Regulation der Expression des ATP-bindenden Kassettentransporters A1 (ABCA1): Cholesterin-abhängige und -unabhängige Signalwege mit Bedeutung für entzündliche Lungenerkrankungen

ATP-bindende Kassetten-Transporter A1 (ABCA1) ist ein Transmembran-Transporterprotein, das ubiquitär in menschlichem Gewebe exprimiert wird und in Leber und Lunge in großer Zahl vorkommt (Übersicht in ). Während seine primäre Aufgabe darin besteht, die Lipidhomöostase aufrechtzuerhalten, indem es den Abfluss von zellulärem Cholesterin und Phospholipiden kontrolliert, wird ABCA1 zunehmend eine entzündungshemmende Funktion bei einer Vielzahl von Krankheiten zugeschrieben, bei denen Entzündungen ein zugrunde liegender pathogener Mechanismus sind (siehe ). Angesichts der Rolle, die ABCA1 bei der Unterdrückung von Entzündungen spielt, könnte das Verständnis der Signalwege, die die ABCA1-Expression regulieren, in Zukunft potenzielle therapeutische Strategien zur Aufrechterhaltung der Cholesterin-Homöostase und zur Behandlung von Erkrankungen mit übermäßiger Entzündung liefern.

ABCA1-vermittelter Cholesterin-Efflux

Der ABCA1-Transporter spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Cholesterin-Homöostase, indem er am reversen Cholesterin-Transportweg (RCT) beteiligt ist. ABCA1 wird in peripheren Zellen exprimiert und erleichtert den Export von zellulärem Cholesterin zu seinem extrazellulären Akzeptorprotein Apolipoprotein-A1 (apoA-1). In Makrophagen interagiert ABCA1 mit apoA-1, um naszierendes High Density Lipoprotein (HDL) zu bilden, bevor es mit dem ATP-bindenden Kassettentransporter G1 (ABCG1) und dem Scavenger-Rezeptor Klasse B Typ 1 interagiert, um reife HDL-Partikel zu bilden. Anschließend transportiert HDL das Cholesterin aus den peripheren Geweben zur Ausscheidung in die Leber.

Veränderte ABCA1-Expression bei Lungenerkrankungen

Mutationen in ABCA1 können die Tanger-Krankheit verursachen, eine seltene genetische Störung, die durch eine erhebliche Verringerung der HDL-Spiegel gekennzeichnet ist. In Studien, in denen die Rolle von ABCA1 bei der RCT untersucht wurde, wurden Ähnlichkeiten zwischen dem Phänotyp von ABCA1-defizienten Mäusen und dem Phänotyp der menschlichen Tanger-Krankheit festgestellt. Der Phänotyp der Makrophagen von ABCA1-Knockout-Mäusen in vivo umfasste eine Lipidakkumulation und signifikant reduzierte HDL- und ApoA-1-Spiegel. Die Lipidakkumulation als Folge des verminderten HDL- und ApoA-1-Spiegels in den Makrophagen von ABCA1- und ABCG1-Knockout-Mäusen führte zu einem Anstieg der zirkulierenden proinflammatorischen Zytokine und zeigte Anzeichen einer systemischen Entzündung. Während in vitro ähnliche Ergebnisse mit dem Knockdown von ABCA1 in menschlichen Makrophagen gefunden wurden, war die ABCG1-Expression erhöht.

In vitro- und in vivo-Studien wurde nachgewiesen, dass die ABCA1-Expression bei Lungenerkrankungen wie COPD verändert ist. In einer kürzlich durchgeführten Studie stellten Sonett et al. fest, dass die Expression von ABC-Transportern (ABCA1 und ABCG1) in der Lunge von Patienten mit mittelschwerer bis schwerer COPD im Vergleich zu gesunden Lungen signifikant herunterreguliert ist. Darüber hinaus wurde eine stärkere Herabregulierung der ABCA1-Expression im Vergleich zu ABCG1 beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Bedeutung einer Verbesserung der herabregulierten ABCA1-Expression gegenüber der herabregulierten ABCG1-Expression überwiegen könnte. Zigarettenrauch wird als Hauptursache für die herunterregulierte ABCA1-Expression bei Patienten mit COPD vorgeschlagen. Es gibt auch Hinweise darauf, dass Zigarettenrauch die Signalwege moduliert, die die ABCA1-Expression in Makrophagen in vitro und in vivo regulieren. Lungenanomalien in der ABCA1-Expression wurden auch bei Lungenentzündungen festgestellt, die durch Chlamydia pneumoniae-Bakterien verursacht wurden. Es wurde nachgewiesen, dass eine Infektion mit Chlamydia pneumoniae den Cholesterinverkehr beeinträchtigt, was mit einer beschleunigten intrazellulären Cholesterinakkumulation einhergeht, indem die ABCA1-Expression in Mäusemodellen in vivo und in menschlichen Makrophagen und Lungenepithelzellen in vitro herunterreguliert wird. Die genaue Rolle von ABCA1 bei der Pathogenese von Atemwegsinfektionen ist jedoch derzeit nicht bekannt.

