Repeated three-dimensional magnetic resonance imaging of atherosclerosis development in innominate arteries of low-density lipoprotein receptor-knockout mice

Background-In vivo methods to evaluate the size and composition of atherosclerotic lesions in animal models of atherosclerosis would assist in the testing of antiatherosclerotic drugs. We have developed an MRI method of detecting atherosclerotic plaque in the major vessels at the base of the heart in low-density lipoprotein (LDL) receptor-knockout (LDLR-/-) mice on a high-fat diet. Methods and Results-Three-dimensional fast spin-echo magnetic resonance images were acquired at 7 T by use of cardiac and respiratory triggering, with approximate to140-mum isotropic resolution, over 30 minutes. Comparison of normal and fat-suppressed images from female LDLR-/- mice I week before and 8 and 12 weeks after the transfer to a high-fat diet allowed visualization and quantification of plaque development in the innominate artery in vivo. Plaque mean cross-sectional area was significantly greater at week 12 in the LDLR-/- mice (0.14+/-0.086 mm(2) [mean+/-SD]) than in wild-type control mice on a normal diet (0.017+/-0.031 mm(2), p

Effects of combined low-density lipoprotein apheresis and aggressive statin therapy on coronary calcified plaque as measured by computed tomography

Eight patients with heterozygous familial hypercholesterolemia who received combined long-term low-density lipoprotein apheresis and high-dose statin therapy showed a significant decrease in volume of coronary calcium over a period of 29 months as measured by, computed tomography. This suggests that the effects of aggressive lipid-lowering therapy can be assessed non-invasively and may be used as surrogate end points when testing new therapies.

La PCSK9 humaine, une molécule aux multiples facettes métaboliques et une cible thérapeutique prometteuse : études de régulation in vitro et in vivo

La proprotéine convertase subtilisine/kexine-9 (PCSK9) a été identifiée comme le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie autosome dominante (ADH). Les deux autres gènes impliqués dans l’ADH encodent le récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR) et l’apolipoprotéine B. La PCSK9 est une convertase qui favorise la dégradation du LDLR dans les hépatocytes et augmente le niveau plasmatique de cholestérol des LDL (LDL-C). Les mutations « gain de fonction » de la PCSK9 sont associées à un phénotype d’hypercholestérolémie familiale, tandis que les variantes « perte de fonction » sont associées à un LDL-C réduit et à un risque coronarien plus faible. Pour élucider le rôle physiologique de la PCSK9, nous avons étudié sa régulation génique. En utilisant le RT-PCR quantitatif dans des hépatocytes humains, nous avons analysé la régulation de PCSK9 sous différentes conditions modulant l’expression des gènes impliqués dans le métabolisme du cholestérol. Nous avons démontré que l’expression de la PCSK9 était induite par les statines de manière dose-dépendante et que cette induction était abolie par le mévalonate. De plus, le promoteur de PCSK9 contenait deux motifs conservés pour la régulation par le cholestérol : le sterol regulatory element (SRE) et un site Sp1. La PCSK9 circule dans le plasma sous des formes mature et clivée par la furine. Grâce à notre anticorps polyclonal, nous avons mis au point un test ELISA mesurant la PCSK9 plasmatique totale. Une étude transversale a évalué les concentrations plasmatiques de PCSK9 chez des sujets sains et hypercholestérolémiques, traités ou non par des statines ou une combinaison statine/ezetimibe. Chez 254 sujets sains, la valeur moyenne de PCSK9 (écart-type) était de 89,5 (31,9) µg/L. La concentration plasmatique de la PCSK9 corrélait avec celle de cholestérol total, du LDL-C, des triglycérides (TG), de la glycémie à jeun, l’âge et l’indice de masse corporelle. Le séquençage de PCSK9 chez des sujets aux extrêmes de la distribution des concentrations de PCSK9 de notre cohorte a révélé la présence d’une nouvelle variation « perte de fonction » : R434W. Chez 200 patients hypercholestérolémiques, la concentration de PCSK9 était plus élevée que chez les sujets sains (P<0,04). Elle a augmenté avec une dose croissante de statine (P<0,001), et a augmenté encore plus suite à l’ajout d’ezetimibe (P<0,001). Chez les patients traités, ceux présentant une hypercholestérolémie familiale (HF; due à une mutation du LDLR) avaient des concentrations plus élevées de PCSK9 que les non-HF (P<0,005), et la réduction de LDL-C corrélait positivement avec la concentration de PCSK9 atteinte de la même manière dans les deux sous-catégories (P<0,02 et P<0,005, respectivement). Par ailleurs, une incubation des cellules HepG2 (hépatocytes) et Caco-2 (entérocytes) avec de l’ezetimibe a provoqué une augmentation de l’ARNm de PCSK9 et de NPC1L1 de 1,5 à 2 fois (P<0,05), mais aucune variation significative de PCSK9 sécrétée n’a été observée, suggérant que ces lignées cellulaires ne sont pas un modèle idéal. Nous avons également mesuré le niveau de PCSK9 chez 1 739 Canadiens-français âgés de 9, 13 et 16 ans. La valeur moyenne (écart-type) de PCSK9 dans cette cohorte était de 84,7 (24,7) µg/L, légèrement plus basse que dans la cohorte d’adultes (89,5 (31,9) µg/L). Chez les garçons, la PCSK9 circulante diminuait avec l’âge, tandis que c’était l’inverse chez les filles. Il y avait des associations positives et significatives entre la PCSK9 et la glycémie à jeun, l’insulinémie, le HOMA-IR, et les paramètres lipidiques (TC, LDL-C, TG, HDL-C, apoAI et apoB). Dans l’analyse multivariée, une hausse de 10% de l’insulinémie à jeun était associée à une augmentation de 1 à 2% de PCSK9. La régulation de PCSK9 est typique de celle d’un gène impliqué dans le métabolisme des lipoprotéines et est probablement la cible du facteur de transcription «sterol regulatory element-binding protein » (SREBP-2). La concentration plasmatique de la PCSK9 est associée avec l’âge, le sexe, et de multiples marqueurs métaboliques chez les enfants et les adultes. La détection de la PCSK9 circulante chez les sujets HF et non-HF signifie que ce test ELISA spécifique à PCSK9 pourrait servir à suivre la réponse à la thérapie chez un grand éventail de sujets. PCSK9 semble être une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement de l’hypercholestérolémie et de la maladie cardiovasculaire.

