Surfactantlipid-Biosynthese: Regulation des transmembranären Palmitat- Transportes

Abstract

Die Senkung der Inzidenz des Atemnotsyndroms durch die pränatale Lungen-rei- feinduktion und die deutlich verringerte Letalität des Atemnotsyndroms seit Einführung der Surfactant-Therapie haben in erheblichem Umfang zur Abnahme der Säuglings-sterblich-keit beigetragen. Die Fortschritte innerhalb der letzten Jahre sind hinsichtlich der Co-Morbidität des Atemnotsyndroms allerdings deutlich geringer als in den Jahren vor 1990. Bei der Induktion der pränatalen Lungenreife wurde die Bedeutung der langketti-gen Fettsäuren (LCFA) als Substrat der Surfactantlipidsynthese nur am Rande unter-sucht. Mit dem Ziel, die körpereigene Surfactantbildung während der foetalen und/oder neonatalen Entwicklung gezielt zu steigern, haben wir Regulationsmechanismen der de novo Phosphatidylcholin-Synthese in Typ II Zellen untersucht. Der Schwerpunkt unserer Arbeit lag auf der Charakterisierung der Aufnahme von Palmitinsäure durch Typ II Zellen, da durch die ausreichende Bereitstellung dieses Substrates eine Steigerung der Surfac-tantlipidsynthese erzielbar ist. Zu Beginn unserer Untersuchungen wurde der Transport von LCFA durch die Zellmembran grundsätzlich kontrovers � passiv vs. proteinvermittelt - diskutiert. Wir untersuchten deshalb zunächst den transmembranären Transport von Palmitat hinsichtlich seiner Kinetik und Energieabhängigkeit und zeigten, daß FAT/CD36 für etwa 70 % der Palmitataufnahme isolierter Typ II Zellen verantwortlich ist. Die Palmitat-auf-nahme wird nicht über "coated pits", sondern über Caveolae-ähnliche Strukturen der Typ II Zellmembran, sogenannten DIGs, vermittelt. Durch Manipulation des zellulären Chole-sterolgehaltes gelang es uns, FAT/CD36 in DIGs anzureichern und dabei die Palmitatauf-nahme drastisch zu steigern. Die an FAT/CD36 gebundene Palmitinsäure braucht einen Lösungsvermittler um in das Cytosol zu gelangen. FABPs sind cytosolische Proteine, die die Lösung der LCFA vermitteln können. Folgerichtig ist die Palmitat-aufnahme und Phosphatidycholin-Synthese in Typ II Zellen von H-/E-FABP double knock out-Tieren verringert. Wird die Expression von FAT/CD36 und Caveolin-1 durch den PPARgamma-Aktivator Pioglitazon erhöht, steigen Palmitataufnahme und Phosphatidycholin-Synthese wieder auf das Niveau des Wildtypes. Die Kompensation des FABP-knock-out Effektes durch Pioglitazon beruht sehr wahrscheinlich auf einer Interaktion von Caveolin-1 und PPARgamma, die wir erstmals nachweisen konnten. Kürzlich wurde beschrieben, daß sich Vesikel, die Caveolin-1 enthalten, abschnüren und möglicherweise LCFA wie FABPs durch das Cytosol transportieren können. Diese und die von anderen Arbeitsgruppen gewonnenen Daten zeigen klar, daß membranständigen Fettsäuretransportern - hier FAT/CD36 - eine wichtige Rolle bei der Fettsäureaufnahme zukommt und daß die Zelle über verschiedene Mechanismen der Regulation der Palmitataufnahme verfügt. Die Beschleunigung der initialen Palmitatauf-nahme in Typ II Zellen geht mit einer Steigerung der Phosphatidylcholin-Synthese einher, die wahrscheinlich durch eine Aktivierung der Cytidylyltransferase vermittelt wird. Es ist aber auch denkbar, daß das vermehrte intrazelluläre Angebot an Fettsäure die Glycerin-3-phosphat Acyltransferase stimuliert, die ebenfalls geschwindigkeitsbestimmend bei der Phosphatidylcholin-Synthese sein kann. Wir konnten zeigen, daß Vitamin E-Depletion die Aktivität der Glycerin-3-phosphat Acyltransferase und die Synthese von Phosphatidyl-cholin in Typ II Zellen senkt. Die Oxidation von funktionellen SH-Gruppen des Enzyms bei Vitamin E-Mangel hemmt seine Aktivität. Es ist bekannt, daß die verringerte Phosphati-dylcholin-Synthese in Typ II Zellen unter Ozon mit einer isolierten Hemmung der Glycerin-3-phosphat Acyltransferase einhergeht. Die Kombination beider Faktoren, Vitamin E-Mangel und oxidative Belastung der Typ II Zelle, ist klinisch, vor allem bei unreifen Neugeborenen, relevant und beeinträchtigt sehr wahrscheinlich die Phosphatidylcholin-Synthese. Nach unserer Kenntnis ist der Effekt von Vitamin E auf die Inzidenz oder den Schweregrad des Atemnotsyndroms nicht untersucht. Ob unsere tierexperimentell gewonnenen Daten zur Phosphatidylcholin-Synthese bei Vitamin E-Mangel von klinischer Relevanz sind, läßt sich daher gegenwärtig nicht abschätzen.