ABCA1, Cholesterinhomöostase und die Verbindung zur Entzündung

Zelluläres Cholesterin ist mit zahlreichen entzündlichen Funktionen der Lunge verbunden. Daher können die am Prozess der RCT beteiligten Proteine die Entzündungsreaktionen beeinflussen, die durch eine Überladung von freiem Cholesterin in Makrophagen ausgelöst werden. Das Verständnis der Funktionen von ABCA1 und HDL könnte Aufschluss darüber geben, wie sich die Regulierung von Cholesterin auf die Entzündungsfunktionen in der Lunge auswirkt. Neben der Rolle von HDL bei der RCT unterstützt HDL die Produktion von Surfactant in Alveolarzellen vom Typ II, einem kritischen Zelltyp bei COPD. Darüber hinaus ist bekannt, dass sich bei Unterdrückung von ABCA1 überschüssiges Cholesterin in den Alveolarzellen ansammelt, was die Surfactant-Funktion beeinträchtigt und die Entzündungsreaktion verstärkt, die in die Pathogenese von chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), Asthma und anderen Lungenkrankheiten verwickelt ist (Übersicht in ).

In Anbetracht des Zusammenhangs zwischen Cholesterinhomöostase und Entzündung der Atemwege lag der therapeutische Schwerpunkt auf der Verringerung der intrazellulären Cholesterinsynthese durch cholesterinsenkende Medikamente wie Statine. In großen klinischen Studien, darunter STATCOPE, wurde die Wirksamkeit einer Statinbehandlung bei Patienten mit COPD untersucht. Trotz der Vorteile, die in früheren retrospektiven Studien beobachtet wurden, wurde in STATCOPE kein therapeutischer Nutzen einer Statinbehandlung bei Patienten mit COPD festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass ein anderer Ansatz zur Wiederherstellung des Cholesteringleichgewichts, vielleicht durch alternative Ziele, die das Potenzial haben, den Cholesterinspiegel zu modulieren und gleichzeitig die Entzündung zu unterdrücken, wie ABCA1, weitere Untersuchungen rechtfertigen. Dies ist der Schwerpunkt dieser Übersichtsarbeit.

Die meisten Studien zur Erforschung der Rolle und Funktion von ABCA1 wurden bei cholesterinassoziierten Erkrankungen wie Atherosklerose durchgeführt. Atherosklerose war traditionell als Cholesterinspeicherkrankheit bekannt. Inzwischen ist sie jedoch als chronische Entzündungskrankheit anerkannt, bei der es Hinweise darauf gibt, dass eine übermäßige Cholesterinansammlung Entzündungsreaktionen fördert. Es gibt eine Reihe von Belegen aus klinischen und präklinischen Studien, die einen Zusammenhang zwischen Atherosklerose und Entzündungen herstellen. Eine frühere Studie an Mäusen zeigte, dass die Hemmung der Expression von Entzündungsmediatoren den Schweregrad der Atherosklerose deutlich verbessert. Patienten mit Atherosklerose zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an Lipoproteinen niedriger Dichte (LDL-Cholesterin) in ihrem Körper aus. Die Regulierung der LDL-Cholesterin-Homöostase wirkt sich auf das angeborene Immunsystem aus. Dies zeigt sich daran, dass LDL-Cholesterin über die Aktivierung der Toll-like-Rezeptor (TLR)-Signalwege proinflammatorische Zytokine induziert. Dies hat dazu geführt, dass sich der Forschungsschwerpunkt auf die Untersuchung der entzündungshemmenden Wirkung von ABCA1 bei Atherosklerose verlagert hat. ABCA1 könnte auch direkte entzündungshemmende Wirkungen ausüben, die unabhängig von seinen Auswirkungen auf die Cholesterinhomöostase sind, obwohl sich diese Unabhängigkeit angesichts der zentralen Rolle von Cholesterin für das Überleben der Zellen als schwierig erweisen könnte.

