- UNCONJUGATED BILIRUBIN MEDIATED OXIDATIVE STRESS, ER STRESS, AND ACTIVATION OF NRF2 PATHWAY
- Qaisiya, Mohammed Ali Hassan
Subject
- Bilirubin
- bilirubin encephalopathy
- oxidative stress
- ARE
- Nrf2
- UPR
- SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN BIOMEDICINA MOLECOLARE
- BIO/11 BIOLOGIA MOLECOLARE
Description
- 2012/2013
- Elevati livelli plasmatici di bilirubina non coniugata (UCB) sono responsabili dell’ittero neontale che è fisiologico nella maggior parte dei casi. L’iperbilirubinemia severa e prolungata nel tempo può causare encefalopatia da bilirubina e Kernicterus che, se non trattati, possono lasciare pesanti sequele neurologiche e nei casi più gravi condurre a morte. La neurotossicità da bilirubina è ancora una delle principali cause di malattie neurologiche nei paesi via di sviluppo ed è un problema riemergente nei paesi sviluppati a causa delle anticipate dimissioni dall’ospedale dei neonati. I meccanismi molecolari responsabili della neurotossicità da bilirubina non sono ancora completamente chiariti. Questo lavoro riporta i risultati ottenuti durante il mio progetto di dottorato volto a studiare il “molecular signalling” coinvolto nella neurotossicità da bilirubina. L’obiettivo principale è stato valutare gli effetti di concentrazioni pro-ossidanti di bilirubina sullo stato redox cellulare e sullo stress del reticolo endoplasmico (ER stress). Ci siamo focalizzati sulla pathway che coinvolge Nrf2, analizzando i geni indotti dalla bilirubina per effetto di Nrf2 e studiando il signalling a monte coinvolto nella sua attivazione. Parallelamente abbiamo anche studiato la cascata di segnali coinvolti nell’ER stress. Tutti gli esperimenti sono stati condotti nella linea cellulare di neuroblastoma umano SH-SY5Y, alcuni ripetuti anche nella linea di epatocarcinoma HepG2 e in colture primarie di astrociti dalla corteccia cerebrale di ratto. I nostri risultati mostrano che concentrazioni tossiche di bilirubina inducono un 40% di mortalità cellulare tra 1 e 4 ore di trattamento che si mantiene stabile fino alle 24 ore di trattamento. Le cellule trattate con UCB mostrano un incremento del livello dei ROS intracellulare dopo 1 ora seguito dall’accumulo nucleare dell’Nrf2 endogeno dopo 3 ore. La bilirubina aumenta l’induzione della trascrizione dell’ARE-GFP reporter gene associata ad una up-regolazione di diversi geni target di Nrf2. L’induzione dell’espressione genica può essere suddivisa in due categorie principali:la risposta precoce (4h-8h) e la risposta tardiva (16h-24h).La risposta precoce inizia con l’induzione dell’espressione di ATF3 dopo 4 ore di trattamento ed è seguita da i trasportatori di amminoacidi (xCT and Gly1) dopo 8h. Per la risposta tardiva abbiamo visto l’induzione dell’espressione genica degli enzimi coinvolti nella sintesi del glutatione. (γGCL and TNX1),nella risposta antiossidante e di detossificazione (HO-1, NQO1, FTH)e nell’omeostasi del NADPH (ME1, and G6PD). In seguito al silenziamento specifico di Nrf2, il trattamento con bilirubina diminuisce l’induzione dell’mRNA solo dell’HO-1 (75%), del NQO1 (56%) e della FTH (40%) Inoltre l’induzione dell’HO-1 è ridotta se le cellule vengono pretrattate con l’antiossidante NAC (65%) e con specifici inibitori per PKC (80%), P38α (40%) and MEK1/2 (25%). Risulta evidente che l’induzione di ATF3 è la prima risposta generata dal trattamento con UCB. Di seguito abbiamo osservato un’induzione sequenziale dei marker dell’ER stress: da quelli coinvolti nel signaling di PERK a 4h (PERK, ATF3, ATF4, CHOP), dalla diminuzione della proteina della ciclina D1 dopo 1 h e dall’induzione di IRE1 (XBP1), ATF6, e BiP dopo 8h di trattamento. Da notare però che il silenzia mento di PERK non riduce l’induzione dell’espressione dell’mRNA di ATFs/CHOP, ma induce l’espressione dell’mRNA di GCN2. Riassumendo noi abbiamo dimostrato che la bilirubina causa mortalità cellulare, produce la formazione di ROS, provoca l’accumulo di Nrf2 nel nucleo e induce la risposta antiossidante mediata dalle sequenze ARE. La bilirubina induce l’espressione di diversi geni coinvolti nella risposta antiossidante, tra tutti l’HO-1 e il NQO1 sono indotti dalla bilirubina in maniera dipendente da Nrf2. Abbiamo anche dimostrato che lo stress ossidativo (OS) e la PKC sono i principali fattori coinvolti nell’attivazione di Nrf2/HO-1. I risultati ottenuti dimostrano che l’induzione di ATFs/CHOP e di PERK sono uno dei primi eventi associati alla tossicità da bilirubina. Allo stesso tempo il silenziamento di PERK non influisce sull’induzione di ATFs/CHOP mentre induce GCN2, suggerendo un meccanismo di compensazione tra il signalling di PERK e GCN2. Concludendo i nostri dati dimostrano che lo stress ossidativo e lo stress del reticolo endoplasmico sono coinvolti nella neurotossicità indotta da UCB nella linea di neuroblastoma umano SH-SY5Y. Le cellule sviluppano una risposta adattativa alla bilirubina inducendo OS and ER stress e aumentando l’espressione dei geni coinvolti nella risposta antiossidante (in parte via Nrf2 pathway) e nello stress del reticolo endoplasmico (UPR).
