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Regulation of inflammation and glucose homeostasis by poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1)


Erener, Süheda. Regulation of inflammation and glucose homeostasis by poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1). 2010, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary

Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) is an abundant and ubiqutously expressed chromatin associated enzyme (approx. 1-2 million copies/cell). It catalyzes the transfer of ADP-ribose units from its substrate NAD+ covalently to itself and other nucler proteins. PARP1 can also be acetylated, sumoylated, and proteolytically cleaved. It is involved in many cellular processes, such as maintenance of the genomic stability and transcription. Each cell in the human body contains about 25,000 to 35,000 genes. Rather than keeping all the genes active all the time, each cell regulates the expression of genes according to its needs. This is accomplished mainly by activating or repressing transcription. Transcription is regulated by transcription factors that bind distinct DNA sequences of specific genes, and by cofactors which can modulate the transcription factor activity and also by the chromatin structure that dictates how easily the transcription factors can access DNA. Transcriptional regulation is of crucial importance for understanding physiological and pathophysiological processes. Aim of this thesis was to investigate the role of PARP1 cleavage in inflammation using PARP1 D214N (knock-in) cleavage resistant mice and to gain insights into the regulatory mechanism. Furthermore, we aimed to explore the potential role of PARP1 in energy metabolism using the PARP1-/- (knock-out) mouse model. The work presented in this thesis revealed the activation of inflammatory gene expression by PARP1 cleavage. Non-apoptotic PARP1 cleavage was mediated by caspase 7 under inflammatory conditions. Caspase 7 reduction by siRNA led to reduced inflammatory gene response. Cleaved PARP1 fragments were dissociated from the chromatin and PARP1 removal led to increased chromatin accessibility and thus to an enhanced gene response to inflammatory stimulus. In addition, PARP1 was identified to have a role in energy metabolism. PARP1-/- mice displayed higher blood glucose levels than wild-type mice and developed mature-onset obesity with age. Old PARP1-/- mice showed resistance to insulin and glucose tolerance tests. Analysis of gene expression from hepatic tissues revealed that PARP1-/- mice had elevated expression of enzymes involved in glucogeonesis implicating a role for PARP1 in regulating glucose homeostasis. Together, the results presented here characterize PARP1 as a regulator of pathological and physiological processes such as inflammation and energy metabolism.



1 Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) ist ein ubiquitär exprimiertes und chromatin- assoziiertes Enzym. Mengenmässig können bis zu zwei Millionen PARP1-Kopien pro Zelle vorkommen. Die katalytische Aktivität von PARP1 besteht darin, ADP-ribose-Einheiten von seinem Substrat NAD+ kovalent auf sich selbst, oder auf andere nukleoläre Proteine zu transferieren. Zudem kann PARP1 ebenso acetyliert, sumoyliert oder proteolytisch gespalten werden. PARP1 ist in vielen zellulären Prozessen, wie zum Beispiel der Transkription und der Aufrechterhaltung der genomischen Integrität involviert. Jede Zelle im menschlichen Körper enthält schätzungsweise 25.000 bis 35.000 Gene. Die Zelle exprimiert jedoch nur solche Gene, welche sie für ihren momentanen Zustand benötigt. Reguliert wird die Genexpression durch Aktivierung und Reprimierung der Transkription. Die Transkription selbst wird durch sogenannte Transkriptionsfaktoren, welche an bestimmten DNA-Sequenzen binden, reguliert. Hinzukommend modulieren Cofaktoren und Chromatinstrukturen die Aktivität der Transkriptionsfaktoren durch die Veränderung der Zugänglichkeit zur DNA. Somit ist die transkriptionelle Regulation von grosser Bedeutung für das Verständnis von physiologischen und pathophysiologischen Prozesse. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle der proteolytischen PARP1-Spaltung während der Entzündung zu untersuchen. Um den Regulationsmechanismus besser zu verstehen, wurden für die Experimente PARP1 D214N (knock-in) Mäuse verwendet, bei denen PARP1 nicht spaltbar ist. Darüber hinaus haben wir mit PARP1-/- (knock-out) Mäusen versucht, eine mögliche Rolle von PARP1 im Energiestoffwechsel aufzuzeigen. Diese Arbeit macht deutlich, wie die Aktivierung der Genexpression während der Entzündung durch PARP1-Spaltung eingeleitet wird. Die nicht-apoptotische PARP1-Spaltung wird durch Caspase 7 unter inflammatorischen Bedingungen vermittelt. Zudem führte Caspase 7 Reduktion durch siRNA zu einer verminderten Genexpression. Gespaltenes PARP1 dissoziiert vom Chromatin und erlaubt somit besseren Zugang für Transkriptionsfaktoren zur DNA, was zu einer stärkeren Expression nach stimulierung der Zellen mit Entzündungdsmediatoren führt. In dieser Arbeit wurde PARP1 zusätzlich im Energiestoffwechsel untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass PARP1-/- Mäuse höhere Blut-Glukose-Werte als Wildtyp-Mäuse zeigten. Zugleich entwickelten PARP1-/- Mäuse Altersdiabetes. Desweiteren zeigten die Knockout-Mäuse Resistenz gegenüber Insulin- und Glukosetoleranz-Tests. Die Analyse der hepatischen Genexpression zeigten, dass PARP1-/- Mäuse erhöhte Mengen an Enzyme exprimierten, die in der Gluconeogenese ein wichtige Rolle spielen. Dies deutet darauf hin, dass PARP1 eine mögliche Rolle in der Regulation der Glukosehomeostase besitzt. Zusammenfassend, charakterisieren die Ergebnisse dieser Arbeit PARP1 als ein Regulator für pathologische und physiologische Prozesse wie Inflammation und Energiestoffwechsel.

