Die Reduzierung der REDD1 Expression : eine neue, nicht-kanonische Funktion von STAT3

Abstract

Der Transkriptionsfaktor STAT3 wird Zytokin-abhängig aktiviert und ist an der Regulation diverser biologischer Prozesse beteiligt. STAT3 agiert in seiner kanonischen Funktion als Aktivator der Transkription und induziert hauptsächlich die Expression von Genen, welche mit der Regulation von Proliferation, Immunität und Inflammation assoziiert sind. Es sind jedoch auch Beispiele beschrieben, in denen STAT3 die Expression von Zielgenen unterdrückt. So reduziert STAT3 die Expression des mTOR-Inhibitors REDD1, indem es die Expression der REDD1 mRNA reduziert. REDD1 spielt eine Schlüsselrolle in der zellulären, eukaryotischen Stressantwort. REDD1 hemmt die Aktivierung der Proteinkinase mTOR, welche hauptsächlich Zellproliferation, Metabolismus und die zelluläre Homöostase reguliert. Eine transiente, Stress-induzierte Hemmung der mTOR Aktivierung durch REDD1 führt zu einer Senkung der Proliferations- und Stoffwechselrate, wodurch die Zelle Energie einspart, die sie zur Bewältigung der Stresssituation benötigt. Eine fehlregulierte REDD1 Expression korreliert mit einer Fehlregulation von mTOR und hat somit einen wesentlichen Einfluss auf die zelluläre Homöostase. Derzeit ist wenig über die molekularen Mechanismen bekannt, welche einer STAT3-ab- hängigen Unterdrückung der Genexpression zu Grunde liegen. Daher lag der Focus die- ser Arbeit in der Aufklärung des STAT3-abhängigen Mechanismus zur Reduzierung der REDD1 Expression. Diese Arbeit zeigt erstmals eine IL-6-vermittelte Rekrutierung von STAT3 an den Promotor des REDD1-codierenden Gens DDIT4 und eine STAT3-abhängige Reduzierung der DDIT4 Promotor Aktivität. Überraschenderweise ist die Bindung von STAT3 an kanonische STAT3 Konsensus Sequenzen für die Reduzierung der REDD1 Expression nicht nötig. Die N-terminale Domäne sowie die Tyrosin-705 Phosphorylierung von STAT3 sind dagegen essentiell für die Reduzierung der REDD1 Expression. Des Weiteren ist die Reduzierung der REDD1 Expression spezifisch für STAT3, da weder die Expression noch die Aktivierung von STAT1 einen Einfluss auf die REDD1 Expression hat. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit einen neuen, nicht-kanonischen STAT3-abhängigen Mechanismus zur Reduzierung der Genexpression. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern somit das Wissen über die regulatorische Vielfältigkeit von STAT3 über die klassische Transkriptionsaktivierung von Zytokin-regulierten Zielgenen hinaus zu einer komplexeren Funktion bei der Regulation der Genexpression und dem Zusammenwirken von inflammatorischen und Stress-induzierten Signalwegen. Die Reduzierung der REDD1-Expression durch die nicht-kanonische STAT3-Funktion könnte zur Entstehung von proliferativen Erkrankungen unter Entzündungs- und Stress- bedingungen beitragen und spiegelt möglicherweise eine neue Facette des pathologi- schen Potenzials von STAT3 wider. Ein besseres Verständnis des Zusammenspiels von inflammatorischen und Stress-induzierten Signalkaskaden ermöglicht es, die zugrunde liegenden pathophysiologischen, molekularen Mechanismen bei der Entstehung von proliferativen und Inflammatorischen Krankheiten zu entschlüsseln. Daraus können sich sich neue potentielle Möglichkeiten für die Entwicklung gezielter Therapieansätze ergeben.

The transcription factor STAT3 is activated in the context of inflammation after stimulation of cells with cytokines such as IL-6. In its canonical function, STAT3 acts as an activator of transcription and mainly induces the expression of genes associated with the regulation of proliferation and inflammation. However, STAT3 is also able to represses the expression of target genes. For example, STAT3 reduces expression of the mTOR inhibitor REDD1 by reducing the synthesis of REDD1 mRNA. REDD1 plays a key role in the cellular eukaryotic stress response. REDD1 inhibits the protein kinase mTOR, which mainly promotes translation and cell proliferation. Inhibition of mTOR by REDD1 leads to a decrease in translation and metabolic rates, which conserves energy that the cell uses to cope with the stress situation. To date, little is known about the molecular mechanisms underlying STAT3-dependent repression of gene expression. Therefore, the focus of this work was to elucidate the STAT3-dependent mechanisms for reducing REDD1 expression. This work demonstrates for the first time IL-6-mediated recruitment of STAT3 to the DDIT4 promoter and STAT3-dependent reduction of DDIT4 promoter activity. Interest- ingly, binding of STAT3 to canonical consesus sequences is not required for the reduction of REDD1 expression. Instead, the N-terminal domain as well as tyrosine 705 phosphorylation of STAT3 are essential for the reduction of REDD1 expression. Furthermore, the reduction of REDD1 expression is specific to STAT3, as neither STAT1 expression nor STAT1 activation has any effect on REDD1 expression. In summary, this work provides a novel non-canonical STAT3-dependent mechanism for reducing gene expression. Thus, the results of this work expand the knowledge of the regulatory diversity of the transcription factor STAT3 beyond the classical transcriptional activation of cytokine-regulated target genes to a more complex function in the regulation of gene expression and the interaction of inflammatory and stress-induced signaling pathways. Reduction of REDD1 expression by non-canonical STAT3 function may contribute to the development of proliferative diseases under inflammatory and stress conditions and may reflect a new facet of the pathological potential of STAT3. A better understanding of the interplay between inflammatory and stress-induced signaling cascades will allow us to unravel the underlying pathophysiological molecular mechanisms involved in the development of proliferative and inflammatory diseases. This may result in new potential opportunities for the development of targeted thera- peutic approaches