Signaltransduktion und Genregulation : Analyse der Pharmakologie und Signaltransduktion des Capsaicin- Rezeptors TRPV1 und der biologischen Funktion der Stimulus-responsiven Transkriptionsfaktoren Elk-1 und AP-1 in pankreatischen β-Zellen

Abstract

Für die Funktion von komplexen Organismen ist eine fein abgestimmte Kommunikation auf zellulärer Ebene unabdingbar. So dienen extrazelluläre Signalmoleküle wie Hormone als Sender und Rezeptoren und spezialisierte Kanalproteine als Empfänger. Aus dem Bereich der Signaltransduktion werden in dieser Arbeit zwei Aspekte beschrieben. Zum einen wurde die intrazelluläre Signalkaskade aufgeklärt, die durch die Stimulation des Capsaicin-Rezeptors TRPV1 initiiert wird. Zum anderen wurden die Funktionen der Stimulus-responsiven Transkriptionsfaktoren AP-1 und Elk-1 in pankreatischen β-Zellen transgener Tiermodelle charakterisiert. Die Regulation der Genexpressionen kann durch intrazelluläre Signalkaskaden gesteuert werden. Das Aktivieren dieser Signalkaskaden bedarf bestimmter Signalmoleküle, die in der Lage sind an spezifische Rezeptoren zu binden, wie beispielsweise die pflanzliche Verbindung Capsaicin, die in der Plasmamembran von Spinalganglien an den Capsaicin-Rezeptor/TRPV1 bindet. Im peripheren Nervensystem kommt TRPV1 eine zentrale Rolle in der Wahrnehmung schmerzhafter Reize zu. In dieser Arbeit wurde die Signalkaskade untersucht, die nach der Stimulation des TRPV1-Kanals angeschaltet wird und zu einer Transkription führt. Die Ergebnisse zeigen, dass die TRPV1-Liganden Capsaicin, Resiniferatoxin und N- Arachydonoyldopamin zu einer Aktivierung der Proteinkinase „extracellular signal-regulated protein kinase“ (ERK1/2) führten. Nach der Aktivierung von ERK1/2 kam es zur Induktion der Transkriptionsfaktoren Elk-1 und c-Jun. Infolgedessen wurde das Aktivator-Protein-1 (AP-1) aktiviert, einem wichtigen Regulator von Proliferation und Differenzierung innerhalb einer Zelle. In einer zweiten Studie wurden die Funktionen der Stimulus-responsiven Transkriptionsfaktoren AP-1 und Elk-1 in den β-Zellen des Pankreas näher untersucht. Sowohl AP-1, als auch Elk-1 werden durch die Stimulation mit Glucose aktiviert. Hierzu wurden transgene Mäuse generiert, in denen gezielt und regulierbar die transkriptionelle Aktivität von AP-1 bzw. Elk-1 in pankreatischen β-Zellen blockiert werden konnte. Dabei ergab die Hemmung von AP-1 bzw. Elk-1 eine signifikante Reduktion in der Glukosetoleranz der transgenen Mäuse. Die Hemmung von Elk-1 führte zu einer signifikanten Reduktion der Inselgröße. Eine Hemmung der AP-1 Aktivität hatte keinen Einfluss auf die Größe der pankreatischen Inseln, wodurch die Glukoseintoleranz hier eine andere Ursache haben muss. Die Zusammenfassung der Daten führt zu dem Schluss, dass die Aktivitäten von AP-1 und Elk-1 in den β-Zellen des Pankreas, wichtig sind in der Regulation der Glukosehomöostase.

A fine organized communication on the cellular level is inevitable for the function of a cell. Extracellular signal molecules bind to receptors that function as receivers for those signals and transduce the encoded information to the cells. In this thesis, two signaling transduction studies are described. The first study clarified the induced intracellular signaling cascade after the stimulation of TRPV1. The second study focused on the role of the stimulus responsive transcription factors AP-1 and Elk-1 in pancreatic β-cells. The regulation of gene expression can be regulated by a great variety of different intracellular signaling cascades. To activate a signaling cascade a specified signaling molecule must bind to its defined receptor, for example the plant derived compound capsaicin must bind to its so- called capsaicin receptor/TRPV1 channel that is located in the plasma membrane of dorsal root ganglia. TRPV1 plays a central role in the detection of pain in the peripheral nervous system. The signaling cascade induced after the stimulation of TRPV1 was investigated. The results display that the TRPV1 ligands capsaicin, resiniferatoxin and N-Arachidonoyldopamine induced the activation of the protein kinase “extracellular signal-regulated protein kinase” (ERK1/2). Activation of ERK1/2 lead to the activation of the transcription factors Elk-1 and c- Jun. Therefore, the “activator protein-1” (AP-1), a prominent regulator of proliferation and differentiation in the cell, was activated. The second study addressed the significance of the stimulus-responsive transcription factors AP-1 and Elk-1 in pancreatic β-cells. Elk-1 as well as AP-1 are induced in order of the stimulation of β-cells by glucose. Transgenic mice where generated to investigate impaired activity of AP-1 and Elk-1 in a specific and regulatable manner. The impairment of AP-1 and Elk-1 resulted in a significant reduction in glucose tolerance. The inhibition of Elk-1 led to a significant reduction in islet size, indicating that Ekl-1 is required for the generation of pancreatic islets of proper size. Impairing the activity of AP-1 led to no altered islet size, indicating that other molecular mechanisms are involved in the AP-1 regulated glucose homeostasis. Thus, the activity of Elk-1 and AP-1 in the β-cells of the pancreas was essential for their physiological function.