Calbindin-D28k and its role in apoptosis

Lohmeier, Johannes (2018): Calbindin-D28k and its role in apoptosis: inhibition of Caspase-3 activity and interaction with Pro-Caspase-3 investigated by in-situ FRET microscopy. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

In recent years, there was growing evidence that Calbindin-D28k, a common calcium binding protein, highly conserved among mammals, might be cytoprotective by inhibiting active Caspase-3, an important effector of apoptosis and, thereby, a crucial factor in cell physiology, oncogenesis and neurodegenerative diseases. Few in-vitro studies suggested that there might also be an interaction with the pro-domain of its zymogen, Pro-Caspase-3. To date, evidence on the various intermolecular interactions of Calbindin-D28k is essentially based on in-vitro studies. However, occasionally in-vitro studies yield results that might not correspond with conditions in living cells. To our knowledge, it is the first time that the proposed intermolecular Calbindin-D28k-Pro-Caspase-3 interaction and, moreover, the inhibition of Caspase-3 activity in a more complex, natural milieu of a cell is investigated using in-situ FRET microscopy (Acceptor-Photobleaching and Sensitized Emission). There is conclusive evidence for a calcium-independent interaction between Calbindin-D28k and an Inositol monophosphatase (IMPase) peptide sequence. Contrary to previous in-vitro studies based on peptide sequences, these results do not indicate an interaction with Pro-Caspase-3 regardless of intracellular calcium levels. This finding suggests that the inhibition of Caspase-3 activity is attributable to the intermolecular interaction with active Caspase-3. Moreover, the current findings indicate inhibition of Caspase-3 activity in a concentration-dependent manner. Further understanding of these cytoprotective pathways and mechanisms might prove beneficial to develop new cytoprotective or radio-/chemosensitizing agents and therapeutic strategies to modulate programmed cell death in neurodegenerative diseases, such as Morbus Alzheimer, Chorea Huntington or Amyotrophic lateral sclerosis, and various tumor diseases.

Abstract

Calbindin-D28k ist ein hoch konserviertes Kalzium-bindendes Protein, dem ein protektiver Effekt zugesprochen wird. In-vitro Studien haben gezeigt, dass Calbindin-D28k in der Lage ist, die aktive Caspase-3 zu hemmen, ein wichtiger Effektor des programmierten Zelltodes, die eine Schlüsselrolle in Zellphysiologie, Tumorentstehung und neurodegenerativen Erkrankungen einnimmt. Wenige in-vitro Studien haben ebenso zeigen können, dass eine Interaktion mit dem Zymogen, der Pro-Caspase-3, möglich ist. Bis heute stützt sich nahezu die gesamte Beweislage zu den verschiedenen intermolekularen Interaktionen von Calbindin-D28k im Wesentlichen auf in-vitro Studien. Jedoch können in-vitro Studien vereinzelt Ergebnisse hervorbringen, die sich nicht auf das komplexe Milieu von lebenden Zellen übertragen lassen. Daher untersucht die vorliegende Forschungsarbeit, die Calbindin-D28k-Pro-Caspase-3 Interaktion und die Inhibition der Caspase-3 Aktivität im komplexeren Milieu einer Zelle mittels in-situ FRET-Mikroskopie (Acceptor-Photobleaching und Sensitized Emission). Die Daten weisen auf eine Kalzium-unabhängige Interaktion zwischen Calbindin-D28k und einem Peptid der Inositol monophosphatase (IMPase) hin. Allerdings können die Ergebnisse, unabhängig von der intrazellulären Kalzium-Konzentration, keine Interaktion mit der Pro-Caspase-3 bestätigen. Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zu in-vitro Studien, die eine Interaktion mit den jeweiligen Peptidsequenzen zeigen konnten. Dies legt nahe, dass die Inhibition der Caspase-3 Aktivität auf die intermolekulare Interaktion mit der aktiven Caspase-3 zurückzuführen ist. Die Ergebnisse sprechen außerdem für eine konzentrationsabhängige Hemmung der Caspase-3 Aktivität. Ein tieferes Verständnis der protektiven Signalwege und Funktionsweisen kann bei der Entwicklung von neuen protektiven oder radio-/chemosensibilisierenden Pharmaka und therapeutischen Behandlungsstrategien richtungsweisend sein, die den programmierten Zelltod in neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Chorea Huntington oder Amyotrophe Lateralsklerose, aber auch diversen Tumorerkrankungen modulieren könnten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: calbindin, calcium binding protein, caspase, apoptosis, modulation, interaction, inhibition, cytoprotection, FRET, förster resonance energy transfer, photobleaching, sensitized emission, photoconversion, biosensor, caspase activity, neuron, hippocampus, inositol monophosphatase
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. Juni 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Meyer, Michael