The glucocorticoid mediated occludin induction in the blood-brain-barrier

Die Blut-Hirn-Schranke wird hauptsächlich vom Endothel der Hirngefäße gebildet und stellt die wichtigste Barriere zwischen Blutkompartiment und Hirnparenchym dar. Hauptverantwortlich für die Barrierefunktion der Gehirnkapillaren sind die Tight Junctions, die den Interzellularspalt des Endothels verschließen und dadurch die parazelluläre Permeabilität hydrophiler Moleküle und Ionen regulieren und einen hohen elektrischen Widerstand aufbauen. Das 65 kDa Transmembranprotein Occludin ist ein zentrales Element der Tight Junctions: Eine Induktion von Occludin führt zur Erhöhung der Barriereeigenschaften, während eine Erniedrigung des Occludin-Gehaltes zu einer verstärkten Kapillardurchlässigkeit und potenziell zu einer Schädigung des Hirngewebes führt. Im klinischen Alltag werden bereits seit vierzig Jahren Kortikosteroide bei Erkrankungen mit geschädigter Blut-Hirn-Schranke erfolgreich eingesetzt. Auch experimentell konnte im hiesigen Labor durch die Arbeitsgruppe von Prof. Förster eine Transaktivierung von Occludin durch Glukokortikoide wie Dexamethason nachgewiesen werden. Die zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen der Occludintransaktivierung blieben weitgehend unbekannt, insbesondere die Frage, ob die Geninduktion über direkte Zielgentransaktivierung oder über eine Protein-Protein-Interaktion mit anderen Transkriptionsfaktoren erfolgt. Das Vorhandensein putativer Glukokortikoid-responsiver Elemente innerhalb des Occludin-Promoters war ebenso noch nicht bekannt. In dieser Arbeit konnte dargestellt werden, dass für die erhöhte Occludin-Expression in Endothelzellen von Hirngefäßen durch Glukokortikoide ein funktioneller Glukokortikoid-Rezeptor als Homodimer nötig war. In den Experimenten wurden die jeweiligen Transaktivierungsniveaus des Occludin-Promoters durch einen Luciferase-Promoter-Reporter-Assay verglichen. Es wurden zum einen der Wildtyp-Glukokortikoidrezeptor, zum anderen ein mutagenisierter Rezeptor eingesetzt, dem die entscheidende Dimerisierungseigenschaft fehlt. Ohne die Ausbildung eines Rezeptor-Homodimers kann die Bindung an die Promoter-DNA nicht erfolgen. Im Vergleich zeigte sich, dass nur der Wildtyp-Glukokortikoidrezeptor zu einer erhöhten Genexpression führte, der mutagenisierte Rezeptor zeigte keine Induktion. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit eine Bindungsstelle des Glukokortikoidrezeptors auf dem Occludin-Promoter identifiziert werden. Die Identifizierung des Glukokortikoid-responsiven Elements erfolgte durch Untersuchung der Glukokortikoid-Responsivität verschiedener Abschnitte des Occludin-Promoters. Auf zwei dieser Abschnitte fanden sich Gensequenzen, die der etablierten kanonischen Konsensussequenz und verschiedenen in der Literatur beschriebenen degenerierten Elementen entsprachen. Im Promoter-Reporter-Assay zeigte sich nur im distalen Promoterabschnitt eine erhöhte Occludin-Expression nach Glukokortikoid-Gabe. Dieses distale Element aus zwei Halbelementen (5’-ACATGTnnnnACAAAT-3’) wurde durch Immunopräzipitationsassays weiter eingegrenzt. Eine Mutagenisierung der Basenabfolge mit anschließend ausbleibender Transaktivierung und Immunopräzipitation bestätigte die Funktionalität des Glukokortikoid-responsiven Elements. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals die direkte dimerisierungsabhängige Glukokortikoidrezeptor-vermittelte Induktion von Occludin nachgewiesen und ein neues degeneriertes Glukokortikoid-responsives Element identifiziert werden, das für die Transaktivierung des Occludingens essentiell ist.The blood-brain-barrier mainly consists of endothelial cells and is the most important barrier between blood vessels and brain parenchyme. Occludin represents an important part of the tight junctions, which seal and protect the blood brain barrier against paracellular diffusion of solutes to the brain parenchyme and are therefore responsible for the high resistance and low permeability between cerebral capillary endothelial cells. Induction of occludin leads to increased barrier properties while a decreased occludin-level results in elevated permeability and potential impairment of the brain tissue. In former studies the positive influence of glucocorticoids on the barrier properties because of an induction of the occludin gene could be shown. This doctorial thesis showed that for an elevated occludin expression level in cerebral endothelial cells a functional glucocorticoid receptor as a homodimer is needed. This was proved comparing the transactivation levels of a wild-type glucocorticoid receptor and a mutagenised receptor lacking the ability of dimerization employing the Luciferase-Promoter-Reporter-Assay. Binding to the promoter-DNA is not possible without the formation of the receptor homodimer. Increased transactivation could only be seen using the wild-type receptor, the mutagenised receptor did not show any induction. In addition this thesis identified a glucocorticoid-receptor binding-site in the occludin promoter. This was performed analyzing the responsivity of different parts of the occludin promoter to glucocorticoid treatment. Two sequences could be found which were similar to the canonical consensus sequence and other established degenerated glucocorticoid response elements. Using the promoter-reporter-assay an elevated occludin expression could be detected after glucocorticoid treatment within the distal segment of the promoter. This distal element consisting of two half sites (5’-ACATGTnnnnACAAAT-3’) was confirmed using immunoprecipitation assays. After site directed mutagenesis of the putative glucocorticoid response element Luciferase promoter reporter assay and chromatin immunoprecipitation assays revealed that disruption of the candidate binding site abolished glucocorticoid-induced reporter gene expression and binding of the glucocorticoid receptor in response to dexamethasone treatment. The fact that glucocorticoid stimulation did not affect gene expression in the mutant vector verified that the glucocorticoid response element is functional and that hormone binding is not possible after alteration of the sequence