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Phosphatidylserin-Exposition an der Membran roter Blutzellen als Apoptose-Marker und Aggregationsparameter Master-Seminar Benjamin Hanf 13.06.2012 1.

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1 Phosphatidylserin-Exposition an der Membran roter Blutzellen als Apoptose-Marker und Aggregationsparameter Master-Seminar Benjamin Hanf

2 2 PS: Phosphatidylserin Vorlesung I. Bernhardt Biophysik Lipid-Übersicht Grundlagen: PS

3 3 10x1x Grundlagen: Aufrechterhaltung der Asymmetrischen Lipid-Verteilung im Bilayer Modell Bilayer (Modifiziert nach Zwaal et al., 2005)

4 4 Aussortieren alter Blutzellen in der Milz Retikulozyt (RNA / DNA Reste) (Hämoglobin) Phagozytose Max. 120 Tage 4 Lebenszyklus RBCs (Modifiziert nach Silbernagel und Despoupolos et al., 2004)

5 5 PS: Bedeutung bei Thrombusbildung Thrombusbildung altes Modell (modifiziert nach )

6 6 Thrombusbildung neues Modell Thrombusbildung (Modifiziert nach B. Nguyen 2010)

7 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 7 PMA aktiviert Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004) Entwicklung des Modells der PS-Exposition

8 8 PS-Exposition von RBCs mit LPA, A23187 und PMA (Bach Nguyen 2010) PS-Exposition mit LPA, A23187 und PMA

9 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 9 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

10 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 PS  PS 10 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

11 11 PS-Exposition von RBCs mit PMA +/- Ca 2+ (Bach Nguyen 2010) Modell PMA: Einfluss von Ca 2+ auf die PS-Exposition

12 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 12 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

13 13 Inhibierung der PKC und Einfluss auf die PS-Exposition von RBCs (Bach Nguyen 2010) Einfluss von PKC auf die PS-Exposition

14 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert Ca 2+ A23187 PS  PS 14 Entwicklung des Modells der PS-Exposition PKC Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

15 15 Links: Immitierter Gardos-Kanal mittels Valinomycin (Ionophor, K + -Transport) Rechts: Blockierung des Gardos-Kanals (Bach Nguyen 2010) Einfluss von Gardos-Kanal auf die PS-Exposition

16 Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert Ca 2+ A23187 PS  PS 16 Entwicklung des Modells der PS-Exposition A23187 Ca 2+ PKC Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

17 17 Einfluss von Gardos-Kanal auf die PS-Exposition Stimulierung der RBC mit A23187 und Inhibierung des Gardos-Kanals mit Charybdoxin (Bach Nguyen 2010)

18 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 18 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

19 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 19 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition mOsm Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

20 20 Einfluss von osmotischen Druck auf die PS-Exposition (Bach Nguyen 2010) Einfluss von osmotischen Druck auf die PS-Exposition Schwarz: Ohne Ca 2+ Weiß: Mit Ca 2+

21 21 Einfluss von osmotischen Druck auf die PS-Exposition Einfluss von osmotischen Druck auf die PS-Exposition (Bach Nguyen 2010) Schwarz: Ohne Ca 2+ Weiß: Mit Ca 2+

22 22 Einfluss von Vorhandensein von ATP auf die PS-Exposition Einfluss von ATP auf die PS-Exposition (Bach Nguyen 2010)

23 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 23 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition PS  PS Flippase X*ATP Ca 2+ mOsm Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

24 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 24 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition PS  PS Flippase X*ATP Ca 2+ mOsm Caspasen Oxidativer Stress Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

25 25 Aktivierung der Caspasen durch ZnCl 2, Oxidativer Stress durch tert-Butyl- Perhydroxid (Bach Nguyen 2010) Einfluss von Caspasen und oxidativem Stress auf die PS-Exposition

26 Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) PGE 2, LPA Ca 2+ Gardos-Kanal H 2 O, K +, Cl - Scramblase induziert PKC Ca 2+ A23187 Ca 2+ PS  PS 26 PMA aktiviert Entwicklung des Modells der PS-Exposition PS  PS Flippase X*ATP Ca 2+ mOsm Caspasen Oxidativer Stress Signalkaskade von RBCs (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004)

27 27 Weiß: Fluo-4 (Ca 2+ ) + Annexin V (PS) Gelb: Nur Fluo-4 (Bach Nguyen 2010) Beispiel einer Zelladhäsion bei RBCs induziert durch LPA (Steffen 2011) Relevanz von intrazellulärem Ca 2+ auf die PS-Exposition

28 28 PS---Ca PS Rezeptor CD36 Adhäsion von RBCs durch Phosphatidylserin (Bach Nguyen 2010, Yamaja Setti et al., 2002) Adhärentes Verhalten von RBCs mit A23187, LPA und PMA

29 29 Ca 2+ CD36 FACS-Messung von Adhäsion von RBCs mit Ca 2+ und Rezeptor CD36, mitte: Negativkontrolle (Yamaja Setti et al., 2002) Adhäsion von RBCs mit Ca 2+ und Rezeptor CD36

30 30 Adhäsion von RBCs mit Ca 2+ und Rezeptor CD36, blaue Punkte: PS, rosa Y: CD36 (Bach Nguyen 2010) Modell zur Adhäsion von RBCs mit Ca 2+ und Rezeptor CD36

