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Quali sono/sono le differenze molecolari tra colesterolo HDL e LDL?


Perché esattamente il colesterolo HDL fa bene e il colesterolo LDL fa male. È stato dimostrato che il colesterolo LDL è associato all'aterosclerosi e che il colesterolo HDL aiuta a rimuovere l'eccesso di colesterolo LDL dalla circolazione. Da un punto di vista biochimico, tuttavia, qual è la differenza tra le molecole che causa questa differenza?


Prima di tutto, dovremmo specificare che non esistono cose come "colesterolo HDL" e "colesterolo LDL". Sulla stessa nota non esistono cose come "colesterolo buono" e "colesterolo cattivo": il colesterolo è solo una molecola, con questa struttura chimica

Quello che gli esami del sangue generalmente riportano è HDL-C e LDL-C, cioè la quantità di colesterolo rispettivamente in HDL o LDL (di nuovo, il colesterolo è sempre la stessa molecola, sia in un HDL che in un LDL).

HDL (lipoproteine ​​ad alta densità) e LDL (lipoproteine ​​a bassa densità) sono lipoproteine, aggregati di proteine ​​e lipidi che possono trasportare, tra l'altro, il colesterolo. Esistono 5 tipi principali di lipoproteine, chiamate chilomicroni, VLDL, IDL, LDL e HDL e si distinguono per dimensione, densità e proteine ​​di cui sono composte.

La funzione principale delle lipoproteine ​​è quella di trasportare i lipidi (=grassi) nell'organismo nel sangue. Il problema è che i lipidi non sono solubili in acqua (provate a versare dell'olio in un bicchiere d'acqua) e il sangue è composto principalmente da acqua. Le lipoproteine, d'altra parte, hanno un esterno idrofilo (="amante dell'acqua") e un interno lipofilo (="amante dei grassi"), in questo modo:

Nella foto, le "palline" rappresentano le proteine, chiamate apoproteine, e le C rappresentano il colesterolo e i trigliceridi T, che sono entrambi lipidi. Come puoi vedere, tutti i grassi sono all'interno della lipoproteina, ma l'esterno, essendo solubile in acqua, può essere facilmente sciolto nel sangue.

La biochimica delle lipoproteine ​​è piuttosto complessa e non entrerò nei dettagli qui (ma per favore lasciate un commento se volete ulteriori spiegazioni) ma, per semplificare le cose:

  • Le HDL riportano i lipidi dalla periferia al fegato
  • Le LDL portano i lipidi dal fegato alla periferia

È molto importante, a questo punto, notare che i lipidi sono una parte fisiologicamente importante del nostro organismo. Tutte le cellule del nostro corpo contengono lipidi: la membrana di ogni cellula del corpo è costituita da lipidi (chiamati fosfolipidi) e contiene anche colesterolo. Infatti, il colesterolo è estremamente importante per il corretto funzionamento dell'organismo come, ad esempio, viene utilizzato come base per produrre molti ormoni (i cosiddetti ormoni steroidei, come estrogeni, progesterone, cortisolo, testosterone ecc.).

Tuttavia, livelli troppo alti di lipidi, in particolare di colesterolo, non sono benefici, in quanto i livelli elevati di colesterolo sono stati infatti collegati a molte malattie cardiovascolari, di cui si sente molto parlare in questi giorni.

Quindi, poiché le HDL tendono a rimuovere i lipidi dalla circolazione ea riportarli al fegato, possono essere considerate una sorta di "pulitori", che rimuovono il colesterolo in eccesso dalla circolazione.


Qual è la differenza tra grasso e colesterolo?

Il differenza principale tra grasso e colesterolo è che il grasso è un macronutriente mentre il colesterolo non è un macronutriente. Pertanto, il grasso serve come fonte di energia mentre il colesterolo non serve come fonte di energia. Inoltre, il colesterolo è un composto vitale nella membrana cellulare e funge da precursore nella produzione di ormoni sessuali e ormoni steroidei nella ghiandola surrenale. Inoltre, il grasso in eccesso porta all'obesità e aumenta i livelli di colesterolo nel sangue, mentre il colesterolo in eccesso può portare a malattie cardiache e diabete.

Grasso e colesterolo sono due tipi di lipidi presenti nel corpo. Entrambi svolgono funzioni vitali anche se la loro quantità in eccesso provoca gravi malattie.

Aree chiave coperte

Parole chiave

Colesterolo, Grassi, HDL, LDL, Lipidi, Grassi Saturi, Grassi Insaturi


Struttura

Tutti i tipi di lipoproteine ​​contengono sia lipidi che proteine, ma la composizione relativa di ciascuna lipoproteina varia. La principale differenza strutturale tra LDL e HDL è la loro composizione. Circa il 50 percento del peso di una particella LDL è colesterolo e solo il 25 percento è proteine. Le particelle di lipoproteine ​​ad alta densità, d'altra parte, sono costituite dal 20% di colesterolo in peso e dal 50% di proteine. Poiché le proteine ​​sono più dense del grasso, le particelle HDL sono più dense delle particelle LDL, da qui i nomi di lipoproteine ​​"ad alta densità" e "bassa densità". L'altra grande differenza strutturale tra LDL e HDL riguarda i tipi di proteine ​​che contengono. Le lipoproteine ​​a bassa densità contengono proteine ​​chiamate proteine ​​B-100, mentre le particelle HDL contengono principalmente proteine ​​A-I e A-II. Il tipo di proteina è significativo perché determina la funzione della particella lipoproteica.


I fatti sul colesterolo

Puoi bruciare il colesterolo?

Il colesterolo è un tipo di lipidi, proprio come lo sono i grassi. Tuttavia, a differenza del grasso, il colesterolo non può essere eliminato, sudato o bruciato per produrre energia. Si trova solo nei prodotti animali, tra cui carne, pollo, pesce, uova, frattaglie e latticini ad alto contenuto di grassi.

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Il colesterolo fa bene o fa male?

Proprio come il condimento fatto in casa a base di olio e aceto si separa in una pozza d'acqua con un condimento grasso e scivoloso, così farebbero anche i grassi e il colesterolo se fossero scaricati direttamente nel sangue. Per risolvere questo dilemma, il corpo trasporta grasso e colesterolo rivestendoli con una "bolla" di proteine ​​idrosolubili. Questa bolla di grasso proteico è chiamata lipoproteina.

  • Le lipoproteine ​​a bassa densità (LDL) trasportano il colesterolo ai tessuti. Questo è il colesterolo "cattivo", poiché alti livelli di LDL sono collegati ad un aumento del rischio di malattie cardiache.
  • Le lipoproteine ​​​​ad alta densità (HDL) riportano il colesterolo in eccesso al fegato, che elabora ed espelle il colesterolo. Le HDL sono colesterolo "buono" Più HDL hai, minore è il rischio di sviluppare malattie cardiache.
  • HDL e LDL si trovano solo nel sangue, non nel cibo.

Metti alla prova il tuo colesterolo

Il tuo rischio di malattie cardiache può essere valutato con un test del colesterolo nel sangue. In questo test, la tua lettura del colesterolo totale dovrebbe approssimare la somma delle tue LDL, HDL e altre lipoproteine. Se hai 3,5 mg di colesterolo totale, o meno, per ogni mg di HDL, allora il tuo rapporto di colesterolo è l'ideale. Secondo le linee guida del National Cholesterol Education Program:

  • Il colesterolo totale dovrebbe rimanere al di sotto di 200 mg/dl, a meno che l'HDL non sia alto.
  • LDL dovrebbe essere inferiore a 130 mg/dl.
  • L'HDL dovrebbe essere 35 mg/dl o superiore.
  • Le persone sotto i 30 anni dovrebbero puntare a un colesterolo totale ancora più basso di 180 mg/dl.

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I grassi che forniscono calorie, galleggiano nel sangue e si accumulano nelle cosce e nei fianchi sono chiamati "trigliceridi". Possono essere saturi o insaturi e quelli insaturi possono essere monoinsaturi o polinsaturi. Per ogni grammo di trigliceridi che mangi, aggiungi 250 calorie (o 9 calorie per grammo - il peso di un'uva passa) alla tua dieta. Solo i grassi saturi aumentano i livelli ematici di colesterolo e il rischio di malattie cardiache.

Quali sono saturi?

In generale, più un grasso è duro, più è saturo. I grassi di manzo e latticini sono per lo più grassi saturi. Gli oli liquidi sono generalmente grassi insaturi, compresi i grassi monoinsaturi negli oli di oliva e di colza e i grassi polinsaturi negli oli di cartamo, mais, soia e pesce. Gli oli di cocco, palma e palmisti sono eccezioni alla regola, questi oli vegetali liquidi sono grassi altamente saturi.

Mangiare cibi con molti grassi saturi aumenta il rischio di malattie cardiache, questo fa aumentare la quantità di LDL cattive nel sangue mentre diminuiscono le HDL buone. Riduci i grassi saturi e i livelli di colesterolo nel sangue e il rischio di malattie cardiache diminuiscono. Anche il rischio di cancro diminuisce. Una dieta con più grassi polinsaturi, piuttosto che saturi, abbassa i livelli di colesterolo totale nel sangue, ma purtroppo abbassa anche i livelli di HDL, quindi si perde sia il colesterolo buono che cattivo.

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L'olio d'oliva è un'altra storia. Questo olio riduce il colesterolo totale nel sangue e il colesterolo LDL senza causare la caduta dei livelli di HDL. Usando l'olio d'oliva, puoi ridurre i livelli di colesterolo totale mantenendo i livelli di HDL, diminuendo così il rischio di malattie cardiache. L'olio di pesce riduce anche il rischio di malattie cardiache. Di conseguenza, l'oliva e il pesce sono gli oli preferiti.

I grassi idrogenati sono oli vegetali liquidi resi cremosi quando i produttori convertono alcuni dei grassi insaturi in grassi saturi attraverso un processo chiamato "idrogenazione". Questo processo riorganizza anche la forma molecolare dei restanti grassi insaturi. La forma risultante è una forma "trans" anormale.

Gli acidi grassi trans costituiscono fino al 60% del grasso negli alimenti trasformati contenenti grassi idrogenati. I TFA aumentano i livelli di colesterolo nel sangue e aumentano il rischio di malattie cardiache proprio come i grassi saturi.

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Conoscere i tuoi grassi ti dà un vantaggio quando si tratta di acquistare e preparare i cibi giusti da mangiare. E quando ti allontani dai grassi saturi e dagli acidi grassi trans, puoi vivere una vita sana per il cuore.


La chimica della malattia di Alzheimer – Prospettive molecolari, genetiche e fisiologiche☆

Colesterolo

Livelli elevati di colesterolo e AD sono stati associati epidemiologicamente. Il colesterolo stesso è un agente riducente per Aβ-Cu 2 + e questa combinazione può potenziare la formazione di specie reattive dell'ossigeno, suggerendo una possibile sinergia tra rame e colesterolo. L'abbassamento dei livelli di colesterolo con le statine può modificare i fattori di rischio vascolare che, come notato sopra, possono contribuire al "fenotipo" della demenza, ma tale trattamento è generalmente iniziato come parte delle cure di routine e ben prima che i cambiamenti neurologici compaiano più tardi nella vita. La relazione stabilita con il gene della lipoproteina APOE è stata annotata sopra. Recentemente, l'omozigosi per l'isoleucina→valina (I405V) nella proteina di trasferimento dell'estere del colesterolo (CETP) è stata associata sia a un declino della memoria più lento che a una minore incidenza di demenza e rischio di AD in uno studio prospettico di coorte di adulti di 70 anni o più senza demenza ( Sanders et al., 2010 ).


Cos'è una lipoproteina?

Le lipoproteine ​​sono complessi lipidici e proteici nel plasma degli organismi. Le lipoproteine ​​sono coinvolte nel confezionamento e nel trasporto di trigliceridi, colesterolo e acidi grassi liberi nel plasma ai suoi organismi bersaglio. Questo complesso lipidico-proteico è una molecola anfipatica avente sia regioni idrofile che regioni idrofobiche. La proprietà di idrofobicità è determinata dalla componente lipidica che comprende fosfolipidi, colesterolo e trigliceridi, mentre la proprietà di idrofilia è determinata dalla componente proteica. Pertanto, è parzialmente solubile e forma strutture micelle in acqua e determina il trasporto di grassi.

Figura 01: struttura della lipoproteina

Tipi di lipoproteine

Esistono quattro lipoproteine ​​principali: chilomicroni, lipoproteine ​​ad alta densità (HDL), lipoproteine ​​a bassa densità (LDL) e lipoproteine ​​a densità molto bassa (VLDL). I chilomicroni sono i più grandi tipi di lipoproteine. Sono principalmente coinvolti nel confezionamento e nel trasporto di trigliceridi alimentari e colesterolo. Pertanto, sono principalmente sintetizzati e agiti nell'intestino. Quando si verifica il fabbisogno di acidi grassi liberi, la lipoproteina lipasi agisce sui chilomicroni e degrada i chilomicroni rilasciando acidi grassi liberi e il residuo di chilomicroni.

L'HDL è la più piccola lipoproteina che funge da trasportatore di colesterolo presente sia nel fegato che nell'intestino. La lipoproteina HDL ha la capacità di trasportare il colesterolo presente nei tessuti periferici del fegato. Ciò consentirà di eliminare i depositi di colesterolo in eccesso e generalmente definiti più sicuri.

VLDL e LDL sono altre importanti lipoproteine ​​con molti ruoli funzionali da svolgere. LDL è il prodotto degradato di VLDL. Le LDL si formano quando le VLDL subiscono l'idrolisi da parte delle lipoproteine ​​lipasi. Sia VLDL che LDL trasportano i trigliceridi e il colesterolo dalle cellule alla periferia portando a condizioni di aterosclerosi. Pertanto livelli elevati di LDL e VLDL suggeriscono un aumento del rischio di malattie cardiovascolari


L'apolipoproteina B è l'apolipoproteina primaria dei chilomicroni, VLDL, Lp(a), IDL e particelle LDL (LDL - comunemente noto con il termine improprio "colesterolo cattivo" quando si fa riferimento sia alle malattie cardiache che alle malattie vascolari in generale), che è responsabile per trasportare molecole di grasso (lipidi), compreso il colesterolo, in tutto il corpo a tutte le cellule all'interno di tutti i tessuti. Mentre tutti i ruoli funzionali dell'ApoB all'interno delle particelle LDL (e di tutte le particelle più grandi) rimangono in qualche modo poco chiari, è la proteina organizzatrice primaria (dell'intero guscio complesso che racchiude/trasporta molecole di grasso all'interno) delle particelle ed è assolutamente necessaria per la formazione di queste particelle. Ciò che è anche chiaro è che l'ApoB sulla particella LDL agisce come un ligando per i recettori LDL in varie cellule in tutto il corpo (cioè, meno formalmente, l'ApoB indica che le particelle che trasportano il grasso sono pronte a entrare in qualsiasi cellula con recettori ApoB e consegnare i grassi trasportati all'interno nelle cellule).

