The non-apoptotic function of Caspase-8 in enothelial precursor cells

Die nicht-apoptotische Funktion von Caspase-8 in endothelialen Vorläuferzellen

  • Vasculogenesis as well as angiogenesis are important for postnatal development of blood vessels. Peripheral blood or bone marrow-derived endothelial precursor cells are used in clinical trials for therapeutic enhancement of postnatal neovascularization in patients suffering from coronary artery diseases. The vasculogenic potential of the precursor cell population depends on the appropriate retention of the infused cells to the ischemic tissue. However, cell-autonomous mechanisms regulating the attraction and retention of circulating cells in inflammatory tissue are not well understood. Caspases belong to a family of pro-apoptotic enzymes. Beyond cell death signals, caspase proteases additionally regulate non-apoptotic processes like cell morphology and migration in many cell types. The isoform Caspase-8 is essential for embryonal vasculogenesis in conditional knockout mice. In this study, we identified a novel apoptosis-unrelated role of Caspase-8 in circulating and bone marrow-derived cells for vascular repair. Caspase-8-specific inhibition abrogated the ex vivo formation of EPC from human peripheral blood. Moreover, Caspase-8 inhibition disables EPC migration and adhesion to different matrices and decreases the cell surface expression of the fibronectin receptor subunit integrin alpha 5 and the chemokine receptor CXCR4. In vitro and in vivo studies using bone marrow mononuclear cells derived from inducible Caspase-8- deficient mice revealed an essential role of Caspase-8 for EPC formation and neovascularization enhancing capacities of progenitor cells. Caspase-8 activity appears to be required for maintaining responses to matrix interaction and chemoattractants of EPC. Additional studies showed that the E3 ubiquitin ligase Cbl-b, a negative regulator of cell adhesion molecules including integrin alpha 5, is present in EPC at low protein levels under basal conditions, but markedly increases upon Caspase-8 inhibition. In vitro assays and overexpression studies in intact cells confirmed Caspase-8-dependent degradation of Cbl-b, providing a potential requirement for Caspase-8-regulated adhesion. Indeed, neovascularization of matrigel plugs was enhanced in mice lacking Cbl-b. Moreover, Cbl-b degradation in the presence of active Caspase-8 prevents the down-regulation of integrin alpha 5 and is associated with an enhanced vasculogenic activity of progenitor cells in hind limb ischemia. The identified upstream regulation of caspase-8 by cytokine IL-6 is only one possibility for fine-tuning the non-apoptotic enzymatic activity. In summary, this study shows a novel essential role of Caspase-8 for proper EPC adhesion-related signaling. Caspase-8 is involved in the function of adhesion molecules by regulation the E3 ubiquitin ligase Cbl-b. Strategies to improve survival of therapeutic injected progenitor cells by using caspase inhibitors should be addressed with caution. Because of the broad spectrum of activity of caspase-8, downstream targets of this caspase isoform and Cbl-b should be in more focus for therapeutic pretreatment to improve neovascularization of myocardial and ischemic tissue.
