Mastzellen: Molekulare Mechanismen der Lipidmediatorbildung

In dem komplexen Prozess der zu atherosklerotischen Läsionen führt, spielen drei verschiedene inflammatorische Zelltypen wichtige Rollen. Dies sind neben den Makrophagen und T-Zellen die Mastzellen (MZ), bedeutende aktivierbare Effektorzellen in der Arterienwand. In der Aktivierung von MZ spielt die besondere Eigenschaft dieser Zellen, cytoplasmatische sekretorische Suborganellen (sogenannte "Granules") zu exozytieren, eine entscheidende Rolle. Die Komponenten der sekretierten Granules beeinflussen Umbildungen der extrazellulären Matrix und führen zu Stoffwechselveränderungen in benachbarten Zellen. Insbesondere sind hier hochwirksame Lipid- Mediatoren, z.B. Metaboliten der Arachidonsäure, wie bestimmte Prostaglandine und die Leukotriene LTB4 und LTC4, der Vorläufer von Cysteinyl-LTs, von entscheidender Bedeutung. Derzeit wissen wir wenig darüber, auf welche Weise und aus welchen MZ-Lipidreservoires diese Lipid-Mediatoren gebildet werden. Insbesondere sind weder die Mechanismen der in den MZ ablaufenden enzymatischen Synthesewege für diese Lipide, noch das Ausmaß, in dem die Vorstufen durch rezeptorvermittelte Aufnahme von Lipoproteinen und/oder aus Vorräten, die in den sogenannten "Lipidkörpern" (welche nicht den Granules entsprechen) der MZ gespeichert sind, zur Verfügung gestellt werden, bekannt. Daher befasst sich das vorliegende Projekt mit 3 Gesichtspunkten, deren Aufklärung zum Verständnis dieser Prozesse beitragen sollen. Mithilfe biochemischer und molekularbiologischer Methoden wird 1) das Spektrum von Lipasen und lipogenen Enzymen in humanen MZ bestimmt, und erhoben, welche davon zur akut hochregulierten Eicosanoidproduktion in aktivierten MZ beitragen; 2) untersucht, welche Rezeptoren der LDL-Rezeptorfamilie in MZ exprimiert werden und in der Aufnahme von Lipoproteinen als Träger der Arachidonsäure fungieren; und 3) analysiert, ob die "Lipidkörper" von MZ den in vielen Zelltypen vorhandenen metabolisch hochaktiven "lipid droplets" entsprechen, d.h. die gleichen Proteinkomponenten enthalten, und ob sie als Substratquelle auch als Ausgangspunkt für die Synthese von Lipid-Mediatoren dienen können. Mit diesen Untersuchungen intrazellulärer Mechanismen, die der Bildung extrazellulär wirksamer Lipid-Mediatoren zugrunde liegen, ergänzt das Projekt somit in idealer Weise die Forschung des Gastinstitutes an durch MZ hervorgerufenen proinflammatorischen Prozessen. Durch die Aufklärung lipid-regulatorischer Mechanismen und ihrer Schlüsselkomponenten in MZ könnten neue pharmakologische Angriffstellen und Wege zur Modulation der inflammatorischen Aktivitäten dieser potentiell schädlichen Zellen identifiziert werden.

Mastzellen sind bestimmte Immunzellen mit leistungsstarken Verteidigungsmechanismen, die während verschiedenster entzündlicher Erkrankungen, einschließlich Asthma, Rheumatische Arthritis und Arteriosklerose, aktiv werden. Mastzellen besitzen eine große Anzahl unterschiedlicher Moleküle auf ihrer Zelloberfläche, mit denen sie bestimmte Signale von außerhalb der Zelle auffangen können. Je nach Art des eintreffenden Signals werden in der Mastzelle unterschiedliche Prozesse ausgelöst mit denen die Zelle auf ihre unmittelbare Umgebung reagieren kann. Unter diesen Umständen wird die Mastzelle in einen aktivierten Zustand versetzt und antwortet auf das eingehende Signal mit der Sekretion von biologisch hochwirksamen Molekülen, die Entzündungsreaktion auslösen, verstärken oder blockieren können. Unter diesen Molekülen befindet sich eine bestimmte Klasse von Fettmolekülen, die als Eicosanoide bezeichnet werden. Die Omega-6 Fettsäure, Arachidonsäure bildet den Ausgangsbaustein für die Produktion dieser Lipidmoleküle. Die Arachidonsäure kommt vorwiegend in einer bestimmten Klasse von Lipiden vor, die als Phospholipide bezeichnet werden und in der Zelle als Bausteine für Membranen dienen. In menschlichen Lungenmastzellen hat man überraschender Weise große Mengen von Arachidonsäure in einer anderen Lipid Klasse, den neutralen Lipiden, die in der Zelle in bestimmten Organellen, sogenannten Fett Tropfen, gelagert werden, gefunden. Diese Fett Tropfen bestehen aus einem Zentrum aus neutralen Lipiden, das von einer Phospholipidschicht umgeben wird und in welcher verschiedene Proteine eingebettet sind. In dieser Studie wurde nun untersucht, ob Mastzellen die Fähigkeit haben Arachidonsäure aus den neutralen Lipiden, im speziellen aus Triglzyeriden, der Fett Tropfen für die Produktion von Eicosanoiden zu verwenden. Zu diesem Zweck wurden bestimmte Vorläuferzellen von Mastzellen aus menschlichem Blut isoliert und unter spezifischen serum-freien Kulturbedingungen zu voll funktionsfähigen Mastzellen herangezüchtet. Wir konnten beobachten, dass diese menschlichen Mastzellen Fett Tropfen enthalten und in die darin gelagerten Triglyzeride große Mengen an Arachdonsäure eingebaut werden können. Wenn man diese Mastzellen immunologisch aktiviert, setzen sie große Mengen eines bestimmten Eicosanoids frei, welches als Prostaglandin D2 (PGD2) bezeichnet wird. Um zu zeigen, dass diese Mastzellen für die Produktion von PGD2 Arachidonsäure aus Triglyzeriden verwenden können, haben wir die Expression eines bestimmten Enzymes, der Adipose Triglyceride Lipase (ATGL), das für die Freisetzung von Fettsäuren aus Triglyzeriden zuständig ist, durch einen zellbiologischen Ansatz in der Zelle reduziert. Tatsächlich konnten wir beobachten, dass die Sekretion von PGD2, in aktivierten Mastzellen mit verminderter ATGL Expression, stark reduziert war. Zusätzlich konnten wir eine Anhäufung von Fett Tropfen in diesen Mastzellen feststellen, welche darauf schließen lässt, dass die Freisetzung von Fettsäuren aus Triglyzeriden in Mastzellen tatsächlich durch ATGL gesteuert wird. Diese Beobachtungen unterstützen unsere Hypothese, dass ATGL in Mastzellen eine essentielle Role bei der Freisetzung von Arachidonsäure aus Triglyzeriden für die Bildung von Eicosanoiden spielt.