Oxysteroly, biochemie a klinický význam

Souhrn

Oxysteroly jsou oxidované deriváty cholesterolu, které mají pleiotropní účinky. V tomto článku se zaměříme zejména na funkci oxysterolů v organismu, která je dána vazbou na velké množství receptorů, jimiž jsou oxysteroly ligandy, a dále pak na roli oxysterolů u vybraných lidských onemocnění.

Oxysteroly se podílejí na udržování homeostázy cholesterolu, a to zejména vazbou na LXR či SREBPs, čímž se spouští kaskáda dějů podílejících se na regulaci metabolismu cholesterolu. Pomocí modulace estrogenových receptorů a Hedgehog signalizace ovlivňují morfogenezi, reprodukci, imunitní reakce a zánětlivou odpověď. V článku je dále uveden vztah oxysterolů a jednotlivých typů nádorů, zejména karcinomu prsu, prostaty, kolorektálního karcinomu a plicního karcinomu. Popisována je také účast oxysterolů v patogenezi aterosklerózy a Alzheimerovy choroby.

Klíčová slova:

oxysteroly – ateroskleróza – LXR – kancerogeneze – Alzheimerova choroba

Oxysteroly

Oxysteroly jsou oxidované deriváty sterolů, hlavně cholesterolu, obsahující hydroxy-, keto- či epoxidové skupiny navázané k postrannímu řetězci či cyklopentanoperhydrofenantrenovému jádru molekuly. Pocházejí jednak z potravy, jednak jsou endogenně syntetizovány v játrech i dalších tkáních, např. v tukové tkáni a hypothalamu [1]. Oxidované deriváty cholesterolu vznikají jednak neenzymatickou cestou působením reaktivních forem kyslíku (ROS), např. 7-ketocholesterol, 7α-hydroxycholesterol, and 7β-hydroxycholesterol, nebo cestou enzymatickou, jako 24(S)-hydroxycholesterol, 25-hydroxycholesterol a 27-hydroxycholesterol [2]. Oxysteroly se podílejí na regulaci homeostázy cholesterolu, ale mají i celou řadu dalších pleiotropních účinků. V centrálním nervovém systému (CNS) jsou např. součástí mechanismů, sloužících k eliminaci cholesterolu ze specifických orgánů, jako je např. mozek (enzym CYP24A1). Příklady jednotlivých oxysterolů a jejich původ je uveden na obr. 1.

Funkce oxysterolů v organismu, receptory oxysterolů

Oxysteroly mají v organismu řadu funkcí: regulují homeostázu cholesterolu, modulují funkce estrogenových receptorů, modulují Hedgehog signalizaci.