Dégradation des membres de la famille du LDLR par la convertase PCSK9 : troisième locus de l'hypercholestérolémie familiale

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales causes de mortalité et de morbidité à travers le monde. En Amérique du Nord, on estime à 90 millions le nombre d’individus ayant une ou plusieurs MCV, à près de 1 million le nombre de décès reliés par année et à 525 milliards de dollars les coûts directs et indirects en 2010. En collaboration avec l’équipe du Dre. Boileau, notre laboratoire a récemment identifié, le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie familiale. Une étude publiée dans le New Engl J Med a révélé que l’absence de la convertase PCSK9 réduit de 88% le risque de MCV, corrélé à une forte réduction du taux de cholestérol plasmatique (LDL-C). Il fut démontré que PCSK9 lie directement le récepteur aux lipoprotéines de faible densité (LDLR) et, par un mécanisme méconnu, favorise sa dégradation dans les endosomes/lysosomes provoquant ainsi une accumulation des particules LDL-C dans le plasma. Dans cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à trois aspects bien distincts : [1] Quels sont les cibles de PCSK9 ? [2] Quelle voie du trafic cellulaire est impliquée dans la dégradation du LDLR par PCSK9 ? [3] Comment peut-on inhiber la fonction de PCSK9 ? [1] Nous avons démontré que PCSK9 induit la dégradation du LDLR de même que les récepteurs ApoER2 et VLDLR. Ces deux membres de la famille du LDLR (fortes homologies) sont impliqués notamment dans le métabolisme des lipides et de la mise en place de structures neuronales. De plus, nous avons remarqué que la présence de ces récepteurs favorise l’attachement cellulaire de PCSK9 et ce, indépendamment de la présence du LDLR. Cette étude a ouvert pour la première fois le spectre d’action de PCSK9 sur d’autres protéines membranaires. [2] PCSK9 étant une protéine de la voie sécrétoire, nous avons ensuite évalué l’apport des différentes voies du trafic cellulaire, soit extra- ou intracellulaire, impliquées dans la dégradation du LDLR. À l’aide de milieux conditionnées dérivés d’hépatocytes primaires, nous avons d’abord démontré que le niveau extracellulaire de PCSK9 endogène n’a pas une grande influence sur la dégradation intracellulaire du LDLR, lorsqu’incubés sur des hépatocytes provenant de souris déficientes en PCSK9 (Pcsk9-/-). Par analyses de tri cellulaire (FACS), nous avons ensuite remarqué que la surexpression de PCSK9 diminue localement les niveaux de LDLR avec peu d’effet sur les cellules voisines. Lorsque nous avons bloqué l’endocytose du LDLR dans les cellules HepG2 (lignée de cellules hépatiques pour l’étude endogène de PCSK9), nous n’avons dénoté aucun changement des niveaux protéiques du récepteur. Par contre, nous avons pu démontrer que PCSK9 favorise la dégradation du LDLR par l’intermédiaire d’une voie intracellulaire. En effet l’interruption du trafic vésiculaire entre le réseau trans-Golgien (RTG) et les endosomes (interférence à l’ARN contre les chaînes légères de clathrine ; siCLCs) prévient la dégradation du LDLR de manière PCSK9-dépendante. [3] Par immunobuvardage d’affinité, nous avons identifié que la protéine Annexine A2 (AnxA2) interagit spécifiquement avec le domaine C-terminal de PCSK9, important pour son action sur le LDLR. Plus spécifiquement, nous avons cartographié le domaine R1 (acides aminés 34 à 108) comme étant responsable de l’interaction PCSK9AnxA2 qui, jusqu’à présent, n’avait aucune fonction propre. Finalement, nous avons démontré que l’ajout d’AnxA2 prévient la dégradation du LDLR induite