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The regulation of iron metabolism in red blood cells and the direct effect of oxygen on erythropoiesis
Manfred Schifrer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Ernst Müllner
DOI
10.25365/thesis.16272
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30320.03432.978264-7
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Elemente Eisen und Sauerstoff sind für die Erythropoiese von besonderer Bedeutung. Eisen ist der essentielle Bestandteil von Häm, welches in Erythroblasten gebildet wird, um Sauerstoff zu binden und über den Blutkreislauf im ganzen Körper zu verteilen. Außerdem beeinflusst die Verfügbarkeit von Sauerstoff die Expression des Hormons Erythropoietin, dessen Konzentration im Körper die Neubildung von Erythrozyten reguliert. In dieser Arbeit wird mit Hilfe eines primären erythroiden Zellsystems gezeigt, wie es differenzierenden Erythroblasten gelingt, Eisenimport und Speicherung sowie die Synthese von Protoporphyrin IX so zu regulieren, dass eine optimale Abstimmung zwischen den einzelnen Mechanismen gewährleistet wird. Das ist deshalb von Bedeutung, da ein Überschuss an Eisen als auch an Protoporphyrin IX aufgrund ihrer Toxizität eine normale Erythropoiese behindern würde. Wir konnten zeigen, dass die Hauptbestandteile des zellulären Eisenstoffwechsels nicht so exprimiert werden, wie es das zelluläre Eisen Regulationssystem erwarten lässt. Die Ursache hierfür liegt in der Kopplung des Eisenimports mit der sofortigen Verwertung in den Mitochondrien, die trotz der gesteigerten Eisenaufnahme dazu führt, dass im Zytosol praktisch kein freies Eisen vorhanden ist. Zusätzliche Daten, die mit iron regulatory protein (IRP) defizienten Erythroblasten gewonnen wurden, zeigen, dass die beiden IRPs unterschiedlich relevant für die Regulation des Eisenstoffwechsels sind, was wiederum eine der Situation angepasste Expression der beteiligten Proteine erlaubt. Weiters konnten wir feststellen, dass sich eine Verknappung der Sauerstoffversorgung auf die Aktivität der IRPs auswirkt. Überraschenderweise ist dieser Effekt an die unter diesen Bedingungen geringere Bereitschaft der Erythroblasten vollständig zu differenzieren gekoppelt und wird deshalb nur indirekt durch die geringere Sauerstoffkonzentration verursacht. Vielmehr konnten wir zeigen, dass eine niedrige Sauerstoffkonzentration die Proliferation unreifer Erythroblasten begünstigt, während eine Erhöhung der Konzentration die vollständige Differenzierung ermöglicht. Diese Beobachtung korreliert mit den in vivo Gegebenheiten in hämatopoietischen Geweben. Hier befinden sich unreife Vorläuferzellen in Regionen mit geringer Sauerstoffversorgung, während differenzierende Zellen sich mit zunehmendem Reifegrad in Richtung höherer Sauerstoffkonzentration orientieren. Veränderungen der Sauerstoffversorgung in hämatopoietischen Geweben bewirken daher eine direkte Regulierung der Erythropoiese, zusätzlich zur indirekten Regulation über Erythropoietin. Ferner führt die Zugabe des HIF-Aktivators Dimethyloxalylglycin bei kultivierten Erythroblasten zu den gleichen Ergebnissen wie eine Inkubation bei niedriger Sauerstoffversorgung. Daraus schließen wir, dass die Aktivierung von HIFs für die direkte, sauerstoffabhängige Regulierung der Erythropoiese verantwortlich ist.
Abstract
(Englisch)
The chemical elements iron and oxygen are of special importance for the generation of red blood cells. Iron is essential for the formation of heme that is synthesized in erythroblasts in order to bind oxygen in the lungs and to distribute it all over the body via the blood circulation. Furthermore, oxygen influences the expression of the glycoprotein hormone erythropoietin, whose concentration regulates the production of erythrocytes. By using a primary erythroid cell culture system, we show how differentiating erythroblasts are able to regulate iron-import, iron-storage and synthesis of protoporphyrin IX in a way that allows an optimal balance between these three processes. This is of special importance since an excess of iron or protoporphyrin IX would interfere with normal erythropoiesis due to their toxic properties. We could show that the main components of cellular iron metabolism are not expressed as the conventional iron regulatory system implies. This is caused by the coupling of iron import with its instant processing in the mitochondria, which leads to a virtually iron free cytosol despite increased iron acquisition during erythroid differentiation. Additional data generated with iron regulatory protein (IRP) deficient erythroblasts show that the two IRPs are of different relevance for the regulation of iron metabolism in the erythroid system, which allows a flexible and situation-dependent expression of the relevant proteins needed for heme synthesis during terminal erythroid differentiation. In addition to iron, oxygen has been shown to influence the activity of IRPs as well. This is particularly important with cell culture systems. In fact we could show that a reduction of oxygen supply affected the IRP activity in differentiating erythroblasts. Surprisingly, this effect was coupled to a reduced ability of the cells to differentiate properly and therefore was only indirectly caused by the low oxygen levels. Actually, we could show that low oxygen levels promote the proliferation of immature erythroblasts while an increase of the oxygen concentration allows terminal differentiation. This observation correlates with the in vivo situation in hematopoietic tissues. Immature progenitor cells reside in regions that are hypoxic whereas differentiating cells migrate to increasingly oxygenated areas the more mature they become. Consequently, changes of the oxygen supply of hematopoietic tissues allow the modulation of erythropoiesis directly, additionally to the indirect induction via erythropoietin. Furthermore, addition of the HIF-activator dimethyloxalylglycine resulted in the same effects observed with incubation at low oxygen levels. Therefore, we conclude that the activation of HIFs during systemic hypoxia is sufficient for a direct oxygen dependent regulation of erythropoiesis.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
erythropoiesis hematopoiesis red blood cells erythroblast iron metabolism ferritin transferrin receptor IRP IRE HIF
Schlagwörter
(Deutsch)
Erythropoiese Hämatopoiese rote Blutkörperchen Erythroblasten Eisenstoffwechsel Ferritin Transferrinrezeptor IRP IRE HIF
Autor*innen
Manfred Schifrer
Haupttitel (Englisch)
The regulation of iron metabolism in red blood cells and the direct effect of oxygen on erythropoiesis
Paralleltitel (Deutsch)
Die Regulation des Eisenstoffwechsels in roten Blutkörperchen und der direkte Effekt von Sauerstoff auf die Erythropoiese
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
152 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Marieke von Lindern ,
Helmut Dolznig
Klassifikationen
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,
42 Biologie > 42.15 Zellbiologie
AC Nummer
AC08778572
Utheses ID
14591
Studienkennzahl
UA | 091 | 441 | |