31 31 Bsp. An Krankheiten: Fehler in PS-Exposition - Scott-Syndrom (Bluterkrankheit) - Antiphospholipid-Syndrom (erhöhtes Risiko zu Thrombosen) - Sichelzellanämie (erhöhte PS-Exposition  Risiko zu Thrombosen) - Nierensteine (Bindung von Ca 2+ auf Nierenzellen) - Malaria (erhöhter oxidativer Stress sowie Ca 2+ -Aufnahme  Risiko zu Thrombosen)

32 Scott-Syndrom (Bluterkrankheit) RBC (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004) PS PS  PS PGE 2, LPA Scramblase 32

33 33 Antiphospholipid-Syndrom (erhöhtes Risiko für Thrombose) PS 33 RBC (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004) PS mit Phospholipid - assoziiertes Protein Antiphospholipid

34 Sichelzellanämie (erhöhtes Risiko für Thrombose) PS  PS RBC (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004) PS  PS Translocase Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) Ca 2+ Scramblase 34

35 Nierensteine Nierenzelle (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004) Oxalat-Kristall PS 35

36 Malaria (erhöhtes Risiko für Thrombose) PS  PS RBC (Modifiziert nach Kaestner et al., 2004) Kationen-Kanal (2-wertige Kationen; Ca 2+ ) Ca 2+ Scramblase PS  PS Oxidativer Stress 36

37 37 - Modell der PS-Exposition von RBCs - Signalmolekülen (Gardos-Kanal, Ca 2+ ) - oxidativer Stress - osmotischer Druck - Einfluss von Caspasen - Modell zur Adhäsion von PS - PS---Ca PS - Rezeptor CD36 - Krankheiten bei fehlerhafter PS-Exposition - 5 Beispiele Zusammenfassung

38 38 Referenzen Zwaal, R.F., Schroit, A.J., “Pathophysiologic implications of membrane phospholipid asymmetry in blood cells” (1997) Blood, 1997, 89: Mandal, D., Moitra, P.K., Saha, S., Basu, J., “Caspase 3 regulates phosphatidylserine externalization and phagocytosis of oxidatively stressed erythrocytes” (2002) FEBS Lett, 2002, 513: Kucherenko, Y.V., Weiss, E., Bernhardt, I., “Effect of the ionic strength and prostaglandin E 2 on the free Ca 2+ concentration and the Ca 2+ influx in human red blood cells” (2004) Bioelectrochemistry, 2004, 62: Andrews, D.A., Low, P.S., “Role of red blood cells in thrombosis” (1999) Curr Opin Hematol, 1999, 6: Weiss, H.J., Lages, B., “Platelet prothrombinase activity and intracellular calcium responses in patients with storage pool deficiency, glycoprotein IIb-IIIa deficiency, or impaired platelet coagulant activity a comparison with Scott syndrome” (1997) Blood, 1997, 89: Wu, Y., Tibrewal, N., Birge, R.B., “Phosphatidylserine recognition by phagocytes: a view to a kill” Trends Cell Biol, 2006, 16: Verhoven, B., Schlegel, R.A., Williamson, P., “Mechanisms of phosphatidylserine exposure, a phagocyte recognition signal on apoptotic T lymphocytes” (1995) J Exp Med, 1995, 182: Uchida, K., “Induction of apoptosis by phosphatidylserine” (1998) J Biochem, 1998, 123: Schlegel, R.A., Williamson, P., “Phosphatidylserine, a death knell. Cell Death Differ” (2001) 2001, 8: Ravichandran, K.S., Lorenz, U., “Engulfment of apoptotic cells: signals for a good meal. Nat Rev Immunol” (2007) 7: Kuypers, F.A., De Jong, K., “The role of phosphatidylserine in recognition and removal of erythrocytes” (2004) Cell Mol Biol, 2004, 50: Quan, G.B., Han, Y., Yang, C., Hu, W.B., Liu, M.X., Liu, A., Wang, Y., Wang, J.X., “Mechanism of erythrocyte phosphatidylserine exposure induced by high concentrated glucose” Zhongguo Shi Yan Xue Ye Xue Za Zhi, (2008) 16: Kiedaisch, V., Akel, A., Niemoeller, O.M., Wieder, T., Lang, F., „Zinc-induced suicidal erythrocyte death” (2008) Am J Clin Nutr, 2008, 87: Sutton, D.J., Tchounwou, P.B., “Mercury-induced externalization of phosphatidylserine and caspase 3 activation in human liver carcinoma (HepG2) cells” (2006) Int J Environ Res Public Health, 2006, 3: Mandal, D., Moitra, P.K., Saha, S., Basu, J., “Caspase 3 regulates phosphatidylserine externalization and phagocytosis of oxidatively stressed erythrocytes” (2002) FEBS Lett, 2002, 513: Telen, M.J., “Red blood cell surface adhesion molecules: their possible roles in normal human physiology and disease” (2000) Semin Hematol, 2000, 37: Closse, C., Dachary-Prigent, J., Boisseau, M.R., “Phosphatidylserine-related adhesion of human erythrocytes to vascular endothelium” (1999) Br J Haematol, 1999, 107:

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