ApoA-1 in Diabetes: Damaged Goods

Cukrzyca jest głównym czynnikiem ryzyka rozwoju miażdżycy. Oprócz zwiększonego ryzyka udaru mózgu, zawału serca i choroby naczyń obwodowych, chorzy na cukrzycę cierpią na szczególnie agresywną postać miażdżycy, z większą śmiertelnością wewnątrzszpitalną po zawale serca i częstszym występowaniem niewydolności serca, jeśli przeżyją (1-3). Chociaż u chorych na cukrzycę często występują inne towarzyszące czynniki ryzyka miażdżycy (np, nadciśnienie tętnicze, hipercholesterolemia, otyłość), dodatkowe ryzyko związane z cukrzycą oraz szczególnie agresywna choroba naczyń i mięśnia sercowego u chorych na cukrzycę sugerują, że miażdżyca związana z cukrzycą wiąże się z unikalnymi mechanizmami patogenetycznymi.

Układowe zaburzenia metaboliczne cukrzycy, w tym hiperglikemia i hiperlipidemia, prawdopodobnie odgrywają główną rolę w patogenezie miażdżycy związanej z cukrzycą poprzez generowanie stresu oksydacyjnego. Hiperglikemia powoduje zwiększony przepływ przez szlak poliolowy, powstawanie końcowych produktów zaawansowanej glikacji, aktywację izoform kinazy białkowej C oraz zwiększony przepływ przez szlak heksozaminowy, co może przyczyniać się do zwiększonego stresu oksydacyjnego (4-6). Nadmiar wolnych kwasów tłuszczowych dostarczanych do tkanek innych niż tłuszczowe może prowadzić do powstawania reaktywnych form tlenu (ROS) poprzez cykle fosforylacji oksydacyjnej, aktywację oksydazy NADPH i zmiany w strukturze mitochondriów, które przyspieszają wytwarzanie ROS (7-9). Oprócz dowodów na aktywację tych szlaków w hodowanych komórkach śródbłonka, badania na ludziach potwierdzają koncepcję zwiększonego ogólnoustrojowego stresu oksydacyjnego u osób z cukrzycą, u których zwiększone krążące poziomy cząsteczek adhezyjnych i utlenionych lipidów korelują ze wzrostem A1C i hipertriglicerydemią (10). Wpływ stresu oksydacyjnego w cukrzycy zarówno na ścianę naczyniową, jak i lipoproteiny w krążeniu może promować aterogenezę.

W tym wydaniu Diabetes, Jaleel i wsp. (11) dostarczają intrygujących dowodów na to, że słaba kontrola glikemii w cukrzycy typu 1 jest związana z przyspieszonym uszkodzeniem oksydacyjnym apolipoproteiny (apo) A-1. Badacze ci zaadaptowali metodę pulse-chase, klasycznie stosowaną w eksperymentach z kulturami komórkowymi, do znakowania nowo syntetyzowanych białek 13C-fenyloalaniną u ludzi. Następnie analizowali różne izoformy apoA-1 w osoczu za pomocą dwuwymiarowej separacji w żelu i spektrometrii mas. Takie podejście umożliwiło ilościowe określenie wzbogacenia izotopowego w nowo syntetyzowanych formach białka zawierających propeptyd oraz w bardziej dojrzałych formach rozszczepionych, które razem tworzą ciąg ładunków składający się z pięciu plam w dwuwymiarowych analizach żelowych. Zgodnie z oczekiwaniami, wzbogacenie izotopowe kilka godzin po impulsie stabilnego izotopu było największe w formach niedojrzałych, a w ciągu 10 dni „goniło” do bardziej dojrzałych form białka pozbawionego propeptydu. Co ważne, starsze formy apoA-1 gromadziły znacznie więcej dowodów uszkodzenia, w tym deamidację, utlenianie i karbonylację aminokwasów, modyfikacje potranslacyjne, które prawdopodobnie przyczyniły się do ich zmienionej migracji w ogniskowaniu izoelektrycznym. Chociaż profil apoA-1 u chorych na cukrzycę typu 1 podczas infuzji insuliny był nie do odróżnienia od profilu u osób z grupy kontrolnej, chorzy na cukrzycę typu 1 pozbawieni insuliny wykazywali zwiększone uszkodzenie oksydacyjne nowo syntetyzowanego apoA-1 (ryc. 1).

