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Die zelluläre Lokalisation der SPHK1a in Abhängigkeit vom Gefäßgebiet

Müller, Cindy


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Freie Schlagwörter (Deutsch): SPHK1a , S1P , Immunhistochemie , Sphingolipide
Freie Schlagwörter (Englisch): SPHK1a , S1P , immunohistochemistry , sphingolipid
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Anatomie und Zellbiologie
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.12.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 10.12.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Sphingosin-1-Phosphat (S1P), ein bioaktives Sphingophospholipid, ist an vielen wichtigen zellulären Regelmechanismen, wie z.B. der Apoptose, Proliferation, Kontraktion und Inflammation beteiligt. S1P wirkt intrazellulär als second messenger, aber auch extrazellulär als Ligand einer Gruppe von fünf G-Protein-gekoppelten S1P-Rezeptoren. S1P wird durch Sphingosinkinasen (SPHK) aus Sphingosin generiert. Die identifizierten beiden SPHK-Isoformen, SPHK1 und 2, weisen neben spezifischen Eigenschaften auch verschiedene Lokalisationen in der Zelle auf. Man unterscheidet 2 funktionell identische SPHK1 Isoformen: SPHK1a und SPHK1b. Die SPHK1, wichtig für Wachstum und Überleben der Zelle, ist durch verschiedenste Moleküle, wie Liganden von Wachstumsfaktorrezeptoren (PDGF, EGF, VEGF), von G-Protein-gekoppelten (Acetycholin) und von Immunoglobulin-Rezeptoren sowie auch durch Zytokine aktivierbar.

Obgleich S1P in die Regulation wichtiger essenzieller Signaltransduktionswege integriert ist, bestehen nur unzureichende Informationen über die Lokalisation des S1P-generierenden Enzyms SPHK1 in den verschiedenen Organsystemen. In dieser Arbeit wurde immunhistochemisch die Lokalisation des SPHK1a-Proteins in verschiedenen Organsystemen der Ratte untersucht. Nahezu alle arteriellen Stromgebiete des Körperkreislaufs zeigten von den organversorgenden Hauptästen bis hin zu den kleinen Arteriolen und Venolen in der glatten Muskulatur eine SPHK1a-Immunreaktivität (IR); Arterien muskulären Bautyps hierbei stärker als Arterien des elastischen Typs und Venen. Weiterhin war die Intensität der Immunreaktivität der glatten Gefäßmuskulatur abhängig von der Gefäßgröße. Die SPHK1a-IR war auch in Abhängigkeit vom Organ unterschiedlich ausgeprägt. So wiesen die Arterien des Gehirns, Herzens, Zunge, der verschiedenen Darmanteile, Niere und des M. biceps brachii eine stärkere Immunfluoreszenz der glatten Muskulatur auf als vergleichbare Gefäße der Trachea, Lunge, Leber, Nebenniere, Uterus und Vasa nervorum großer Nerven. Die ubiquitäre Lokalisation der SPHK1a in den glatten Muskelzellen der Blutgefäße erweitert die Ergebnisse der Untersuchungen an Blutgefäßen, die eine Beteiligung der S1P an vaskulären Regelmechanismen nachwiesen.
Die nicht-vaskuläre glatte Muskulatur der untersuchten inneren Organe, wie Atemwege, Gastrointestinaltrakt, Nierenbecken und Uterus, zeigte eine deutlich stärkere SPHK1a-Immunreaktivität als die glatte Muskulatur der Blutgefäße. Nicht-glattmuskuläre neuronale Zellen mit einer SPHK1a-IR wurden im Großhirn in bestimmten Bereichen um die Ventrikel und in verschiedenen Arealen des Cortex nachgewiesen. Das Vorkommen der SPHK1a in bestimmten Neuronenpopulationen weist auf eine Beteiligung von S1P in der Funktion von Neuronen hin. Die im Uterus beobachteten SPHK1a-IR Zellen zeigten weder eine Kolokalisation mit Markern immunkompetenter Zellen, noch mit glattmuskulärem Aktin. Weiterhin wurden vereinzelte nicht-glattmuskuläre, SPHK1a-immunreaktive Zellen in den Glandulae intestinales und tracheales nachgewiesen. In Zellen mit einer hohen Proliferations- und Mitoserate, wie im Uterus, in den Glandulae intestinales und tracheales, wurde eine hohe Konzentration intrazellulärer SPHK1a detektiert, was für eine para/autokrine S1P-vermittelte Stimulation der Mitoserate spricht.

