Transkriptionsregulierung der Lipogenese
Die in den letzten Jahren gesammelten Erkenntnisse deuten darauf hin, daß die Auswirkungen verschiedener Nährstoffe und Hormone auf die Expression lipogener Gene durch die SREBPs vermittelt werden (Hua et al., 1993; Tontonoz et al., 1993; Yokoyama et al., 1993). SREBPs sind Transkriptionsfaktoren, die die Expression von Genen im Zusammenhang mit dem Cholesterin- und Fettsäurestoffwechsel regulieren. Sie gehören zur Gruppe der Basic-Helix-Loop-Helix (bHLH)-Leucin-Reißverschluss-Transkriptionsfaktoren und können in drei Typen unterteilt werden: SREBP-2, SREBP-1a und SREBP-1c (auch ADD1 genannt). SREBP-1a und -1c, von denen SREBP-1c als der physiologisch relevanteste gilt, sind Produkte eines einzigen Gens, die sich in ihrem ersten Exon unterscheiden. Seit seiner Entdeckung im Jahr 1993 ist die molekulare Wirkungsweise von SREBP-2 sehr gut charakterisiert worden. Wenn der Gehalt an freiem Cholesterin in der Zelle hoch ist, liegt SREBP-2 in Form eines großen unreifen Vorläufers vor, der an das endoplasmatische Retikulum gebunden ist. Wenn die zelluläre Cholesterinkonzentration abnimmt, wird das Vorläufermolekül proteolytisch gespalten und ein reifes Fragment freigesetzt, das in den Zellkern wandert. Im Zellkern bindet das reife SREBP-2 an ein sogenanntes Sterol-Response-Element in der Promotorregion von Zielgenen und aktiviert dadurch deren Transkription.
Studien an transgenen Mäusen, die SREBP-2 in der Leber überexprimieren, deuten darauf hin, dass SREBP-2 die Expression von Genen stimuliert, die am Cholesterinstoffwechsel beteiligt sind, wie z.B. der LDL-Rezeptor, die Farnesylpyrophosphat-Synthase und HMG-CoA-Reduktase-Gene. Interessanterweise wurde bei Mäusen, die SREBP-1a oder SREBP-1c in der Leber überexprimieren, ein dramatischer Anstieg der hepatischen Triglyceride und eine erhöhte Expression von lipogenen Genen beobachtet. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass SREBP-1 Gene aktiviert, die mit der Lipogenese in der Leber in Verbindung stehen (nachzulesen in Horton und Shimomura, 1999).
Überraschenderweise zeigte der Phänotyp von SREBP-1-Null-Mäusen, dass SREBP-1 wahrscheinlich eine etwas andere Rolle im Fettgewebe hat. Bei diesen Mäusen war weder die Masse des Fettgewebes noch die Expression von Fettsäure-Synthase und Acetyl-CoA-Carboxylase im Fettgewebe beeinträchtigt (Shimano et al., 1997). Weitere Hinweise auf eine andere Rolle von SREBP-1 im Fettgewebe ergaben sich aus Studien mit transgenen Mäusen, die SREBP-1c unter Kontrolle des aP2-Promotors exprimieren (zur fettgewebespezifischen Überexpression). Im weißen Fettgewebe dieser Mäuse war die Expression von Genen, die am Cholesterinstoffwechsel beteiligt sind, deutlich erhöht, während die Expression von Genen, die an der Fettsäure- und Triglyceridsynthese beteiligt sind, unverändert blieb (Shimomura et al., 1998). Eine noch auffälligere und kontraintuitive Beobachtung bei diesen Mäusen war, dass ihre Fettgewebemasse auf weniger als die Hälfte derjenigen von Wildtyp-Mäusen reduziert war. Die Erklärung für die verringerte Fettmasse ist nach wie vor schwer zu finden, könnte aber mit der verringerten Expression der adipogenen Transkriptionsfaktoren Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor γ (PPARγ) und CCAAT-Enhancer-Binding-Protein (C/EBPα) zusammenhängen. Insgesamt deuten diese Daten darauf hin, dass die Rolle von SREBP-1 in Leber und Fettgewebe unterschiedlich sein könnte.
