Hormonempfindliche Lipase

Hormonempfindliche Lipase

Hormonempfindliche Lipase (HSL, auch als LIPE bekannt) ist eine neutrale Cholesterinesterhydrolase, die die Lipidspeicher in Adipozyten und steroidogenen Geweben reguliert. Als Reaktion auf ein Hormon oder einen Neurotransmitter, der den cAMP/PKA-Signalweg aktiviert, verlagert sich HSL in die Lipidtröpfchen. Die derzeitige Sichtweise der Mechanismen zur Regulierung der Lipolyse in der Fettschicht legt nahe, dass das Lipidtröpfchen-Hüllprotein PLIN1 als Gerüst bei der Regulierung der Lipolyse fungiert. Unter Ruhebedingungen wirkt PLIN1 als Barriere für die Hydrolyse gespeicherter Lipide, indem es den Zugang von Adipozyten-Triglyceridlipase (ATGL) und HSL, den wichtigsten Lipasen in Fettzellen, verhindert. Nach der Aktivierung von PKA werden sowohl PLIN1 als auch HSL phosphoryliert, was zur Verlagerung von HSL aus dem zytosolischen Kompartiment in die Lipidtropfen führt. Die Phosphorylierung von HSL erleichtert seine Interaktion mit Lipidsubstraten, wodurch die Hydrolyse von Triglyceriden oder Cholesterinestern ermöglicht wird. Die Phosphorylierung von HSL erfolgt an mehreren Stellen, darunter Ser-660, das die katalytische Aktivität stimuliert, und Ser-563, von dem angenommen wird, dass er sich mit der Phosphorylierung von HSL an der Nicht-PKA-Stelle Ser-565 gegenseitig ausschließt. Somit stimulieren hormonelle Signale, die die Freisetzung von gespeicherten Fettsäuren oder Cholesterin signalisieren, die PKA zur Phosphorylierung von HSL.

Es gibt Hinweise darauf, dass HSL die wichtigste hormonempfindliche Cholesterinester-Hydrolase in steroidogenen Geweben ist. Das Vorhandensein von Perilipin-Hüllproteinen und HSL im Eierstock deutet darauf hin, dass LH über einen cAMP/PKA-Signalweg die Phosphorylierung von Perilipin und HSL regulieren kann, um Cholesterinester zu hydrolysieren und Substrat für die Progesteronsynthese zu erzeugen. Studien mit HSL-null-Mäusen ergaben, dass der Knock-out von HSL zu einer verringerten Steroidogenese in den Nebennieren und zu einer Hemmung der Spermienproduktion in den Hoden führte. Diese Ergebnisse legen nahe, dass HSL an der intrazellulären Verarbeitung und Verfügbarkeit von Cholesterin für die Steroidogenese beteiligt ist. Shen et al. wiesen eine Interaktion zwischen STAR und HSL in der Nebenniere der Ratte nach einer Behandlung mit ACTH nach und zeigten, dass die Koexpression von HSL und STAR sowohl die HSL-Aktivität als auch den mitochondrialen Cholesteringehalt erhöhte. Andere Studien belegen eine Interaktion von HSL mit dem Intermediärfilament Vimentin und zeigen, dass Vimentin-Null-Mäuse kleine Lipidtröpfchen und eine verringerte Steroidproduktion in Nebenniere und Eierstöcken aufweisen. Eine aktuelle Studie von Zowalaty et al. zeigt, dass die gezielte Deletion von RhoA die Vimentinfilamente im Gelbkörper der Maus desorganisiert. Dies führte zu einer Lutealinsuffizienz und Unfruchtbarkeit bei weiblichen Mäusen. Die Aktivierung des cAMP/PKA-Signalwegs in einer Leydig-Zelllinie der Maus stimulierte die Phosphorylierung von HSL, was mit einem Anstieg von STAR und Progesteron korreliert war. Darüber hinaus unterdrückte die Behandlung mit einem HSL-Inhibitor CAY10499 oder das Silencing von HSL mit gezielter siRNA die Progesteronsynthese. In einem kürzlich erschienenen Bericht von Talbott et al. wird ein Zusammenhang zwischen dem HSL-Spiegel und der Progesteronsynthese im Corpus luteum von Rindern hergestellt. In dieser Studie führte die Behandlung mit Prostaglandin F2α zur Auslösung der Lutealregression zu einem raschen Rückgang von HSL und Progesteron, bevor die Expression anderer Komponenten der steroidogenen Maschinerie reduziert wurde. Studien mit bovinen Lutealzellen in vitro zeigten, dass LH über einen cAMP/PKA-Weg HSL rasch phosphoryliert und der HSL-Inhibitor CAY10499 die stimulierende Wirkung von LH auf die Progesteronsynthese wirksam blockiert (Talbott, Krauss, Davis, unveröffentlicht). Insgesamt deuten die Beweise auf eine wichtige Rolle von HSL in der lutealen Steroidogenese hin, aber es sind weitere Forschungen erforderlich, um die Mechanismen zu bestimmen, durch die Cholesterinester aus den lutealen Lipidtröpfchen freigesetzt werden.

