Regulation of HMG-CoA reductase, HSL and ACAT expression and activity in testicular cholesterol metabolism in mink and in mouse following experimental genetic deletion

Introduction: L'homéostasie du cholestérol est indispensable à la synthèse de la testostérone dans le tissu interstitiel et la production de gamètes mâles fertiles dans les tubules séminifères. Les facteurs enzymatiques contribuent au maintien de cet équilibre intracellulaire du cholestérol. L'absence d'un ou de plusieurs enzymes telles que la HMG-CoA réductase, la HSL et l'ACAT-1 a été associée à l'infertilité masculine. Toutefois, les facteurs enzymatiques qui contribuent au maintien de l'équilibre intra-tissulaire du cholestérol n'ont pas été étudiés. Cette étude a pour but de tester l'hypothèse que le maintien des taux de cholestérol compatibles avec la spermatogenèse nécessite une coordination de la fonction intracellulaire des enzymes HMG-CoA réductase, ACAT1 et ACAT2 et la HSL. Méthodes: Nous avons analysé l'expression de l’ARNm et de la protéine de ces enzymes dans les fractions enrichies en tubules séminifères (STf) de vison durant le développement postnatal et le cycle reproductif annuel et dans les fractions enrichies en tissu interstitiel (ITf) et de STf durant le développement postnatal chez la souris. Nous avons développé deux nouvelles techniques pour la mesure de l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de celle de l'ACAT1 et ACAT2. En outre, l'immunohistochimie a été utilisée pour localiser les enzymes dans le testicule. Enfin, les souris génétiquement déficientes en HSL, en SR-BI et en CD36 ont été utilisées pour élucider la contribution de la HMG-CoA réductase, l'ACAT1 et l'ACAT2 et la HSL à l'homéostasie du cholestérol. Résultats: 1) HMG-CoA réductase: (Vison) La variation du taux d’expression de l’ARNm de la HMG-CoA réductase était corrélée à celle de l'isoforme de 90 kDa de la protéine HMG-CoA réductase durant le développement postnatal et chez l'adulte durant le cycle reproductif saisonnier. L'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase augmentait de façon concomitante avec le taux protéinique pour atteindre son niveau le plus élevé à 240 jours (3.6411e-7 mol/min/μg de protéines) au cours du développement et en Février (1.2132e-6 mol/min/μg de protéines) durant le cycle reproductif chez l’adulte. (Souris), Les niveaux d'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase étaient maximales à 42 jours. A l'opposé, le taux protéinique diminuait au cours du développement. 2) HSL: (Vison), l'expression de la protéine de 90 kDa de la HSL était élevée à 180- et 240 jours après la naissance, ainsi qu'en Janvier durant le cycle saisonnier chez l'adulte. L'activité enzymatique de la HSL augmentait durant le développement pour atteindre un pic à 270 jours (36,45 nM/min/μg). Chez l'adulte, l'activité enzymatique de la HSL était maximale en Février. (Souris) Le niveau d’expression de l'ARNm de la HSL augmentait significativement à 21-, 28- et 35 jours après la naissance concomitamment avec le taux d'expression protéinique. L'activité enzymatique de la HSL était maximale à 42 jours suivie d'une baisse significative chez l'adulte. 