Oxidative stress and XIAP signalling in neuronal cells

Abstract

Oxidative stress is the result of an imbalance in the cellular pro-/antioxidant homeostasis which leads to the overproduction of reactive oxygen species (ROS). Usually, oxidative stress leads to structural and functional disruption within the cells, which in turn may cause cell death through different mechanisms. The brain is very sensitive to oxidative damage because of its high oxygen consumption, and oxidative stress is known to be involved e.g. in neurodegenerative diseases such as Huntington’s disease (HD).

X-linked Inhibitor of Apoptosis Protein (XIAP), one of the best-characterized apoptosis inhibitor proteins, is expressed both during development, and in the adult brain. Overexpression of XIAP is known to protect cells against various injuries and cell degeneration. XIAP can prevent cell death through various signalling cascades, e.g. by preventing caspases which are essential for apoptotic cell death. The function of XIAP in oxidative stress-related reactions is not that well-studied, which led us to examine it more closely. We found out that XIAP is able to reduce oxidative stress and cell death caused by ROS in vitro in neuron-like PC6.3-cells. We also noticed that XIAP increases the activation of transcription factor NFkappaB in these cells. Via NFkappaB, XIAP also increased two mitochondrial antioxidants: superoxide dismutase 2 (SOD2) and thioredoxin 2 (TRX2), and the significance of NFkappaB in this effect was also shown by using fibroblast cell lines from NFkappaB p65-/- mice. Furthermore, we observed that XIAP enhances BDNF signalling through NFkappaB in E17 hippocampal neurons. In the PC6.3-cell model of HD there was a correlation between the increased amount of ROS and the enhanced number of glutamine repeats. The protein levels of intracellular antioxidants and NFkappaB were decreased in cells expressing mutant huntingtin (htt) proteins compared to control cells. Last but not least, we observed that resveratrol (RSV) pre-treatment is able to reduce oxidative stress and cell death caused by ROS in PC6.3-cells. RSV also increased the amount of SOD2, TRX2 and XIAP, and the NFkappaB system may be involved in the increase of antioxidant proteins mediated by RSV.

Altogether, these results bring us closer to understanding the role of XIAP in the control of oxidative stress and the function of XIAP in NFkappaB and BDNF signalling. In view of this, modulation of XIAP is an interesting possibility to consider in various therapies to reduce cell injuries caused by enhanced oxidative stress. RSV would also be a really interesting compound to examine as a drug candidate in disorders where oxidative stress is involved. However, studies to analyse its kinetics, actions and pharmacological and toxicological profiles are still lacking.

Oksidatiivinen stressi on seurausta pro-/antioksidanttientsyymien epätasapainosta, mikä johtaa reaktiivisten happiradikaalien (ROS; reactive oxygen species) syntyyn. Oksidatiivinen stressi johtaa usein solujen rakenteellisiin ja toiminnallisiin häiriöhin, mikä puolestaan voi aiheuttaa eri mekanismien kautta solukuoleman. Aivot ovat erittäin herkkä elin happiradikaalien aiheuttamille vaurioille korkean hapenkulutuksensa vuoksi, ja oksidatiivisen stressin tiedetään olevan osallisena esimerkiksi tietyissä hermorappeumasairauksissa, kuten Huntingtonin taudissa (HD; Huntington’s Disease). Huntingtonin tauti on autosomaalinen dominantisti periytyvä hermorappeumasairaus, jonka aiheuttaa laajentunut glutamiinia koodaava CAG-toistojakso (>35-39) huntingtin proteiinin amino-terminaalisessa päässä.

XIAP on yksi parhaiten karakterisoiduista apoptoottisista solukuolemaa estävistä proteiineista, ja se ilmentyy sekä kehityksen aikana että aikuisessa aivossa. XIAP:in yli-ilmentämisen tiedetään suojaavan soluja erilaisilta vauroilta ja rappeumilta: se esimerkiksi pystyy suojaamaan soluja solukuolemalta erilaisten signaalisarjojen kautta, kuten estämällä apoptoottisessa solukuolemassa aktitoituvia kaspaaseja aktivoitumasta. XIAP:n vaikutusta oksidatiiviseen stressiin liittyvissä reaktioissa ei ole tutkittu niin paljon, minkä vuoksi tässä väitöskirjatyössä lähdettiin tarkastelemaan sitä lähemmin. Huomattiin, että XIAP pystyy vähentämään oksidatiivista stressiä ja reaktiivisten happiradikaalien aiheuttamaa solukuolemaa hermosolutyyppisissä PC6.3-soluissa. Lisäksi XIAP lisäsi transkriptiotekijä NFkappaB:n aktivaatiota näissä soluissa, sekä lisäsi kahden mitokondriaalisen antioksidanttiproteiinin, superoksididismutaasi 2 (SOD2) ja tioredoksiini 2 (TRX2), määrää NFkappaB:n kautta. PC6.3-solujen lisäksi NFkappaB:n osallisuus tähän osoitettiin käyttämällä NFkappaB p65-/- hiiristä peräisin olevaa fibroblastisolulinjaa. Mitokondriaalisten antioksidanttiproteiinien lisäksi XIAP:n havaittiin myös lisäävän BDNF signalointia NFkappaB:n kautta E17 hippokampaalisissa hermosoluissa. Oksidatiivista stressiä tutkittiin myös Huntingtonin taudin PC6.3-solumallissa ja huomattiin korrelaatio glutamiinin toistojaksojen lukumäärän ja happiradikaalitasojen välillä. Solunsisäiset antioksidanttiproteiinitasot sekä NFkappaB:n määrä olivat myöskin alhaisemmat soluissa, jotka ilmensivät mutatoitunutta huntingtinia (htt) verrattuna kontrollisoluihin. Viimeisimpänä tutkittiin myös resveratrolin (RSV) vaikutuksia, ja huomattiin, että RSV esikäsittely pystyi vähentämään sekä oksidatiivista stressiä että reaktiivisten happiradikaalieen aiheuttamaa solukuolemaa PC6.3-soluissa. RSV lisäsi myös SOD2:n, TRX2:n ja XIAP:n määrää. Lisäksi NFkappaB järjestelmä saattaa olla osallisena RSV:n antioksidantteja lisäävään vaikutukseen.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä väitöskirjatutkimus lisää tietämystämme XIAP:n merkityksestä oksidatiivisessa stressissä sekä NFkappaB ja BDNF signaloinnissa. XIAP:n modulointi voisi olla mielenkiintoinen tutkimuskohde suunniteltaessa hoitomuotoja, jotka suojaisivat soluja oksidatiivisen stressin aiheuttamilta vauroilta. Myös RSV olisi mielenkiintoinen lääkeainekandidaatti häiriöissa, joissa oksidatiivinen stressi on osallisena. Kuitenkin analyysitutkimukset liittyen sen kinetiikkaan, toimintaan sekä farmakologisiin ja toksikologisiin profiileihin ovat vielä puutteelliset.