Attraverso meccanismi solo parzialmente compresi, alti livelli di ApoB, specialmente associati alle maggiori concentrazioni di particelle LDL, sono il principale motore delle placche che causano malattie vascolari (aterosclerosi), che comunemente diventano prima ovviamente sintomatiche come malattie cardiache, ictus e molte altre complicazioni a livello del corpo dopo decenni di progressione. Ci sono prove considerevoli che le concentrazioni di ApoB [5] [6] e in particolare il test NMR [7] (specifico per le concentrazioni di particelle LDL) sono indicatori superiori della fisiologia che guida le malattie vascolari/cardiache rispetto al colesterolo totale o al colesterolo LDL (come promosso a lungo dal NIH a partire dai primi anni '70). Tuttavia, principalmente per ragioni storiche di costo/complessità, il colesterolo e il colesterolo LDL stimato in base al calcolo, rimane il test lipidico più comunemente promosso per il fattore di rischio dell'aterosclerosi. L'ApoB viene misurata di routine utilizzando saggi immunologici come ELISA o nefelometria. I metodi NMR raffinati e automatizzati consentono di distinguere le misurazioni tra le molte diverse particelle di ApoB.

Alti livelli di ApoB sono correlati alle malattie cardiache. L'ipobetalipoproteinemia è una malattia genetica che può essere causata da una mutazione nel gene ApoB, APOB. L'abetalipoproteinemia è solitamente causata da una mutazione nel gene MTP, MTP.

Mutazioni nel gene APOB100 può anche causare ipercolesterolemia familiare, una forma ereditaria (autosomica dominante) di disordine metabolico Ipercolesterolemia.

Le informazioni più rilevanti sull'omologo dell'ApoB del topo, mApoB, provengono da studi sui topi. I topi che sovraesprimono mApoB hanno livelli aumentati di "colesterolo cattivo" LDL e livelli diminuiti di "colesterolo buono" HDL. [8] I topi che contengono solo una copia funzionale del gene mApoB mostrano l'effetto opposto, essendo resistenti all'ipercolesterolemia. I topi che non contengono copie funzionali del gene non sono vitali. [9]

La proteina si trova nel plasma in 2 isoforme principali, ApoB48 e ApoB100. Il primo è sintetizzato esclusivamente dall'intestino tenue, il secondo dal fegato. [10] ApoB-100 è il più grande gruppo di proteine ​​apoB, costituito da 4563 amminoacidi. [10] Entrambe le isoforme sono codificate da APOB e da un singolo trascritto di mRNA maggiore di 16 kb. ApoB48 viene generato quando viene creato un codone di stop (UAA) al residuo 2153 mediante modifica dell'RNA. Sembra che ci sia un trans-gene di splicing tessuto-specifico che determina quale isoforma viene infine prodotta. [ citazione necessaria ] In alternativa, ci sono alcune prove che a cis-elemento agente diverse migliaia di bp a monte determina quale isoforma viene prodotta. [ citazione necessaria ]

Come risultato dell'editing dell'RNA, ApoB48 e ApoB100 condividono una sequenza N-terminale comune, ma ApoB48 manca della regione di legame del recettore LDL C-terminale di ApoB100. Infatti, ApoB48 è così chiamato perché costituisce il 48% della sequenza per ApoB100.

ApoB 48 è una proteina unica per i chilomicroni dell'intestino tenue. Dopo che la maggior parte dei lipidi nei chilomicroni è stata assorbita, ApoB48 ritorna al fegato come parte del residuo di chilomicroni, dove viene endocitato e degradato.

Vantaggi Modifica

Ruolo nel sistema immunitario innato Modifica

Le lipoproteine ​​a densità molto bassa e le lipoproteine ​​a bassa densità interferiscono con il sistema di rilevamento del quorum che sovraregola i geni necessari per l'invasività Staphylococcus aureus infezione. Il meccanismo di antagonismo comporta il legame di ApoB, ad a S. aureus feromone autoinduttore, impedendo la segnalazione attraverso il suo recettore. I topi carenti di ApoB sono più suscettibili all'infezione batterica invasiva. [11]

Effetti avversi Modifica

Ruolo nella resistenza all'insulina Modifica

La sovrapproduzione di apolipoproteina B può provocare stress del reticolo endoplasmatico indotto dai lipidi e insulino-resistenza nel fegato. [12]

Ruolo nelle lipoproteine ​​e nell'aterosclerosi Modifica

ApoB100 si trova nelle lipoproteine ​​che originano dal fegato (VLDL, IDL, LDL [13]). È importante sottolineare che esiste una molecola di ApoB100 per lipoproteina di derivazione epatica. Quindi, usando questo fatto, si può quantificare il numero di particelle lipoproteiche rilevando la concentrazione totale di ApoB100 in circolo. Poiché c'è uno e un solo ApoB100 per particella, il numero di particelle viene riflesso dalla concentrazione di ApoB100. La stessa tecnica può essere applicata a singole classi di lipoproteine ​​(ad es. LDL) e quindi consentire di contare anche loro.

È ben noto che i livelli di ApoB100 sono associati alla malattia coronarica, ne sono un predittore di gran lunga migliore rispetto alle concentrazioni di LDL-C. [14] [15] Motivo: LDL-C non riflette le effettive concentrazioni di particelle e il colesterolo non può dissolversi o muoversi (in acqua) senza particelle per trasportarlo. Un modo semplice per comprendere questa osservazione è il fatto che ApoB100, uno per particella, riflette la concentrazione effettiva delle particelle lipoproteiche (indipendentemente dal loro colesterolo o da altri contenuti lipidici). In questo modo, si può capire che il numero di particelle lipoproteiche contenenti ApoB100 che possono trasportare i lipidi nelle pareti delle arterie è un fattore determinante chiave dell'aterosclerosi e delle malattie cardiache.

Un modo per spiegare quanto sopra è considerare che un gran numero di particelle lipoproteiche, e, in particolare, un gran numero di particelle LDL, portano alla competizione al recettore ApoB100 (cioè recettore LDL) delle cellule periferiche. Poiché tale competizione prolungherà il tempo di permanenza delle particelle LDL nella circolazione, potrebbe portare a maggiori opportunità per loro di subire ossidazione e/o altre modificazioni chimiche. Tali modificazioni possono diminuire la capacità delle particelle di essere eliminate dal classico recettore LDL e/o aumentare la loro capacità di interagire con i cosiddetti recettori "scavenger". Il risultato netto è lo smistamento delle particelle LDL a questi recettori scavenger. I recettori scavenger si trovano tipicamente sui macrofagi, con i macrofagi carichi di colesterolo meglio conosciuti come "cellule schiumose". Le cellule schiumose caratterizzano le lesioni aterosclerotiche. Oltre a questo possibile meccanismo di generazione delle cellule schiumose, un aumento dei livelli di particelle LDL chimicamente modificate può anche portare ad un aumento del danno endoteliale. Ciò si verifica a causa dell'effetto tossico dell'LDL modificato sull'endotelio vascolare e della sua capacità sia di reclutare cellule effettrici immunitarie sia di promuovere l'attivazione piastrinica.

