/2) eine Hemmung der TNF-α vermittelten System xc--Induktion. Dies könnte durch die Nrf2-Induktion durch ERK1/2 zu erklären sein. Auf den ersten Blick scheint die System xc--Induktion ein vorteilhafter Mechanismus, um dem ROS-induzierten oxidativen Stress entgegenzuwirken. Allerdings werden durch die Induktion Probleme in Gestalt der Glu-induzierten Exizitotoxizität geschaffen. In verschiedenen Tiermodellen konnte gezeigt werden, dass die System xc--Induktion die Progression neurodegenerativer Erkrankungen fördert. Als mögliche Gegenmaßnahme zur System xc--induzierten Exzitotoxizität kommt die Induktion exzitatorischer Aminosäuretransporter (EAAT) in Frage. Die System xc--Induktion im Rahmen einer ZNS-Inflammation scheint an der Entstehung und Progression neurodegenerativer Erkrankungen - am ehesten durch Glu-bedingte Exzitotoxizität - beteiligt zu sein. Eine zusätzliche pharmakologische Steigerung scheint deshalb nicht erstrebenswert. System xc--Inhibition kommt bei Neuroinflammation als therapeutisches Ziel in Frage, dazu müsste aber der Signalweg abschließend bekannt sein.