Regulation und funktionelle Bedeutung der Arginase und Arginase-abhängiger Stoffwechselwege in Atemwegszellen der Ratte

Abstract

Das Enzym Arginase, besonders die Isoform Arginase I, ist klassischerweise ein Enzym des Harnstoffzyklus, der seine Bedeutung in der Entgiftung von Ammoniak in der Leber findet. In zahlreichen extrahepatischen Zellen und Geweben steht jedoch die Bereitstellung der Aminosäure L-Ornithin im Vordergrund, welches das zentrale Ausgangsprodukt zur Synthese von L-Prolin, und nachfolgend von Kollagen, und zur Synthese von Polyaminen als Regulatoren von Proliferationsprozessen darstellt. Des Weiteren steht die Arginase in Konkurrenz mit der induzierbaren NO-Synthase um das gemeinsame Substrat L-Arginin. Da in bestimmten pathophysiologischen Situationen, zu denen neben Wundheilung bzw. chronischen entzündlichen Bedingungen auch das Krankheitsbild des Asthma bronchiale zählt, ein verändertes Expressionsmuster der Arginase beobachtet wurde, stellte sich die Frage nach der regulatorischen und der funktionellen Bedeutung der Arginase in Stoffwechselvorgängen, die an der Steuerung von Zellwachstum, Bereitstellung von extrazellulären Matrixproteinen und NO-Synthese beteiligt sind.<br /> Die gesteigerte TGF-ß-Expression in den Atemwegen von Asthmapatienten bot Anlass zu der Frage, ob die Aktivität der Arginase durch TGF-ß reguliert wird. Die in dieser Arbeit betrachteten Zellsysteme, primäre Alveolarmakrophagen (RAM) und Atemwegsfibroblasten (rFb) der Ratte, exprimierten sowohl iNOS als auch Arginase I und Arginase II, Arginase I jedoch in wesentlich höherem Ausmaß. Insgesamt lag das Expressionsniveau in den RAM entsprechend ihrer Funktion deutlich höher als in den rFb. TGF-ß beeinflusste die Aktivität und Expression der Arginase in diesen Zellen nicht direkt, jedoch konnte an den RAM in Anwesenheit proinflammatorischer Stimuli, wie beispielsweise bakterielle Lipopolysaccharide (LPS), eine massive Steigerung des TGF-ß-Effekts beobachtet werden. Hingegen übte TGF-ß bereits im niedrigen Konzentrationsbereich einen signifikanten Hemmeffekt auf Aktivität und Expression der induzierbare NO-Synthase aus. Die nähere Analyse der kombinatorischen Wirksamkeit von TGF-ß und LPS auf die Aktivität und Expression der Arginase I mit verschiedenen Substanzen, die einen Einfluss auf den Acetylierungsstatus von Histonproteinen ausüben, legte die Vermutung nahe, dass Acetylierungsprozesse an DNA-assoziierten Histonproteinen für das Wirksamwerden des TGF-ß auf Transkritionsebene in Anwesenheit von LPS verantwortlich sind.<br /> Funktionelle Betrachtungen ergaben, dass die Arginase kein limitierender Faktor für die Bereitstellung des L-Ornithins zur Polyaminsynthese in primären rFb der Ratte ist. Arginaseinhibition führte zu keiner Beeinträchtigung der proliferativen Aktivität der rFb, weder der Basisrate noch nach erfolgter Stimulation durch die Th2-Zytokine IL-4 oder IL-13. Anders sah es auf Ebene der Kollagensynthese aus. Durch Einsatz von Arginaseinhibitoren wurde die Sekretion des Kollagen 1 sowohl im Vergleich zum Kontrollniveau als auch nach Stimulation durch TGF-ß stark gesenkt. <br /> Allerdings verdeutlichen parallel erlangte Befunde an primären humanen Lungen-Fb (hFb), dass Arginaseisoenzyme speziesabhängige Expressionsmuster aufweisen, die auf funktioneller Ebene zu Konsequenzen führen. Arginase scheint signifikant zur Prolinbereitstellung in rFb, in denen Arginase I das dominierende Isoenzym darstellt, nicht jedoch in hFb, in denen Arginase II als einziges Isoenzym exprimiert wird.<br /> Diese Speziesdifferenzen müssen berücksichtigt werden, wenn in Tierversuchen die Wertigkeit von Arginaseinhibitoren als mögliche Arzneistoffklasse zur Behandlung chronisch entzündlicher Erkrankungen, wie beispielsweise Asthma bronchiale (Maarsingh et al. 2008), geprüft wird.