Lo studio INTERHEART ha rilevato che il rapporto ApoB100/ApoA1 è più efficace nel predire il rischio di infarto, nei pazienti che hanno avuto un infarto miocardico acuto, rispetto alla sola misura ApoB100 o ApoA1. [16] (ApoA1 è la principale proteina HDL. [17]) Nella popolazione generale ciò non è chiaro sebbene in un recente studio l'ApoB fosse il più forte marker di rischio per eventi cardiovascolari. [18] Un piccolo studio suggerisce che aggiunti al trattamento con fluvastatina, acidi grassi omega 3 al giorno, contenenti 460 mg di E-EPA e 380 mg di E-DHA (esteri etilici), possono abbassare l'ApoB48 nei diabetici di tipo 2 iperlipemici. [19]

Fare clic su geni, proteine ​​e metaboliti di seguito per collegarsi ai rispettivi articoli. [§ 1]

L'espressione di APOB è regolato da elementi normativi cis nell'APOB 5′ UTR e 3′ UTR. [25]

L'mRNA di questa proteina è soggetto all'editing dell'RNA site-specific da citidina a uridina (da C a U). ApoB100 e ApoB48 sono codificati dallo stesso gene, tuttavia, le differenze nelle proteine ​​tradotte non sono dovute allo splicing alternativo ma sono dovute all'evento di modifica dell'RNA tessuto-specifico. L'editing dell'mRNA di ApoB è stato il primo esempio di editing osservato nei vertebrati. [26] La modifica dell'mRNA di ApoB si verifica in tutti i mammiferi placentati. [27] La ​​modifica avviene dopo la trascrizione poiché i polinucleotidi nascenti non contengono nucleosidi modificati. [28]

Digita Modifica

La modifica da C a U dell'mRNA di ApoB richiede un complesso di modifica o oloenzima (editosoma) costituito dall'enzima di modifica da C a U dell'apolipoproteina B mRNA, dal polipeptide catalitico 1 (ApoBEC-1) e da altri fattori ausiliari. ApoBEC-1 è una proteina che nell'uomo è codificata dal APOBEC1 gene. [29] [1]È un membro della famiglia delle citidina deaminasi. ApoBEC-1 da solo non è sufficiente per la modifica dell'mRNA di ApoB [30] e richiede almeno uno di questi fattori ausiliari, il fattore di complementazione APOBEC1 (A1CF) [31] affinché avvenga la modifica. A1CF contiene 3 ripetizioni non identiche. Agisce come subunità legante l'RNA e dirige l'ApoBEC-1 all'mRNA dell'ApoB a valle della citidina modificata. [32] È noto che altri fattori ausiliari fanno parte dell'oloenzima. Alcune di queste proteine ​​sono state identificate. questi sono la proteina legante CUG 2 (CUGBP2), [33] SYNCRIP (proteina legante l'RNA ricca di glicina-arginina-tirosina, GRY-RBP), [34] ribonucleoproteina nucleare eterogenea (hnRNP)-C1, [35] legame ApoBEC-1 proteina (ABBP)1, ABBP2, [36] proteina legante regolatoria di splicing di tipo KH (KSRP), antogene 4 associato a Bcl-2 (BAG4), [37] e fattore ausiliario (AUX)240. [38] Tutte queste proteine ​​sono state identificate utilizzando saggi di rilevamento ed è stato dimostrato che interagiscono con ApoBEC-1, A1CF o ​​ApoB RNA. La funzione di queste proteine ​​ausiliarie nel complesso di editing è sconosciuta. Oltre a modificare l'mRNA di ApoB, l'editsome di ApoBEC-1 modifica anche l'mRNA di NF1. La modifica dell'mRNA dell'mRNA di ApoB è l'esempio meglio definito di questo tipo di modifica dell'RNA da C a U negli esseri umani.

Modifica posizione

Nonostante sia una trascrizione lunga 14.000 residui, una singola citidina è presa di mira per la modifica. All'interno dell'mRNA di ApoB si trova una sequenza costituita da 26 nucleotidi necessari per l'editing. Questo è noto come motivo di modifica. Questi nucleotidi (6662-6687) sono stati determinati per essere essenziali da esperimenti di mutagenesi sito-specifici. [39] Una porzione di 11 nucleotidi di questa sequenza 4-5 nucleotidi a valle del sito di editing è una regione importante nota come sequenza di ormeggio. [40] Una regione chiamata elemento distanziatore si trova 2-8 nucleotidi tra il nucleoside modificato e questa sequenza di ormeggio. [41] C'è anche una sequenza normativa 3′ al sito di editing. Si pensa che il sito attivo di ApoBEC-1, il componente catalitico dell'oloenzima di editing, si leghi a una regione ricca di AU della sequenza di ormeggio con l'aiuto di ACF nel legare il complesso all'mRNA. [42] Il residuo di citidina modificato si trova nel nucleotide 6666 situato nell'esone 26 del gene. La modifica in questo sito comporta un cambiamento di codone da un codone della glutammina (CAA) a un codone di stop inframe (UAA). [26] La modellazione al computer ha rilevato che si verifica la modifica, la citidina modificata si trova in un ciclo. [40] Anche la selezione della citidina modificata dipende fortemente da questa struttura secondaria dell'RNA circostante. Ci sono anche alcune indicazioni che questa regione ad anello sia formata tra la sequenza di ormeggio e la regione regolatoria 3' dell'mRNA di ApoB. [43] Si pensa che la struttura secondaria prevista formata dall'mRNA di ApoB consenta il contatto tra il residuo da modificare e il sito attivo di APOBEC1, nonché il legame di ACF e altri fattori ausiliari associati all'editosoma.

Modifica regolamento

La modifica dell'mRNA di ApoB nell'uomo è regolata dai tessuti, con ApoB48 che è la principale proteina ApoB dell'intestino tenue nell'uomo. Si verifica in quantità minori nel colon, nei reni e nello stomaco insieme alla versione non modificata. [44] Anche l'editing è regolato dallo sviluppo con la versione non modificata che viene tradotta solo all'inizio dello sviluppo, ma la forma modificata aumenta durante lo sviluppo nei tessuti in cui può verificarsi l'editing. [45] [46] È stato dimostrato che i livelli di modifica dell'mRNA di ApoB variano in risposta ai cambiamenti nella dieta. esposizione ad alcol e livelli ormonali. [47] [48] [49]

Conservazione Modifica

L'editing dell'mRNA di ApoB si verifica anche nei topi e nei ratti. A differenza dell'uomo, l'editing si verifica nel fegato di topi e ratti fino a una frequenza del 65%. [50] Non è stato osservato negli uccelli o in specie minori. [51]

Conseguenze Modifica

Modifica struttura

La modifica comporta un cambiamento di codone che crea un codone di stop in-frame che porta alla traduzione di una proteina troncata, ApoB48. Questo codone di stop determina la traduzione di una proteina priva del terminale carbossilico che contiene il dominio di legame LDLR della proteina. La proteina completa ApoB100 che ha quasi 4500 aminoacidi è presente in VLDL e LDL. Poiché molte parti di ApoB100 sono in una condizione anfipatica, la struttura di alcuni dei suoi domini dipende dalle condizioni lipidiche sottostanti. Tuttavia, è noto che ha lo stesso ripiegamento complessivo in LDL con cinque domini principali. Recentemente è stata trovata la prima struttura di LDL a temperatura corporea umana in condizioni native utilizzando la microscopia crioelettronica con una risoluzione di 16 Angstrom. [52] Il ripiegamento complessivo di ApoB-100 è stato confermato ed è stata mappata una certa eterogeneità nella struttura locale dei suoi domini.

Funzione Modifica

La modifica è limitata a quelle trascrizioni espresse nell'intestino tenue. Questa versione più corta della proteina ha una funzione specifica per l'intestino tenue. La funzione principale dell'ApoB100 espressa dal fegato a lunghezza intera è quella di ligando per l'attivazione dell'LDL-R. Tuttavia, la modifica risulta in una proteina priva di questa regione di legame LDL-R della proteina. Ciò altera la funzione della proteina e della proteina ApoB48 più corta come funzioni specifiche relative all'intestino tenue. ApoB48 è identico all'aminoterminale 48% di ApoB100. [53] La funzione di questa isoforma è nell'assorbimento dei grassi nell'intestino tenue ed è coinvolta nella sintesi, assemblaggio e secrezione dei chilomicroni. Questi chilomicroni trasportano i lipidi alimentari ai tessuti mentre i restanti chilomicroni insieme ai lipidi residui associati vengono assorbiti dal fegato in 2-3 ore tramite l'interazione dell'apolipoproteina E (ApoE) con i recettori delle lipoproteine. È la proteina ApoB dominante nell'intestino tenue della maggior parte dei mammiferi. È una proteina chiave nella via esogena del metabolismo delle lipoproteine. Le proteine ​​intestinali contenenti ApoB48 vengono metabolizzate in particelle residue di chilomicroni che vengono captate dai recettori residui.