3) ACAT-1 et ACAT-2: Le présent rapport est le premier à identifier l’expression de l'ACAT-1 et de l'ACAT-2 dans les STf de visons et de souris. (Vison) L'activité enzymatique de l'ACAT-2 était maximale à la complétion du développement à 270 jour (1190.00 CPMB/200 μg de protéines) et en janvier (2643 CPMB/200 μg de protéines) chez l'adulte. En revanche, l'activité enzymatique de l'ACAT-1 piquait à 90 jours et en août respectivement durant le développement et chez l'adulte. (Souris) Les niveaux d'expression de l'ARNm et la protéine de l'ACAT-1 diminuait au cours du développement. Le taux de l'ARNm de l'ACAT-2, à l’opposé du taux protéinique, augmentait au cours du développement. L'activité enzymatique de l'ACAT-1 diminuait au cours du développement tandis que celle de l'ACAT-2 augmentait pour atteindre son niveau maximal à 42 jours. 4) Souris HSL-/ -: Le taux d’expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase diminuaient significativement dans les STf de souris HSL-/- comparés aux souris HSL+/+. Par contre, les taux de l'ARNm et les niveaux des activités enzymatiques de l'ACAT-1 et de l'ACAT-2 étaient significativement plus élevés dans les STf de souris HSL-/- comparés aux souris HSL+/+ 5) Souris SR-BI-/-: L'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de l'ACAT-1 étaient plus basses dans les STf de souris SR-BI-/- comparées aux souris SR-BI+/+. A l'opposé, le taux d'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HSL étaient augmentées chez les souris SR-BI-/- comparées aux souris SR-BI+/+. 6) Souris CD36-/-: L'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de l'ACAT-2 étaient significativement plus faibles tandis que celles de la HSL et de l'ACAT-1 étaient inchangées dans les STf de souris CD36-/- comparées aux souris CD36+/+. Conclusion: Nos résultats suggèrent que: 1) L'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de la HSL sont associées à l'activité spermatogénétique et que ces activités ne seraient pas régulées au niveau transcriptionnel. 2) L'ACAT-1 et de l'ACAT-2 sont exprimées dans des cellules différentes au sein des tubules séminifères, suggérant des fonctions distinctes pour ces deux isoformes: l'estérification du cholestérol libre dans les cellules germinales pour l'ACAT-1 et l'efflux du cholestérol en excès dans les cellules de Sertoli au cours de la spermatogenèse pour l'ACAT-2. 3) La suppression génétique de la HSL diminuait la HMG-CoA réductase et augmentait les deux isoformes de l'ACAT, suggérant que ces enzymes jouent un rôle critique dans le métabolisme du cholestérol intratubulaire. 4) La suppression génétique des transporteurs sélectifs de cholestérol SR-BI et CD36 affecte l'expression (ARNm et protéine) et l'activité des enzymes HMG-CoA réductase, HSL, ACAT-1 et ACAT-2, suggérant l'existence d’un effet compensatoire entre facteurs enzymatiques et non-enzymatiques du métabolisme du cholestérol dans les fractions tubulaires. Ensemble, les résultats de notre étude suggèrent que les enzymes impliquées dans la régulation du cholestérol intratubulaire agissent de concert avec les transporteurs sélectifs de cholestérol dans le but de maintenir l'homéostasie du cholestérol intra-tissulaire du testicule.