Dennoch haben sich die Hinweise verdichtet, dass ABCA1 bei entzündlichen Erkrankungen ein interessantes Ziel darstellt. Die potenziell entzündungshemmende Wirkung von ABCA1 hat daher zu einem wachsenden Interesse an der Untersuchung des Nutzens von ABCA1 bei entzündlichen Lungenerkrankungen geführt. Es ist zwar bekannt, dass Cholesterin die ABCA1-Expression in erheblichem Maße reguliert, doch ist weniger bekannt, welchen Einfluss die Entzündungsmediatoren selbst auf die ABCA1-Hochregulierung haben. In Anbetracht der Wechselwirkung zwischen Cholesterinhomöostase und Lungenentzündung stellt diese Verbindung eine mögliche Option für therapeutische Interventionen dar, die sowohl bei Atherosklerose als auch bei COPD – zwei chronischen Erkrankungen, die häufig zusammen auftreten – positive Auswirkungen haben könnten. Um diese potenziellen therapeutischen Wechselwirkungen hervorzuheben, sollen in dieser Übersicht die molekularen Mechanismen untersucht werden, die für die ABCA1-Expression verantwortlich sind. Insbesondere kann die ABCA1-Expression durch cholesterinabhängige und -unabhängige Mechanismen reguliert werden, und das Ziel der Übersichtsarbeit ist es, diese Signalwege im Zusammenhang mit Atemwegserkrankungen zu untersuchen.

Regulation der ABCA1-Expression: cholesterinabhängige Signalwege

Die Cholesterinhomöostase wird durch Vorwärts- und Rückwärtsmechanismen aufrechterhalten, an denen ABCA1 und andere Partner beteiligt sind. Insbesondere wird die ABCA1-Expression durch wichtige Signalwege reguliert, die durch überschüssiges Cholesterin vermittelt werden (Abb. 1) und die im Folgenden kurz beschrieben werden.

LXR/RXR-Weg

Cholesterin kann in Zellen in Oxysterole umgewandelt werden, die wiederum die ABCA1-Expression hochregulieren können. In Zelltypen, die für entzündliche Lungenerkrankungen relevant sind (einschließlich Makrophagen, Epithel- und glatte Muskelzellen (Tabelle 1) ), ist das am häufigsten gemeldete Oxysterol 25-Hydroxycholesterin (25-HC). Dieser natürlich vorkommende Stimulus erhöht die Expression von ABCA1 durch die Aktivierung des Leber-X-Rezeptor (LXR)-Wegs. LXR bildet ein Heterodimer mit dem Retinoid-X-Rezeptor (RXR), und zusammen bilden sie einen Transkriptionsfaktor, der an das Promotorelement des ABCA1-Gens bindet, um die Expression zu steigern und schließlich die Expression des ABCA1-Proteins neben anderen Zielen hochzuregulieren. Die Transkription erfolgt beim Einströmen von überschüssigem intrazellulärem Cholesterin, wobei Cholesterin diesen Weg jedoch nicht direkt aktiviert, sondern in 25-HC umgewandelt wird. Während Oxysterole die Liganden sind, die den LXR/RXR aktivieren, um die ABCA1-Expression zu erhöhen, löst die Cholesterinbelastung den Anstieg der Oxysterolproduktion stromabwärts des Mevalonatweges aus, um die zunehmende Transkription des ABCA1-Gens zu initiieren. Spezifische Oxysterole können im Mevalonat-Stoffwechselweg de novo produziert werden, unabhängig von den gewöhnlichen cholesterinbasierten Oxysterolen. Cholesterin wird beim Menschen überwiegend de novo von der Leber synthetisiert, initiiert durch Acetyl-Coenzym 3-Hydroxy-3-methyl-glutaryl-Coenzym . 24(S),25-Epoxycholesterin (24,25EC) ist ein solches Beispiel, bei dem es aus Acetylcoenzym während einer Lücke im Mevalonatweg gebildet wird. Ähnlich wie andere Oxysterole hat 24,25EC in Studien gezeigt, dass es die LXR-Rezeptoren aktiviert.

Angesichts der wichtigen Rolle, die LXR in diesem Stoffwechselweg spielt, folgt daraus, dass ein potenzielles therapeutisches Ziel zur Beeinflussung der Cholesterinhomöostase in der Erhöhung der ABCA1-Expression über den LXR-abhängigen Stoffwechselweg besteht. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von synthetischen LXR-Agonisten entwickelt, die die ABCA1-Expression deutlich erhöhen können. Die Ergebnisse der Behandlung mit LXR-Agonisten waren jedoch uneinheitlich, und es gab Berichte über unerwünschte Nebenwirkungen wie eine erhöhte Fettsäure- und Triglyceridsynthese und Lebersteatose. In letzter Zeit hat das Interesse an der Möglichkeit zugenommen, dass LXRα, eine Isoform des LXR, die Hauptursache für die unerwünschten Wirkungen herkömmlicher LXR-Liganden ist. Dies hat das Interesse an der Entwicklung von LXRβ-spezifischen Arzneimitteln geweckt, von denen man annimmt, dass sie keine derartigen unerwünschten Wirkungen hervorrufen.