Mangiare cibi come carne rossa, latticini a latte intero e tuorli d'uovo può far aumentare i livelli di colesterolo. Essere in sovrappeso può far aumentare il colesterolo cattivo e abbassare il colesterolo buono. Inoltre, dopo che le donne vanno in menopausa, i loro livelli di colesterolo cattivo tendono ad aumentare.

Puoi abbassare i livelli di colesterolo apportando modifiche al tuo stile di vita. Ecco alcuni suggerimenti.

  • Mangia cibi con meno grassi, grassi saturi e colesterolo.
  • Togliere la pelle e il grasso da carne, pollame e pesce.
  • Mangia cibi che sono stati arrostiti, al forno, arrostiti o in camicia invece che fritti.
  • Mangiare molta frutta e verdura ogni giorno.
  • Mangia cereali, pane, riso e pasta a base di cereali integrali, come pane integrale o spaghetti.
  • Fai almeno 30 minuti di esercizio da moderato a vigoroso ogni giorno. Parla con il tuo medico dei modi migliori e più sicuri per esercitarti.
  • Perdi peso se sei sovrappeso.
  • Smettere di fumare.
  • Prendi il farmaco per il colesterolo come prescritto dal medico.

Astratto

Obbiettivo-

L'obiettivo di questo studio era comprendere le basi molecolari di come la sostituzione dell'amminoacido C112R che distingue l'apolipoproteina umana (apo) E4 dall'apoE3 causa la distribuzione plasmatica lipoproteina-colesterolo più proaterogena che è nota per essere associata all'espressione di apoE4.

Approccio e risultati—

I virus adeno-associati, sierotipo 8 (AAV8), sono stati utilizzati per esprimere diversi livelli di apoE3, apoE4 umana e diverse varianti di troncamento C-terminale e delezione interna nei topi C57BL/6 apoE-null, che mostrano una marcata disbetalipoproteinemia. Il plasma ottenuto da questi topi 2 settimane dopo il trattamento con AAV8 è stato analizzato per i livelli di colesterolo e trigliceridi, nonché per la distribuzione del colesterolo tra le frazioni lipoproteiche. L'espressione epatica di apoE3 e apoE4 ha indotto diminuzioni dose-dipendenti simili del colesterolo plasmatico e dei trigliceridi ai livelli osservati nei topi C57BL/6 di controllo. È importante sottolineare che, alla stessa riduzione del colesterolo totale plasmatico, l'espressione di apoE4 ha dato origine a livelli di lipoproteina-colesterolo a densità molto bassa (VLDL-C) più elevati e livelli di lipoproteina-colesterolo ad alta densità più bassi rispetto alla situazione di apoE3. Il dominio C-terminale e i residui da 261 a 272 in particolare giocano un ruolo critico, perché la loro eliminazione ha influenzato notevolmente le prestazioni di entrambe le isoforme.

Conclusioni-

L'ApoE4 possiede una maggiore capacità di legame lipidico e VLDL rispetto all'apoE3, che dà origine a un'elaborazione lipolitica alterata di VLDL nei topi che esprimono apoE4. Questi effetti riducono la clearance residua delle VLDL dal compartimento plasmatico e diminuiscono la quantità di componenti di superficie delle VLDL disponibili per l'incorporazione nel pool di lipoproteine ​​ad alta densità, tenendo conto del profilo lipoproteico più proaterogenico (rapporto VLDL-C/colesterolo più elevato) che si verificano negli animali che esprimono apoE4 rispetto alle loro controparti apoE3.

Introduzione

L'apolipoproteina (apo) E è una molecola di grande significato biologico e biomedico. L'apoE umano è polimorfico e il tipo selvaggio (apoE3) è associato alla normale fisiologia, che, tra le altre funzioni, prevede la mediazione del trasporto del colesterolo sia nella circolazione che nel sistema nervoso centrale. 1-3 Al contrario, la sostituzione C112R, che converte l'apoE3 in apoE4, è associata a sequele patologiche, ovvero aumento del rischio di malattie cardiovascolari e malattia di Alzheimer. 4 Di conseguenza, è importante comprendere le ragioni delle diverse relazioni struttura-funzione di apoE3 e apoE4.

L'apoE è un ligando per il recettore delle lipoproteine ​​a bassa densità (LDL) (LDLR) e svolge una funzione antiaterogena mediando la clearance dei residui delle lipoproteine ​​a bassissima densità (VLDL), diminuendo così il colesterolo plasmatico. 5,6 ApoE3 e apoE4 si legano in modo simile all'LDLR 7 ma, rispetto all'apoE3, l'apoE4 riduce meno il colesterolo plasmatico nell'uomo dando luogo a una distribuzione lipoproteina-colesterolo più proaterogenica. 8 Le ragioni di questo paradosso non sono completamente comprese ma sono probabilmente una conseguenza delle diverse distribuzioni lipoproteiche di apoE3 e apoE4 nel plasma. Quando aggiunta al plasma, l'apoE3 si lega preferenzialmente alle lipoproteine ​​ad alta densità (HDL) e l'apoE4 si lega maggiormente alle VLDL. 9 Abbiamo recentemente scoperto le basi molecolari di questo effetto. 10 ApoE4 exhibits better lipid-binding ability than apoE3, and the strong lipid-binding ability of apoE4 coupled with the VLDL particle surface being predominantly covered with lipid (in contrast to the primarily protein-covered surface of HDL particles) leads to apoE4 binding better than apoE3 to VLDL.

The human apoE molecule possesses an N-terminal helix bundle domain (residues 1–191) that contains the LDLR recognition site and a C-terminal domain (residues 192–299) that initiates lipid binding. 11–15 The substitution C112R, which differentiates apoE3 and apoE4, is located in the helix bundle domain and destabilizes it. 16,17 As a consequence, the interactions between the N- and C-terminal domains are altered, leading to a different organization of the segment spanning residues 261 to 272, which plays a critical role in the interaction with lipid surfaces this structural change is the basis for the preferential binding of apoE4 to VLDL. 10,18

Here, we apply the above understanding of apoE–lipoprotein interactions in vitro to an investigation of how the enhanced binding of apoE4 to VLDL alters lipoprotein metabolism, as compared with the effects of apoE3. Previously, we have used an adeno- associated virus serotype 8 (AAV8) system to express human apoE in apoE-null mice, 19 and now we extend this work by expressing apoE3, apoE4, and C-terminal deletion variants of both isoforms at different doses and measuring the effects on plasma cholesterol levels and lipoprotein-cholesterol distributions. The results reveal which parts of the C-terminal domains of apoE3 and apoE4 determine the abilities of the 2 molecules to mediate clearance of plasma cholesterol. The 2 isoforms behave differently with respect to their abilities to mediate lipolytic processing of VLDL remnants and production of HDL particles, leading to the more proatherogenic VLDL-cholesterol/HDL-cholesterol distribution observed with apoE4 compared with apoE3.

Materiali e metodi

Materials and Methods are provided in the online-only Supplement.