The Combination of Interferon-Beta and HMG-CoA Reductase Inhibition in Multiple Sclerosis: Enthusiasm Lost too Soon?

Recent studies support the notion that statins, widely prescribed cholesterol-lowering agents, may target key elements in the immunological cascade leading to inflammation and tissue damage in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS). Compelling experimental and observational clinical studies highlighted the possibility that statins may also exert immunomodulatory synergy with approved MS drugs, resulting in several randomized clinical trials testing statins in combination with interferon-beta (IFN-?). Some data, however, suggest that this particular combination may not be clinically beneficial, and might actually have a negative effect on the disease course in some patients with MS. In this regard, a small North American trial indicated that atorvastatin administered in combination with IFN-? may increase disease activity in relapsing-remitting MS. Although other trials did not confirm this finding, the enthusiasm for studies with statins dwindled. This review aims to provide a comprehensive overview of the completed clinical trials and reports of the interim analyses evaluating the combination of IFN-? and statins in MS. Moreover, we try to address the evident question whether usage of this combination routinely requires caution, since the number of IFN-?-treated MS patients receiving statins for lowering of cholesterol is expected to grow.

HMG-CoA Reductase Inhibition Promotes Neurological Recovery, Peri-Lesional Tissue Remodeling, and Contralesional Pyramidal Tract Plasticity after Focal Cerebral Ischemia

3-Hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A (HMG-CoA) reductase inhibitors are widely used for secondary stroke prevention. Besides their lipid-lowering activity, pleiotropic effects on neuronal survival, angiogenesis, and neurogenesis have been described. In view of these observations, we were interested whether HMG-CoA reductase inhibition in the post-acute stroke phase promotes neurological recovery, peri-lesional, and contralesional neuronal plasticity. We examined effects of the HMG-CoA reductase inhibitor rosuvastatin (0.2 or 2.0 mg/kg/day i.c.v.), administered starting 3 days after 30 min of middle cerebral artery occlusion for 30 days. Here, we show that rosuvastatin treatment significantly increased the grip strength and motor coordination of animals, promoted exploration behavior, and reduced anxiety. It was associated with structural remodeling of peri-lesional brain tissue, reflected by increased neuronal survival, enhanced capillary density, and reduced striatal and corpus callosum atrophy. Increased sprouting of contralesional pyramidal tract fibers crossing the midline in order to innervate the ipsilesional red nucleus was noticed in rosuvastatin compared with vehicle-treated mice, as shown by anterograde tract tracing experiments. Western blot analysis revealed that the abundance of HMG-CoA reductase was increased in the contralesional hemisphere at 14 and 28 days post-ischemia. Our data support the idea that HMG-CoA reductase inhibition promotes brain remodeling and plasticity far beyond the acute stroke phase, resulting in neurological recovery.

The nature of inhibition of 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase by garlic-derived diallyl disulfide

A concentration dependent inhibition of 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA (HMG CoA) reductase was found on preincubation of microsomal preparations with diallyl disulfide, a component of garlic oil. This inhibited state was only partially reversed even with high concentrations of DTT. Glutathione, a naturally occurring reducing thiol agent, was ineffective. The substrate, HMG CoA, but not NADPH, was able to give partial protection for the DTT-dependent, but not glutathione-dependent activity. The garlic-derived diallyl disulfide is the most effective among the sulfides tested for inhibition of HMG CoA reductase. Formation of protein internal disulfides, inaccessible for reduction by thiol agents, but not of protein dimer, is likely to be the cause of this inactivation.

Irreversible inactivation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase by H2O2

A concentration-dependent inactivation of 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA (HMG-CoA) reductase was found on reincubation of rat liver microsomal preparations with H2O2 and at lower concentrations in the presence of KCN which inhibited the contaminating catalase. The inactivation was not affected in the presence quenchers of hydroxyl radicals and singlet oxygen and was also obtained when H2O2 was added during the reaction. HMG-CoA, but not NADPH, partially protected the enzyme from H2O2-inactivation. Even at high concentration DTT was unable to reverse this inactivation. The soluble 50 kDa-enzyme was similarly inactivated by H2O2, and the tryptic-digest of the inactivated protein indicated the presence of a disulfide-containing peptide. The results support the view that H2O2 by directly acting on the catalytic domain possibly converts an active thiol group to an inaccessible disulfide and irreversibly HMG-CoA reductase.

On the involvement of intramolecular protein disulfide in the irreversible inactivation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase by diallyl disulfide

Treatment with diallyl disulfide, a constituent of garlic oil, irreversibly inactivated microsomal and a soluble 50 kDa form of HMG-CoA reductase. No radioactivity was found to be protein-bound on treating the soluble enzyme with [35S]diallyl disulfide, indicating the absence of the mixed disulfide of the type allyl-S-S-protein. SDS-PAGE and Western blot analyses of the diallyl-disulfide-treated protein showed no traces of the dimer of the type protein-S-S-protein, but clearly indicated BME-reversible increased mobility, as expected of an intramolecular protein disulfide. The sulfhydryl groups, as measured by alkylation with iodo[2-14C]acetic acid, were found to decrease in the diallyl-disulfide-treated enzyme protein. Tryptic peptide analysis also gave support for the possible presence of disulfide-containing peptides in such a protein. It appears that diallyl disulfide inactivated HMG-CoA reductase by forming an internal protein disulfide that became inaccessible for reduction by DTT, and thereby retaining the inactive state of the enzyme.

Untersuchungen zum Einfluss des HMG-CoA-Reduktase-Inhibitors Lovastatin auf die Toxizität ionisierender Strahlung sowie des Anthrazyklinderivats Doxorubicin im Mausmodell

Hintergund: HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren (Statine) sind klinisch etablierte Cholesterinsenker. Über die Inhibition der intrinsischen Cholesterinbiosynthese hinaus zeigen sie sogenannte pleiotrope biologische Effekte. Ein Großteil dieser Wirkungen wird auf die Inhibition kleiner Ras homologer GTPasen (Rho GTPasen) zurückgeführt. In vitro schützt das Statinderivat Lovastatin (Lova) primäre humane Endothelzellen vor der Zytotoxizität von ionisierender Strahlung (IR) und dem Krebsmedikament Doxorubicin (Doxo). Zielsetzung: Die Relevanz dieser Befunde für ein in vivo Mausmodell sollte in der vorliegenden Arbeit überprüft werden. Dafür wurden BALB/c-Mäuse mit IR oder Doxo behandelt und der Einfluss einer Kobehandlung mit Lova auf verschiedene Toxizitätsendpunkte untersucht (24 h nach einer einzelnen hohen Dosis IR (i), 14 Tage nach zwei geringen Dosen IR (ii), 48 h nach einer einzelnen hohen Dosis Doxo (iii), sowie 8 Tage nach drei niedrigen Dosen Doxo (iv)). Eine mögliche gleichzeitige Protektion von Tumorzellen durch die Statingabe wurde in einem Xenotransplantationsexperiment überprüft (v), in dem das gleiche Behandlungsschema wie bei iv angewendet wurde. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass eine Statinbehandlung Normalgewebe vor Doxo- und IR-induzierter Toxizität schützt, ohne gleichzeitig protektiv auf transformierte Zellen zu wirken. Dieser Effekt ist wahrscheinlich von einer Inhibition der kleinen GTPasen Rac1 und RhoA abhängig und einer daraus folgenden Modifizierung der DNA-Schadensantwort. i: Die Statinvorbehandlung der Mäuse hatte keinen Einfluss auf die Bildung von initialen IR-induzierten DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) in der Leber. Die Lova-Behandlung wirkte sich jedoch auf IR-induzierte Stressantworten aus, was sich in einer Minderung der Expression von Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern in Leber und Darm widerspiegelte. ii: In der Lunge der Tiere wurde ein Anstieg von molekularen Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern detektiert, der bei Statinkobehandlung ausblieb. Zudem verhinderte die Kobehandlung mit Lova eine IR-induzierte Abnahme der Thrombozytenzahl, ohne sich auf die durch IR verringerte Leukozytenzahl im Blut auszuwirken. iii: Die Verabreichung einer hohen Dosis Doxo induzierte DSB-Formation in der Leber. Die Statinvorbehandlung reduzierte deren Menge um ca. 50 %. Dieser genoprotektive Effekt war unabhängig von der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies sowie einer Änderung des Doxo-Imports oder Exports. Die Expression von proinflammatorischen und profibrotischen Genen fiel besonders in der Leber und im Herzen durch die Lova-Kobehandlung geringer aus, als in der nur mit Doxo behandelten Gruppe. Zudem verringerte Lova die durch Doxo induzierte Hochregulation von für den AP1-Komplex kodierenden Genen sowie von Zellzykluskontrollfaktoren. Die Lova-Vorbehandlung führte darüber hinaus im Herzen zu einem reduzierten mRNA-Spiegel der Topoisomerasen II α und β. iv: Es konnten schwere Herz- und Leberschäden detektiert werden (gemessen an Gldh-, Gpt- sowie cTn-I-Serumkonzentrationen), die bei einer Kobehandlung mit dem Statin nicht auftraten. Die Lova-Kobehandlung verhinderte außerdem eine durch die Doxo-Behandlung verringerte Leukozytenzahl. Molekulare Marker für frühe fibrotische Ereignisse, sowie für Inflammation und Hypertrophie waren in der Leber und im Herzen nach der Doxo-Behandlung erhöht. Das Statin war auch hier in der Lage, diese toxischen Wirkungen des Anthrazyklins zu mindern. Auch die Doxo-induzierte Expression von Surrogatmarkern für Zellantworten auf oxidativen Stress wurde in der Leber abgeschwächt. In der Leber und im Herzen wiesen die mit Doxo behandelten Tiere höhere mRNA Spiegel von an Zellzykluskontrolle beteiligten Faktoren sowie von DNA-Reparatur und Fremdstoffmetabolismus assoziierten Genen auf. Am stärksten wurde die Expression von Topoisomerase II alpha - ein molekularer Marker für Zellproliferation und bedeutsame Zielstruktur von Doxo - in der Leber hochreguliert. Die Statin-Kobehandlung verhinderte all diese Doxo-induzierten Expressionsänderungen. Im Gegensatz zur Leber wurde die Top2a-mRNA Menge im Herzen durch die Doxo-Applikation reduziert. Auch hier bewirkte die Kobehandlung mit dem Statin, dass die Expression nahe dem Kontrollniveau blieb. v: Die Kobehandlung mit Lova führte zu keinem Schutz der Tumorzellen vor Doxo, sondern erhöhte sogar dessen antineoplastisches Potential.rnFazit: Die Erkenntnisse aus vorhergegangenen in vitro Versuchen konnten zum großen Teil auf die in vivo Situation im Mausmodell übertragen werden. Sie stehen im Einklang mit Ergebnissen anderer Gruppen, welche die Inhibition kleiner GTPasen mit einer geringeren, durch zytotoxische Substanzen induzierten, Inflammation und Fibrose korrelieren konnten. Eine Kobehandlung mit Lova während einer Krebstherapie erscheint somit als vielversprechende Möglichkeit Doxo- oder IR-induzierte Nebenwirkungen auf Normalgewebe zu mildern.

