Regulation der Selenoproteinsynthese durch den Mevalonatweg

Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Einfluss des Mevalonatpfads auf die Expression von Selenoproteinen untersucht werden. Im Mevalonatpfad, einem universellen Stoffwechselweg eukaryontischer Zellen, entstehen neben Cholesterol auch verschiedene Isoprenoide, die z.B. für die post-transkriptionelle Modifikation der Selenocystein-tRNA herangezogen werden. Selenocystein ist funktioneller Bestandteil von Selenoproteinen, welche häufig in den Abbau von oxidativem Stress involviert sind. rnDer Mevalonatpfad wird hauptsächlich durch die HMG-CoA-Reduktase (HMGCR) reguliert. Pharmaka vom „Statin“-Typ gelten als wirkungsvolle kompetitive Inhibitoren dieses Enzyms und finden ihren Einsatz bei Patienten zur Behandlung von Hypercholesterolämie, welche eine Grundlage für vaskuläre Krankheiten bildet. Trotz der allgemein guten Verträglichkeit der Statine treten jedoch auch unerwünschte Nebeneffekte, wie Erhöhung der Leberenzyme oder Myopathien auf, deren biochemischer Hintergrund bislang noch im Dunkeln liegt. rnDie in dieser Arbeit durchgeführten Experimente belegen, dass Atorvastatin, Cerivastatin und Lovastatin in klinisch relevanten Dosen die Synthese bestimmter Selenoproteine, wie der Glutathionperoxidase (GPx), in klonalen humanen Hepatocyten post-transkriptionell unterdrücken, wodurch die Zellen anfälliger für oxidativen Stress in Form von Peroxiden werden. Dieser Mechanismus könnte eine Erklärung für die häufig beobachteten abnormen Leberwerte von Statin-behandelten Patienten darstellen.rnEndogenes Cholesterol gilt ebenfalls als potenter Inhibitor der HMGCR. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass Cholesterol in verschiedenen Formen, als Low-Density-Lipoprotein (LDL), als 25-Hydroxycholesterol, und als Methylcyclodextrin-Komplex in unterschiedlichen humanen Zelltypen die Selenoproteinsynthese ebenfalls unterdrücken. Der negative Zusammenhang zwischen Cholesterol und bestimmten Selenoproteinen konnte auch in vivo beobachtet werden. In juvenilen Mäusen konnte gezeigt werden, dass ein Knockout des LDL-Rezeptors sowie auch ein Knockout von Apolipoprotein E zu einer Senkung des Lebercholesterols führte, was in einer Zunahme der GPx in der Leber resultierte.rnDie vorliegenden Daten belegen erstmals einen direkten und funktionellen Zusammenhang zwischen dem Mevalonatpfad und der Selenoproteinsynthese. Unterdrückung dieses Pfades, entweder durch exogene Substanzen wie Statine, oder durch endogene Substanzen wie Cholesterol, hat offenbar zur Folge, dass essentielle Zwischenprodukte für die Modifizierung der Selenocystein-tRNA fehlen, was in einer post-transkriptionellen Verminderung der induzierbaren Selenoproteine resultiert. Dies könnte die biochemische Grundlage für einen Teil der vielfältigen gesundheitlich negativen Auswirkungen schon geringfügig erhöhter Cholesterolspiegel sein.

The aim of this work was to test the hypothesis that the mevalonic pathway was capable to influence selenoprotein synthesis. Besides cholesterol, the mevalonic pathway synthesizes many other products like isoprenoids, which can be used, for instance, for the post-transcriptional modification of selenocysteine-tRNA. Selenocysteine is an essential part of selenoproteins, which are often involved in reducing oxidative stress in the cell. rnThe mevalonic pathway is mainly regulated through HMG-CoA-reductase (HMGCR). Statin drugs are well-known competitive inhibitors of this enzyme and are used to treat hypercholesterolemia in patients, which is thought to causally contribute to vascular diseases. Statins are generally well-tolerated, but there are untoward side-effects like the elevation of liver enzymes or myopathy. The biochemical background of these side-effects is still unknown. rnIn this work it is shown that in clonal human hepatocytes, atorvastatin, cerivastatin and lovastatin at clinically relevant concentrations inhibit the synthesis of certain selenoproteins, like glutathione peroxidase (GPx), on a post-transcriptional level, which makes the cells more susceptible to oxidative stress caused by peroxides. This observation might provide a molecular rationale for the aforementioned statin side-effects.rnThe endogenous compound cholesterol is also known to be a potent inhibitor of HMGCR, primarily acting as a negative regulator of HMGCR gene transcription. The results of this work show that cholesterol in different forms of application, i.e. as low-density-lipoprotein (LDL), 25-hydroxycholesterol, or methyl cyclodextrin complex, also inhibit selenoprotein synthesis in different human cell types. Investigating in vivo models of altered cholesterol metabolism, it was found that the knockout of the LDL receptor or of apolipoprotein E in juvenile mice was associated with a declined liver cholesterol concentration combined with an increased expression of GPx. rnTaken together, these data indicate for the first time a direct functional link between the mevalonic pathway and selenoprotein synthesis. Inhibition of this pathway, either by exogenous statins or by endogenous cholesterol, may lead to a reduction of modified selenocysteine-tRNA, causing a decrease in inducible selenoproteins by a post-transcriptional mechanism. These data may provide a rationale for the multitude of adverse health effects of elevated cholesterol levels, whose origin has remained largely enigmatic to date.