Risultati

Effects of ApoE3 and ApoE4 on Plasma Cholesterol and Lipoprotein Levels

Figure 1 shows how treatment of apoE-null mice with increasing doses of apoE3- and apoE4-AAV8 reduces plasma cholesterol and triglyceride levels. Consistent with our earlier report with apoE3-AAV8, 19 a dose of 10E10 gc AAV8 expressing either apoE3 or apoE4 is sufficient to eliminate the marked hyperlipidemia characteristic of apoE-null mice on a chow diet 20,21 and reduce the plasma lipid levels to those characteristic of control C57BL/6 mice. Importantly, unlike the situation when apoE is acutely overexpressed by the use of adenovirus vectors, 22,23 there is no evidence of hypertriglyceridemia. The hepatic content of human apoE mRNA exhibits a hyperbolic dependence on AAV8 dose with the expression levels of apoE3 and apoE4 being the same at any given dose (Figure I in the online-only Data Supplement). Consistent with previous work using different doses of AAV8 to express human apolipoproteins in mice, 24 the hepatic content of human apoE mRNA determines the amount of apoE variant appearing in plasma. The plasma levels of human apoE3 and apoE4 are comparable, and in mice 2 weeks after treatment with AAV8 doses of 1E10, 3E10, and 10E10 gc are ≈3, 5, and 20 µg/mL, respectively. It is problematic to determine the distributions of apoE3 and apoE4 between VLDL and HDL, because the highly efficient clearance of apoE from the plasma compartment leads to low-apoE concentrations. Thus, at low AAV8 doses, there is relatively more VLDL present but very little apoE expression and, conversely, at high AAV8 doses, the increased apoE leads to clearance of practically all of the VLDL.

Figura 1. Influence of expression of human apoE3 and apoE4 on (UN) plasma cholesterol and (B) triglyceride levels in apoE-null mice. The mice (5 per group) were treated with the indicated doses (gc) of AAV8 to express either apoE3 or apoE4. The mice were bled before and 2 weeks after administration of the AAV8, and samples of plasma were prepared for analysis of cholesterol and triglyceride levels. The lipid levels in the plasma samples are plotted relative to the values before treatment with AAV8. The 100% values were 618±27 mg cholesterol/dL (mean±SEM, n=23) and 114±3 mg triglyceride/dL (mean±SEM, n=25).

Although apoE3 and apoE4 reduce plasma total cholesterol levels to the same extent (Figure 1A), the 2 apoE isoforms give rise to different lipoprotein–cholesterol distributions (Figure 2). It is apparent that, at the same level of expression, apoE4 gives rise to a more proatherogenic lipoprotein profile with a higher level of cholesterol in VLDL/intermediate-density lipoprotein (IDL)/LDL and a lower level in HDL, relative to the apoE3 situation. The effects of different levels of expression of apoE3, apoE4, and apoE4 (1–260) on the lipoprotein-cholesterol distribution are compared in Figure 3A–3C. In all cases, the progressive decrease in levels of apoB-containing lipoproteins (VLDL+IDL+LDL) with increasing apoE expression is apparent. Comparison of the elution volumes indicates that IDL and LDL particle size decreases at higher levels of apoE expression, consistent with triglyceride removal by lipolysis. Figure 3D shows how the level of apoE expression modulates the lipolytic conversion of the VLDL-cholesterol (VLDL-C) fraction into the (IDL-C+LDL-C) fraction. In the case of increasing apoE3 expression, the fractional distribution of cholesterol between the (IDL+LDL) and VLDL fractions increases from the value of 0.4 seen in untreated mice to a value of 0.75 in mice treated with 10E10 gc AAV8. The latter value is essentially the same as the ratio of 0.77 seen for plasma of control C57BL/6 mice (data not shown). The equivalent increase in the fractional distribution with apoE4 expression is to a value of 0.54, reflecting relatively poor conversion of VLDL to IDL+LDL (Figure 3D). Strikingly, deletion of residues 261 to 299 from apoE4 to give the 1 to 260 variant increases the fractional distribution to 0.72 at 10E10 gc AAV8, which is similar to the behavior of apoE3. It is apparent that removal of the C terminus reduces the lipid-binding ability of apoE4 10,18 but enhances its ability to mediate lipolytic conversion of VLDL into IDL + LDL.

Figura 2. Distribution of lipoprotein cholesterol in apoE-null mice treated with AAV8 to express either human apoE3 or apoE4. Two weeks after administration of 1E10 gc AAV8, the mice (5 per group) were bled, and samples of pooled plasma were fractionated by chromatography on a Superose 6 gel filtration column. The cholesterol levels in the lipoprotein fractions were determined using a Wako enzymatic kit. HDL indicates high-density lipoprotein LDL, low-density lipoprotein IDL, intermediate-density lipoprotein and VLDL, very low-density lipoprotein.

Figura 3. Influence of the level of expression of apoE3, apoE4, or apoE4 (1–260) on the lipoprotein-cholesterol distribution in apoE-null mice. The mice (5 per group) were treated with the indicated doses of AAV8, and 2 weeks later samples of pooled plasma were analyzed by gel filtration chromatography as described in the legend to Figure 2. In UN, the elution profile for plasma from untreated apoE-null mice is plotted with filled circles. In UNC, the profiles correspond to the following AAV8 doses (gc): (O) 1E10, (Δ) 3E10, (▽) 10E10. D, The influence of AAV8 dose on the distribution of lipoprotein cholesterol between the VLDL and (IDL+LDL) fractions. The ordinate shows the fractional distribution, which represents the ratio (IDL-C + LDL-C)/([IDL-C + LDL-C] + VLDL-C). The VLDL-C and (IDL-C + LDL-C) values are the cholesterol masses that elute from the gel filtration column between 1 to 4.5 mL and 5 to 14 mL, respectively. The fractional distribution calculated in this fashion for untreated apoE-null mice (elution profile ● in UN) has a value of 0.4. HDL indicates high-density lipoprotein IDL, intermediate-density lipoprotein LDL, low-density lipoprotein and VLDL, very low-density lipoprotein.

The apoE isoform effect on the conversion of VLDL into IDL + LDL is also associated with differences in HDL-C levels. The relatively high VLDL-C and low HDL-cholesterol (HDL-C) levels for apoE4 shown in Figure 2 for an AAV8 dose of 1E10 gc occur at all AAV8 doses investigated (Figure IIA and IIB in the online-only Data Supplement). ApoE3 gives lower VLDL-C levels and higher HDL-C levels across the range of doses used. Greater expression of apoE3 increases the relative HDL-C value but this effect is not seen with apoE4, so that unlike the situation with apoE3, where high expression reduces the VLDL-C/HDL-C ratio to the very low-level (≈0.1) characteristic of control C57BL/6 mice, the ratio remains >1 for apoE4-expressing mice (Figure IIC in the online-only Data Supplement). Figure 4 shows the VLDL-C/HDL-C ratios for mice expressing different levels of apoE3 and apoE4 as a function of the relative plasma cholesterol level. The ratio is strongly dependent on total plasma cholesterol level and decreases progressively to a very low value as cholesterol is cleared from the plasma compartment by apoE3. The situation for apoE4 is similar at lower expression levels, but when the relative plasma cholesterol level decreases below ≈50%, the VLDL-C/HDL-C ratio does not decrease and remains in the range 1 to 2.

Figura 4. Influence of apoE structure on the distribution of lipoprotein cholesterol. Lipoprotein-cholesterol profiles of the type depicted in Figure 3 obtained using plasma from mice treated with different apoE AAV8 doses were analyzed for the distributions of very low-density lipoprotein–cholesterol (VLDL-C) and high-density lipoprotein–cholesterol (HDL-C elution volume =15–20 mL). The VLDL-C/HDL-C ratios at each dose of apoE3- and apoE4-AAV8 are shown in Figure II in the online-only Data Supplement. The resultant VLDL-C/HDL-C ratios are plotted here as a function of the relative plasma cholesterol level in the mice treated with the different AAV8 doses (Figure 1, superiore). Comparison of the data for wild-type (WT) apoE4 and apoE4 (1–260) gives an indication of the influence of residues 261 to 299 in apoE4 on the VLDL-C/HDL-C ratio.

