Universität zu Köln

Duox NADPH oxidases in the airways: regulation in health and malignancy

Luxen, Sylvia (2008) Duox NADPH oxidases in the airways: regulation in health and malignancy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Duox NADPH oxidases are the ROS-generating enzymes in the respiratory epithelium and the thyroid. Duox1 and Duox2 generate H2O2 at the air-liquid interphase of lung epithelial cells and at apical membranes of thyroid follicular cells. Duox enzymes have been linked to host defense and thyroid hormone biosynthesis. Duox1 was further connected to acidification of the airway surface liquid as well as wound healing. Besides dependence on co-expression of DuoxA maturation factors, not much is known about the spatial expression and regulation of both Duox enzymes in airway epithelial cells. Here, I demonstrate that Duox enzymes form functional heterodimers with the corresponding DuoxA subunits, in close analogy to the phagocyte NADPH oxidase Nox2. Several DuoxA1-isoforms (DuoxA1-1, DuoxA1-2 and DuoxA1-3) were identified, which do not contribute equally to Duox1 function. Duox1 and Duox2 localize to different cellular compartments in lung epithelial cells, depending on divergent DuoxA co-expression. It is possible that this localization defines the signaling specificity of Duox isoforms. In fact, Duox2 but not Duox1 is expressed in ciliated cells in an ex vivo differentiated lung epithelial model. In addition, based on their ability to produce potentially harmful ROS in the airways, Duox expression was investigated. The expression of DUOX1, DUOX2 and their maturation factors was markedly reduced or absent in lung cancer cell lines as well as in lung cancer tissues. Analysis of the CpG-rich promoter regions of DUOX1 and DUOX2 revealed frequent aberrant hypermethylation. Reconstitution of Duox increased cellular migration and wound healing, but did not affect growth rates. In conclusion, the results suggest that Duox1 and Duox2 have distinct functions in the lung epithelium and that aberrant DUOX promoter hypermethylation is a common silencing mechanism of DUOX1 and DUOX2 in lung cancer. Therefore, epigenetic modifications of the genomic locus harboring the DUOX genes might be a potential biomarker for developing or progressing lung cancer. Further, analysis of isoform expression in other lung diseases might present an initial step towards early screening approaches and drug development.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Duox NADPH Oxidasen verfügen über die Möglichkeit reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species; ROS) im Lungenepithelium sowie in der Schilddrüse zu produzieren. Duox1 und Duox2 erzeugen Wasserstoffperoxid (H2O2) an der luftzugewandten Seite von Lungenepithelzellen und in der apikalen Zellmembran follikulärer Schilddrüsenzellen. Beide Enzyme wurden mit der körpereigenen Immunabwehr sowie der Hormonsynthese in der Schilddrüse in Verbindung gebracht. Weiterhin spielt Duox1 eine Rolle bei der Regulierung des pH-Wertes der Lungenflüssigkeit sowie bei Heilungsprozessen des Lungenepitheliums. Über die Regulierung beider Duox Enzyme ist bisher lediglich bekannt, dass sie zusammen mit den Proteinuntereinheiten DuoxA1 und DuoxA2 expremiert werden müssen, um ihre biologische Aktivität zu entfalten. Die Regulierung von Duox1 und Duox2 ist jedoch bisher nicht geklärt. Im Rahmen dieser Dokorarbeit konnte gezeigt werden, dass Duox Enzyme funktionelle Einheiten mit ihren jeweiligen DuoxA Proteinuntereinheiten bilden. Dieser Mechanismus findet ebenfalls bei Nox2, der NADPH Oxidase des phagozytischen Systems, statt. Weiterhin wurden mehrere DuoxA1 Isoformen (Duox1-1, DuoxA1-2 und DuoxA1-3) identifiziert, die jedoch nicht alle im gleichen Maße zur Wirkungsweise von Duox1 beitragen. Die beiden Duox Isoformen befinden sich in unterschiedlichen Kompartimenten der Zelle, was bedeuten könnte, dass beide Proteine unterschiedliche Aufgaben in der Zelle besitzen. Speziell im ex vivo differenzierten Lungenepithel-Modellsystem stellte sich heraus, dass Duox2 sich in Flimmerepithelzellen befindet und dort entlang der Zilien lokalisiert ist. Da Duox Proteine die Fähigkeit haben, gesundheitsschädliche ROS zu produzieren, wurde ihre Expression in Lungenkrebszellen untersucht. Duox1 und Duox2, sowie ihre beiden Untereinheiten DuoxA1 und DuoxA2, wurden nicht mehr transkribiert, und die Analyse der CpG-reichen Promotorregionen von DUOX1 und DUOX2 zeigte eindeutig, dass diese Abschnitte überdurchschnittlich häufig methyliert sind. Die Wiedereinführung der jeweiligen Duox Enzyme in Lungenkrebszellen führte zu einer beschleunigten Zellwanderung sowie verbesserter Wundheilung in vitro, ohne Beinflussung der Zellteilung. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Duox1 und Duox2 unterschiedliche Aufgaben im Lungenepithel besitzen, und dass beide Enzyme häufig im klinischen Lungenkrebs nicht mehr expremiert werden. Der die DUOX Gene umgebende Lokus stellt ein mögliches Ziel für häufige epigenetische Modifikationen im Lungenkrebs dar. Veränderungen in diesem chromosomalen Bereich könnten als potenzielle Biomarker für die Kanzerogenese genutzt und eventuell sogar einer der drei Stufen (Initiation, Promotion, Progression) zugeordnet werden. Darüberhinaus könnte die Analyse der Expressionsmuster von Duox1 und Duox2 Hinweise für neue Entwicklungsansätze von spezifischen Medikamenten liefern, und so die Behandlung verschiedener Lungenkrankheiten ermöglichen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Luxen, Sylviasylvia.luxen@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-26372
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    dual oxidases, ROS, DuoxA, heterodimer, lung cancerEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Biochemie
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 23 October 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 25 Mar 2009 11:10:39
    Referee
    NameAcademic Title
    Baumann, ArndProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2637

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