par PCSK9. En somme, nos travaux ont pu identifier que d’autres membres de la famille du LDLR, soit ApoER2 et VLDLR, sont sensibles à la présence de PCSK9. De plus, nous avons mis en évidence que l’intégrité du trafic intracellulaire est critique à l’action de PCSK9 sur le LDLR et ce, de manière endogène. Finalement, nous avons identifié l’Annexine A2 comme unique inhibiteur naturel pouvant interférer avec la dégradation du LDLR par PCSK9. Il est indéniable que PCSK9 soit une cible de premier choix pour contrer l’hypercholestérolémie afin de prévenir le développement de MCV. Cet ouvrage apporte donc des apports considérables dans notre compréhension des voies cellulaires impliquées, des cibles affectées et ouvre directement la porte à une approche thérapeutique à fort potentiel.

Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 in human disease

Les maladies cardiovasculaires (MCV) demeurent au tournant de ce siècle la principale cause de mortalité dans le monde. Parmi les facteurs de risque, l’hypercholestérolémie et l’obésité abdominale sont directement liées au développement précoce de l’athérosclérose. L’hypercholestérolémie familiale, communément associée à une déficience des récepteurs des lipoprotéines de basse densité (LDLR), est connue comme cause de maladie précoce d’athérosclérose et de calcification aortique chez l’humain. La subtilisine convertase proprotéine/kexine du type 9 (PCSK9), membre de la famille des proprotéines convertases, est trouvée indirectement associée aux MCV par son implication dans la dégradation du LDLR. Chez l'humain, des mutations du gène PCSK9 conduisent soit à une hypercholestérolémie familiale, soit à une hypocholestérolémie, selon que la mutation entraîne un gain ou une perte de fonction, respectivement. Il demeure incertain si les individus porteurs de mutations causant un gain de fonction de la PCSK9 développeront une calcification aortique ou si des mutations entraînant une perte de fonction provoqueront une obésité abdominale. Dans cette étude, nous avons examiné : 1) l’effet d’une surexpression de PCSK9 dans le foie de souris sur la calcification aortique ; 2) les conséquences d’une déficience en PCSK9 (Pcsk9 KO), mimant une inhibition pharmacologique, sur le tissu graisseux. Nous avons utilisé un modèle de souris transgénique (Tg) surexprimant le cDNA de PCSK9 de souris dans les hépatocytes de souris et démontrons par tomographie calculée qu’une calcification survient de façon moins étendue chez les souris PCSK9 Tg que chez les souris déficientes en LDLR. Alors que le PCSK9 Tg et la déficience en LDLR causaient tous deux une hypercholestérolémie familiale, les niveaux seuls de cholestérol circulant ne parvenaient pas à prédire le degré de calcification aortique. Dans une seconde étude, nous utilisions des souris génétiquement manipulées dépourvues de PSCK9 et démontrons que l’accumulation de graisses viscérales (adipogenèse) apparaît régulée par la PCSK9 circulante. Ainsi, en l’absence de PCSK9, l’adipogenèse viscérale augmente vraisemblablement par régulation post-traductionnelle des récepteurs à lipoprotéines de très basse densité (VLDLR) dans le tissu adipeux. Ces deux modèles mettent en évidence un équilibre dynamique de la PCSK9 dans des voies métaboliques différentes, réalisant un élément clé dans la santé cardiovasculaire. Par conséquent, les essais d’investigations et d’altérations biologiques de la PCSK9 devraient être pris en compte dans un modèle animal valide utilisant une méthode sensible et en portant une attention prudente aux effets secondaires de toute intervention.