Die Identifizierung der zytoplasmatischen Lipidtröpfchen als wichtige Plattformen für die Zellsignalisierung und die Interaktion mit anderen Organellen hat Forscher dazu veranlasst, die Protein- und Lipidzusammensetzung der Lipidtröpfchen zu bestimmen. Die PLIN-Familie der Lipidtröpfchen-Hüllproteine kann die Art der in den Lipidtröpfchen gespeicherten Lipide und die Stoffwechselaktivität beeinflussen. Die Eierstöcke von Affen, Mäusen und Rindern exprimieren PLIN2, das mit der Speicherung von Cholesterinestern in Verbindung gebracht wird. Die Proteinzusammensetzung von Lipidtröpfchen wurde in einigen wenigen Säugetiergeweben oder Zelllinien und 3T3-L1-Adipozyten, Rattenleber und Mausmuskelgewebe sowie menschlichen Zelllinien in unterschiedlichem Maße charakterisiert ]. Direkte Informationen über die Proteinzusammensetzung der Lipidtröpfchen des Corpus luteum und die Auswirkungen von Hormonen oder Stoffwechselveränderungen auf die Eigenschaften der Lipidtröpfchen liegen nicht vor. Khor et al. verglichen das Proteom von Lipidtröpfchen aus Granulosazellen der Ratte, die in vitro entweder mit High-Density-Lipoproteinen oder Fettsäuren behandelt wurden, um zytoplasmatische Lipidtröpfchen für Cholesterinester bzw. Triacylglycerine anzureichern. In dieser Studie wurden 278 Proteine, darunter PLIN2, in den Lipidtröpfchen gefunden, die nach beiden Behandlungen hergestellt wurden, und auch in anderen Berichten über Lipidtröpfchen-Proteome wurden ähnliche Proteine gefunden. Außerdem wurden 61 bzw. 40 Proteine identifiziert, die nur in den cholesterinesterreichen bzw. triacylglycerinreichen Lipidtropfen vorkommen. In den cholesterinesterreichen Lipidtröpfchen identifizierten sie insbesondere HSD3B1, Vimentin und den spannungsabhängigen Anionenkanal (VDAC1), denen jeweils eine Rolle bei der Steroidogenese zugeschrieben wird. Die Proteomanalyse von Lipidtröpfchen, die aus der Leydig-Tumorzelllinie MLTC-1 der Maus und aus Mäusehoden isoliert wurden, ergab auch das Vorhandensein von Proteinen der PLIN-Familie und von Enzymen, die an der Synthese von Steroidhormonen beteiligt sind. In unseren Studien wurde festgestellt, dass Lipidtropfen, die aus voll funktionsfähigen Rinderkörperchen in der Mitte des Zyklus isoliert wurden, die Hüllproteine PLIN2 und PLIN3, HSL und HSD3B, CYP11A1 und VDAC1 enthalten (Talbott, Cupp, Wood und Davis, unveröffentlicht). Insgesamt deuten diese Studien darauf hin, dass die lutealen Lipidtröpfchen als hormonell regulierte Plattform dienen können, die für die gonadale Steroidogenese wesentlich ist. Eine umfassende Analyse der Lipid- und Proteinzusammensetzung der lutealen Lipidtröpfchen und ihrer Reaktion auf luteotrophe oder luteolytische Hormone ist erforderlich, um die Dynamik der Cholesterinbewegung von den Lipidtröpfchen zu den Mitochondrien vollständig zu verstehen.