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Abstract

Summary

Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) is an abundant and ubiqutously expressed chromatin associated enzyme (approx. 1-2 million copies/cell). It catalyzes the transfer of ADP-ribose units from its substrate NAD+ covalently to itself and other nucler proteins. PARP1 can also be acetylated, sumoylated, and proteolytically cleaved. It is involved in many cellular processes, such as maintenance of the genomic stability and transcription. Each cell in the human body contains about 25,000 to 35,000 genes. Rather than keeping all the genes active all the time, each cell regulates the expression of genes according to its needs. This is accomplished mainly by activating or repressing transcription. Transcription is regulated by transcription factors that bind distinct DNA sequences of specific genes, and by cofactors which can modulate the transcription factor activity and also by the chromatin structure that dictates how easily the transcription factors can access DNA. Transcriptional regulation is of crucial importance for understanding physiological and pathophysiological processes. Aim of this thesis was to investigate the role of PARP1 cleavage in inflammation using PARP1 D214N (knock-in) cleavage resistant mice and to gain insights into the regulatory mechanism. Furthermore, we aimed to explore the potential role of PARP1 in energy metabolism using the PARP1-/- (knock-out) mouse model. The work presented in this thesis revealed the activation of inflammatory gene expression by PARP1 cleavage. Non-apoptotic PARP1 cleavage was mediated by caspase 7 under inflammatory conditions. Caspase 7 reduction by siRNA led to reduced inflammatory gene response. Cleaved PARP1 fragments were dissociated from the chromatin and PARP1 removal led to increased chromatin accessibility and thus to an enhanced gene response to inflammatory stimulus. In addition, PARP1 was identified to have a role in energy metabolism. PARP1-/- mice displayed higher blood glucose levels than wild-type mice and developed mature-onset obesity with age. Old PARP1-/- mice showed resistance to insulin and glucose tolerance tests. Analysis of gene expression from hepatic tissues revealed that PARP1-/- mice had elevated expression of enzymes involved in glucogeonesis implicating a role for PARP1 in regulating glucose homeostasis. Together, the results presented here characterize PARP1 as a regulator of pathological and physiological processes such as inflammation and energy metabolism.



1 Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) ist ein ubiquitär exprimiertes und chromatin- assoziiertes Enzym. Mengenmässig können bis zu zwei Millionen PARP1-Kopien pro Zelle vorkommen. Die katalytische Aktivität von PARP1 besteht darin, ADP-ribose-Einheiten von seinem Substrat NAD+ kovalent auf sich selbst, oder auf andere nukleoläre Proteine zu transferieren. Zudem kann PARP1 ebenso acetyliert, sumoyliert oder proteolytisch gespalten werden. PARP1 ist in vielen zellulären Prozessen, wie zum Beispiel der Transkription und der Aufrechterhaltung der genomischen Integrität involviert. Jede Zelle im menschlichen Körper enthält schätzungsweise 25.000 bis 35.000 Gene. Die Zelle exprimiert jedoch nur solche Gene, welche sie für ihren momentanen Zustand benötigt. Reguliert wird die Genexpression durch Aktivierung und Reprimierung der Transkription. Die Transkription selbst wird durch sogenannte Transkriptionsfaktoren, welche an bestimmten DNA-Sequenzen binden, reguliert. Hinzukommend modulieren Cofaktoren und Chromatinstrukturen die Aktivität der Transkriptionsfaktoren durch die Veränderung der Zugänglichkeit zur DNA. Somit ist die transkriptionelle Regulation von grosser Bedeutung für das Verständnis von physiologischen und pathophysiologischen Prozesse. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle der proteolytischen PARP1-Spaltung während der Entzündung zu untersuchen. Um den Regulationsmechanismus besser zu verstehen, wurden für die Experimente PARP1 D214N (knock-in) Mäuse verwendet, bei denen PARP1 nicht spaltbar ist. Darüber hinaus haben wir mit PARP1-/- (knock-out) Mäusen versucht, eine mögliche Rolle von PARP1 im Energiestoffwechsel aufzuzeigen. Diese Arbeit macht deutlich, wie die Aktivierung der Genexpression während der Entzündung durch PARP1-Spaltung eingeleitet wird. Die nicht-apoptotische PARP1-Spaltung wird durch Caspase 7 unter inflammatorischen Bedingungen vermittelt. Zudem führte Caspase 7 Reduktion durch siRNA zu einer verminderten Genexpression. Gespaltenes PARP1 dissoziiert vom Chromatin und erlaubt somit besseren Zugang für Transkriptionsfaktoren zur DNA, was zu einer stärkeren Expression nach stimulierung der Zellen mit Entzündungdsmediatoren führt. In dieser Arbeit wurde PARP1 zusätzlich im Energiestoffwechsel untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass PARP1-/- Mäuse höhere Blut-Glukose-Werte als Wildtyp-Mäuse zeigten. Zugleich entwickelten PARP1-/- Mäuse Altersdiabetes. Desweiteren zeigten die Knockout-Mäuse Resistenz gegenüber Insulin- und Glukosetoleranz-Tests. Die Analyse der hepatischen Genexpression zeigten, dass PARP1-/- Mäuse erhöhte Mengen an Enzyme exprimierten, die in der Gluconeogenese ein wichtige Rolle spielen. Dies deutet darauf hin, dass PARP1 eine mögliche Rolle in der Regulation der Glukosehomeostase besitzt. Zusammenfassend, charakterisieren die Ergebnisse dieser Arbeit PARP1 als ein Regulator für pathologische und physiologische Prozesse wie Inflammation und Energiestoffwechsel.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hottiger Michael, Oxenius Annette
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2010
Deposited On:07 Feb 2011 20:58
Last Modified:24 Sep 2019 17:22
Number of Pages:168
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod006320878&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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