Étude de la Structure-Fonction du Prosegment et du domaine CHRD de la PCSK9 humaine

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR.

Étude du polymorphisme rs3846662 de l’HMGCR dans le cerveau et le système périphérique

Dans cette thèse, l’impact du polymorphisme rs3846662 sur l’épissage alternatif de la 3-hydroxy-3-méthylglutaryl coenzyme A réductase (HMGCR) a été investigué in vivo, chez des patients atteints d’hypercholestérolémie familiale (HF) ou de maladie d’Alzheimer (MA). Le premier manuscrit adresse la problématique de la normalisation de la quantification relative des ARNm par PCR quantitative. Les découvertes présentées dans ce manuscrit nous ont permis de déterminer avec un haut niveau de confiance les gènes de référence à utiliser pour la quantification relative des niveaux d’ARNm de l’HMGCR dans des échantillons de sang (troisième manuscrit) et de tissus cérébraux post-mortem (quatrième manuscrit). Dans le deuxième manuscrit, nous démontrons grâce à l’emploi de trois cohortes de patients distinctes, soit la population canadienne française du Québec et les deux populations nord américaines « Alzheimer’s Disease Cooperative Study (ADCS) » et « Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) », que le génotype AA au locus rs3846662 confère à ces porteurs une protection considérable contre la MA. Les femmes porteuses de ce génotype voient leur risque de MA diminuer de près de 50% et l’âge d’apparition de leurs premiers symptômes retarder de 3.6 ans. Les porteurs de l’allèle à risque APOE4 voient pour leur part leurs niveaux de plaques séniles et dégénérescences neurofibrillaires diminuer significativement en présence du génotype AA. Enfin, les individus atteints de déficit cognitif léger et porteurs à la fois de l’allèle APOE4 et du génotype protecteur AA voient leur risque de convertir vers la MA chuter de 76 à 27%. Dans le troisième manuscrit, nous constatons que les individus atteints d’HF et porteurs du génotype AA ont, contrairement au modèle établi chez les gens normaux, des niveaux plus élevés de cholestérol total et de LDL-C avant traitement comparativement aux porteurs de l’allèle G. Le fait que cette association n’est observée que chez les non porteurs de l’APOE4 et que les femmes porteuses du génotype AA présentent à la fois une augmentation des niveaux d’ARNm totaux et une résistance aux traitements par statines, nous indique que ce génotype influencerait non seulement l’épissage alternatif, mais également la transcription de l’HMGCR. Comme une revue exhaustive de la littérature ne révèle aucune étude abondant dans ce sens, nos résultats suggèrent l’existence de joueurs encore inconnus qui viennent influencer la relation entre le génotype AA, l’épissage alternatif et les niveaux d’ARNm de l’HMGCR. Dans le quatrième manuscrit, l’absence d’associations entre le génotype AA et les niveaux d’ARNm Δ13 ou de protéines HMGCR nous suggère fortement que ce polymorphisme est non fonctionnel dans le SNC affecté par la MA. Une étude approfondie de la littérature nous a permis d’étayer cette hypothèse puisque les niveaux de HNRNPA1, la ribonucléoprotéine influencée par l’allèle au locus rs3846662, sont considérablement réduits dans la MA et le vieillissement. Il est donc proposé que les effets protecteurs contre la MA associés au génotype AA soient le résultat d’une action indirecte sur le processus physiopathologique.