Ubiquitin-mediated regulation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase

Regulation of the sterol-synthesizing mevalonate pathway occurs in part through feedback-regulated endoplasmic reticulum degradation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMG-R). In yeast, the Hmg2p isozyme of HMG-R is regulated in this manner. We have tested the involvement of ubiquitination in the regulated degradation of Hmg2p, by using both genetic and direct biochemical approaches. Hmg2p degradation required the UBC7 gene, and Hmg2p protein was directly ubiquitinated. Hmg2p ubiquitination was dependent on UBC7 and was specific for the degraded yeast Hmg2p isozyme. Furthermore, Hmg2p ubiquitination was regulated by the mevalonate pathway in a manner consistent with regulation of Hmg2p stability. Thus, regulated ubiquitination appeared to be the mechanism by which Hmg2p stability is controlled in yeast. Finally, our data indicated that the feedback signal controlling Hmg2p ubiquitination and degradation was derived from farnesyl diphosphate, and thus implied conservation of an HMG-R degradation signal between yeast and mammals.

Sequence Determinants for Regulated Degradation of Yeast 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA Reductase, an Integral Endoplasmic Reticulum Membrane Protein

The degradation rate of 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase (HMG-R), a key enzyme of the mevalonate pathway, is regulated through a feedback mechanism by the mevalonate pathway. To discover the intrinsic determinants involved in the regulated degradation of the yeast HMG-R isozyme Hmg2p, we replaced small regions of the Hmg2p transmembrane domain with the corresponding regions from the other, stable yeast HMG-R isozyme Hmg1p. When the first 26 amino acids of Hmg2p were replaced with the same region from Hmg1p, Hmg2p was stabilized. The stability of this mutant was not due to mislocalization, but rather to an inability to be recognized for degradation. When amino acid residues 27–54 of Hmg2p were replaced with those from Hmg1p, the mutant was still degraded, but its degradation rate was poorly regulated. The degradation of this mutant was still dependent on the first 26 amino acid residues and on the function of the HRD genes. These mutants showed altered ubiquitination levels that were well correlated with their degradative phenotypes. Neither determinant was sufficient to impart regulated degradation to Hmg1p. These studies provide evidence that there are sequence determinants in Hmg2p necessary for degradation and optimal regulation, and that independent processes may be involved in Hmg2p degradation and its regulation.

Adriamycin treatment increases 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase and isoprene biosynthesis in the rat liver

Treatment of rats with Adriamycin caused an increase in the incorporation into hepatic cholesterol of [1-14C] acetate, but not of [2-14C] mevalonate. The step affected was found to be 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase whose activity in the liver microsomes increased in Adriamycin-treated animals, but was inhibited when the drug was added in the assay medium. Also, the concentration of ubiquinone in the liver and of cholesterol in the plasma increased.