Cellular Cholesterol Accumulation and Egress from Endosomal Compartments

Abstract

One of the most important factors determining the development of atherosclerosis is the amount of LDL particles in the circulation. In general, LDL particles are clinically regarded as “bad cholesterol” since these particles get entrapped within the vascular wall, leading to atherosclerosis. Circulating HDL particles are conversely regarded as “good cholesterol” because of their ability to transport cholesterol from peripheral tissues to the liver for secretion as bile salts.

Once inside the artery wall LDL particles are engulfed by macrophages, resulting in macrophage foam cells. If the macrophage foam cells are not able to efflux the cholesterol back into the bloodstream, the excessive cholesterol ultimately leads to cell death, and the deposition of cellular debris within the atherosclerotic lesion. The cells ability to secrete cholesterol is mainly dependent on the ABCA1 transporter (ATP-binding cassette transporter A1) which transfers cellular cholesterol to extracellular apoA-I (apolipoprotein A-I) particles, leading to the generation of nascent HDL particles. The process of atherosclerotic plaque development is therefore to a large extent a cellular one, in which the capacity of the macrophages in handling the excessive cholesterol load determines the progression of lesion development.

In this work we have studied the cellular mechanisms that regulate the trafficking of LDL-derived cholesterol from endosomal compartments to other parts of the cell. As a basis for the study we have utilized cells from patients with Niemann-Pick type C disease, a genetic disorder resulting from mutations in the NPC1 and NPC2 genes. In these cells, cholesterol is entrapped within the endosomal compartment, and is not available for efflux. By identifying proteins that bypass the cholesterol trafficking defect, we were able to identify the small GTPase Rab8 as an important protein involved in ABCA1 dependent cholesterol efflux. In the study, we show that Rab8 regulates cholesterol efflux in human macrophages by facilitating intracellular cholesterol transport, as well as by regulating the plasma membrane availability of ABCA1. Collectively, these results give new insight in to atherosclerotic lesion development and intracellular cholesterol processing.

Valtimonkovettumatauti eli ateroskleroosi syntyy, kun verenkierrossa kulkevia lipoproteiinipartikkeleita, lähinnä LDL- partikkeleita (ns. ”huono” kolesteroli), kertyy valtimoiden seinämiin. Tämä houkuttelee paikalle verenkierrossa kiertäviä monosyytteja, jotka erilaistuvat valtimon seinämässä suuriksi syöjäsoluiksi eli makrofageiksi. Makrofagit keräävät sisäänsä valtimoiden seinämään kertynyttä LDL-kolesterolia muodostaen ns. makrofagi-vaahtosoluja. Jos makrofagit ottavat sisäänsä enemmän kolesterolia kuin ne pystyvät käsittelemään, ne kuolevat ja jättävät jälkeensä kolesterolikiteitä, jotka entisestään kasvattavat plakin kokoa. Suotuisissa olosuhteissa makrofagi-vaahtosolut pystyvät kuitenkin erittämään sisäänotetun kolesterolin takaisin verenkiertoon HDL-partikkelien muodossa (ns. ”hyvä” kolesteroli). HDL-partikkelien muodostumiseen tarvitaan ABCA1-proteiinia, joka sijaitsee makrofagien solukalvon pinnalla. ABCA1 siirtää solunsisäistä kolesterolia solun ulkopuolella olevalle vastaanottajamolekyylille, apolipoproteiini A-I:lle (apoA-I). Tämä johtaa HDL-partikkelien muodostumiseen. Vaikka nämä tapahtumat solukalvolla tunnetaan verraten hyvin, solunsisäiset kolesterolin kuljetusreitit ovat huonosti tunnettuja. Tiedetään, että eri geneettisissä sairauksissa (esim. Niemann-Pick tyyppi C, NPC tauti) LDL-kolesteroli juuttuu solujen endosomeihin, eikä kulkeudu takaisin solukalvolle, jossa sitä tarvitaan HDL-partikkelien muodostamiseen.

Tämän väitöskirjan tavoite oli selvittää solunsisäisiä kuljetusreittejä jotka ohjaavat sisäänotetun LDL-kolesterolin endosomeista takaisin solukalvolle. Näytimme että Rab8 niminen proteiini pystyy lisäämään kolesterolin kuljetusta solukalvolle NPC-tautisoluissa. Rab8 kuuluu Rab-GTPaasien perheeseen, jonka jäsenet ohjaavat kalvoliikennettä solun sisällä. Jatkotutkimukset osoittivat, että Rab8 on tärkeä kolesterolin kuljetuksen säätelijäproteiini myös makrofagi-vaahtosoluissa. Rab8 sekä edistää kolesterolin kulkua solukalvolle että säätelee ABCA1-proteiinin ilmentymistä solun pinnalla. Rab8-proteiinin puutos sen sijaan aiheutti solunsisäisen kolesterolikertymän sekä vähensi ABCA1-proteiinin ilmentymistä solukalvolla. Tämä tutkimus tuo uutta tietoa solunsisäisen kolesterolin kuljetuksesta ja ABCA1-proteiinin säätelystä, sekä antaa lisätietoa ateroskleroosin kehittymismekanismeista.