Studien zur Verknüpfung der mitochondrialen Amidoxim reduzierenden Komponente (mARC) mit dem Energiestoffwechsel

Jakobs, Heyka Hellena

Die mitochondriale Amidoxim reduzierende Komponente (mARC) ist das vierte in Säugern vorkommende Molybdoenzym (Havemeyer et al., 2011; Wahl et al., 2010). Das Protein ist in der Lage als Bestandteil eines drei-Komponenten Enzymsystems mit mitochondrialem Cytochrom b5 und NADH Cytochrom b5-Reduktase N oxygenierte Verbindungen zu reduzieren (Havemeyer et al. 2011; Kotthaus et al. 2011; Plitzko et al., 2013). Seine Beteiligung am N reduktiven Arzneistoffmetabolismus gilt als gesichert (Havemeyer et al. 2011; Froriep et al. 2013; Jakobs et al. 2014). Dennoch ist wenig über die endogene Funktion des Enzyms bekannt. Neben der für Arzneistoff-metabolisierende Enzyme typischen Funktion der Detoxifizierung von z.B. N hydroxylierten Basenanaloga (Krompholz et al., 2012) wird eine Beteiligung am L-Arginin abhängigen NO Metabolismus sowie der Reduktion von Nitrit zu NO diskutiert (Kotthaus et al., 2011; Sparacino-Watkins et al., 2014). Ferner konnten Veränderungen des Enzymsystems im Zusammenhang mit Colon-Karzinomen (Mikula et al., 2011) sowie Diabetes mellitus (Malik et al., 2007; Chen et al., 2010) gezeigt werden. Ziel dieser Arbeit war es, weitere Erkenntnisse über eine mögliche endogene Funktion des Enzyms zu erlangen. Zu diesem Zwecke wurden in vitro Studien an rekombinant hergestellten Proteinen, Zellkulturstudien in humanen und murinen Zelllinien sowie in vivo Studien in Mäusen durchgeführt. Neben der Expression auf mRNA-Ebene wurden mittels Western Blot Proteinvorkommen sowie mit Hilfe eines Biotransformationsassay Enzymaktivitäten untersucht. In Studien mit Zellkulturen ließ sich die Induzierbarkeit des mARC-Proteins durch Glukose auf Protein- und Aktivitätsebene nachweisen. Eine Induktion durch oxidativen Stress konnte hingegen nicht gezeigt werden, auch wenn die Zugabe von N Acetylcystein in Kulturmedien die Induktion durch Glukose zu antagonisieren vermochte. Im Mausmodell für Diabetes mellitus Typ 1 induziert durch Streptozocin-Injektion konnte ein Zusammenhang von gesteigertem Vorkommen und gesteigerter Aktivität von mARC2 in Lebern und Nieren diabetischer Tiere festgestellt werden. Außerdem führte mehrstündiger Nahrungsentzug bei gesunden Mäusen zur Herabregulation des Enzymsystems mit vermindertem Proteinvorkommen sowie verminderter Aktivität. Die Fütterung mit hochfetthaltiger Diät führte hingegen zur Steigerung von Vorkommen und Aktivität des Enzymsystems. Im Rahmen der in vivo Studien zeigte sich, dass mRNA- und Proteinmengen für mARC nicht in allen Fällen korrelieren und gegebenenfalls sogar gegenläufige Tendenzen zeigen. Für genetische Mausmodelle metabolischer Störungen konnten hingegen keine Zusammenhänge mit dem mARC-haltigen Enzymsystem festgestellt werden. Des Weiteren konnte eine Zunahme der mARC-Proteine in murinen und humanen Vorläuferzellen, die zu Adipozyten differenziert wurden, nachgewiesen werden. In vitro führte die Zugabe von Acyl-CoAs zur Hemmung der N-reduktiven Aktivität des mARC-haltigen Enzymsystems. Die gefundenen Ergebnisse weisen auf eine Verknüpfung des mARC-haltigen Enzymsystems mit dem Energiestoffwechsel hin. Auch die Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen ergeben dies. So führen bestimmte genetische Varianten im mARC-Protein zu veränderten Blutlipidprofilen sowie zu einem veränderten Ansprechen auf Fenofibrat (Teslovich et al.; 2010, Aslibekyan et al., 2012). Ein knock-down des Proteins in Adipozyten führt zu verminderter Lipogenese (Neve et al., 2012). Außerdem weisen homozygote mARC2-knockout-Mäuse einen reduzierten Körperfettanteil im Vergleich zu Wildtyptieren auf (Brown et al., 2012). Folglich ist anzunehmen, dass die endogene Funktion des mARC-haltigen Enzymsystems im Bereich des Fettstoffwechsels zu suchen ist. Dennoch sind weitere Studien zur Regulation, den möglichen endogenen Substraten sowie beteiligten Stoffwechselwegen nötig. Aufgrund der mangelnden Korrelation von mRNA und Proteinmengen von mARC sollten weitere Studien immer auf der Basis von Proteindaten beurteilt werden.