Rinder- und Schafskörperchen haben zwei verschiedene steroidogene Zellen mit unterschiedlichen Fähigkeiten zur Progesteronproduktion. Die kleinen Lutealzellen reagieren auf LH mit einem starken Anstieg der Progesteronsekretion, während die großen Lutealzellen eine erhöhte Basalrate der Progesteronsekretion aufweisen und auf LH mit einem bescheidenen Anstieg reagieren. Im Lutealgewebe von Frauen, Affen, Schafen und Nagetieren gibt es ebenfalls große und kleine Lutealzellen mit unterschiedlicher Reaktion auf LH. Die Zelltypen der Lutea von Rindern und Schafen weisen eine unterschiedliche Morphologie der Lipidtröpfchen auf, wie die BODIPY-Färbung der neutralen Lipide zeigt. Im Durchschnitt haben die kleinen Lutealzellen größere Lipidtröpfchen und die großen Zellen reichlich verstreute kleine Lipidtröpfchen. Die Faktoren, die zu diesen Unterschieden beitragen, sind nicht bekannt, aber die gemeldete hohe basale PKA-Aktivität in großen Lutealzellen könnte eine tonische Aktivierung von HSL bewirken, die zu kleineren und verstreuten Lipidtröpfchen führt.

Aufgrund des ausgeprägten Unterschieds in der Fähigkeit von großen und kleinen Lutealzellen, unter basalen und stimulierten Bedingungen Progesteron zu produzieren, scheint es wahrscheinlich, dass große und kleine Lutealzellen während der basalen und stimulierten Steroidogenese unterschiedliche Anforderungen an die Energieverarbeitung haben. Bei der Hydrolyse von Cholesterinestern werden sowohl Cholesterin als auch Fettsäuren freigesetzt. Die Fettsäuren werden entweder wieder verestert und in Lipidtröpfchen oder Membranen gespeichert oder zur β-Oxidation verwendet, wobei reduzierende Äquivalente und Acetyl-CoA für den Zitronensäurezyklus entstehen. Fettsäuren werden von den Mitochondrien durch β-Oxidation verbraucht, um Acetyl-CoA sowie NADH und FADH2 für die Verwendung in der Elektronentransportkette zur Erzeugung von ATP zu produzieren. Obwohl steroidogene Gewebe die Glykolyse zur Unterstützung der Steroidogenese nutzen, scheint es wahrscheinlich, dass die Produktion großer Mengen von Progesteron durch Lutealzellen die β-Oxidation von Fettsäuren erfordert, um die für eine optimale Steroidogenese unter basalen Bedingungen benötigte Energie bereitzustellen, aber dies muss noch kritisch geprüft werden. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass Fettsäuren eine wichtige Rolle im Stoffwechsel des Kumulus-Oozyten-Komplexes und der Eizellreifung spielen. In diesen Studien wurde festgestellt, dass die Zugabe von L-Carnitin zur Förderung der β-Oxidation die Embryonalentwicklung verbessert und dass die pharmakologische Hemmung der Fettsäure-β-Oxidation mit Etomoxir die Eizellreifung und die Embryonalentwicklung beeinträchtigt. Das Enzym Carnitin-Palmitoyltransferase 1A (CPT1A) ist für die Aufnahme von Fettsäuren in die Mitochondrien zur β-Oxidation verantwortlich. Ein Bericht beim Rind zeigt, dass die mRNA-Expression von CPT1A in großen Lutealzellen 5,6-mal höher ist als in Granulosazellen, während kein Unterschied in der Expression zwischen Theca- und kleinen Lutealzellen beobachtet wurde. Diese Daten unterstützen die Idee, dass die β-Oxidation eine wichtige Rolle bei der metabolischen Regulierung der großen Lutealzellen spielen könnte. Der Anteil der Atmung, der durch Fettsäuren in großen und kleinen Lutealzellen von Rindern unterstützt wird, muss noch experimentell bestimmt werden. Trotz ihrer grundlegenden physiologischen Bedeutung kann ein Überangebot an nicht veresterten Fettsäuren die Zellfunktion beeinträchtigen. Angesichts des großen Interesses an Krankheiten, die zu einer Lipidakkumulation führen, und an Zuständen (z. B. Fettleibigkeit, Diabetes, metabolisches Syndrom), die zu einer Erhöhung der freien Fettsäuren und einer Veränderung des Stoffwechsels führen, könnte das Verständnis der Regulierung der Lipidtröpfchen, der Glykolyse und der β-Oxidation im Gelbkörper Hinweise auf ihre Rolle bei der Steroidogenese und Hinweise zur Verbesserung der Eierstockfunktion, zur Behandlung von Eierstockstörungen und zur Steigerung der Fruchtbarkeit liefern.