1. účast v regulaci homeostázy lipidů a glukózy

Oxysteroly, tvořené enzymatickou oxidací postranního řetězce cholesterolu, např. 24-, 25-, and 27-hydroxycholesterol (OHC), jsou ukazatelem nadbytku cholesterolu v buňce. V případě nadbytku cholesterolu v buňce jsou aktivovány endogenní hydroxylázy a jsou syntetizovány 7α-OHC, 24-OHC a 27-OHC. Oxysteroly regulují hladiny cholesterolu i jinými cestami, např. aktivace LXR vede k upregulaci ABC (ATP Binding Cassette) cholesterolových transportérů (ABCA1, ABCG5 a ABCG8) a CYP7A1 (enzymu katalyzujícího tvorbu žlučových kyselin z cholesterolu) [2]. Některé oxysteroly však LXR naopak inhibují [3]. Vedle regulace cholesterolové homeostázy aktivace LXR ovlivňuje také de novo lipogenezi a glukoneogenezi – zvyšuje se exprese FAS (syntáza mastných kyselin), ACC (acetyl-CoA karboxyláza) a SCD-1 (stearoyl-CoA desaturáza 1) a dále PGC-1α (Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator (PGC)-1alpha), což je člen rodiny transkripčních koaktivátorů, hrajících významnou roli v buněčném energetickém metabolismu, a také klíčových enzymů glukoneogeneze PEPCK (fosfoenolpyruvát karboxykináza) a G6P (glukóza-6-fosfatáza) [4]. Aktivace LXR má i protizánětlivé účinky – dochází ke snížení exprese IL-6, iNOS (inducibilní) a COX-2. Klesá i exprese MMP-9 (matrix metalloproteinázy 9), která hraje roli při degradaci extracelulární matrix a destabilizaci aterosklerotického plátu [5]. Nejvýznamnějšími endogenními ligandy LXR jsou 24(S),25-epoxycholesterol, 24(S)-OHC, 22(R)-OHC, 20(S)-OHC a 27-OHC [4]. Oxysteroly jsou také ligandy SREBPs (sterol regulatory element binding proteins), což jsou transkripční faktory podílející se na regulaci syntézy cholesterolu. V případě nízké hladiny cholesterolu v buňce se SREBPs přesunují z endoplasmatického retikula (ER) do Golgiho systému k proteolytické aktivaci. Tento přesun je usnadňován proteinem SCAP (SREBP cleavage activation protein), který vazbou na regulační doménu SREBP vytváří komplex SCAP/SREBP. Aktivovaný SREBP působí jako transkripční faktor vazbou na SRE (sterol regulatory element) na promotéru cílového genu. Pokud je naopak hladina cholesterolu v ER vysoká, váže se SCAP na transmembránový protein ER Insig (insulin-induced gene), což aktivaci SREBP blokuje. Oxysteroly, jako 25-OHC, interagují s Insig s následným zvýšením vazby Insig na SCAP [6]. Navíc oxysteroly interakcí s Insig podporují také ubikvitinaci klíčového enzymu syntézy cholesterolu HMG-CoA reduktázy [2].

Oxysteroly, oxygenované na sedmém uhlíku a 24-OHC jsou inverzními agonisty receptorů RORα a RORγ (retinoic acid-related orphan receptors) [7,8], takže jejich interakce s těmito receptory vede k poklesu exprese příslušných genů [3].