Considering the mechanisms by which antenatal maturation of lung can be induced, the role of long chain fatty acids as precursors of surfactant lipid synthesis has not been thoroughly investigated. To specifically increase surfactant synthesis during the fetal and/or neonatal period we studied the regulation of de novo phosphatidyl synthesis in type II pneumocytes. First, we characterised the transmembrane transport of palmitate, a long chain fatty acid prevalent in surfactant lipids, with regard to its kinetic and energy dependence and showed that FAT/CD36 facilitates around 70 % of palmitate uptake into type II pneumocytes. Palmitate uptake does not depend on coated pits but is mediated by membrane structures which are similar to caveolae, so called DIGs. Increase of cellular concentration of cholesterol caused a significant enrichment of FAT/CD36 in DIGs of type II cells which was accompanied by a drastically enhanced palmitate uptake. Once inside the cell, palmitate is bound to members of the family of fatty acid binding proteins (FABP). We identified two members, the epidermal (E-) and the heart (H-) type FABP in type II cells. Based on the assumption that E-FABP and H-FABP in alveolar type II cells mediate the synthesis of dipalmitoyl phosphatidylcholine, the main surfactant phospholipid, we analysed TII cells isolated from wild type (wt) and E/H-FABP double-knock out (double-ko) mice. Application of labelled palmitic acid to these cells revealed a drop in uptake, β-oxidation, and incorporation into neutral lipids and total phosphatidylcholines of TII cells from double-ko mice. Whereas incorporation of labelled palmitic acid into DPPC remained unchanged, degradation studies demonstrated a substantial shift in DPPC synthesis from de novo to reacylation. In addition, increased expression of mRNAs encoding fatty acid translocase (FAT), caveolin-1 and PPARγwas observed in the double-ko phenotype. As caveolin-1 interacted with PPARγ we assumed that FAT, caveolin-1, and PPARγ form a signalling chain for fatty acid or drug. Consequently, PPARγ-selective pioglitazone was added to the diet of double-ko mice. We found that further activation of PPARγ could �heal� the E/H-FABP double-ko effect in these TII cells as transport and utilisation of labelled palmitic acid restored a wt phenocopy. This indicated that E-FABP and/or H-FABP are involved in the mediation of DPPC synthesis in wt TII cells. These data and data obtained by other groups clearly indicate that membrane-bound fatty acid carriers, e.g. FAT/CD36, play an important role in long chain fatty acid uptake and that mammalian cells possess different mechanisms to regulate palmitate uptake. Increase of palmitate uptake is paralleled by an increased phosphatidylcholine synthesis, probably mediated by activation of cytidylyl transferase.