Validation of a novel ELISA for measurement of electronegative low-density lipoprotein

Background: Oxidative modification of low-density lipoprotein (LDL) plays a key role in the pathogenesis of atherosclerosis. LDL(-) is present in blood plasma of healthy subjects and at higher concentrations in diseases with high cardiovascular risk, such as familial hypercholesterolemia or diabetes. Methods: We developed and validated a sandwich ELISA for LDL(-) in human plasma using two monoclonal antibodies against LDL(-) that do not bind to native LDL, extensively copper-oxidized LDL or malondialdehyde-modified LDL. The characteristics of assay performance, such as limits of detection and quantification, accuracy, inter- and intra-assay precision were evaluated. The linearity, interferences and stability tests were also performed. Results: The calibration range of the assay is 0.625-20.0 mU/L at 1: 2000 sample dilution. ELISA validation showed intra- and inter- assay precision and recovery within the required limits for immunoassays. The limits of detection and quantification were 0.423 mU/L and 0.517 mU/L LDL(-), respectively. The intra- and inter- assay coefficient of variation ranged from 9.5% to 11.5% and from 11.3% to 18.9%, respectively. Recovery of LDL(-) ranged from 92.8% to 105.1%. Conclusions: This ELISA represents a very practical tool for measuring LDL(-) in human blood for widespread research and clinical sample use. Clin Chem Lab Med 2008; 46: 1769-75.

Effects of ABCA1 SNPs, including the C-105T novel variant, on serum lipids of Brazilian individuals

Background: ABCA1 plays an important role in HDL metabolism. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in ABCA1 gene were associated with variation in plasina HDL-c. Methods: The effect of the ABCA1 SNPs C-14T, R219K and of a novel variant C-105T on serum lipids was investigated in 367 unrelated Brazilian individuals (224 hypercholesterolemic and 143 normolipidemic). The relation between ABCA1 SNPs and the lipid-lowering response to atorvastatin (10 mg/day/4 weeks) was also evaluated in 141 hypercholesterolemic (HC) individuals. The polymorphisms were detected by PCRR_FLP and confirmed by DNA sequencing. Results: Linkage disequilibrium was found between the SNPs C-105T and C-14T in the HC group. HC individuals carrying - 105CT/TT genotypes had higher serum HDL-c and lower triglyceride and VLDL-c concentrations as well as lower TG/HDL-c ratio compared to the -105CC carriers (p<0.05). The R219K SNP was associated with reduced serum triglyceride, VLDL-c and TG/HDL-c ratio in the HC group (p<0.05), and with an increased serum apoAI in NL individuals. The effects of ABCA1 SNPs on basal serum lipids of HC individuals were not modified by atorvastatin treatment. Conclusions: The ABCA1 SNPs R219K and C-105T were associated with a less atherogenic lipid profile but not with the lowering-cholesterol response to atorvastatin in a Brazilian population. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

eNOS T-786C polymorphism affects atorvastatin-induced changes in erythrocyte membrane fluidity

Statins have pleiotropic effects, including endothelial nitric oxide synthase (eNOS) upregulation and increased nitric oxide formation, which can be modulated by a genetic polymorphism in the promoter region of the eNOS gene (T-786C). Here, we report our investigation of whether this polymorphism modulates the effects of atorvastatin on the fluidity of erythrocyte membranes. We genotyped 200 healthy subjects (males, 18-60 years of age) and then randomly selected 15 of these with the TT genotype and 15 with the CC genotype to receive placebo or atorvastatin (10 mg/day oral administration) for 14 days. Cell membrane fluidity was evaluated by electron paramagnetic resonance (EPR) and spin-labeling method. The EPR spectra were registered on a VARIAN-E4 spectrometer. Thiobarbituric acid-reactive species (TBA-RS) and plasma membrane cholesterol were determined in the erythrocytes. Atorvastatin reduced membrane fluidity in CC subjects (P < 0.05) but not in those with the TT genotype (P > 0.05). While no significant differences were found in plasma membrane cholesterol concentrations, higher TBA-RS concentrations were found in the CC subjects than in the TT subjects (P < 0.05). These findings suggest that a short treatment with atorvastatin is disadvantageous to subjects with the CC genotype for the T-786C polymorphism compared to those with TT genotype, at least in terms of the hemorheological properties of erythrocytes.

Efeito do treinamento físico aeróbio na reatividade vascular da artéria ilíaca em camundongos LDL-/-

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

[Dyslipidemia - when are lipid lowering medications useful in clinical practice?]