Te odkrycia dodają do rosnącego ciała molekularnych dowodów na to, jak stres oksydacyjny, który towarzyszy złej kontroli metabolicznej, wpływa na fizjologię. Już dawno doceniono, że ROS mogą inicjować uszkodzenia kwasów nukleinowych, błon i białek komórek. Nie powinno więc dziwić, że podobne uszkodzenia mogą dotyczyć białek osocza, takich jak apoA-1. Mechanizmy transkrypcyjne, potranslacyjne i sygnalizacyjne zostały dobrze opisane w badaniach odpowiedzi komórkowej na stres oksydacyjny (12-14). Biorąc pod uwagę, że apoA-1 jest głównym składnikiem HDL, które chronią przed miażdżycą poprzez ułatwianie usuwania cholesterolu z makrofagów w ścianie tętnicy i promowanie odwrotnego transportu cholesterolu, oczywistym rozszerzeniem tej pracy będzie określenie, czy zmiany obserwowane przez Jaleela i wsp. w formach apoA-1 wynikają bezpośrednio ze stresu oksydacyjnego (np, osłabione po leczeniu antyoksydacyjnym), z jakimi podklasami HDL wiąże się uszkodzona apoA-1 i czy zmienione formy apoA-1 wpływają na klirens lub funkcję HDL. Pierwsze z tych zagadnień zapewni mechanistyczny wgląd w etiologię tych zmian. Dwa ostatnie aspekty mają potencjał, aby funkcjonalnie połączyć biochemiczne obserwacje badaczy ze zwiększonym ryzykiem sercowo-naczyniowym w cukrzycy.

Chociaż niski poziom HDL w osoczu jest niezależnym czynnikiem ryzyka choroby wieńcowej (15,16), jest coraz bardziej jasne, że perturbacje w metabolizmie HDL mogą zmienić funkcję HDL i promować miażdżycę niezależnie od poziomu HDL w osoczu (17-19). W rzeczywistości, samo stężenie cholesterolu HDL jest niewystarczające, aby uchwycić funkcjonalne zróżnicowanie cząsteczek HDL i związane z tym ryzyko sercowo-naczyniowe u poszczególnych osób (20). Wraz z niepowodzeniem terapii podnoszącej poziom HDL w ostatnich badaniach klinicznych w celu zmniejszenia zdarzeń sercowo-naczyniowych (21), wyniki te sugerują, że funkcjonalna kompetencja HDL może być równie ważna jak bezwzględne poziomy HDL w osoczu. Jest prawdopodobne, że ważną ścieżką do generowania dysfunkcyjnych HDL jest uszkodzenie oksydacyjne, takie jak to wytrącone przez hiperglikemię i hiperlipidemię (22).

Uszkodzenie apoA-1 opisane w towarzyszącym oryginalnym artykule dodaje się do rozszerzającej się listy zmian HDL, które mogą upośledzać jego funkcję in vivo. Związana z HDL paraoksanaza-1 (PON1), która jest głównie odpowiedzialna za antyoksydacyjne właściwości HDL, zapobiegające utlenianiu LDL, jest zmniejszona u osób z cukrzycą i jest związana z wadliwą zdolnością antyoksydacyjną (23,24). Aktywność antyoksydacyjna HDL jest dodatkowo osłabiona przez tworzenie się końcowych produktów zaawansowanej glikacji, które zakłócają aktywność PON1 i zmniejszają odpływ cholesterolu do HDL (25,26). Wykazano, że utlenianie apoA-I in vitro upośledza zdolność HDL do aktywacji acyltransferazy lecytyna:cholesterol, enzymu odpowiedzialnego za przekształcanie powstającego HDL w dojrzały, bogaty w estry cholesterolu HDL, oraz do interakcji z transporterem kasetowym A1 wiążącym ATP w celu ułatwienia eksportu cholesterolu (27-29). Zakłócenie tego krytycznego etapu w szlaku odwrotnego transportu cholesterolu może mieć głęboki wpływ na mobilizację cholesterolu z tkanek naczyniowych. Poza takimi analizami, badania proteomiczne HDL prawdopodobnie pozwolą na identyfikację zmian w dodatkowych białkach, które wpływają na funkcję lipoprotein w warunkach złej kontroli metabolicznej w cukrzycy. Ponadto badanie składników lipidowych cząstek HDL, które są podobnie podatne na utlenianie, prawdopodobnie dostarczy równie ważnych spostrzeżeń na temat dysfunkcji HDL i zwiększonej podatności na miażdżycę w cukrzycy.

• © 2010 by the American Diabetes Association.

↵

1. Nishikawa T,
2. Edelstein D,
3. Du XL,
4. Yamagishi S,
5. Matsumura T,
6. Kaneda Y,
7. Yorek MA,
8. Beebe D,
9. Oates PJ,
10. Hammes HP,
11. Giardino I,
12. Brownlee M

. Normalizing mitochondrial superoxide production blocks three pathways of hyperglycaemic damage. Nature 2000;404:787-790

↵

1. Brownlee M

. Biochemia i biologia molekularna komórek powikłań cukrzycowych. Nature 2001;414:813-820

↵

1. Cacicedo JM,
2. Benjachareowong S,
3. Chou E,
4. Ruderman NB,
5. Ido Y

. Palmitate-induced apoptosis in cultured bovine retinal pericytes: roles of NAD(P)H oxidase, oxidant stress, and ceramide. Diabetes 2005;54:1838-1845

↵

1. Inoguchi T,
2. Li P,
3. Umeda F,
4. Yu HY,
5. Kakimoto M,
6. Imamura M,
7. Aoki T,
8. Etoh T,
9. Hashimoto T,
10. Naruse M,
11. Sano H,
12. Utsumi H,
13. Nawata H

. High glucose level and free fatty acid stimulate reactive oxygen species production through protein kinase C-dependent activation of NAD(P)H oxidase in cultured vascular cells. Diabetes 2000;49:1939-1945

↵

1. Ostrander DB,
2. Sparagna GC,
3. Amoscato AA,
4. McMillin JB,
5. Dowhan W

. Decreased cardiolipin synthesis corresponds with cytochrome C release in palmitate-induced cardiomyocyte apoptosis. J Biol Chem 2001;276:38061-38067

↵

1. Ceriello A,
2. Quagliaro L,
3. Piconi L,
4. Assaloni R,
5. Da Ros R,
6. Maier A,
7. Esposito K,
8. Giugliano D

. Effect of postprandial hypertriglyceridemia and hyperglycemia on circulating adhesion molecules and oxidative stress generation and the possible role of simvastatin treatment. Diabetes 2004;53:701-710

↵

1. Jaleel A,
2. Henderson GC,
3. Madden BJ,
4. Klaus KA,
5. Morse DM,
6. Gopala S,
7. Nair KS

. Identyfikacja białek syntetyzowanych de novo i względnie starszych: przyspieszone uszkodzenie oksydacyjne apoA-1 syntetyzowanego de novo w cukrzycy typu 1. Diabetes 2010;59:2366-2374

↵

1. Houstis N,
2. Rosen ED,
3. Lander ES

. Reactive oxygen species have a causal role in multiple forms of insulin resistance. Nature 2006;440:944-948

↵

1. Han ES,
2. Muller FL,
3. Pérez VI,
4. Qi W,
5. Liang H,
6. Xi L,
7. Fu C,
8. Doyle E,
9. Hickey M,
10. Cornell J,
11. Epstein CJ,
12. Roberts LJ,
13. Van Remmen H,
14. Richardson A

. The in vivo gene expression signature of oxidative stress. Physiol Genomics 2008;34:112-126

↵

1. Bowerman B

. Biologia komórki. Oxidative stress and cancer: a beta-catenin convergence. Science 2005;308:1119-1120