The mitochondrial amidoxime reducing component mARC is the fourth mammalian molybdenum enzyme (Havemeyer et al., 2011; Wahl et al., 2010). The protein is capable of reducing N-oxygenated structures acting as part of a three component enzyme system together with mitochondrial cytochrome b5b and NADH-cytochrome b5 reductase (Havemeyer et al., 2011; Kotthaus et al., 2011; Plitzko et al., 2013). It is well accepted to be involved in N-reductive drug metabolism (Havemeyer et al., 2011; Froriep et al., 2013; Jakobs et al., 2014). However, its enogenous function in not yet fully understood. Involvement in detoxification, as common for drug metabolizing enzymes, was discussed, since the enzyme system reduces N-hydroxylated base analogues (Krompholz et al., 2012). Further, involvement in L-arginine dependent NO-metabolism and the reduction of nitrite to NO were demonstrated (Kotthaus et al., 2011; Sparacino-Watkins et al., 2014). Moreover, expression changes with colon cancer (Mikula et al., 2011) and diabetes mellitus were proven (Malik et al., 2007; Chen et al., 2010). This study was conducted to gain more information about the endogenous function of the mARC protein. We applied in vitro studies with recombinant expressed proteins, cell cultures and in vivo mice experiments. Besides mRNA expression studies, protein abundances were measured by Western Blot and biotransformation assays to study marker activity were carried out. Cell culture studies revealed the induction of the mARC-system by glucose on protein and activity level. In contrast, the system was not induced by oxidative stress, although addition of N-acetylcystein to cell culture media reversed the induction by glucose. An in vivo mouse model for diabetes mellitus type 1, induced by injection of streptozocin, showed increased protein and activity levels for mARC2 in livers and kidneys of diabetic animals. Furthermore, food deprivation in healthy mice down regulated the enzyme system with decreased protein and activity levels. In contrast, high fat diet increased protein and activity levels of mARC. In in vivo studies mARC mRNA and protein abundance did not correlate or showed even opposite tendencies. No relation between the enzyme system and genetical mouse models of metabolic disease could be detected. Increased protein and activity levels could be demonstrated when human and murine precursor cells were differentiated to adipocytes. Besides this, acyl-CoAs were capable of inhibiting activity of recombinant proteins of the N-reductive system in vitro. The data reveals that the enzyme system is connected with energy metabolism. Studies of other groups support this hypothesis as well. Genetic variation of the protein result in altered blood lipid profiles and altered response to fenofibrat (Teslovich et al.; 2010; Aslibekyan et al., 2012). Knock-down of the protein in adipocytes causes decreased lipogenesis (Neve et al., 2012) and knockout mice homozygote for mARC2 posses decreased body fat amount relative to wild type mice (Brown et al., 2012). Thus the endogenous function of the mARC containing enzyme system is likely connected to lipid metabolism. Yet studies about regulation, possible endogenous substrates and pathways involved are necessary. Further studies must be based on protein data due to scarce correlation of mARC mRNA and protein abundance.

Cite

Citation style:

Jakobs, Heyka: Studien zur Verknüpfung der mitochondrialen Amidoxim reduzierenden Komponente (mARC) mit dem Energiestoffwechsel. 2014.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export