- Elevated levels of unconjugated bilirubin (UCB) are responsible for neonatal jaundice, and in some case, severe hyperbilirubinemia exposes babies to bilirubin encephalopathy and kernicterus with the risk of neurological sequela and death. Bilirubin neurotoxicity is still a major cause of neurological injury in the developing countries and is a re-emerged problem in the developed countries, due to the early hospital discharge of newborns after birth. The molecular mechanisms of UCB induced neurotoxicty are incompletely elucidated. Present thesis are reported the results obtained during my PhD course aimed to investigate the molecular signaling involved in UCB induced neurotoxicity .The main goal of this work was to evaluate the effects of the pro-oxidant concentration of UCB on cellular redox state and ER stress. We focused on Nrf2 pathway, analyzing the genes induced by UCB at Nrf2-dependent manner and the up-stream signaling involved in Nrf2 pathway activation. In parallel, we also studied the ER stress cascade signaling. All experiments were conducted in SH-SY5Y neuroblastoma cell line, with some performed in HepG2 cells and primary culture of cortical astrocytes. Our results showed that SH-SY5Y neuroblastoma cells incubated with toxic concentration of UCB suffer a 40% loss of cell viability between 1h to 4h, reaching a plateau until 24h after UCB treatment. Treated cells showed an increased level of intracellular ROS after 1h followed by the nuclear accumulation of endogenous Nrf2 after 3h. UCB enhanced the transcriptional activation of ARE-GFP reporter gene associated with an up-regulation of several Nrf2 target genes. Expression response could be divided into two main categories: early (4h-8h) and late response (16h-24h). As far as early genes, UCB mediates a sequential transcription starting with the ATF3 up-regulation at 4h and followed by the induction of amino acid transporters at 8h (xCT and Gly1). On the contrary, for late genes, we observed an up-regulation of the enzymes involved in GSH synthesis (γGCL and TNX1), antioxidant/detoxification (HO-1, NQO1, FTH), and NADPH homeostasis (ME1, and G6PD). Specific Nrf2 siRNA against Nrf2 decreased the induction only of HO-1 (75%), NQO1 (56%), and FTH (40%) upon UCB exposure. HO-1 induction was reduced in cells pre-treated with antioxidant NAC (65%) and with specific signaling inhibitors for PKC (80%), P38α (40%) and MEK1/2 (25%). It was evident that ATF3 up-regulation at 4h represents the earliest response to UCB exposure. We observed a sequential activation of UPR sensors starting with PERK signaling at 4h (up-regulation of PERK, ATF3, ATF4, CHOP at 4h, and loss of cyclin D1 protein at 1h), followed by IRE1 (XBP1), ATF6, and BiP at 8h after UCB treatment. Interestingly, PERK siRNA does not changed the induction of ATFs/CHOP while induced GCN2 mRNA upon UCB exposure. In summary, we demonstrated that UCB mediates loss of cell viability, ROS generation, Nrf2 nuclear accumulation and induction of ARE. Nrf2 pathway activation was associated with the induction of multiple antioxidant genes, among all, HO-1 and NQO1 are induced by UCB at Nrf2-dependent manner. We observed that OS and PKC are the major up-stream signaling involved in Nrf2/HO-1 activation. Results demonstrated ATFs/CHOP induction and ER stress (initiated by PERK signaling) as one of the earliest event associated with UCB toxicity. However, PERK siRNA does not affected ATFs/CHOP induction by UCB while induced GCN2, suggesting a compensatory mechanism between PERK and GCN2 signaling. In conclusion, our data demonstrate that OS and ER stress are involved in UCB induced neurotoxicity in SH-SY5Y cells. The cells undergo an adaptive response against UCB induced OS and ER stress, through activation of multiple antioxidant genes (in part via Nrf2 pathway), and activation of sequential UPR sensors
- XXVI Ciclo
- 1985
Date
- 2014-07-10T09:46:44Z
- 2014-07-10T09:46:44Z
- 2014-04-28
Type
- Doctoral Thesis
Format
- application/pdf
Identifier
urn:nbn:it:units-12566