SREBP-2-Stoffwechselweg

Ein weiterer Stoffwechselweg, der an der Regulierung der zellulären Cholesterinhomöostase beteiligt ist, wird durch den Transkriptionsfaktor Sterol Regulatory Element Binding Protein 2 (SREBP-2) vermittelt. SREBP-2 reguliert ABCA1 unabhängig vom LXR-Stoffwechselweg, und im Gegensatz zur Aktivierung des LXR-Stoffwechselwegs kann die Aktivierung von SREBP-2 die ABCA1-Expression verringern. Die Aktivierung von SREBP-2 hängt vom SREBP cleavage activating protein (SCAP) ab, das eine Sterol-Sensing-Domäne besitzt, die den zellulären Cholesterinspiegel messen kann. Wenn der intrazelluläre Cholesterinspiegel niedrig ist, eskortiert SCAP SREBP-2 zur Aktivierung in den Golgi, bevor es zum sterolregulatorischen Element (SRE) im Zellkern transloziert wird, um die Transkription verschiedener Zielgene sowie von SREBP-2 selbst zu fördern. Im Intron 16 von SREBP-2 befindet sich die microRNA-33a (miR-33a), die zusammen mit SREBP-2 transkribiert wird. Die miR-33a hemmt nachweislich die ABCA1-Expression in Pankreasinseln von Mäusen (ex vivo) und in menschlichen Makrophagen (in vitro). Kürzlich wurde nachgewiesen, dass die Hemmung von miR-33a in Lebergewebe von Mäusen und Makrophagen in vivo zu einer erhöhten Expression des miR-33a-Zielgens ABCA1 führt. Die Steigerung der ABCA1-Expression durch Hemmung von miR-33a ermöglicht es der ABCA1-Zielbehandlung, die nachteiligen Auswirkungen der derzeitigen Behandlungen, die den LXR-Signalweg aktivieren, zu umgehen.

Regulierung der ABCA1-Expression: Cholesterin-unabhängige Signalwege

Neue Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Reihe von Entzündungsmediatoren und schädlichen Einflüssen (wie Zigarettenrauch), die Lungenkrankheiten auslösen, auch einen Einfluss auf die ABCA1-Expression haben. Klinisch eingesetzte und experimentelle Medikamente greifen ebenfalls in ABCA1 ein. Einige wichtige In-vitro-Studien, die an Zellen mit Relevanz für Atemwegserkrankungen durchgeführt wurden, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Diese Veränderungen der ABCA1-Expression werden durch Signale (Abb. 1) reguliert (siehe unten), von denen einige einem Cross-Talk unterliegen.

TNF

Tumor-Nekrose-Faktor (TNF) ist ein proinflammatorisches Zytokin, das bei Patienten mit COPD stark exprimiert wird. Es ist bekannt, dass TNF viele Signalwege aktiviert, von denen einige bereits gezeigt haben, dass sie Veränderungen in der ABCA1-Expression bewirken. Zu diesen Signalwegen gehören der nukleare Faktor-κB (NF-κB), das Sterol regulatory element binding protein 2 (SREBP-2) und Januskinase 2/Signal Transducer 3 (JAK2/STAT3). Da zahlreiche Signalwege und molekulare Partner beteiligt sind, haben Studien gezeigt, dass die TNF-Stimulation je nach Zelllinie unterschiedliche Auswirkungen auf die ABCA1-Expression haben kann. Beispielsweise kann die TNF-Stimulation die ABCA1-Expression über den kanonischen NF-κB-Weg erhöhen. Die durch TNF induzierte Aktivierung von NF-κB führt jedoch auch zu einer Hochregulierung der mRNA-Spiegel von miR-33a, indem sie auf sein Wirtsgen SREBP-2 in Makrophagen in vitro und in Mäusen in vivo abzielt. Da eine erhöhte Expression von miR-33a mit einer unterdrückten ABCA1-Expression einhergeht, führt eine Erhöhung von TNF in diesem Zusammenhang zu einer verringerten ABCA1-Expression. Wir haben kürzlich gezeigt, dass TNF die Hochregulierung des ABCA1-Proteins in BEAS-2B-Epithelzellen in vitro steigert, doch sind die molekularen Mechanismen für diese Ergebnisse bisher unbekannt. Interessanterweise zeigten parallel durchgeführte Studien an einer anderen Lungenepithelzelllinie, A549 in vitro, dass TNF das ABCA1-Protein in diesen Zellen nicht erhöht. Möglicherweise sind die unterschiedlichen Auswirkungen von TNF auf ABCA1 in den beiden Lungenepithelzelllinien, die häufig als zelluläre Modelle für Entzündungen der Atemwege verwendet werden, auf den unterschiedlichen Beitrag von miR-33a oder anderen bekannten ABCA1-Regulatoren zurückzuführen. Weitere Studien sind erforderlich, um die beteiligten Mechanismen zu ermitteln.

