Die ERK-ERK Interaktionsfläche als therapeutische Zielstruktur zur selektiven Inhibition nukleärer ERK1/2-Funktionen zum Schutz vor pathologischer kardialer Hypertrophie

• Main Author: Tomasovic, Angela
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2020
• Subjects: Herzinsuffizienz; Herzhypertrophie; ddc:570; ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/15430; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-154304; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-154304; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/15430/Tomasovic_Angela_ERK.pdf

Die Mitogen-aktivierten Proteinkinasen ERK1/2 (extrazellulär Signal-regulierte Kinase 1 und 2) sind die Effektorkinasen der Raf/MEK/ERK-Kaskade und verknüpfen externe Stimuli mit der intrazellulä-ren Antwort, wodurch sie wichtige Schlüsselmoleküle der zellulären Signaltransduktion darstellen. Zahlreiche Studien belegen die Beteiligung von ERK1/2 an der Entstehung pathologischer kardialer Hypertrophie. Genauso ist bekannt, dass ERK1/2 anti-apoptotische, kardioprotektive Eigenschaften besitzen. So führte, wie in dieser Arbeit gezeigt, eine Hemmung der katalytischen ERK1/2-Aktivität durch den MEK-Inhibitor PD98059 zu einer signifikanten Reduktion der hypertrophen Antwort von Kardiomy-ozyten auf den Stimulus Phenylephrin. Dies war allerdings mit einem Anstieg der Apoptoserate in diesen Zellen verbunden, wodurch sich eine Hemmung der totalen ERK-Aktivität als nicht praktika-bel für die Behandlung pathologischer kardialer Hypertrophie herauskristallisierte. In früheren Un-tersuchungen wurde eine Autophosphorylierung von ERK an Threonin 188 (murines ERK2) entdeckt und als Trigger für ERK1/2-vermitteltes hypertrophes Wachstum identifiziert. Diese Autophospho-rylierung steuert die nukleäre Lokalisation von ERK1/2 und ermöglicht so die Aktivierung nukleärer ERK-Zielproteine sowie hypertrophes Wachstum. Eine Interferenz mit der ERKThr188-Phosphorylierung konnte schon in vitro und in vivo erfolgreich einer pathologischen Hypertrophie entgegenwirken, ohne Einfluss auf physiologisches Herzwachstum oder die zytosolischen, anti-apoptotischen Effekte von ERK1/2 zu nehmen. Einen initialen Schritt für das Zustandekommen dieser Autophosphorylierung an Threonin 188 stellt dabei die Dimerisierung von ERK dar. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die Inhibition der ERK-Dimerisierung im Hinblick auf die Behand-lung ERKThr188-vermittelter pathologischer Hypertrophie untersucht. Dabei sollte die endogene ERK-Dimerisierung mithilfe eines selbst generierten Peptids unterbunden werden. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen zu einer dimerisierungsdefizienten ERK2-Mutante (ERK2-Δ4) konnte das Peptid in vitro und in vivo erfolgreich pathologisch hypertrophes Herzwachstum mindern. Dabei führte es sogar zu einem Rückgang des apoptotischen Zelltodes, ausgelöst durch eine Aortenligation, füh-ren. Es zeigte sich, dass das Peptid die nukleäre Translokation von ERK2 verhindert und dadurch nukleäre ERK-Substrate geringer aktiviert werden. Da eine Dysregulation in der Raf/MEK/ERK-Kaskade auch die Entstehung von Tumoren begünstigen kann, sollte schließlich untersucht wer-den, ob das Prinzip der Hemmung nukleärer ERK-Effekte auch die Proliferation von Krebszellen beeinflussen kann. Es stellte sich heraus, dass die Peptid-vermittelte Hemmung der ERK-Dimerisierung auch die Proliferation von Kolonkarzinomzelllinien mit unterschiedlichen Mutations-stadien der Raf/MEK/ERK-Kaskade reduziert. In der vorliegenden Arbeit konnte somit die Intervention mit der ERK-Dimerisierung als Target der ERKThr188-Autophosphorylierung als translationale Strategie zur Reduktion nukleärer ERK-Effekte herausgearbeitet werden. Dies bietet die Möglichkeit ERK-vermittelte pathologische kardialer Hy-pertrophie und ERK-vermittelte Tumor-Proliferation zu behandeln, ohne kardiotoxische Nebenwir-kungen zu verursachen. === The mitogen-activated protein kinases ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1 and 2) link external stimuli with the intracellular response as the effector kinases of the Raf/MEK/ERK cascade. Therefore, they represent important key molecules in the context of cellular signal transduction. Numerous studies proof the involvement of ERK1/2 in the development of pathological cardiac hypertrophy. However, ERK1/2 have also cardio-protective, anti-apoptotic properties in the heart. In this work, it could be shown that inhibition of catalytical ERK-activity using the MEK-inhibitor PD98059 leads to a reduced hypertrophic response in cardiomyocytes upon phenylephrine-stimulation. At the same time, treatment of cardiomyocytes with PD98059 increased apoptosis in those cells. Therefore, inhibition of total ERK-activity is not feasible for the treatment of pathologi-cal cardiac hypertrophy. Previous studies identified the autophosphorylation at threonine 188 (mouse ERK2) as a trigger for ERK-mediated hypertrophic growth. By increasing nuclear localization of ERK, this autophosphorylation leads to increased activation of nuclear ERK-targets and concomi-tant hypertrophy. Interference with ERKThr188-phosphorylation could already successfully reduce pathological hypertrophy in vivo and in vitro without influencing physiological heart growth or the cytosolic anti-apoptotic ERK-effects. One initial trigger of ERKThr188-phosphorylation is the dimeriza-tion of activated ERK. In this work, inhibition of ERK-dimerization and its consequences regarding pathological cardiac hypertrophy was tested. ERK-dimerization was endogenously inhibited using a self-generated peptide. In line with data obtained from a dimerization-deficient ERK2 mutant (ERK2-Δ4) the peptide was able to effectively reduce pathological cardiac hypertrophy in vivo and in vitro. Moreover, the peptide even reduced apoptotic cell death induced by ligation of the aorta. Mechanistically, the peptide reduces activation of nuclear ERK targets by inhibiting nuclear trans-location of ERK. Since a dysregulation of the Raf/MEK/ERK cascade also promotes the development of tumors, the impact of inhibition of nuclear ERK effects on cancer cell proliferation was investi-gated. Interestingly, prevention of ERK-dimerization using the peptide efficiently reduced prolifera-tion of colon cancer cell lines with different mutational levels. In this work, intervention of ERK-dimerization to target ERKThr188-autophosphorylation could suc-cessfully be proven as a translational strategy to circumvent nuclear ERK effects. This offers the possibility for the treatment of ERK-mediated pathological cardiac hypertrophy and ERK-mediated tumor proliferation without inducing cardiotoxic side-effects.