Effects of Carnosine and L-histidine on Viability and Expression of Pyruvate Dehydrogenase Kinase 4 in Human Glioblastoma Cells

Die Arbeit behandelt die Ergebnisse von Experimenten über die Wirkung des Dipeptides Carnosin (β Alanyl L Histidin) und der Aminosäuren L Histidin und β-Alanin auf Kulturen der humanen Zellreihen U87, T98G und LN405, welche von Zellen des malignen Hirntumors Glioblastoma multiforme abgeleitet sind. Die Vitalität der Zellen nach Inkubation mit Carnosin oder L Histidin wurde anhand der Adenosintriphosphatproduktion und der Dehydrohenaseaktivität für Inkubationszeiträume von 24, 48 und 72 Stunden bestimmt. Dabei zeigte sich eine signifikant niedrigere Vitalität der mit Carnosin oder L Histidin inkubierten Zellen gegenüber der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei L Histidin stärker ausgeprägt. Bei Messungen der Lakatdehydrogenaseaktivität im Medium der Zellen, welche als Indikator für Zellnekrosen diente, zeigten nur die mit L Histidin inkubierte Zellen Zeichen von Nekrose. Die gleichen Messungen wurden auch an humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt (HEK 293), wobei sich ein ähnliches Ergebnis feststellen ließ. In den drei Zellreihen wurde zudem mittels qRT-PCR die mRNA-Expression für die beiden Enzyme Carnosinase 1 und Carnosinase 2 bestimmt, welche L Histidin von Carnosin abspalten. Im Vergleich mit Proben aus normalem Hirngewebe war die Expression beider Enzyme in den Glioblastomzellen deutlich geringer, wenngleich nachweisbar. Nachdem vorhergehende Studien [8] einen Anstieg der Expression von mRNA der Pyruvatdehydrogenasekinase 4 (PDK4) in mit Carnosin inkubierten Glioblastomzellen gezeigt hatten, wurde dieser Effekt hier auch mittels qRT-PCR in mit L Histidin inkubierten Zellen nachgewiesen. Eine Wirkung von Carnosin oder L Histidin auf ein Reportergen des PDK4-Promoters wurde ebenfalls untersucht, wobei sich kein signifikanter Effekt nachweisen ließ.:Table of contents Bibliographische Beschreibung I List of Abbreviations II List of Figures IV List of Tables V 1 Introduction 1 1.1 Overview 1 1.2 Glioblastoma 1 1.3 Carnosine 4 1.4 Histidine 8 1.5 Human pyruvate dehydrogenase kinase 4 gene and enzyme 9 2 Objectives of the study 12 3 Materials and Methods 13 3.1 Materials 13 3.1.1 Cell lines 13 3.1.2 Primers 13 3.1.3 Plasmids 14 3.1.4 cDNA of normal brain tissue 14 3.1.5 Solutions and buffers 14 3.1.6 Enzymes and kits 15 3.1.7 Media 16 3.1.8 Ready-made chemicals 17 3.1.9 Instruments 18 3.1.10 Software 19 3.1.11 Consumables 20 3.2 General microbiological and cytological methods 21 3.2.1 Production of competent E. coli 21 3.2.2 Transformation of RbCl-competent E. coli 21 3.2.3 Preparation of plasmid DNA from cultures of transformed E. coli 22 3.2.4 Cell culture conditions for human cell lines 22 3.3 Assay methods and protocols 24 3.3.1 Transfections and reporter gene assays 24 3.3.2 mRNA-isolation and qRT-PCR 25 3.3.3 Cell viability assays 26 3.4 Construction of the reporter gene (-3968/+319)_PDK4_GauIII 27 3.5 Statistical analysis 28 4 Results 29 4.1 Cell viability of glioblastoma cells under the influence of carnosine, L histidine and β-alanine 29 4.1.1 ATP production under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 29 4.1.2 Dehydrogenase activity under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 34 4.1.3 Lactate dehydrogenase activity and necrotic cell death under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 38 4.1.4 Concentration dependence of viability decrease under the influence of carnosine and L histidine 42 4.1.5 Effect of carnosine and β-alanine on viability of HEK 293 cells 44 4.2 Carnosinase mRNA expression 46 4.3 PDK4-mRNA expression under the influence of L-histidine 48 4.3.1 Enhancement of PDK4-mRNA-expression under the influence of L histidine 48 4.3.2 Development of L-histidine-mediated PDK4-mRNA increase over time 51 4.4 Reporter gene assays 54 5 Discussion 60 5.1 Conclusions 60 5.2 Outlook and suggestions for further research 63 6 Summary 65 7 Literature 68 8 Appendix - Optimization of transfection conditions for U87 cells 7