TLR4/Myeloid88-Weg

Toll like receptor 4 (TLR4) ist eine primäre Quelle der angeborenen Immunabwehr . Dieses Protein wird in Makrophagen und bronchialen Epithelzellen der Lunge exprimiert, zwei wichtigen Zelltypen, die eine Entzündung der Atemwege verursachen. Die Hauptursache für Atemwegsentzündungen bei Patienten mit COPD ist Zigarettenrauch. Insbesondere führt eine Zigarettenrauchexposition (CSE) zu einem Anstieg der Lipopolysaccharid (LPS)-induzierten TLR4-Expression, die in primären Epithelzellen der kleinen Atemwege in vitro und bei Mäusen in vivo nachgewiesen wurde. Der LPS-abhängige Anstieg der TLR4-Expression aktiviert sein nachgeschaltetes Adaptormolekül Myeloid88, das die TLR4-Signale an den NF-κB-Inhibitor IκBα weiterleitet. Die Phosphorylierung von IκBα ermöglicht die Verlagerung von NF-κB in den Zellkern, wodurch letztlich Entzündungsgene aktiviert werden, die für die Kodierung von proinflammatorischen Zytokinen wie TNF verantwortlich sind, während gleichzeitig die Expression von miR33a gefördert wird, die die ABCA1-Expression reduziert. Die Wirkung von Zigarettenrauch auf den TLR4/Myeloid88-Signalweg wurde untersucht, indem menschliche Makrophagen THP-1-Zellen in vitro und Mäusemakrophagen in vivo CSE ausgesetzt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die ABCA1-Expression durch die CSE-Exposition in vitro und in vivo signifikant herunterreguliert wurde.

cAMP/PKA-Signalweg

Der zyklische Adenosinmonophosphat (cAMP)/Proteinkinase A (PKA)-Signalweg ist für die Regulierung zahlreicher zellulärer Funktionen verantwortlich, einschließlich entzündungshemmender Reaktionen. Die Aktivierung des cAMP/PKA-Wegs reduziert die Entzündung durch Hemmung von NF-κB und verhindert so die Verringerung von ABCA1 und den Anstieg der proinflammatorischen Zytokine, die durch NF-κB verursacht werden. Auch die ABCA1-Expression wird sowohl transkriptionell als auch posttranslational durch den cAMP/PKA-Signalweg reguliert. Transkriptionell induziert cAMP einen Anstieg der ABCA1-Expression und des durch sie vermittelten reversen Cholesterintransports. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Stimulierung menschlicher Fibroblasten in vitro und von Mausmakrophagen in vivo mit einem 8-Bromo-CAMP-Analogon den cAMP/PKA-Signalweg aktiviert. Frühe Studien an menschlichen Makrophagen konnten jedoch keine signifikante Steigerung der ABCA1-Expression durch Aktivierung des cAMP/PKA-Signalwegs nachweisen. Im Gegensatz dazu zeigte eine kürzlich von Liao et al. durchgeführte Studie, dass die Stimulierung menschlicher THP-1-Makrophagenzellen mit Intermedin, einem Peptid aus der Calcitonin-Familie, die ABCA1-Expression und den Cholesterin-Efflux über den cAMP/PKA-Signalweg deutlich erhöhte. Es ist wichtig anzumerken, dass die Auswirkung von cAMP auf die ABCA1-Expression von der für die Studie verwendeten Spezies abhängt, da es wesentliche Unterschiede im 5′-Promotorelement des Maus- und des menschlichen ABCA1-Gens gibt, wobei das funktionelle cAMP-Response-Element (CRE) im Promotor des Maus-ABC1-Gens im ersten Intron des menschlichen Promotors nicht vorhanden ist.

Während sich die Transkriptionsregulierung jedoch unterscheidet, reagieren Zellen sowohl von Menschen als auch von Mäusen auf cAMP, wenn auch über unterschiedliche Mechanismen. Posttranslational wird die Hochregulierung der ABCA1-Phosphorylierung und des Cholesterin-Effluxes in dieser Signalkaskade eingeleitet, wenn apoA-1 mit ABCA1 während des umgekehrten Cholesterintransports interagiert. Die Interaktion zwischen apoA-1 und ABCA1 aktiviert heterotrimere G-Proteine und die Adenylylzyklase zur Produktion von cAMP, wodurch PKA, ein direktes nachgeschaltetes Ziel von cAMP, aktiviert wird. PKA erhöht dann die Phosphorylierung von ABCA1, was in früheren Studien zu einer signifikanten Erhöhung der ABCA1-Expression und des Cholesterin-Effluxes in Makrophagenzellen geführt hat. Ob die Hochregulierung von ABCA1 durch den cAMP/PKA-Signalweg im Zusammenhang mit entzündlichen Lungenerkrankungen auftritt, bedarf weiterer Untersuchungen, zumal cAMP-erhöhende Wirkstoffe (z. B. β2-adrenerge Rezeptoragonisten und Phosphodiesterasehemmer) heute in der Atemwegsmedizin weit verbreitete Behandlungsmethoden sind.

