Nutritional effects on angiotensin-converting enzyme (ACE) and its determination by genotype

Abstract

Angiotensin-converting enzyme (ACE) is a critical component of the renin–angiotensin system (RAS) that not only regulates blood pressure and maintains the homeostasis of the cardiovascular system, but also has regulatory effects on lipid metabolism. In our NUtriGenomic Analysis in Twins (NUGAT) study, 46 pairs of healthy, nonobese twins were given a low-fat diet (LF, 55% carbohydrates, 30% fat, 15% protein) for 6 weeks to standardize for nutritional behavior, followed by a high-fat (HF, 40% carbohydrates, 45% fat, 15% protein) diet for 6 weeks under isocaloric conditions. After 6 weeks of HF diet, the expression level of ACE gene significantly increased both in circulation and in adipose tissue. We sought to examine the interaction of a frequent ACE genetic polymorphism with the nutritionally altered expression of the ACE gene. We observed that the presence of the ACE rs4343 gene polymorphism makes individuals of different genotypes have different susceptibility to the risk of hypertension and type 2 diabetes caused by HF diet. Specifically, HF diet had more adverse effects on circulating ACE levels, blood pressure and glucose metabolism in homozygotic twins with GG genotype. The interaction was confirmed in the MeSyBePo (Metabolic Syndrome Berlin Postdam) study. To investigate how HF diet increased the expression of ACE gene in adipose tissue, we conducted studies using human adipose stromal cells (ASCs) that were isolated from four patients undergoing bariatric surgery. Palmitic acid (PA) was added to the culture medium as a representative of saturated fatty acids, but it did not lead to significant changes in ACE mRNA expression and ACE activity compared to the fatty acid-free group. In contrast, arachidonic acid (AA), a representative of unsaturated fatty acids, decreased the ACE level in a dose-dependent manner, but the effect of 100 µM AA was reversed by 5 µM nuclear factor-κB (NF-κB) inhibitor BAY117082. Moreover, the presence of 10 µM of HET0016 – a specific inhibitor of the AA metabolite 20-hydroxyeicosatetraenoic acid (20-HETE) - in the medium blocked the effect of AA on reducing ACE mRNA expression and ACE activity. In summary, our data suggested that ACE is a potential molecular link between dietary fat intake and hypertension as well as cardiovascular disease. In addition, the interaction between the ACE rs4343 variant and dietary fat intake may influence the risk of hypertension and type 2 diabetes. The GG genotype represents a nutrigenetic marker for an adverse response to HF diet. In subcutaneous adipocytes cultured from morbidly obese individuals, AA can reduce ACE mRNA expression and ACE activity through NF-κB-dependent pathways.

Das Angiotensin-Converting-Enzym (ACE) ist eine wichtige Komponente des Renin- Angiotensin-Systems (RAS), das den Blutdruck reguliert und die Homöostase des Herz-Kreislauf-Systems aufrechterhält. Es hat auch metabolische Steuerungseinflüsse. Studien haben gezeigt, dass sich der zirkulierende ACE-Spiegel bei Adipositas und Gewichtsverlust ändert. In unserer NUGAT-Studie (NUtriGenomic Analysis in Twins) haben wir gezeigt, dass eine Ernährung mit hohem Gehalt an gesättigten Fettsäuren (HF) den ACE-Spiegel erhöhen kann. In dieser Studie erhielten 46 Paare gesunder, nicht adipöser homozygoter und heterozygoter Zwillinge 6 Wochen lang eine fettarme (LF, 55% Kohlenhydrate, 30% Fett, 15% Eiweiß) Diät, die reich an Kohlenhydraten war, gefolgt von einer fettreichen (HF, 40% Kohlenhydrate, 45% Fett, 15% Eiweiß) Diät für 6 Wochen unter isokalorischen Bedingungen. Nach 6 Wochen HF-Diät erhöhte sich die Expression des ACE-Gens im Fettgewebe und die zirkulierenden ACE-Spiegel im Blut. Die Analyse des ACE-rs4343-Genpolymorphismus ergab, dass bei homozygoten Zwillingen des GG-Genotyps eine fettreiche Ernährung den zirkulierenden ACE-Spiegel erhöhte, ebenso wie den Blutdruck und die Glukosespiegel. Um den Mechanismus der HF-Diät zur Erhöhung der Expression des ACE-Gens im Fettgewebe weiter zu untersuchen, führten wir in-vitro-Studien mit humanen subkutanen Adipozyten durch. Dafür wurde subkutanes Gewebe von vier übergewichtigen Patienten im Rahmen einer bariatrischen Operation entnommen. Aus humanem subkutanem Fettgewebe wurden dann humane mesenchymale Stammzellen (MSC) isoliert und zu reifen Adipozyten in vitro differenziert. Die ACE-mRNAExpression und die ACE-Aktivität in differenzierten Adipozyten wurden in Gegenwart verschiedener Stimuli gemessen. Nach einer Stimulation mit Palmitinsäure als Vertreter gesättigter Fettsäuren, gab es keine statistisch signifikante Änderungen der ACE-mRNA-Expression und der ACE-Aktivität. Die Stimulation mit Arachidonsäure (AA), als Vertreter ungesättigter Fettsäuren in verschiedenen Konzentrationen, führte zu einer dosisabhängigen Abnahme der ACE-mRNA Expression und der ACEAktivität in Adipozyten . Diese Effekte bei 100 μM AA konnten durch eine Zugabe von 5 μM Nuclear factorkappa B (NF-κB)-Inhibitor aufgehoben werden. Außerdem führte eine Zugabe von 10 μM 20-Hydroxyeicosatetraensäure (20-HETE)-spezifischem Inhibitor HET0016 zur Verringerung der ACE-mRNA-Expression und der ACE-Aktivität. Zusammenfassend kann eine fettreiche Ernährung die Expression und Aktivität von ACE im menschlichen Körper erhöhen, was darauf hindeutet, dass ACE ein potenzielles molekulares Bindeglied zwischen der fettreichen Ernährung und dem Bluthochdruck sowie den Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) darstellen kann. Die Existenz des ACE rs4343- Genpolymorphismus könnte dazu führen, dass Personen mit unterschiedlichen Genotypen unterschiedlich anfällig für das Risiko von Bluthochdruck, Herz-Kreislauf- Erkrankungen und Diabetes sind, die durch eine fettreiche Ernährung mit hohem Anteil gesättigter Fettsäuren verursacht werden. In humanen differenzierten Adipozyten kann die AA, als eine ungesättigte Fettsäure, die ACE-mRNA-Expression und die ACE-Aktivität über den NF-κB-abhängigen Signalweg hemmen.