2. ovlivnění morfogeneze, reprodukce, imunitních reakcí a zánětu

Vedle ovlivnění metabolismu lipidů a sacharidů mají oxysteroly významné role v modulaci imunitních pochodů a zánětu, reprodukci a také morfogenezi. Zde se také uplatňují interakce oxysterolů s různými receptory. 27-OHC působí např. jako selektivní modulátor estrogenových receptorů (ER), přičemž jeho účinky závisejí na typu tkáně, např. 27-OHC suprimuje estrogeny indukované působení na ER cévních endotelií, zatímco u nemocných s karcinomem prsu podporuje proliferaci a metastázování nádoru [9]. Jiný oxysterol 25-OHC působí jako agonista receptorů Erα [10]. Aktivace receptorů CXCR2 (C-X-C motif chemokine receptor 2) se uplatňuje v imunitních procesech. Receptor CXCR2 je receptorem interleukinu 8 (IL-8) a hraje roli v homeostáze neutrofilů [11]. Selektivní inhibitory CXCR2 jsou zkoušeny pro léčbu některých zánětlivých onemocnění. Imunitních reakcí se účastní také receptory EBI2 (Epstein-Barr virus induced gene 2), ze skupiny GPR (G-protein coupled receptor), což jsou receptory lokalizované na površích buněk, které směřují/řídí migraci B buněk. Nejsilnějším ligandem těchto receptorů je 7α,25-diOHC [4]. Některé oxysteroly, zejména ty, vznikající autooxidací (jako jsou 7-ketocholesterol, 7β-hydroxycholesterol a cholestan-3β,5α,6β-triol), mají cytotoxický účinek, daný aktivací apoptózy. Vazbou na FAS receptory (tzv. receptory smrti) spouštějí oxysteroly vnější (extrinsic) cestu apoptózy aktivací kaspázy 8, která aktivuje výkonnou kaspázu 3. Vnitřní (intrinsic) cesta apoptózy je aktivována po uvolnění cytochromu c z mitochondrií, s následnou aktivací kaspázy 9, a pak kaspázy 3. Je ovšem nutné poznamenat, že různé apoptotické cesty jsou různě modifikovány různými oxysteroly a efekt závisí také na buněčném typu [4]. Oxysteroly, např. 7-ketocholesterol, 7β-OHC a 25-OHC, zvyšují expresi prozánětlivých mediátorů (např. IL-8 a MCP-1) v makrofázích [4]. Oxysteroly též hrají významnou roli v embryonálním vývoji, stejně tak jako v buněčné signalizaci a diferenciaci. Působí jako ligandy mnoha receptorů, které tyto procesy ovlivňují. Patří sem zejména Hedgehog proteiny, ROR (RAR-related orphan receptors), či OSBP/ORPs (Oxysterol-binding protein/OSBP-related proteins). Oxysteroly (7β,27-diOHC a 7α,27-diOHC) se podílejí na aktivaci receptoru RORγt (RAR-related orphan receptor gamma t), což je jaderný receptor, exprimovaný v několika imunitních buněčných typech, např. CD4+ Th17, který má zásadní roli v produkci IL-17 [8]. Interleukin IL-17, produkovaný T buňkami má význam na jedné straně pro ochranu epidermálních a slizničních bariér před infekcemi bakteriemi Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, ale i mykotickými infekcemi, na druhou stranu dysregulace IL-17 může vést k nadměrné prozánětlivé cytokinové expresi, chronickému zánětu a autoimunitnímu poškození tkání, např. u roztroušené sklerózy, revmatoidní artritidy, nespecifických střevních zánětů či psoriázy [12]. OSBP/ORPs jsou přítomné ve všech buňkách, ovlivňují u savců řadu mechanismů lipidového metabolismu, vezikulárního transportu a buněčné signalizace [4, 13]. Předpokládá se, že některé oxysteroly (např. 22-, 25-, a 27-OHC) se účastní v allosterické aktivaci molekuly Smoothened, efektoru Hedgehog (Hh) signální cesty, která významně ovlivňuje embryogenezi u většiny živočichů, ale i správnou funkci a hojení tkání v dospělosti [14]. Nedostatečná Hh signalizace v embryonálním vývoji vede ke vzniku vrozených defektů, zatímco nadměrná signalizace je popisována u některých nádorů. Nedávno však byla publikována práce, podle které je funkce aktivace Smoothened zprostředkována přímo cholesterolem [15].

Role oxysterolů u vybraných lidských onemocnění

Jak již bylo zmíněno výše, oxysteroly se v lidském organismu nacházejí v malých koncentracích, ovlivňují však několik signálních cest a aktivitu membránových proteinů, a proto nepřekvapuje, že hrají roli v patogenezi řady chorobných procesů. V této práci je podán nástin jejich role v rozvoji nádorových onemocnění, aterosklerózy a Alzheimerovy nemoci.