JAK2/STAT3-Signalweg

Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) spielt eine komplexe Rolle bei der Regulierung von Entzündungen, die bei Atemwegsverletzungen auftreten. Zigarettenrauch wird mit dem Auftreten von Atemwegsverletzungen und Entzündungen in Verbindung gebracht und kann auch STAT3 in der Lunge aktivieren. Zwar ist die genaue Rolle von STAT3 bei entzündlichen Lungenerkrankungen noch relativ wenig erforscht, doch ist bekannt, dass das Fehlen der STAT3-Expression die angeborene entzündungshemmende Reaktion der Lunge beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von STAT3 für die Verringerung der Lungenentzündung wichtig ist. Bislang wurde nachgewiesen, dass die Aktivierung von STAT3 infolge der Interaktion von ABCA1 und apoA-1 eine entzündungshemmende Wirkung hat. Ähnliche entzündungshemmende Wirkungen wurden durch pro-inflammatorische Zytokine, Interleukine und Interferone gezeigt, die den Januskinase 2 (JAK2)/STAT3-Signalweg aktivieren. Ein bekanntes Zytokin, das diesen Signalweg aktiviert, ist Interleukin 6 (IL-6), wobei die IL-6-Expression durch Entzündungsmarker der COPD wie TNF gefördert wird. Das erste Signalmolekül, das bei der Interaktion von apoA-1 und ABCA1 oder durch IL-6-Zytokin aktiviert wird, ist JAK2. Nach der Aktivierung von JAK2 kommt es zu einer Autophosphorylierung, bevor es sein nachgeschaltetes Ziel STAT3 phosphoryliert. In Makrophagen von Mensch und Maus bindet das phosphorylierte STAT3 an die CRE-Stelle, die sich im ersten Intron des ABCA1-Gens von Mensch und Maus befindet, und steigert so die Genexpression von ABCA1.

Apoptose erhöht die ABCA1-Expression

Während akuter und chronischer Entzündungen der Atemwege kommt es zu einer signifikanten Zunahme von Immun- und Strukturzellen, die der Apoptose unterliegen. Die Beseitigung der apoptotischen Zellen in der Lunge wird in erster Linie von den Makrophagen der Atemwege in einem Efferozytose genannten Prozess reguliert. Es wurde bereits gezeigt, dass apoptotische Zellen direkt mit einem Anstieg der ABCA1-Expression in Makrophagen verbunden sind. Apoptotische Zellen enthalten Phosphatidylserin (PtdSer), das wie ein Erkennungssignal für Phagozyten wirkt und an Zelloberflächenrezeptoren auf Makrophagen wie die Mer-Tyrosin-Kinase (MerTK) bindet. Während der Efferozytose, die durch MerTK im Lungengewebe reguliert wird, wird der LXR-Signalweg aktiviert, wodurch die Expression von ABCA1 hochreguliert wird. Angesichts der erhöhten Apoptose, die bei entzündlichen Lungenkrankheiten wie COPD auftritt, ist es wahrscheinlich, dass die ABCA1-Expression erhöht sein sollte; diese Vorhersage trifft jedoch nicht zu, da der Prozess der Efferozytose bei Patienten mit COPD gestört ist. Der genaue Mechanismus, der dem Defekt der Efferozytose bei COPD zugrunde liegt, ist nicht bekannt, es wird jedoch vermutet, dass er mit Veränderungen in der Expression und Funktion der PtdSer-Rezeptoren wie MerTK zusammenhängt. Daher sind zusätzliche Studien erforderlich, die die molekularen Mechanismen hinter der dysregulierten Efferozytose bei COPD erforschen, um herauszufinden, welche potenziellen Auswirkungen funktionelle Veränderungen bei MerTK auf die ABCA1-Expression haben.

Rezente Studien haben über einen Weg berichtet, der durch den phagozytischen Rezeptor Brain Specific Angiogenesis Inhibitor 1 (BAI1) reguliert wird und auf ähnliche Weise funktioniert wie die Art und Weise, wie MerTK das PtdSer auf apoptotischen Zellen erkennt. Kurz gesagt aktiviert BAI1 bei Kontakt mit PtdSer seinen nachgeschalteten Signalvermittler Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 (RAC1), um die ABCA1-Transkription unabhängig vom LXR-Weg zu fördern. Es ist derzeit unklar, ob dieser Signalweg auch im Lungengewebe vorhanden ist. Daher sind weitere Studien zur Untersuchung der Auswirkungen der Apoptose auf die ABCA1-Expression in Lungenmakrophagen gerechtfertigt.