Influence of C-Terminal Domain on ApoE Functionality

The presence of the C-terminal domain (residues 192–299) is vital for the ability of apoE3 to reduce plasma cholesterol, because expression of the isolated N-terminal helix bundle domain (residues 1–191) at very high dose fails to reduce plasma cholesterol (Figure III in the online-only Data Supplement). In contrast, the same structural manipulation only partially decreases the ability of apoE4 to lower plasma cholesterol (Figure III in the online-only Data Supplement). To understand the contribution of the C-terminal domain in more detail, we examined the effects of deleting segments of this domain of apoE3 and apoE4 on the abilities of the 2 isoforms to reduce plasma cholesterol levels when expressed in apoE-null mice. The results are summarized in the Table. Deletion of either residues 273 to 299 or 192 to 260 in both apoE isoforms has little or no effect on the plasma cholesterol-lowering abilities. In marked contrast, removal of residues 261 to 272 has major effects. Thus, the effectiveness of the 1 to 260 and Δ261 to 272 variants is reduced, with the reduction being greater for apoE3 than for apoE4. The contribution of residues 261 to 272 to the cholesterol-lowering ability of apoE is emphasized by the fact that a 3-times higher AAV8 dose of 1E11 gc is required to give the plasma cholesterol reductions for the Δ261 to 272 variants listed in the Table. This need for a higher expression level of the Δ261 to 272 variants is not because of reduced appearance of these proteins in the plasma compartment. At an AAV8 dose of 1E11 gc, the plasma concentrations of apoE3 (Δ261–272) and apoE4 (Δ261–272) are 33.8±13.4 (n=5) and 34.0±2.0 µg/mL (n=3 mean±SEM), respectively these values are similar to the concentration of ≈20 µg/mL observed with apoE3 and apoE4 at the same AAV8 dose. This result proves that removal of residues 261 to 272 has a direct effect on the functionality of apoE in the plasma compartment. The poor performance of apoE3 (Δ261–272) and apoE3 (1–260) in reducing plasma cholesterol is not a result of loss of ability of these molecules to bind to the LDLR (Table I in the online-only Data Supplement). All the apoE3 and apoE4 C-terminal variants can bind to the LDLR, as might be expected given that the receptor recognition site (residues 136–150) is located in the N-terminal helix bundle domain. The reductions in plasma total cholesterol induced by the apoE C-terminal variants (Table) are accompanied by decreases in the VLDL-C/HDL-C ratio, with the dependence of this ratio on relative plasma cholesterol level being generally similar to that shown for apoE3 in Figure 4. It is noteworthy that removal of residues 261 to 299 eliminates the aberrant behavior of apoE4 and allows the VLDL-C/HDL-C ratio to decrease to the low value observed with apoE3 (data for apoE4 and apoE4 [1–260] in Figure 4). This effect occurs because, as shown in Figure 3D, the fractional conversion of VLDL to IDL + LDL is greater with apoE4 (1–260) than with apoE4 and similar to that seen with apoE3. As a consequence, VLDL-C is decreased and HDL-C is increased, so that the VLDL-C/HDL-C ratio is reduced.

Tavolo. Comparison of Effects of C-Terminal Domain Alterations on Plasma Cholesterol-Lowering Abilities of ApoE3 and ApoE4

* The AAV8 dose was 3E10 gc except for apoE Δ261–272 and apoE (1–191), where the doses were 1E11 and 1E12 gc, respectively.

† Values (mean±SEM) were obtained from independent experiments with 5 apoE-null mice/group. In some cases, multiple (n) independent experiments were performed: n=2 for apoE4 (1–299) and apoE3 (Δ261–272) n=3 for apoE4 (1–260) n=4 for apoE4 (1–299), apoE3 (1–191), and apoE4 (1–191). ANOVA followed by Dunnett multiple comparison test indicates that within the apoE3 variants the reductions in plasma cholesterol for 1 to 260, Δ261 to 272, and 1 to 191 are significantly different (P<0.05) from the 1 to 299 value. Similarly, for the apoE4 variants, the values for 1 to 260 and 1 to 191 are significantly lower than the 1 to 299 value. Comparisons between apoE3 and apoE4 variants by unpaired T test indicates that the plasma cholesterol reductions for the 1 to 260, Δ261 to 272, and 1 to 191 variants are significantly different.

‡ The relative efficiencies of plasma cholesterol reduction are normalized to the value for wild-type apoE (apoE [1–299]). The reference value for the apoE (Δ261–272) variants, where the AV8 dose was 1E11 gc is the reduction in plasma cholesterol (87%) for apoE (1–299) at the same dose. The reference value for the apoE4 (1–191) calculation is the same the reductions in plasma cholesterol for 1E11 gc and 1E12 gc AAV8 doses of apoE (1–299) are the same.

As mentioned above, apoE4 is exceptional in giving rise to a high VLDL-C/HDL-C ratio even when expressed at high doses (Figure 4). Removal of C-terminal residues 273 to 299 to give the apoE4 (1–272) variant normalizes this behavior, and the VLDL-C/HDL-C distribution becomes like that of apoE3 (Figure 5). Importantly, deletion of these residues from apoE4 does not interfere with the ability to reduce plasma cholesterol (Table) but only eliminates the more proatherogenic lipoprotein–cholesterol distribution.

Figura 5. Distribution of lipoprotein cholesterol in apoE-null mice treated with AAV8 (1E10gc) to express either human apoE3 or apoE4 (1–272). The experimental conditions were the same as those described in the legend to Figure 2. HDL indicates high-density lipoprotein IDL, intermediate-density lipoprotein LDL, low-density lipoprotein and VLDL, very low-density lipoprotein.

Discussione

Plasma Cholesterol-Lowering Abilities of ApoE3 and ApoE4

The finding that AAV8-mediated hepatic expression of human apoE3 and apoE4 corrects the hyperlipidemia in apoE-null mice is consistent with previous work with human apoE-transgenic mice. 25 In both the AAV8-treated animals (Figure 1) and the transgenic mice, the reduction in plasma cholesterol is the same with apoE3 and apoE4 expression. This observation is consistent with both isoforms binding similarly to the LDLR 7 and with this receptor being critical for VLDL remnant clearance in apoE-null mice. 26 Because apoE has to bind appropriately to the VLDL remnants to mediate their uptake by the LDLR pathway, the low efficiency of plasma cholesterol reduction exhibited by apoE (1–191) variants, which lack the lipid-binding C-terminal domain (Table), is unsurprising. Although both apoE3 (1–191) and apoE4 (1–191) can bind to VLDL, albeit poorly, 10 expression of the former has no effect on plasma cholesterol, whereas expression of the latter does. A possible explanation for the activity with apoE4 is that the lower stability of its helix bundle domain, attributable to the presence of R112, 16 allows the bundle to open 12,13 permitting the receptor-binding site (residues 136–150) 11 to interact with the LDLR. In contrast, the more stable helix bundle in apoE3 (1–191) does not open, which eliminates LDLR binding and any reduction in plasma cholesterol.

The contributions of the helix bundle domain and various segments of the C-terminal domain in apoE3 and apoE4 to plasma cholesterol lowering are summarized in Figure 6. It is apparent from the values of the fractional segmental contribution to cholesterol-lowering efficiency (F) that residues 261 to 272 make the largest contribution in both apoE isoforms. This effect of residues 261 to 272 is consistent with the ability of apoE to bind to lipoprotein surfaces being critical for plasma cholesterol lowering because this segment, which forms a hydrophobic surface patch, 13 is key for lipid emulsion and VLDL-binding activity. 10,27 However, the plasma cholesterol-lowering ability of apoE variants does not always correlate simply with lipid and VLDL-binding ability. The different F value for residues 261 to 272 in apoE3 and apoE4 is consistent with the structural organization of this segment being different in the 2 proteins, 18 but it is not clear at this time why F is larger for apoE3. The finding that F=0 for residues 273 to 299 (Figure 5) indicates that the VLDL-binding ability as measured in vitro and the ability to reduce plasma cholesterol in vivo do not correlate well because deletion of these residues significantly reduces VLDL binding in vitro 10 but does not impair cholesterol lowering in vivo. A possible explanation for this apparent discrepancy is that there is a threshold level of apoE on VLDL required for clearance by the LDLR, and removal of residues 273 to 299 does not reduce the VLDL apoE content below the threshold.

