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Regulation of malignant cell transformation by the stress-activated kinase p38alpha

Dolado Pérez, Ignacio

German Title: Regulierung der malignen Zelltransformation durch die stressaktivierte Kinase p38alpha

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Abstract

Cancer is a dynamic process that requires the stepwise deregulation of mechanisms affecting various cellular traits. During my PhD, I have characterized how the stress-activated p38alpha MAPK signaling pathway regulates the processes of cellular migration, proliferation, and survival in the context of oncogene-induced malignant transformation, which recapitulates the mechanisms of cancer initiation at the cellular level. My studies have been mostly based on the use of human and mouse cultured cells, which I have analyzed using both biochemical and cell biological approaches. In particular, the development of p38alpha-deficient cell lines and the application of retrovirally-based gene expression techniques have been very useful. The implementation of tools to measure the intracellular levels of reactive oxygen species (ROS) within living cells has also been key for my work. I have found that p38alpha regulates the process of malignant transformation at various levels. First, p38alpha negatively regulates cell cycle progression induced by mitogenic signals in both exponentially proliferating and confluent cells. Oncogene-expressing cells proliferate faster in the absence of p38alpha, which may be accounted for by the negative effect of p38alpha on cyclin D1 expression. Similarly, p38alpha controls the process of cell-cell contact-inhibition, which requires p27Kip1 accumulation and triggers G1-phase cell cycle arrest upon cell confluence. The process of contact inhibition is likely to involve uncharacterized membrane-associated signaling events. Accordingly, I have found that p38alpha regulates the membrane composition of oncogene-transformed cells. In addition to its negative role in cell proliferation, I have shown that p38alpha can interfere with the process of malignant transformation by sensing oxidative stress and inducing apoptosis. Thus, p38alpha becomes activated when oncogene-expressing cells accumulate high levels of carcinogenic ROS and, in turn, induces the elimination of the transformed cells by apoptosis. Interestingly, I have found that human cancer cell lines that contain high ROS levels have developed a mechanism to by-pass this p38alpha function. Finally, in contrast to its anti-proliferative and pro-apoptotic roles, I have found that p38alpha is an important mediator of cytokine-induce cell migration, a process that is thought to be important for cancer cell metastasis.

Translation of abstract (German)

Krebsentstehung ist ein dynamischer Vorgang, der durch eine schrittweise Deregulierung zellulärer Prozesse gekennzeichnet ist. Das Ziel meiner Dissertationsarbeit war es, die Rolle der stressaktivierten p38alpha MAP Kinase bei der Regulierung von Zellmigration, Zellwachstum und Überleben im Hinblick auf onkogen-induzierte, maligne Zelltransformation aufzuklären. Die maligne Zelltransformation ist ein Prozess, der die Mechanismen des Beginns der Krebsentstehung auf zellulärer Ebene widerspiegelt. Für die Forschungsarbeiten wurden hautsächlich humane und Maus Zellinien verwendet, welche biochemisch und zellbiologisch analysiert wurden.Von besonderer Bedeutung waren die Entwicklung von p38alpha MAPK-defizienten Zellinien und retrovirale Genexpressionstechniken. Außerdem war die Verwendung von Methoden zur Messung des intrazellulären Niveaus von reaktiven Sauerstoffradikalen (Englisch: “reactive oxygen species” = ROS) in lebenden Zellen essentiell für meine Arbeit. Die im Rahmen dieser Dissertation erarbeiteten Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die p38alpha MAP Kinase die maligne Zelltransformation auf verschiedenen Ebenen reguliert. Zum einen reguliert p38alpha in negativer Weise die durch mitogene Signale induzierte Progression des Zellzyklus sowohl in proliferierenden, als auch in konfluent wachsenden Zellen. Zellen, welche Onkogene exprimieren, wachsen schneller in Abwesenheit von p38alpha, was eventuell auf den negativen Effekt der p38alpha MAPK Kinase auf die Cyclin D1 Expression zurückzuführen ist. In ähnlicher Weise kontrolliert p38alpha MAPK den Vorgang der Kontaktinhibition in Zellkultur, für den eine Akkumulierung von p27Kip1 notwendig ist, und der bei Zell-Zell Kontakt den Zellzyklus in der G1 Phase blockiert. An der Kontaktinhibition in Zellkultur sind wahrscheinlich andere noch unbekannte zellmembranassoziierte Signalübertragungswege beteiligt. In diesem Sinne habe ich zeigen können, dass p38alpha MAPK die molekulare Zusammensetzung der Zellmembranen von durch Onkogene transformierten Zellen steuert. Weiterhin konnte ich aufklären, dass p38alpha MAPK die maligne Zelltransformation dadurch beeinflusst, dass sie als Messmodul für oxidativen Stress fungiert und bei hohen Werten Apoptose induziert. Dabei wird p38alpha MAPK dann aktiviert, wenn Onkogen exprimierende Zellen hohe Levels an karzinogenem reaktivem Sauerstoff angesammelt haben. Die aktivierte p38alpha MAPK induziert daraufhin den programmierten Zelltod der transformierten Zellen. Zusätzlich konnte ich im Rahmen dieser Arbeit zeigen, dass Zellinien menschlicher Tumoren, die hohe intrazelluläre Niveaus von oxidativem Stress aufweisen, einen Kompensationsmechnismus entwickelt haben, diesen p38alpha gesteuerten Prozess zu umgehen. Schließlich konnte ich zeigen, dass p38alpha MAPK, im Gegensatz zu ihren anti-proliferativen und anti-apoptotischen Funktionen, ein wichtiges Regulationsglied der cytokininduzierten Zellwanderung ist. Dieser Vorgang scheint sehr wichtig für die Metastatisierung von Tumoren zu sein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: BARTRAM, PROF. DR. CLAUS R.
Date of thesis defense: 27. June 2007
Date Deposited: 28. Jun 2007 12:22
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Zelltransformation , krebs , stress , p38 MAPK , Zellmigration , Ras , p27Kip1 , Zellwachstum , reaktiven SauerstoffradikalenGST , p38 MAPK , cell transformation , ROS , oxidative stress , apoptosis , migration , contact inhibition, proliferation , Ras , oncogenes
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