ApoA-1-Interaktion mit ABCA1

ApoA-1 ist ein Akzeptor für zelluläres Cholesterin aus peripheren Zellen, der direkt mit ABCA1 interagiert, um naszierendes lipidarmes HDL zu bilden. Murphy et al. zeigten, dass HDL, das aus der Interaktion zwischen ApoA-1 und ABCA1 entsteht, entzündungshemmende Wirkungen hat. Es ist wahrscheinlich, dass die entzündungshemmenden Eigenschaften von apoA-1 direkt mit der Regulierung der ABCA1-Signalwege, cAMP/PKA und JAK2/STAT3, zusammenhängen. Wie oben beschrieben, sind beide Signalwege dafür bekannt, die ABCA1-Expression hochzuregulieren, wobei eine erhöhte ABCA1-Expression mit einem Anstieg des HDL korreliert. Die Signalwege, die an der Regulierung der ABCA1-Expression beteiligt sind, spielen daher eine Schlüsselrolle bei der Vermittlung der entzündungshemmenden Eigenschaften von HDL.

Interessanterweise unterdrückt apoA-1 die LPS-induzierte proinflammatorische Zytokinproduktion über den TLR4/Myeloid88-Weg in Makrophagen. Dies wurde mit einer Verringerung der mRNA-Stabilität von proinflammatorischen Mediatoren durch die Wirkung des destabilisierenden RNA-Bindungsproteins Tristetraprolin (TTP) in Verbindung gebracht. Während der genaue Mechanismus, durch den die Interaktion zwischen ABCA1 und apoA-1 die TTP-vermittelte entzündungshemmende Wirkung hervorruft, unklar ist, berichteten Yin et al. dass die Wirkung von apoA-1 auf TTP signifikant verringert wurde, wenn die ABCA1-Expression zum Schweigen gebracht wurde. Insgesamt unterstreichen diese Studien, dass ApoA-1 ein vielversprechendes Ziel bei Atemwegserkrankungen ist. Allerdings könnten sich die Kosten für gereinigtes ApoA-1 und rekombinantes ApoA-1 für weitere Untersuchungen als zu hoch erweisen. Es wurden synthetische Analoga von ApoA-1, so genannte ApoA-1-Mimetika, entwickelt, die eine kostengünstige Lösung bieten. Interessanterweise haben die intravenös und intratracheal verabreichten ApoA-1-Mimetika 5A und 4F durch Interaktion mit ABCA1 entzündungshemmende und antioxidative Wirkungen in menschlichen Koronararterienzellen in vitro und bei Mäusen in vivo gezeigt. Weitere Untersuchungen sind gerechtfertigt.

Auswirkung aktueller Medikamente bei Lungenkrankheiten auf die ABCA1-Expression

Zu den aktuellen pharmakologischen Behandlungen für Menschen mit Atemwegserkrankungen gehört die Verwendung von Kortikosteroiden, Bronchodilatatoren (wie β2-adrenerge Rezeptoragonisten) und Phosphodiesterasehemmern. Obwohl einige Studien die Auswirkungen aktueller Atemwegsmedikamente auf die ABCA1-Expression untersucht haben, gibt es noch viel Raum für weitere Untersuchungen. Die Auswirkungen dieser Medikamente auf die Signalwege, die die ABCA1-Expression regulieren, werden im Folgenden erläutert.

Kortikosteroide

Bislang gibt es nur wenige Studien, in denen die Auswirkungen von Steroiden auf die ABCA1-Expression untersucht wurden. Zwar gibt es keine Hinweise auf ein Glukokortikoid-Reaktionselement im ABCA1-Promotor, doch wurde eine nicht durch Steroide vermittelte Transkriptionsregulation von ABCA1 in Makrophagen nachgewiesen. Das Steroid Dexamethason verringerte die ABCA1-Expression über einen LXR-unabhängigen Weg in Makrophagen in vitro.