Oxysteroly a nádory

Je známo, že hypercholesterolémie je spojena s některými typy nádorů – jako nádor prsu, prostaty a kolorektální karcinom, plicní karcinom – na druhou stranu v případě karcinomu žaludku a jater je popisován opačný vztah [16]. Hypercholesterolémie je provázena zvýšenými hladinami oxysterolů, které mají přímé cytotoxické a proapoptotické účinky na nádorové buňky, aktivují extrinsické i intrinsické cesty apoptózy [9]. Na druhé straně aktivují ER i LXR s různými důsledky z hlediska vzniku a růstu nádorů. 27-hydroxycholesterol (27-OHC), metabolit cholesterolu a agonista ER a LXR, zvyšuje ER dependentní růst a LXR dependentní metastázování karcinomu prsu. Aplikace inhibitorů CYP27A1 - cytochrom P450 oxidázy tyto účinky inhibovala. Ve vzorcích lidského karcinomu prsu exprese CYP27A1 korelovala s pokročilostí nádoru [17]. Tento enzym produkují jak nádorové buňky, tak i makrofágy z okolí nádoru, a tak by mohl být potenciálním terapeutickým cílem. V jiných pracích bylo zjištěno, že 27-OHC podporuje metastázování nejen karcinomu prsu, ale také buněk melanomu, plicního a pankreatického karcinomu. Prometastatické působení 27-OHC je zřejmě spojeno se změnou mikroprostředí tumoru. V místě metastáz se vlivem 27-OHC akumulují polymorfonukleáry a γδ-T lymfocyty [18]. Tyto lymfocyty zřejmě hrají mimo jiné roli v imunitní reakci organismu na nádorové buňky [19]. Současně však v místech metastáz je pozorován pokles cytotoxických CD8+ T lymfocytů [18]. Naopak u karcinomu prostaty v případě progrese androgen-dependentních do androgen-independentních karcinomů prostaty je signalizace LXR oslabena a je reaktivována syntetickými ligandy LXR [20]. Podávání syntetického agonisty LXR a 22(R)-OHC inhibovalo proliferaci LNCaP buněk nádoru prostaty i několika dalších lidských nádorových linií [21]. Některé metabolity 5,6-epoxycholesterolu, jako dendrogenin A, mají tumor supresorové účinky, jiné naopak růst nádorů podporují (6-keto-cholestan-3β,5α-diol) [22].

Oxysteroly a ateroskleróza

Účast oxysterolů v patogenezi aterosklerózy je již dlouho známa. Oxysteroly jsou přítomny v lidském aterosklerotickém plátu a poměr oxysteroly/ cholesterol je v aterosklerotickém plátu významně vyšší ve srovnání s poměrem v plasmě [23]. Oxysteroly se podílejí v patogenetických pochodech oxidačního stresu a zánětu, které patří k hlavním faktorům rozvoje aterosklerotické léze. Oxysteroly (7β-OHC a 7-ketocholesterol) zvyšují v cévních endoteliích expresi prozánětlivých cytokinů a adhezních molekul, jako je interleukin-1β (IL-1 β), E-selectin, ICAM-1 (intercellular adhesion molecule-1), VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule) [24]. 27-OHC v lidských promonocytárních buňkách U937 zvyšoval expresi IL-1 β, IL-8, TNF-β a metaloproteinázy-9 [25]. Ve stejné tkáňové kultuře směs oxysterolů, nacházených v aterosklerotických plátech indukovala tvorbu ROS, zřejmě v důsledku aktivace enzymu NOX-2 [26]. V jiném experimentu 27-OHC působil jak významnou upregulaci NOX-2, tak navíc poruchu potenciálu mitochondriální membrány s dalším zvyšováním tvorby ROS [27]. Další oxysterol, 25-OHC, podporuje kalcifikaci cévy [28]. Působení 27-OHC v ateroskleróze je složitější. V experimentálních pracích na jedné straně zvýšení 27-OHC v důsledku delece CYP7B1, který 27-OHC metabolizuje, je proaterogenní, v některých experimentech u apo E knock-out myší měla aktivita Cyp27A1, která vede ke zvýšení hladiny 27-OHC, efekt antiaterogenní [29].

Oxysteroly a Alzheimerova nemoc

Alzheimerova nemoc (AD) je neurodegenerativní onemocnění projevující se klinicky syndromem demence; v patogenezi se uplatňuje ukládání amyloidu beta (Aβ) v mozku a hromadění degenerovaného proteinu tau v neuronech [30].

