Experimental and computational studies on lipoprotein lipolysis at acidic pH

Abstract

Atherosclerosis is a disease of the arteries; its characteristic features include chronic inflammation, extra- and intracellular lipid accumulation, extracellular matrix remodeling, and an increase in extracellular matrix volume. The underlying mechanisms in the pathogenesis of advanced atherosclerotic plaques, that involve local acidity of the extracellular fluid, are still incompletely understood.

In this thesis project, my co-workers and I studied the different mechanisms by which local extracellular acidity could promote accumulation of the atherogenic apolipoprotein B-100 (apoB-100)-containing plasma lipoprotein particles in the inner layer of the arterial wall, the intima. We found that lipolysis of atherogenic apoB-100-containing plasma lipoprotein particles (LDL, IDL, and sVLDL) by the secretory phospholipase A2 group V (sPLA2-V) enzyme, was increased at acidic pH. Also, the binding of apoB-100-containing plasma lipoprotein particles to human aortic proteoglycans was dramatically enhanced at acidic pH. Additionally, lipolysis by sPLA2-V enzyme further increased this binding. Using proteoglycan-affinity chromatography, we found that sVLDL lipoprotein particles consist of populations, differing in their affinities toward proteoglycans. These populations also contained different amounts of apolipoprotein E (apoE) and apolipoprotein C-III (apoC-III); the amounts of apoC-III and apoE per particle were highest in the population with the lowest affinity toward proteoglycans.

Since PLA2-modification of LDL particles has been shown to change their aggregation behavior, we also studied the effect of acidic pH on the monolayer structure covering lipoprotein particles after PLA2-induced hydrolysis. Using molecular dynamics simulations, we found that, in acidity, the monolayer is more tightly packed laterally; moreover, its spontaneous curvature is negative, suggesting that acidity may promote lipoprotein particles fusion. In addition to extracellular lipid accumulation, the apoB-100-containing plasma lipoprotein particles can be taken up by inflammatory cells, namely macrophages. Using radiolabeled lipoprotein particles and cell cultures, we showed that sPLA2-V-modification of LDL, IDL, and sVLDL lipoproteins particles, at neutral or acidic pH, increased their uptake by human monocyte-derived macrophages.

Ateroskleroosin komplikaatiot ovat länsimaissa suurin kuolinsyyn aiheuttaja ja tauti yleistyy maailmanlaajuisesti erityisesti vanhusväestön keskuudessa. Ateroskleroottinen plakki kehittyy hitaasti vuosikymmenten aikana. Lopulta pitkälle edennyt plakki voi revetä ja johtaa verihyytymään ja siitä seuraavaan sydän- tai aivoinfarktiin. Tiedetään että ateroskleroosin synty on seurausta aktiivisesta tulehdusprosessista, jossa valtimon seinämän sisäkerrokseen eli intimaan kertyy solunulkoisia ja solunsisäisiä rasvapisaroita, jotka ovat peräisin veriplasman apolipoproteiini B-100:aa sisältävistä lipoproteiineista, erityisesti LDL-hiukkasista. Pitkälle edenneen plakin syntyyn liittyy myös paikallinen hapen puute ja siitä seuraava kudoksen happamuus, jonka vaikutusmekanismit ateroskleroosiin ovat kuitenkin vielä suurelta osin tuntemattomat. Tutkimustyömme keskeisenä tavoitteena on ollut selvittää intimassa mahdollisesti vallitsevan solunulkoisen happamuuden vaikutusta useaan ateroskleroosia edistävään mekanismiin käyttäen sekä kokeellisia että laskennallisia biokemiallisia menetelmiä. Tutkimme kuinka lipoproteiinien entsymaattinen käsittely sekretorisella fosfolipaasi A2 tyyppi V (sPLA2-V)-entsyymillä vaikuttaa lipoproteiinien sitoutumiseen intiman soluväliaineeseen ja sisäänottoon syöjäsoluihin.

Intiman soluväliaine koostuu pääasiallisesti proteoglykaaneista, joihin apoB-100:aa sisältävät lipoproteiinit voivat sitoutua. Ateroskleroottisessa valtimon seinämässä on myös sPLA2-V-entsyymiä, jonka eritys lisääntyy runsasrasvaisen ruokavalion seurauksena, ja lisäksi sPLA2-V-entsyymin on todettu kasvattavan ateroskleroottisten plakkien kokoa hiirimallissa. Tutkimuksemme keskeinen ensihavainto oli, että happamassa pH:ssa lipoproteiinien pintakalvon fosfolipidien lipolyysi sPLA2-V-entsyymillä lisääntyy, mikä johtaa lisääntyneeseen lysoPC- ja rasvahappomolekyylien vapautumiseen ja kerääntymiseen lipoproteiinien pintakalvoon. Tutkimuksemme seuraava tärkeä löydös oli, että happamassa pH:ssa sPLA2-V-entsyymillä käsitellyt lipoproteiinit sitoutuivat voimakkaasti intiman proteoglykaaneihin. Havaitsimme myös, että pienet apolipoproteiinit (apoE ja apoC-III) estävät sVLDL-hiukkasten sitoutumista proteoglykaaneihin. Tarkastelimme myös lipoproteiinien pintakalvon rakennetta molekyylitasolla ja havaitsimme, että happamassa pH:ssa lipolysoitu fosfolipidikalvo on järjestäytyneempi ja kalvon spontaani kaarevuus on negatiivinen. Nämä kalvomuutokset saattavat edesauttaa muuntuneiden lipoproteiinien aggregoitumista, fuusioitumista ja kertymistä solunulkoiseen tilaan suurina rasvapisaroina. Ateroskleroosin edetessä intimaan kertyy monia immuunipuolustuksen soluja, erityisesti syöjäsoluja, jotka tunnistavat muuntuneet lipoproteiinit ja pyrkivät poistamaan ne soluvälitilasta endosytoosivälitteisesti. Totesimme myös, että lipolyysi sPLA2-V-entsyymillä lisäsi lipoproteiinien sisäänottoa näihin soluihin sekä normaalissa että happamassa pH-ympäristössä.

Yhteenvetona totean, että väitöskirjatyössäni olemme selvittäneet molekyyli- ja solutasolla happaman pH:n vaikutusta tekijöihin, jotka vaikuttavat ateroskleroosin kehittymiseen. Ateroskleroosin mekanismien tunteminen luo uusia mahdollisuuksia ehkäisevän lääkehoidon kehittämiselle. Fosfolipaasi A2-entsyymien toiminnan estäminen vaikuttaisi lipoproteiinien lipolyysiin ja siten rasvajuosteen, vaahtosolujen ja tulehduksen syntyyn, sekä muihin ateroskleroosin keskeisiin patofysiologisiin tapahtumiin, ja saattaisi siten tarjota uuden ateroskleroosin hoitomuodon, jolla saatetaan tulevaisuudessa ehkäistä tämän taudin kehittymistä.