Bronchodilatatoren

β2-Adrenorezeptor-Agonisten sind häufig verwendete Bronchodilatatoren zur Behandlung von Lungenerkrankungen wie COPD oder Asthma . Es wird angenommen, dass der Mechanismus, durch den β2-Agonisten bronchienerweiternde Wirkungen in der Lunge entfalten, über eine cAMP/PKA-abhängige Verringerung des intrazellulären Kalziums erfolgt, obwohl es auch andere Wege geben kann. Die Aktivierung des cAMP/PKA-Wegs ist das Ergebnis eines erhöhten intrazellulären cAMP nach der Behandlung mit β2-Agonisten. Wie in einem früheren Abschnitt beschrieben, wurde festgestellt, dass cAMP eine Hochregulierung der ABCA1-Expression in menschlichen Makrophagen induziert. Zusätzlich zu den bronchienerweiternden Effekten der Behandlung mit β2-Agonisten könnten also die entzündungshemmenden Eigenschaften von β2-Agonisten mit der ABCA1-vermittelten Unterdrückung von Entzündungsreaktionen in der Lunge zusammenhängen.

Phosphodiesterase-Hemmer

Typ-4-Phosphodiesterase (PDE4)-Hemmer sind eine Behandlungsoption bei COPD. Ähnlich wie β2-Agonisten haben PDE4-Inhibitoren mehrere Vorteile, darunter die Verringerung von Entzündungen und die Entspannung der glatten Muskulatur der Atemwege über den cAMP/PKA-Signalweg. Der selektive PDE4-Inhibitor Rolipram erhöht nachweislich das intrazelluläre cAMP, wodurch die ABCA1-Expression und der ApoA-1-vermittelte Cholesterin-Efflux in Maus- und menschlichen Makrophagen hochreguliert werden.

ABCA1 als alternatives biologisches Ziel für die Behandlung von Lungenentzündungen

Statine

Statine wurden als mögliche Behandlung für entzündliche Lungenerkrankungen einschließlich COPD postuliert. Klinische Studien wie STATCOPE haben jedoch gezeigt, dass sie sich insgesamt nicht signifikant auf die Ergebnisse der Patienten auswirken. In früheren Studien wurde untersucht, ob der Grund für die Unfähigkeit der Statine, die Entzündung während einer Lungenverschlechterung signifikant zu reduzieren, mit der Herunterregulierung von ABCA1 durch die Statinbehandlung zusammenhängt. Wir haben kürzlich gezeigt, dass sowohl Simvastatin als auch Atorvastatin in menschlichen Lungenepithelzelllinien in vitro keinen signifikanten Einfluss auf die ABCA1-Expression hatten (Tabelle 1). In menschlichen Makrophagenzellen in vitro zeigten Niesor et al. jedoch, dass Simvastatin und Atorvastatin die ABCA1-Expression verringerten und miR33 erhöhten, was die Möglichkeit unterstützt, dass eine repressive Wirkung auf ABCA1-vermittelte entzündungshemmende Funktionen eine Rolle bei den in STATCOPE gezeigten uneindeutigen Ergebnissen gespielt haben könnte. Es ist plausibel, dass die unterschiedlichen Ergebnisse in diesen Zelllinien auf die Spezifität der Zelltypen zurückzuführen sind. Indem wir diese Hypothese an anderen Lungenzelllinien, wie glatten Muskelzellen der Atemwege, testen, würden wir unser Verständnis der Wirkung von Statinen auf die ABCA1-Expression im weiteren Sinne verbessern und herausfinden, ob eine Kombinationstherapie zur Verbesserung einer möglichen Statin-induzierten ABCA1-Downregulation geeignet ist.

LXR-Agonisten

Angesichts der Tatsache, dass der LXR-Transkriptionsfaktor ein potenter Induktor der ABCA1-Expression ist, verbunden mit Hinweisen auf eine entzündungshemmende Wirkung, folgt daraus, dass LXR-Agonisten starke Kandidaten für potenzielle Therapeutika zur Behandlung von entzündlichen Lungenerkrankungen wären. Dies wurde durch jüngste Studien mit intranasaler Verabreichung von LXR-Agonisten (T0901317 oder GW3965) untermauert, die eine signifikante Abschwächung proinflammatorischer Zytokine bei Mäusen in vivo und Lungenepithelzellen in vitro zeigten. Wie bereits erwähnt, zielen die derzeit verfügbaren LXR-Liganden jedoch auf beide LXR-Isoformen ab, was zu unerwünschten Nebenwirkungen auf Lipidparameter führt. Dazu gehören erhöhte Plasmafettsäuren und Triglyceride, die bekannte Risikofaktoren für COPD sind. Frühe LXR-Agonisten, wie GW3965, konnten die Produktion von Entzündungszytokinen aus Alveolarmakrophagen in vitro nicht vollständig unterdrücken. Man nimmt an, dass die unerwünschten Wirkungen der Behandlung mit synthetischen LXR-Agonisten, einschließlich erhöhter Triglyceridwerte und Hepatoxizität, auf die LXRα-Aktivierung zurückzuführen sind. Daher wird derzeit die Entwicklung von LXR-β-selektiven Agonisten klinisch untersucht, um die hepatische Lipogenese abzuschwächen.