Dyslipidemia is one of the main modifiable cardiovascular risk factors. There is strong evidence for the efficacy of lipid-lowering drugs in secondary prevention, as well as in primary prevention for patients at high cardiovascular risk. In primary prevention, indication for lipid-lowering interventions should be based on an individual assessment of the cardiovascular risk and on the LDL cholesterol level, despite less strong evidence for the efficacy of drug-based interventions in low risk patients. Treatment consists of statins, as well as lifestyle modifications such as body weight control and increased physical exercise. The latter constitute the primary intervention in patients at low cardiovascular risk. Secondary dyslipidemias due to an underlying medical condition and familial dyslipidemias such as Familial Hypercholesterolemia and Familial Combined Hyperlipidemia should be identified and treated accordingly, taking into account that the risk scoring systems are not appropriate in these situations.

Quantitative high performance liquid chromatography/tandem mass spectrometric analysis of the four classes of F2-isoprostanes in human urine

Isoprostanes (iPs) are free radical catalyzed prostaglandin isomers. Analysis of individual isomers of PGF2α—F2-iPs—in urine has reflected lipid peroxidation in humans. However, up to 64 F2-iPs may be formed, and it is unknown whether coordinate generation, disposition, and excretion of F2-iPs occurs in humans. To address this issue, we developed methods to measure individual members of the four structural classes of F2-iPs, using liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC/MS/MS), in which sample preparation is minimized. Authentic standards of F2-iPs of classes III, IV, V, and VI were used to identify class-specific ions for multiple reaction monitoring. Using iPF2α-VI as a model compound, we demonstrated the reproducibility of the assay in human urine. Urinary levels of all F2-iPs measured were elevated in patients with familial hypercholesterolemia. However, only three of eight F2-iPs were elevated in patients with congestive heart failure, compared with controls. Paired analyses by GC/MS and LC/MS/MS of iPF2α-VI in hypercholesterolemia and of 8,12-iso-iPF2α-VI in congestive heart failure were highly correlated. This approach will permit high throughput analysis of multiple iPs in human disease.

Mutant oocytic low density lipoprotein receptor gene family member causes atherosclerosis and female sterility.

The so-called very low density lipoprotein receptors (VLDLRs) are related to the LDLR gene family. So far, naturally occurring mutations have only been described for the prototype LDLR; in humans, they cause familial hypercholesterolemia. Here we describe a naturally occurring mutation in a VLDLR that causes a dramatic abnormal phenotype. Hens of the mutant restricted-ovulator chicken strain carry a single mutation, lack functional oocyte receptors, are sterile, and display severe hyperlipidemia with associated premature atherosclerosis. The mutation converts a cysteine residue into a serine, resulting in an unpaired cysteine and greatly reduced expression of the mutant avian VLDLR on the oocyte surface. Extraoocytic cells in the mutant produce higher than normal amounts of a differentially spliced form of the receptor that is characteristic for somatic cells but absent from germ cells.

Three-dimensional structure of a cysteine-rich repeat from the low-density lipoprotein receptor.

The low-density lipoprotein (LDL) receptor plays a central role in mammalian cholesterol metabolism, clearing lipoproteins which bear apolipoproteins E and B-100 from plasma. Mutations in this molecule are associated with familial hypercholesterolemia, a condition which leads to an elevated plasma cholesterol concentration and accelerated atherosclerosis. The N-terminal segment of the LDL receptor contains a heptad of cysteine-rich repeats that bind the lipoproteins. Similar repeats are present in related receptors, including the very low-density lipoprotein receptor and the LDL receptor-related protein/alpha 2-macroglobulin receptor, and in proteins which are functionally unrelated, such as the C9 component of complement. The first repeat of the human LDL receptor has been expressed in Escherichia coli as a glutathione S-transferase fusion protein, and the cleaved and purified receptor module has been shown to fold to a single, fully oxidized form that is recognized by the monoclonal antibody IgG-C7 in the presence of calcium ions. The three-dimensional structure of this module has been determined by two-dimensional NMR spectroscopy and shown to consist of a beta-hairpin structure, followed by a series of beta turns. Many of the side chains of the acidic residues, including the highly conserved Ser-Asp-Glu triad, are clustered on one face of the module. To our knowledge, this structure has not previously been described in any other protein and may represent a structural paradigm both for the other modules in the LDL receptor and for the homologous domains of several other proteins. Calcium ions had only minor effects on the CD spectrum and no effect on the 1H NMR spectrum of the repeat, suggesting that they induce no significant conformational change.