  • Sowohl Vaskulogenese als auch Angiogenese spielen eine bedeutende Rolle in der nachgeburtlichen Entwicklung von Blutgefäßen. Im Blutstrom zirkulierende oder direkt aus dem Knochenmark isolierte endotheliale Vorläuferzellen werden in klinischen Studien zur therapeutischen Unterstützung der nachgeburtlichen Gefäßneubildung bei Patienten mit koronaren Herzkrankheiten eingesetzt. Das Potential zur Unterstützung der Gefäßneubildung durch Vorläuferzellen hängt von dem entsprechenden Verbleiben der applizierten Zellen im ischämischen Gewebe ab. Dennoch sind die zelleigenen Mechanismen, die zur Regulation der Anziehung und dem Verbleiben von zirkulierenden Zellen im entzündlichen Gewebe beitragen, noch nicht weit genug untersucht und verstanden. Caspasen gehören zu einer Familie von Enzymen die den Zelltod programmieren. Neben Signalen für den Zelltod kann diese Art der Proteasen zusätzlich Prozesse wie Zellform und Fortbewegung in verschiedenen Zelltypen regulieren. Die Isoform Caspase-8 ist wichtig für die embryonale Vaskulogenese, was in Knockout-Mäusen nachgewissen wurde. In dieser vorliegenden Doktorarbeit identifizierten wir eine neue Zelltod-unabhängige Rolle von Caspase-8 für die im Blut zirkulierenden oder aus dem Knochenmark stammmenden Vorläuferzellen und der vermittelten Gefäßreparatur. Die spezifische Caspase-8 Inhibition verhindert die ex vivo Bildung von EPC aus mononukleären Zellen des humanen Peripherbluts. Weiterhin blockiert Caspase-8 die Fortbewegung und Anhaftung von EPC an verschiedene Matrizen und verringert die Oberflächenexpression der Fibronektin-Rezeptoruntereinheit Integrin alpha 5 und des Chemokine-Rezeptors CXCR4 auf EPC. Sowohl in vitro als auch in vivo Untersuchungen mit Knochenmarksmononukleären Zellen von induzierten Mäusen mangelhaft an Caspase-8 zeigten, dass Caspase-8 eine wichtige Rolle für die Ausbildung von EPC und dessen unterstützende Wirkung zur Gefäßneubildung spielt. Die Aktivität von Caspase-8 erscheint erforderlich für die Interaktionen zwischen EPC und Matrizen und die Anziehung durch Chemokine. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die E3 Ubiquitin Ligase Cbl-b als ein negativer Regulator von Adhäsionsmolekülen wie Integrin alpha 5, unter basalen Bedingungen in sehr niedrigen Proteinkonzentrationen in EPC vorhanden ist. Dieser Proteinanteil steigt mit der Inhibierung von Caspase-8 in endothelialen Vorläuferzellen. In vitro Untersuchungen und Überexpressionen in humanen Zellen bestätigten den Caspase-8 abhängigen Abbau von Cbl-b. Dies wiederum lässt eine mögliche Notwenigkeit der Caspase-8 regulierten Adhäsion vermuten. Tatsächlich war die Gefäßneubildung in Matrigelplugs in Mäusen ohne Cbl-b verbessert. Desweiteren verhindert der Cbl-b Abbau in Anwesenheit aktiver Caspase-8 die Runterregulation von Integrin alpha 5 und ist zugleich verbunden mit einer erhöhten Aktivität der EPC bei der Gefäßneubildung in der Hinterlaufischämie. Interleukin-6 ist vermutlich nur eine der vielen Möglichkeiten zur Regulation der nicht-apoptotischen enzymatischen Aktivität von Caspase-8 und muss hier weiter untersucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit eine neue wichtige Rolle von Caspase-8 für eine funktionierende Signalübertragung in der Adhäsion in EPC zeigt. Caspase-8 ist beteiligt an der korrekten Funktion von Adhäsionsmolekülen durch die Regulation der E3 Ubiquitin Ligase Cbl-b. Mögliche Strategien zur Steigerung des Überlebens von therapeutisch injizierten Vorläuferzellen durch die Vorbehandlung mit Caspase Inhibitoren sollte mit Vorsicht betrachtet werden. Aufgrund des vielfältigen Aktivitätsspektrums von Caspase-8 sollten Zielobjekte von Caspase-8 und Cbl-b in nähere Betrachtung für therapeutische Ansätze gezogen werden, um die Gefäßneubildung im myokardialen und ischämischen Gewebe zu verbessern.

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Metadaten
Author:Dörte Scharner
URN:urn:nbn:de:hebis:30-71250
Referee:Anna Starzinski-PowitzORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/10/28
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/07/20
Release Date:2009/10/28
Tag:Caspase-8; Endotheliale Vorläuferzellen; Signaltransduktion; Vaskulogenese
angiogenesis; caspase-8; endothial precursor cells; vasculogenesis
GND Keyword:Molekularbiologie
HeBIS-PPN:217295584
Institutes:Biowissenschaften / Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht