Emerging evidences for the opposite rolului opus al apolipoproteinei C3 și apolipoproteinei A5 în metabolismul lipidic și în boala coronariană

Apolipoproteina C3 (apoC3) și apolipoproteina A5 (apoA5) sunt codificate de grupurile de gene APOA1/C3/A4/A5. Dovezile din studiile genetice, epidemiologice și experimentele de bază au demonstrat în mod constant că apoC3 și apoA5 sunt modulatori critici ai metabolismului plasmatic al trigliceridelor (TG) . Deficitul de apoC3 sau apoA5 a dus la scăderea sau creșterea semnificativă a nivelului de TG plasmatici la oameni și șoareci . Studiile mecaniciste aprofundate au arătat că apoC3 a inhibat hidroliza TG din plasmă, absorbția lipoproteinelor remanente și a promovat secreția hepatică de TG, în timp ce apoA5 a reglementat metabolismul TG din plasmă într-un mod complet opus . Studiile recente au evidențiat în continuare rolul suplimentar al apoC3 și apoA5 în colesterolul remanent (RC), lipoproteinele de înaltă densitate (HDL) și metabolismul hepatic al TG . Mai mult, studiile genetice de populație pe scară largă au indicat că mutațiile de pierdere a funcției în gena APOC3 și APOA5 au conferit un risc scăzut și, respectiv, crescut de boală coronariană (CAD) . Astfel, apoC3 și apoA5 apar ca potențiale ținte noi pentru a reduce riscul cardiovascular. Acest manuscris a trecut în principal în revistă dovezile existente care sugerează rolul opus al apoC3 și apoA5 în metabolismul lipidic și riscul de CAD și a discutat potențiala corelație între aceste două apolipoproteine.

Structura genei și reglarea expresiei

Clusterele genelor APOA1/C3/A4/A5 umane sunt localizate pe cromozomul 11q23, unde gena APOC3 se află la aproximativ 35 kbp în amonte de locusul genei APOA5 . Secvențele lor sunt conservate din punct de vedere evolutiv . Regiunile de reglare a genei APOC3 umane conțin un set de promotor proximal cu patru elemente (- 283/+ 24) și un enhancer distal cu șase elemente (- 890/- 500) . Studii anterioare pe animale și pe culturi celulare au stabilit că potențiatorul APOC3 a acționat ca o secvență regulatoare comună pentru a direcționa expresia genelor APOA1, APOC3 și APOA4 hepatice și intestinale. Cu toate acestea, o expresie suficientă a genei APOA5 specifică ficatului a fost obținută in vivo cu un fragment de ADN XhoI de 26 kb care conținea numai gena APOA5 și, prin urmare, nu avea potențiatorul APOC3 . Gao et al. au confirmat în continuare că potențiatorul APOC3 nu a afectat expresia APOA5 la șoarecii transgenici. De fapt, două elemente din regiunea promotorului APOA5 s-au dovedit a fi critice pentru a direcționa expresia sa în liniile de celule hepatice umane .

Inițierea expresiei genelor este executată prin legarea specifică a factorilor de transcripție la elementele de reglementare a genelor, iar moleculele care afectează acest proces pot regla expresia genei corespunzătoare. Structura concretă și mecanismele de reglare a expresiei genelor APOC3 și APOA5 au fost trecute în revistă în altă parte , iar noi ne vom concentra aici pe regulatorii care sunt împărtășiți de APOC3 și APOA5. Într-adevăr, mai multe molecule au fost implicate în reglarea în aceeași direcție a expresiei APOC3 și APOA5, inclusiv reglarea ascendentă cu factorul nuclear hepatocitar 4-α (HNF4-α) și glucoza , și reglarea descendentă cu proteina kinaza activată de AMP , insulina și factorul de necroză tumorală-α (TNF-α) . În mod notabil, aceste substanțe, cu excepția TNF-α, sunt toate componente importante implicate direct în metabolismul glucozei, sugerând că dereglarea APOC3 și APOA5 poate contribui la dislipidemia diabetică. S-a constatat, de asemenea, o reglare de direcție opusă, în sensul că receptorul activat de proliferatorul peroxisomului-α (PPAR-α) și receptorul activat de farnesoid X (FXR) au promovat APOA5 în timp ce au inhibat expresia APOC3 . Spre deosebire de APOA5, promotorul genei umane APOC3 nu conține elemente de răspuns pozitiv PPAR-α și FXR. De fapt, acești doi receptori nucleari au acționat indirect prin interferarea legării altor factori de transcripție, cum ar fi HNF4-α, la elemente specifice ale APOC3, inhibând astfel în continuare transcrierea genei APOC3 . Astfel, efectul de scădere a TG plasmatice al fibraților, un tip de agoniști PPAR-α, poate fi parțial mediat prin creșterea concentrației circulante de apoA5 și/sau scăderea nivelului de apoC3. Într-adevăr, studii recente au arătat că atât terapia cu fenofibrați, cât și cea cu acizi grași polinesaturați omega-3 au scăzut semnificativ nivelurile plasmatice de apoC3 la om .

Metabolismul lipidic al plasmei

Distribuția lipoproteinelor

ApoC3 și apoA5 circulante au fost asociate în principal cu proteina bogată în trigliceride (TRL) și HDL . Studiile au arătat că oricare dintre apoC3 și apoA5 era interschimbabilă între TRL și HDL . În starea de normolipidemie a subiecților umani, majoritatea apoC3 din plasmă a fost legată de HDL . Dimpotrivă, la subiecții cu hipertrigliceridemie (HTG), apoC3 a fost găsită în cea mai mare parte pe lipoproteinele cu densitate foarte mică (VLDL) . Odată cu creșterea concentrației de TG în emulsiile artificiale de TG, o fracțiune mai mare de apoC3 s-a deplasat de la lipoproteinele plasmatice native la emulsiile artificiale . Glangeaud și colab. au constatat că, în timpul hidrolizei VLDL mediată de lipoproteina lipază (LPL), apoC3 s-a redistribuit din VLDL în HDL în studiul in vitro, cantitatea fiind proporțională cu magnitudinea hidrolizei TG în VLDL, iar apoC3 a fost ulterior transferată înapoi în particulele VLDL nou sintetizate și îmbogățite cu TG . În mod similar, Nelbach și colab. au demonstrat că apoA5 a fost predominant asociată cu HDL la șoarecii transgenici APOA5, care aveau VLDL bogate în TG, dar a fost redistribuită rapid și eficient în VLDL bogate în TG izolate de la șoarecii APOA5 knock-out în urma incubării. Shu et al. au raportat, de asemenea, că injectarea intravenoasă de HDL reconstituite care conțin apoA5 la șoarecii APOA5 knockout a arătat modelul identic de schimb al apoA5 între HDL reconstituite și VLDL, iar apoA5 a rămas încă asociată cu VLDL bogate în TG datorită întreruperii hidrolizei VLDL.

Aceste constatări au sugerat că distribuțiile lipoproteice ale apoC3 și apoA5 au fost strâns asociate cu conținutul de TG în TRL. Majoritatea apoC3 și apoA5 se aflau în HDL atunci când existau niveluri scăzute de TG în TRL. O mare parte din apoC3 și apoA5 au fost redistribuite din HDL în particulele TRL atunci când cantitățile de TG au crescut în TRL, iar acestea au revenit treptat în HDL odată cu procesarea hidrolizei TRL. Cu toate acestea, funcția biologică și mecanismul de reglare a procesului de schimb nu au fost bine elucidate.

Tg plasmatici

ApoC3 și apoA5 sunt factori determinanți critici ai concentrației plasmatice de TG, după cum reiese din observațiile genetice la om. Mutațiile de pierdere a funcției în gena umană APOC3 au conferit un profil scăzut de TG plasmatici , în timp ce pacienții cu mutație de deficiență APOA5 au avut niveluri plasmatice TG extrem de ridicate . Anomaliile în apoC3 și apoA5 au fost asociate cu diferite forme de HTG, cum ar fi hiperchilomicronemia familială , hiperlipidemia familială combinată și disbetalipoproteniemia familială . În mod interesant, studii recente au arătat existența unui singur situs de glicozilare la treonina 74 a proteinei apoC3, dând naștere la patru proteoforme majore în plasmă. Forma de tip sălbatic, care nu conține un lanț glicanic, este denumită în mod obișnuit apoC30a. Celelalte trei forme au toate un lanț glicanic de bază format dintr-un dizaharid galactoză cu legătură O legat de N-acetilgalactosamină. ApoC30b este proteoforma care conține doar nucleul glicanic, în timp ce apoC31 și apoC32 conțin în plus unul și, respectiv, două reziduuri de acid sialic. Mai mult, patru proteoforme majore ale apoC3 s-au corelat în mod diferențiat cu nivelurile TG la post. S-a constatat că, utilizând măsurarea imunoenzimatică prin spectrometrie de masă, apoC30a, apoC30b și apoC31 din plasmă au avut o relație pozitivă, în timp ce apoC32 a avut o relație negativă cu TG plasmatici la post , sugerând că analiza izoformelor individuale ale apoC3 ar putea oferi informații mai cuprinzătoare decât concentrația totală de apoC3 din plasmă doar.

În mod constant, șoarecii APOC3 knockout au avut o scădere a concentrației de TG (- 30%) în comparație cu partenerii sălbatici, în timp ce șoarecii transgenici APOC3 au prezentat o creștere a nivelului TG seric (+ 200% până la 2000%) . Pe de altă parte, șoarecii APOA5 knockout au avut o creștere (+ 400%) a nivelului de TG, în timp ce șoarecii transgenici APOA5 au prezentat o reducere semnificativă (- 70%) a acestui parametru lipidic .

Studii mecaniciste aprofundate au arătat că apoC3 și apoA5 au reglementat nivelul TG din plasmă prin mai multe căi. ApoC3 a inhibat hidroliza TRL mediată de LPL, eliminarea resturilor de TRL circulante și a promovat secreția hepatică de TG. În mod interesant, apoA5 a reglementat metabolismul TG plasmatic într-un mod complet opus. Și anume, apoA5 a accelerat hidroliza TRL, absorbția resturilor de TRL de către ficat, în timp ce a inhibat secreția hepatică de TG (Fig. 1).

CRPlasmatic RC

RC este definit ca fiind conținutul total de colesterol din TRL, inclusiv VLDL și lipoproteinele cu densitate intermediară (IDL) în stare de repaus alimentar și VLDL, IDL și resturile de chilomicroni în stare de repaus alimentar. Tot mai multe dovezi au indicat că RC este un factor de risc cauzal independent al bolii cardiace ischemice . Mai mult, nivelurile ridicate de RC au fost asociate cu creșterea mortalității din toate cauzele la pacienții cu cardiopatie ischemică .

Din moment ce apoC3 și apoA5 au reglementat metabolismul TRL, nu este neașteptat să constatăm că variantele genelor APOC3 și APOA5 au fost asociate cu nivelurile de RC. Într-o meta-analiză a 137.895 de indivizi, RC a fost cu 43% mai mică la heterozigoții APOC3 cu pierdere de funcție față de cei care nu sunt purtători . Dimpotrivă, combinațiile de genotipuri ale variantelor comune ale APOA5 (c.-1131 T > C, S19 W și c.*31C > T) s-au asociat cu creșteri ale RC de până la 56% . Astfel, țintirea apoC3 sau apoA5 pare a fi o abordare potențială pentru reducerea nivelurilor plasmatice de RC, care ar putea fi atestată în studiile viitoare.

HDL

HDL exercită diverse proprietăți de protecție atero-protectoarelor, inclusiv medierea efluxului de colesterol, protejarea endoteliului vascular, efecte antiinflamatorii și antiapoptotice . HDL cu deficiențe în aceste proprietăți este denumită HDL disfuncțională, care, la rândul său, contribuie la progresia CAD. Studiile de observare la om au indicat că aceste proprietăți sunt defectuoase în cazul tulburărilor patologice. De exemplu, la HDL de la pacienții uremici s-a constatat o capacitate de eflux de colesterol deficitară. Riwanto et al. au constatat că HDL de la pacienții cu CAD nu a activat căile anti-apoptotice endoteliale, ci mai degrabă stimulează potențiale căi pro-apoptotice endoteliale. Prin spectrometrie și analize biochimice, studiile au indicat în continuare că afectarea funcției HDL se corelează îndeaproape cu alterarea compoziției proteomului său , printre care modificările apoC3 și apoA5 au câștigat multe atenții.

Riwanto et al. au constatat că a existat o cantitate semnificativ mai mare de apoC3 în particulele HDL de la pacienții cu CAD în comparație cu controalele sănătoase. În plus, utilizarea anticorpilor care neutralizează apoC3 în aceste HDL a îmbunătățit funcția de apoptoză anti-endotelială mediată de HDL . Cho KH a arătat că creșterea conținutului de apoC3 în HDL reconstituite artificial a redus capacitatea de activare a lecitină-colesterol aciltransferazei (LCAT). În mod interesant, Luo M și colab. au demonstrat că conținutul de ApoC3 în HDL a fost asociat negativ cu capacitatea de eflux de colesterol mediată de HDL, însă mecanismul de bază este necunoscut. În schimb, supraexprimarea mediată de adenovirus a APOA5 la șoareci a dus la creșterea apoA5 în HDL, asociată cu o capacitate crescută de eflux de colesterol . HDL reconstituite sintetizate cu mai multă apoA5 au avut o dimensiune mai mare a particulelor, un conținut mai mare de lipide și o capacitate antioxidantă mai bună împotriva LDL in vitro .

Rolul definit al apoC3 și apoA5 în funcția HDL trebuie să fie examinat în continuare. S-a raportat că apoC3 din HDL se poate lega de receptorul scavenger B1 (SR-B1) , cu un domeniu de structură necaracterizat. SR-B1 este cunoscut ca un element important în transportul invers al colesterolului, în parte pentru facilitarea absorbției selective a esterilor de colesterol din HDL de către ficat . Nu se știe dacă această interacțiune a apoC3 cu SR-B1 ar influența transportul invers al colesterolului sunt nedeterminate.

Secreția hepatică de VLDL

Una dintre funcțiile majore ale ficatului este de a sintetiza și secreta VLDL. VLDL este compus dintr-un nucleu de lipide neutre, în principal TG, și mai multe apolipoproteine . Dintre acestea, apolipoproteina B100 (apoB100) este cea mai importantă și asigură stabilitatea structurală a particulei VLDL. Există două etape pentru biogeneza VLDL. Inițial, formarea VLDL începe cu sinteza apoB100 în reticulul endoplasmatic (ER). ApoB100 nou-născută este apoi parțial lapidată pentru a forma o particulă VLDL primordială săracă în lipide, care este facilitată de proteina microsomală de transfer al trigliceridelor (MTP). În a doua etapă a formării VLDL, particula VLDL primordială fuzionează cu particule bogate în trigliceride pentru a forma VLDL mature bogate în TG . Dovezi tot mai numeroase au indicat că apoC3 și apoA5 au reglementat lipidarea VLDL și au afectat conținutul hepatic de TG (Fig. 1).

Datele din culturile celulare, experimentele pe animale și studiile la om au confirmat că apoA5 a inhibat secreția de VLDL-TG și a promovat stocarea de TG în picăturile lipidice citosolice. Celulele McA-RH777777 transfectate în mod stabil cu APOA5 umană secretă VLDL-uri care au fost mai mici decât cele de la celulele de control, dar au avut un nivel mai mare de TG celular și picături lipidice mai mari . În schimb, Ress și colab. au raportat că reducerea APOA5 în celulele HepG2 a dus la o scădere a conținutului celular de TG. Ficatul de la șoarecii transgenici APOA5 a avut un nivel crescut de TG hepatic comparativ cu cel al șoarecilor sălbatici. Qin et al. au descoperit că pacienții cu boală hepatică grasă non-alcoolică (NAFLD) au o expresie crescută a APOA5 în comparație cu controalele sănătoase. Cu toate acestea, există încă unele nedumeriri necesare pentru a fi elucidate în continuare. În primul rând, cum se face că o parte din apoA5 scapă căii de secreție în sânge și se asociază cu picăturile lipidice citosolice? În plus, cum promovează apoA5 stocarea hepatică a TG în picăturile lipidice (LD) în locul secreției sub formă de VLDL.

În mod invers, studiile in vivo și in vitro au arătat că apoC3 are un efect stimulator asupra lipidării VLDL. Hrănirea șoarecilor APOC3 knockout cu o dietă bogată în grăsimi timp de două săptămâni nu a reușit să stimuleze producția de VLDL-TG, în timp ce reconstituirea expresiei APOC3 cu ajutorul adenovirusului care codifică apoC3 uman a dus la o producție robustă de VLDL-TG . Efectul stimulativ al apoC3 uman asupra lipidării VLDL a fost recapitulat în celulele McA-RH7777 în condiții de bogăție lipidică. Mai mult, mutația dirijată a reziduurilor din domeniul de legare a lipidelor (K58E) al apoC3 a abolit acest efect stimulativ. Aceste constatări au fost susținute la om prin observarea faptului că două SNP ale APOC3 (C-482 T, T-455C), care duc la scăderea expresiei APOC3, au fost corelate cu un nivel crescut de TG hepatic și o prevalență mai mare a NAFLD în populația indiană asiatică.

Se propune ca locația subcelulară a apoA5 și apoC3 care reglează lipidarea VLDL să fie compartimentul ER. Gao et al. au emis ipoteza că apoA5 poate facilita înmugurirea LD-urilor ER-luminale spre exterior pentru a forma LD-uri citosolice și, prin urmare, reduce TG asamblate în particulele VLDL . Qin și colab. au descoperit că apoC3 a promovat fuziunea LD ER-luminale cu particulele VLDL în timpul lipidării VLDL . Sunt necesare studii aprofundate care să se concentreze asupra bazei moleculare care stă la baza efectului apoA5 și apoC3 asupra lipidării VLDL și a metabolismului LD, ceea ce va oferi o nouă înțelegere a homeostaziei hepatice a TG.

Asocierea cu CAD

CAD a devenit o cauză majoră de deces la nivel mondial. Colesterolul lipoproteic cu densitate scăzută (LDL-C) este bine cunoscut ca jucând un rol crucial în patogeneza CAD, iar scăderea LDL-C plasmatic duce la o reducere semnificativă a morbidității și mortalității CAD . Cu toate acestea, s-a raportat că multe persoane suferă încă de CAD în ciuda atingerii obiectivului terapeutic pentru nivelurile de LDL-C . Prin urmare, se depun eforturi pentru a identifica alți factori de risc modificabili pentru a reduce în continuare riscul de CAD. Datele genetice ale populației sunt lipsite de confuzie și de cauzalitate inversă și, prin urmare, sunt recunoscute ca o modalitate importantă de a identifica noi factori potențiali de risc de CAD.

În mod interesant, s-a demonstrat că nivelurile plasmatice reduse genetic ale apoC3 au fost asociate cu scăderea riscului de CAD la om . O mutație fără sens a genei APOC3, R19X, a fost asociată cu o reducere cu 50% a nivelurilor circulante de apoC3 . Mai important, purtătorii variantei rare R19X au avut o incidență mai mică a calcifierii arterelor coronare și un risc mai mic de CAD Framingham la 10 ani . Efectul cardioprotector al R19X și al altor trei variante rare, două mutații ale locului de îmbinare (IVS2 + 1G → A; IVS3 + 1G → T) și o mutație cu sens greșit (A43T) în gena APOC3, a fost confirmat recent în două studii pe scară largă . Într-un studiu ca parte a Exome Sequencing Project of the National Heart, Lung, and Blood Institute , aproximativ 1 din 150 de participanți a fost purtător heterozigot de cel puțin una dintre aceste patru mutații, iar nivelurile circulante ale APOC3 la purtători au fost cu 46% mai mici decât nivelurile la non-purtători. Riscul de CAD în rândul a 498 de purtători ai oricărei mutații rare APOC3 a fost cu 40% mai mic decât riscul în rândul a 110, 472 de non-purtători. În mod consecvent, într-o cohortă de 75.725 de participanți, incidențele cumulative ale bolii vasculare ischemice și ale bolii cardiace ischemice au fost reduse la heterozigoții pentru mutații de pierdere de funcție în APOC3 (R19X sau A43T sau IVS2 + 1G → A) în comparație cu cei care nu sunt purtători, cu reduceri corespunzătoare ale riscului de 41% și 36% . În mod remarcabil, s-a raportat că a existat, de asemenea, o tendință pentru mai puține evenimente adverse majore de boli cardiovasculare la pacienții cu o proteoformă apoC32 mai mare, în timp ce aceste asocieri nu au fost detectate pentru celelalte proteoforme apoC3, sugerând că apoC32 este mai mult ca o proteoformă cu pierdere de funcție .

Contrar, variantele APOA5 care duc la scăderea nivelului de apoA5 au fost asociate cu un risc crescut de CAD . Asocierea dintre polimorfismul promotor -1131 T > C al genei APOA5 și riscul de CAD a fost demonstrată într-o meta-analiză mare. Raportul de șanse pentru CAD a fost de 1,18 pentru fiecare alelă C vs. T . Mai mult, mai multe studii independente au indicat în mod constant că variantele APOA5 au fost asociate în mod semnificativ cu riscul de infarct miocardic (IM). Raffaele De Caterina et al. au constatat o asociere puternică a variantei genei APOA5 -1131 T > C și IM acut cu debut precoce . Jorgensen AB et al. au mai arătat că variația genetică în gena APOA5 (c.-1131 T. C, S19 W și c.*31C. T) este asociată cu o creștere de 87% a riscului de IM . Do R et al. au secvențiat exonii genei APOA5 la 6721 de subiecți cu IM și 6711 controale. Au fost identificate 46 de variante unice nesinonime sau cu un singur nucleotid de tip splice-site sau indel frameshifts cu frecvența alelei < 1%. Mai mult, purtătorii acestor mutații rare în gena APOA5 (1,4% din cazuri față de 0,6% din controale) au avut un risc de 2,2 ori mai mare de IM comparativ cu controalele .

În plus, s-a sugerat că efectele apoC3 și apoA5 asupra riscului de CAD sunt parțial mediate de modificări ale nivelurilor plasmatice de RC. Wulff AB et al. au constatat că RC a mediat 37% din riscul observat cu 41% mai mic de boală vasculară ischemică și 54% din riscul observat cu 36% mai mic de boală cardiacă ischemică la heterozigoții cu pierdere de funcție APOC3 față de non-purtători . Cu toate acestea, variantele genei APOA5 (c.-1131 T. C, S19 W și c.*31C. T) care conduc la o creștere genetică a RC asociată cu un risc crescut de IM . Pe de altă parte, variantele genei APOA5 (c.-113131 T. C, S19 W, și c.*31C. T) asociate cu creșteri ale RC de până la 56% și cu un odds ratio corespunzător pentru IM de 1,87 .

Corelație potențială între apoC3 și apoA5

Din moment ce apoC3 și apoA5 reglează metabolismul lipidic și se asociază cu riscul de CAD într-un mod opus, este rezonabil să ne întrebăm dacă acestea funcționează independent sau cooperează. Unele rezultate obținute la șoareci genetici au sugerat o relație strânsă între aceste două proteine, deși nu există dovezi actuale care să demonstreze interacțiunea directă dintre ele. Pennacchio et al. au demonstrat că șoarecii transgenici APOA5 și șoarecii knock-out au un nivel de proteină apoC3 hepatică evident scăzut și, respectiv, crescut, în timp ce nu s-au constatat modificări semnificative în ceea ce privește abundența ARNm apoC3. Într-adevăr, cantitățile de proteine apoC3 din ficat au crescut cu 90% la șoarecii APOA5 knockout și au scăzut cu 40% la șoarecii transgenici APOA5 în comparație cu cei de tip sălbatic. În mod similar, s-a observat o scădere a nivelului seric de apoC3 după supraexprimarea mediată de adenovirus a APOA5 uman la șoareci . Aceste constatări au implicat faptul că apoC3 poate afecta apoA5 la nivel transcripțional și viceversa. Cu toate acestea, mecanismele subiacente sunt necunoscute.