V patogenezi AD hrají významnou roli abnormality metabolismu cholesterolu v mozku. To souvisí s faktem, že lidský mozek obsahuje asi 25 % celkového cholesterolového poolu v těle, i když tvoří jen asi 2 % tělesné hmotnosti [31, 32]. Většina cholesterolu je uložena v myelinových pochvách a plasmatických membránách astrocytů a neuronů [32]. Stálá syntéza a obrat cholesterolu v neuronech jsou mimo jiné nezbytné pro mechanismy učení a paměti funkce neuronů, jako je LTP [33]. Katabolismus cholesterolu v mozku je zajišťován pouze jedním enzymem, cholesterol-24-hydroxylázou (CYP46A1), který přeměňuje cholesterol na 24(S)-OHC [34]. 24(S)-OHC snadno prochází buněčnou membránou, přestupuje hematoencefalickou bariérou do periferního oběhu a do jater, kde je vyloučen do žluči. Enzym je téměř výlučně lokalizován v neuronech mozku a sítnice. 24(S)-OHC má antiamyloidní charakter, zvyšuje aktivitu α-sekretázy i poměr aktivit α/β-sekretáza. U pacientů s AD jsou plasmatické hladiny 24(S)-OHC sníženy, zatímco koncentrace v mozkomíšním moku (CSF) zvýšeny. Hladiny 27-OHC jsou u AD zvýšeny, přičemž v experimentu bylo zjištěno, že 27-OHC může ovlivněním funkce NMDA (N-methyl-D-aspartát) receptoru interferovat s paměťovou funkcí [35]. Cholesterol přímo stimuluje aktivitu amyloidogenních enzymů β- a γ-sekretáz a naopak deplece cholesterolu např. působená statiny vede k poklesu jejich aktivity a zvyšuje se podíl štěpení α-sekretázou [36]. 27-OHC zvyšoval hladiny reaktivních kyslíkových sloučenin, zatímco snižoval hladiny antioxidačních enzymů superoxiddismutázy, glutathion-peroxidázy a redukovaného glutathionu a snižoval také expresi Nrf2 (nuclear factor E2-related factor 2) a hemoxygenázy-1 v kulturách buněk astrocytů C6 [37]. V post-mortem analyzovaných vzorcích mozků osob zemřelých na AD, byly zjištěny asociace mezi hladinami několika oxysterolů (7-ketocholesterol, 7α-OHC, 4β-OHC, 5α,6α-epoxycholesterol a 5β,6β-epoxycholesterol) a hladinami mediátorů zánětu (např. interleukin 1β, interleukin 6 a interkeukin 8) a enzymu metaloproteinázy MMP9. Naopak byla zjištěna negativní asociace progrese nálezu s enzymem sirtuin 1, který reguluje protizánětlivou aktivitu [38]. Některé oxysteroly (24(S)-OHC, 22(R)-OHC, 24(S),25-epoxycholesterol, a 27-OHC) jsou také významnými modulátory LXR [7]. Aktivace LXR v CNS vede k řadě účinků, dosud zcela ne úplně prozkoumaných, které hrají roli v patogenezi AD, ale i jiných neurodegenerativních onemocnění. Tyto efekty přitom nejsou vždy spojeny s působením LXR v homeostáze cholesterolu v CNS [7]. V experimentálních modelech AD aktivace LXR vedla ke zvýšené expresi apo E, který vedle dalších funkcí interaguje s Aβ a usnadňuje jeho degradaci v mikrogliích i transport přes hematoencefalickou bariéru do periferie [7]. V jedné studii podávání agonisty LXR GW3965 myšímu modelu 3xTg-AD zlepšovalo testy kognitivních funkcí, což korelovalo s poklesem methylace DNA v hippocampu [39].

Poděkování: Studie byla podporována výzkumným záměrem RVO-VFN64165/2012, PROGRES Q25/1LF.

Autoři nejsou ve střetu zájmů

Do redakce došlo 26. 4. 2019

Adresa pro korespondenci

MUDr. Štěpánka Fojtíková

IV. interní klinika – klinika gastroenterologie a hepatologie

U Nemocnice 499/2, Praha 2, 128 08

E-mail: stepanka.fojtikova@vfn.cz