Die Integration des SPHK1a/S1P Signalwegs in essenzielle Signaltransduktionswege ist bekannt, jedoch konnten bisher weder die Quellen des S1P, d.h. die synthetisierenden Zellen, noch die genauen Regulationsmechanismen entschlüsselt werden. Lediglich der Zusammenhang zwischen der Dysregulation verschiedener Sphingolipid-Regelmechanismen und der Pathogenese einiger Erkrankung wie Arteriosklerose, arterieller Hypertonie, Apoplex, Asthma bronchiale und Autoimmunerkrankungen konnte bisher festgestellt werden. Die vorliegende Arbeit bildet einen Baustein für weiterführende Untersuchungen der extra- und intrazellulären Wirkung von S1P und der Entschlüsselung der zu Grunde liegenden Sphingolipid-Regelmechanismen.
Kurzfassung auf Englisch: The bioactive sphingolipid sphingosine 1-phosphate (S1P) is an important modulator of cellular processes like apoptosis, proliferation, contraction and inflammation. S1P acts intracellularly as a second messenger and interact upon release extracellularly with a class of five different G-protein coupled S1P-receptors. S1P is synthesized via two sphingosine kinase isoforms (SPHK1 and 2). The SPHK1 and 2 have different properties and intracellular localisations. Two functional identical SPHK1 isoforms, SPHK1a and b, can be discriminated. The SPHK1 enzyme is important for growth and viability of cells and can be activated by a huge variety of different molecules like ligands of growth factor receptors (PDGF, EDG, VEGF), G-protein coupled receptors (acetylcholine), immunoglobulin receptors (FcgRI, FcgRIII) and cytokine receptors (TNF).

The importance of SPHK1/S1P as part of essential signalling pathways is clear but the cell specific localisation of the enzyme remained to be determined. In this study we investigated by means of immunohistochemistry the localization of the SPHK1a-protein in different organs of the rat. SPHK1a-immunoreactivity (IR) was found in the vascular smooth muscle of almost all main arteries, from the aorta down to the level of the arterioles. Arteries from the muscular type showed stronger IR compared to elastic arteries and veins. The intensity of the IR was also dependent on the vessel size with stronger IR in larger vessels. The SPHK1a-IR showed an organ specific pattern. The immunreactivity of arterial smooth muscle was stronger in brain, heart, tongue, gastrointestinal tract and striated muscle compared to airways, liver, adrenal, uterus and the vasa nervorum. The almost ubiquitous localisation in vascular smooth muscle corroborates the physiological and biochemical results and indicates an important role of SPHK1/S1P in the regulation of vascular function. The SPHK1a-IR of non-vascular smooth muscle of inner organs like airways, gastrointestinal tract, renal pelvis and uterus was stronger compared to the vascular smooth muscle. Non-muscular cells in the grey matter of the forebrain and around the ventricles of the brain also exhibited SPHK1a-IR which points to an involvement of S1P signalling in neuronal function. SPHK1a-IR was also present in cells of the uterus that could not be stained with markers for immune cells or smooth muscle. In addition, single non-muscular cells that were SPHK1-IR could also be found in intestinal and tracheal glands which were known to contain cells with a high proliferative capacity.

It is well known that the sphingosine kinase 1/sphingosine 1-phosphate pathway is coupled to essential signalling transduction pathways and a dysbalance of the spingolipid system is coupled to diseases like arteriosclerosis, hypertonie, apoplexy, asthma and autoimmune diseases prior to the work of this thesis however the S1P synthesizing cells were unknown in most organs. Therefore, this work is of relevance for subsequent investigations of intra- and extracellular actions of S1P.