Es wird immer deutlicher, dass die Induktion der lipogenen Genexpression in der Leber durch Insulin und Glukose von SREBP-1 vermittelt wird. In der Tat zeigen SREBP-1-Null-Mäuse eine gestörte Hochregulierung der lipogenen Genexpression bei einem Fasten/Wiederfütterungsprotokoll (Shimano et al., 1999). Insulin und Glukose beeinflussen die Transkriptionsaktivität von SREBP-1 über mehrere Mechanismen. Erstens hat sich gezeigt, dass Insulin die mRNA-Expression von SREBP-1 in Adipozyten (Kim et al., 1998) und Hepatozyten (Foretz et al., 1999b) stimuliert, eine Wirkung, die wahrscheinlich über den Phosphatidylinositol-3-Kinase-Weg vermittelt wird (Azzout-Marniche et al., 2000). Darüber hinaus erhöht Insulin wahrscheinlich die Transkriptionsaktivierung durch SREBP-1, unabhängig von Veränderungen seiner mRNA-Spiegel, über eine MAP-Kinase-abhängige Phosphorylierung (Roth et al., 2000). Wie Insulin stimuliert auch Glukose die Aktivität des SREBP-1-Promotors und die mRNA-Expression (Hasty et al., 2000). Der relative Anstieg der nukleären Form von SREBP-1 nach einer Kohlenhydrat-Rehabilitation (Horton et al., 1998) deutet darauf hin, dass Insulin und Glukose auch die SREBP-1-abhängige Gentranskription stimulieren können, indem sie die proteolytische Spaltung von membrangebundenem SREBP-1 aktivieren. Eine direkte Wirkung von Insulin oder Glukose auf die proteolytische Spaltung des SREBP-1-Vorläufers konnte jedoch nicht nachgewiesen werden (Azzout-Marniche et al., 2000; Hasty et al., 2000).
Polyungesättigte Fettsäuren regulieren ebenfalls die Expression lipogener Gene. Im Gegensatz zu Glukose und Insulin regulieren sie jedoch die Genexpression herunter. Dieser Effekt wird durch die Hemmung der mRNA-Expression von SREBP-1 (Kim et al., 1999; Mater et al., 1999; Xu et al., 1999; Yahagi et al., 1999) sowie durch die Hemmung der proteolytischen Verarbeitung des SREBP-1-Vorläufers (Thewke et al., 1998) erreicht.
SREBP-1 spielt eindeutig eine zentrale Rolle bei der Vermittlung der Auswirkungen von Insulin auf die Genexpression, ist aber wahrscheinlich nicht der einzige beteiligte Transkriptionsfaktor. In vitro-Studien haben die Bedeutung der Upstream Stimulatory Factors (USFs) bei der Regulierung des Fettsäuresynthase-Promotors durch Insulin eindeutig nachgewiesen. USFs sind ubiquitäre bHLH-Leucin-Zipper-Transkriptionsfaktoren, die als Homo- und/oder Heterodimere mit E-Boxen der CANNTG-Sequenz interagieren können (Wang und Sul, 1997). Eine solche E-Box befindet sich im Promotor der Fettsäuresynthase. Mutationen, die die Bindung von USF1 und USF2 an diese E-Box schwächen, heben die insulinabhängige Aktivierung des Fettsäuresynthase-Promotors auf. Jüngste Studien mit Mäusen, denen USF1 und/oder USF2 fehlt, haben sehr überzeugende Beweise dafür geliefert, dass USF1 und USF2 an der Vermittlung der stimulierenden Wirkung von Insulin/Glukose auf die Fettsäuresynthase-Expression beteiligt sind (Casado et al., 1999). Die Wirkungen von USFs und SREBP-1 scheinen additiv und unabhängig zu sein (Latasa et al., 2000). Schließlich könnte Glukose die Expression lipogener Gene über einen Kohlenhydrat-Reaktions-Transkriptionsfaktor (ChoRF) regulieren, der noch nicht kloniert worden ist. Spezifische Response-Elemente, die diesen Transkriptionsfaktor binden, wurden im Promotor von Zielgenen wie der Pyruvatkinase identifiziert (Koo und Towle, 2000).