↵

1. Gordon DJ,
2. Rifkind BM

. High-density lipoprotein-the clinical implications of recent studies. N Engl J Med 1989;321:1311-1316

↵

1. Turner RC,
2. Millns H,
3. Neil HA,
4. Stratton IM,
5. Manley SE,
6. Matthews DR,
7. Holman RR

. Czynniki ryzyka choroby wieńcowej w cukrzycy nieinsulinozależnej: United Kingdom Prospective Diabetes Study (UKPDS: 23). BMJ 1998;316:823-828

↵

1. Barter PJ,
2. Nicholls S,
3. Rye KA,
4. Anantharamaiah GM,
5. Navab M,
6. Fogelman AM

. Właściwości przeciwzapalne HDL. Circ Res 2004;95:764-772

↵

1. Curtiss LK,
2. Valenta DT,
3. Hime NJ,
4. Rye KA

. Co jest takiego specjalnego w apolipoproteinie AI w odwrotnym transporcie cholesterolu? Arterioscler Thromb Vasc Biol 2006;26:12-19

↵

1. Matsuura F,
2. Wang N,
3. Chen W,
4. Jiang XC,
5. Tall AR

. HDL z CETP-deficient subjects shows enhanced ability to promote cholesterol efflux from macrophages in an apoE- and ABCG1-dependent pathway. J Clin Invest 2006;116:1435-1442

↵

1. Movva R,
2. Rader DJ

. Laboratoryjna ocena heterogenności i funkcji HDL. Clin Chem 2008;54:788-800

↵

1. Rader DJ

. Oświetlanie HDL: czy nadal jest to realny cel terapeutyczny? N Engl J Med 2007;357:2180-2183

↵

1. Daugherty A,
2. Dunn JL,
3. Rateri DL,
4. Heinecke JW

. Myeloperoxidase, a catalyst for lipoprotein oxidation, is expressed in human atherosclerotic lesions. J Clin Invest 1994;94:437-444

↵

1. Boemi M,
2. Leviev I,
3. Sirolla C,
4. Pieri C,
5. Marra M,
6. James RW

. Paraoksonaza w surowicy jest zmniejszona u pacjentów z cukrzycą typu 1 w porównaniu z niecukrzycowymi krewnymi pierwszego stopnia: wpływ na zdolność HDL do ochrony LDL przed utlenianiem. Atherosclerosis 2001;155:229-235

↵

1. Mastorikou M,
2. Mackness M,
3. Mackness B

. Defektywny metabolizm utlenionego fosfolipidu przez HDL od osób z cukrzycą typu 2. Diabetes 2006;55:3099-3103

↵

1. Duell PB,
2. Oram JF,
3. Bierman EL

. Nonenzymatic glycosylation of HDL and impaired HDL-receptor-mediated cholesterol efflux. Diabetes 1991;40:377-384

↵

1. Zhou H,
2. Tan KC,
3. Shiu SW,
4. Wong Y

. Increased serum advanced glycation end products are associated with impairment in HDL antioxidative capacity in diabetic nephropathy. Nephrol Dial Transplant 2008;23:927-933

↵

1. Shao B,
2. Pennathur S,
3. Pagani I,
4. Oda MN,
5. Witztum JL,
6. Oram JF,
7. Heinecke JW

. Modifying apolipoprotein A-I by malondialdehyde, but not by an array of other reactive carbonyls, blocks cholesterol efflux by the ABCA1 pathway. J Biol Chem 2010;285:18473-18484

↵

1. Shao B,
2. Tang C,
3. Heinecke JW,
4. Oram JF

. Oxidation of apolipoprotein A-I by myeloperoxidase impairs the initial interactions with ABCA1 required for signaling and cholesterol export. J Lipid Res 2010;51:1849-1858

↵

1. Shao B,
2. Cavigiolio G,
3. Brot N,
4. Oda MN,
5. Heinecke JW

. Methionine oxidation impairs reverse cholesterol transport by apolipoprotein A-I. Proc Natl Acad Sci U S A 2008;105:12224-12229

.