Figura 6. Contributions of different regions of the apoE3 and apoE4 molecules to their abilities to clear plasma cholesterol. The linear representations of the amino acid sequences show the position in the N-terminal helix bundle domain of the C112R substitution that distinguishes the 2 isoforms. The fractional contribution to plasma cholesterol-lowering (F) is indicated beneath the indicated segments of the apoE3 and apoE4 molecules. The F values are calculated from the relative efficiencies of plasma cholesterol reduction for the apoE3 and apoE4 C-terminal truncation variants (1–272), (1–260), and (1–191) listed in the Table. For instance, the F value (0.8) of the segment spanning residues 261 to 272 in apoE3 is obtained by subtracting the cholesterol-lowering efficiency of apoE3 (1–260) (0.2) from that of apoE3 (1–272) (1.0). The F values derived in this fashion are different from the values inferred from the behavior of the apoE variants containing internal deletions (Δ192–260 and Δ261–272) probably because, compared with the simple removal of residues from the C-terminal end of the molecule, removal of these internal segments leads to greater structural reorganization of the entire C-terminal domain. The importance of the segment spanning residues 261 to 272 is highlighted by the hatched rectangle marking this section of the apoE molecule. See text for further details.

Differential Effects of ApoE3 and ApoE4 on Plasma Lipoprotein–Cholesterol Distribution

Besides being critical for the ability to reduce plasma cholesterol, the relative lipid- and lipoprotein-binding abilities of apoE3 and apoE4 have important consequences for the distribution of cholesterol between the VLDL and HDL fractions of plasma. The scheme in Figure 7 presents the mechanistic basis for the higher VLDL-C/HDL-C ratio found in apoE4-expressing mice compared with animals expressing the same level of apoE3 and having the same plasma total cholesterol level (Figure 2) this effect is not peculiar to AAV8-treated mice, because the VLDL-C level is also higher in apoE4 transgenic mice compared with their apoE3 counterparts. 25 The critical effect of the apoE content of VLDL remnants on lipoprotein lipase–mediated lipolysis is well established. This apoE content has to be sufficient to support LDLR binding but not too high otherwise lipolysis is inhibited, 28–30 and HDL formation by release of excess surface components 31 is reduced. The inhibition of lipoprotein lipase activity probably occurs because the apoC-II cofactor is displaced from the surface of the VLDL particle. 5,32 ApoE3 binds better to HDL than to VLDL 9,10 and is apparently distributed appropriately between these lipoproteins in vivo. As a consequence, progress down the lipolytic cascade is optimal (Figure 3D), so that there is efficient formation of small VLDL remnants possessing apoE3 content suitable for effective binding to the LDLR and removal from plasma. 6 The result for apoE3-expressing mice is that a relatively low VLDL-C/HDL-C ratio is attained (represented by the ratio c/d in Figure 7). The greater lipid-binding ability of apoE4 (attributable to the altered conformation of the segment spanning residues 261–272) 18 increases the concentration of apoE4 on the VLDL surface, so that more apoC-II is displaced and lipolysis is inhibited relative to the apoE3 situation. Thus, in apoE4-expressing animals, the steady state VLDL-C/HDL-C distribution is relatively high (represented by the ratio a/b in Figure 7). The critical role for the ability of apoE to partition appropriately between VLDL and HDL during the lipolytic cascade is supported by the observation that apoE4 (1–272) behaves more like apoE3 than apoE4 (Figure 5). Removal of residues 273 to 299 from apoE4 reduces VLDL binding to a level below that of apoE3, 10 so that the in vivo lipolytic processing of VLDL remnants is not impaired in mice expressing apoE4 (1–272). This result suggests that pharmacological intervention in apoE4 subjects to reduce the apoE content of VLDL could be beneficial therapeutically.

Figura 7. Schematic comparing the influence of apoE3 and apoE4 on the lipolysis cascade involved in the catabolism of very low-density lipoprotein (VLDL) particles. After secretion from the liver into the plasma compartment, the triglyceride (TG) in VLDL is hydrolyzed by lipoprotein lipase (LPL) with apoC-II as a cofactor leading to the creation of intermediate-density lipoprotein (IDL) and progressively smaller remnant particles. ApoE bound to these particles mediates their interaction with the low-density lipoprotein receptor (LDLR) and clearance from plasma (the lower curved arrow shows the decrease in VLDL and remnant cholesterol levels). As the VLDL/IDL remnants shrink because of the removal of core TG, excess surface components (phospholipid, cholesterol, and apoE) are released into the high-density lipoprotein (HDL) pool (upper curved arrow shows the increase in HDL-cholesterol level). ApoE3 partitions between the VLDL and HDL pools, so that lipolysis, clearance of VLDL remnant cholesterol, and HDL formation are optimal. In the diagram, points c and d represent the VLDL/IDL-cholesterol and HDL-cholesterol levels, respectively, when apoE3 is expressed. Relative to apoE3, apoE4 binds more to VLDL, because of its higher lipid affinity leading to inhibition of lipolysis (probably because of displacement of apoC-II), so that, at the same apoE expression level, progression down the lipolysis cascade is relatively limited in the case of apoE4 (Figure 3D). The ratio a/b represents the apoE4 VLDL-C/HDL-C ratio, which is higher than the apoE3 ratio c/d (as seen in the experimental results in Figures 2, 4, and Figure II in the online-only Data Supplement). It should be noted that the alternate ABCA1 pathway for production of HDL is not included in the scheme presented here. However, this pathway cannot contribute to the different HDL levels found with apoE3 and apoE4 expression, because both isoforms interact identically with ABCA1 and produce nascent HDL particles at the same rate. 35 See text for further details.

In summary, relative to apoE3-expressing mice, the apoE4 mice exhibit a proatherogenic lipoprotein profile, which explains the increased atherosclerosis seen in such animals. 25 The mechanistic causes for this pathological effect associated with the presence of apoE4 are as follows: (1) the structural change of the segment spanning residues 261 to 272 caused by the C112R substitution in apoE4, (2) the resultant increased lipid-binding ability of apoE4 relative to apoE3 that leads to changes in the apoE content of VLDL, (3) impaired lipolytic processing, and (4) reduced VLDL remnant clearance from the plasma compartment and movement of excess VLDL surface components into the HDL pool. Knowledge of these molecular mechanisms that underlie the ability of apoE to reduce plasma cholesterol may aid in the future development of effective apoE–based gene therapy approaches to reducing atherosclerosis. 33,34

Ringraziamenti

We thank Dawn Marchadier, David Nguyen, Margaret Nickel, Valeska Redon, and Maosen Sun for expert assistance.

Fonti di finanziamento

This work was supported by National Institutes of Health grant HL 56083 and the Gene Therapy Resource Program of the National Heart, Lung, and Blood Institute .


HDL Structure

Lipoproteins are complex chemicals that contain a core globule of fat surrounded by proteins -- called apoproteins -- that make them soluble in your body. Each class of lipoprotein contains different amounts and proportions of fats in the core, as well as specific apoproteins on their surface. HDL, which stands for high-density lipoprotein, is the smallest and densest of the lipoproteins. The density of a lipoprotein depends on the relative amounts of lipid and protein in the particles. HDL is the densest lipoprotein because it contains a relatively low amount of fat compared to its protein content. HDL particles contain primarily cholesterol in their core and apoprotein A1 and A2 at their surface.


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