Ein wichtiger Transkriptionsfaktor im Fettgewebe ist der Kernhormonrezeptor PPARγ. Trotz seines Namens wird dieses Protein nicht durch Peroxisomenproliferatoren, sondern durch Fettsäuren und deren Eicosanoid-Derivate sowie durch Medikamente aus der Klasse der Thiazolidindione aktiviert (Kersten et al., 2000a). PPARγ ist Teil des Adipozyten-Differenzierungsprogramms, das die Differenzierung von Prä-Adipozyten in reife Fettzellen bewirkt. Bislang ist nur eine begrenzte Anzahl von Genen bekannt, die durch PPARγ im Fettgewebe reguliert werden. Diese kodieren das adipozytäre Fettsäurebindungsprotein, die Lipoproteinlipase, das Fettsäuretransportprotein (FATP), die Acyl-CoA-Synthetase, die Phospho-enol-Pyruvat-Carboxykinase und den Fasten-induzierten Adipositasfaktor FIAF/PPARγ Angiopoietin-verwandten PGAR (Kersten et al., 2000b; Yoon et al., 2000). Aufgrund der Identität dieser Gene und der Beobachtung, dass die PPARγ-Expression durch Insulin (Vidal-Puig et al., 1997) und durch SREBP-1 (Fajas et al., 1999) stimuliert wird, würde man erwarten, dass PPARγ nicht nur eine adipogene Wirkung, sondern auch eine lipogene Wirkung hat. Dies wird durch klinische Daten gestützt, die zeigen, dass Patienten, die synthetische PPARγ-Aktivatoren einnehmen, häufig an Gewicht zunehmen (Fuchtenbusch, 2000). Außerdem weisen heterozygote PPARγ-Mäuse bei fettreicher Ernährung kleinere Fettspeicher auf (Kubota et al., 1999; Miles et al., 2000). Induzierbare und gewebespezifische PPARγ-Knock-out-Modelle dürften sehr aufschlussreich sein, um weitere Erkenntnisse über die Funktion von PPARγ in reifen Fettzellen zu gewinnen. Obwohl PPARγ in Hepatozyten normalerweise nur minimal exprimiert wird, ist die hepatische Triglyceridakkumulation mit einem dramatischen Anstieg der PPARγ-Expression verbunden, was darauf hindeutet, dass PPARγ eine Rolle bei der Stimulierung der Lipogenese spielen könnte (Chao et al., 2000).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die letzten Jahre eine Flut neuer Daten über die Mechanismen der Regulierung der Lipogenese durch Nährstoffe und Hormone gebracht haben. Es ist nun klar, dass SREBP-1 und in geringerem Maße USF1 und USF2 eine zentrale Rolle bei der Vermittlung der Auswirkungen von Nährstoffen und Hormonen auf die lipogene Genexpression in der Leber spielen. Im Fettgewebe ist ein anderer Transkriptionsfaktor, PPARγ, entscheidend für die Regulierung der Adipogenese und Lipogenese. Die Rolle, die SREBP-1 im Fettgewebe spielt, ist noch nicht eindeutig geklärt. Insgesamt sind SREBP-1 und PPARγ jedoch zu attraktiven Zielen für pharmazeutische Interventionen bei Erkrankungen wie Hypertriglyceridämie und Adipositas geworden.