Authors:	Martha Tews
Title:	Cholesterol als negativer post-transkriptioneller Regulator der Selenoprotein-Expression
Online publication date:	4-Sep-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Cholesterol ist eine essentielle Substanz im tierischen und menschlichen Organismus. Cholesterol wird in jeder Zelle durch den Mevalonatweg produziert und ist als Membranbestandteil für die Funktion und das Wachstum der Zellen von großer Bedeutung. Es existiert ein komplexes Netzwerk für die Regulation der Cholesterolsynthese, indem Cholesterol selbst und mehrere seiner Metabolite potente Inhibitoren der eigenen Synthese sind. Der Mevalonatweg liefert neben Cholesterol viele Zwischenprodukte für andere essentielle Zwecke. Eines dieser Zwischenprodukte, Isopentenylpyrophsophat, wird zur Reifung der Selenocystein-tRNA und somit zur Expression der Selenoproteine benötigt. Das Fehlen dieser Modifikation resultiert in einer reduzierten Expression speziell der stressinduzierbaren Selenoproteine wie der Glutathionperoxidasen (GPx). Die Ergebnisse in dieser Arbeit belegen einen funktionellen Zusammenhang zwischen Cholesterol- und Selenoprotein-Synthese und zeigen eine Unterdrückung der Selenoprotein-Expression durch Cholesterol und Oxysterole über einen post-transkriptionellen Mechanismus auf. Dieser Effekt ließ sich sowohl in vitro als auch in vivo beobachten. Zwei von vier in vitro untersuchten Oxysterolen, nämlich 22-Hydroxycholesterol und 25-Hydroxycholesterol, erwiesen sich in klonalen humanen Hepatozyten und T-Zellen als potente Supressoren der Expression der Phospholipid-Hydroperoxid-Glutathionperoxidase GPx4. Mildere Effekte wurden bezüglich der Cytosolischen Glutathionperoxidase GPx1 beobachtet. Das essentielle Haushalts-Selenoprotein Thioredoxin-Reduktase 1 (TrxR1) blieb bei Behandlung mit allen vier Hydroxysterolen in beiden Zelllinien konstant. Eine negative Kopplung zwischen Cholesterol und bestimmten Selenoproteinen konnte auch in vivo verifiziert werden. In zwei etablierten Mausmodellen der Hypercholsterolämie wurde eine deutliche Veränderung der hepatischen Selenoprotein-Expression festgestellt, wobei wiederum die GPx1 und die GPx4 von einer signifikant verringerten Expression betroffen waren. Die reduzierte Expression der beiden Glutathionperoxidasen in der Leber korrelierte mit einem erhöhten Gewebs-Cholesterol in diesen Tieren. In den Lebern von nicht-transgenen Mäusen, die aufgrund einer Fütterung mit einer Hochfett-Diät übergewichtig und prädiabetisch waren, aber keine erhöhten hepatischen Cholesterolwerte aufwiesen, konnte hingegen kein negativer Effekt auf die GPx1- und GPx4-Expression festgestellt werden. Diese Befunde deuten darauf hin, dass der negative Selenoprotein-Effekt einer Hypercholesterolämie auch in vivo als cholesterolspezifisch zu betrachten ist. Mechanistisch ergaben Messungen der Selenoprotein-Transkription in den untersuchten Tiermodellen sowie in den Zellkultur-Experimenten keinerlei Unterschiede, so dass ein post-transkriptioneller Effekt vorgelegen haben muss. Die Möglichkeit einer Selenocystein-tRNA-Reifungsstörung durch einen Mangel an Isopentenylpyrophosphat wird als wohl plausibelster Mechanismus der beobachteten Selenoprotein-Suppression diskutiert. Der Mangel an Isopentenylpyrophosphat wäre dabei durch die negative Hemmung des Mevalonatwegs durch Cholesterol zustande gekommen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse könnten einen Beitrag zur Erklärung der Arterioskleroseentstehung im Menschen leisten. Diese Erkrankung sowie andere mit erhöhten Cholesterolkonzentrationen assoziierte Pathologien können mechanistisch durch eine chronische Unterdrückung der Selenoprotein-Synthese mitverursacht sein. Inwieweit diese Befunde quantitativ auf den Menschen übertragbar sind, muss in nachfolgenden Untersuchungen überprüft werden. Dennoch sprechen mehrere große epidemiologische und Interventionsstudien, die einen inversen Zusammenhang zwischen dem Plasma-Selenspiegel und dem Cholesterolspiegel gezeigt haben, klar dafür, dass auch im Menschen eine gegenseitige Regulation von Cholesterol und Selenoproteinen existiert. Cholesterol is an essential substance in animals and humans. Cholesterol is produced in each cell by the mevalonate pathway and is of great importance as a membrane component essential for cell function and growth. There is a complex network for the regulation of cholesterol synthesis consisting of multiple feedback loops by which the products of the mevalonate pathway inhibit their exceeding synthesis. Besides cholesterol, the mevalonate pathway provides many other indispensable products like isopentenyl pyrophosphate, an isoprenoid which is required for the maturation of the selenocysteine tRNA and, thus, for the expression of the selenoproteins. Absence of this modification results in a specifically reduced expression of stress-inducible selenoproteins such as the glutathione peroxidases (GPx). The results in this work demonstrate a functional relationship between cholesterol and selenoprotein synthesis and show a suppression of selenoprotein expression by cholesterol and oxysterols via a post-transcriptional mechanism. This effect was observed both in vitro and in vivo. Two of the four oxysterols investigated in this work, namely 22-hydroxy-cholesterol und 25-hydroxy-cholesterol, acted as potent suppressors of phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase (GPx4) expression in clonal human hepatocytes clonal human T cells. Cytosolic glutathione peroxidase (GPx1) was also negatively affected, but to a lesser degree. The indispensable household selenoprotein thioredoxin reductase 1 (TrxR1), in contrast, remained constant with all four oxysterols in both cell lines. This cell-specific negative coupling between oxysterols and certain selenoproteins could also be observed in vivo. In the liver of two transgenic mouse models of hypercholesterolemia, a similar change in selenoprotein expression was observed, with GPx1 and GPx4 being significantly affected. In parallel, increased tissue cho-lesterol concentrations were observed in the analyzed livers. In the livers of non-transgenic, but obese and prediabetic mice being fed a high-fat diet, the levels of both glutathione peroxidases were unaltered, as were hepatic tissue cholesterol concentrations. This suggests that the supressive effect on selenoprotein expression may indeed have been cholesterol-specific. Mechanistically, measurements of selenoprotein transcription in the investigated animal models showed no differences, as was the case for the cell culture experiments. These data indicate the relevance of a post-transcriptional mechanism to account for the observed selenoprotein modulation. Most likely, the elevated cholesterol levels led to negative feedback inhibition of the mevalonate pathway and thereby to a lack of isopentenyl pyrophosphate. The latter compound would have then been insufficient for the complete maturation of the cellular selenocystein tRNA. The insight gained in this work may contribute to a better understanding of the etiology of arteriosclerosis and other cholesterol-associated diseases in humans. In fact, a variety of pathologies related to heightened cholesterol levels may be explained at least in part by a suppression of selenoprotein synthesis. In how far these findings can be translated to the clinical situation has yet to be determined. Nevertheless, several large epidemiological and intervention studies which have shown an inverse relationship between plasma selenium levels and cholesterol levels clearly indicate that a reciprocal regulation of cholesterol and selenoproteins is also operable in humans.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch. FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3751
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000030791
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XIV, 107 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen