Ketoza #7 – NLRP3, cz. 1

O układzie odpornościowym niejeden tom można napisać.

Podobnie jest w przypadku próby przedstawienia możliwie największej ilości szlaków, które modulują układ odpornościowy w przypadku konkretnej interwencji, na przykład ketozy.

W tej pracy dotkniemy jednego z kontekstów, by zasygnalizować jak daleko idące konsekwencje niesie ze sobą ten stan.

Świat nauki w 2016 wniósł wiele do świata keto. W 2016 pojawiło się m.in. badanie, które zlokalizowano właściwość ciał ketonowych: blokowanie inflamasomu NLRP3.

We wspomnianym badaniu naukowcy zajęli się szczurami dość intensywnie, ponieważ swoją pracę podzielili na – w zasadzie – trzy segmenty:

I. W pierwszym badali wpływ głodówki na formację inflamasomu NLRP3, czyli czy głodówka może być przeciwzapalna.

2. W drugim sprawdzali podawanie BHB (200 mg/kg masy ciała /dzień /przez 5 dni), in vivo oraz in vitro na NLRP3, czyli czy BHB może być przeciwzapalny.

3. W trzecim segmencie przeprowadzili studium molekularne na hodowli komórkowej, w której użyto komórek ludzkiego wątrobiaka HepG2, podejmując się próby wyjaśnienia dwóch wcześniejszych segmentów, czyli jak to jest możliwe?

Zacznijmy od tego jak w ogóle możemy przyjrzeć się obszarowi jakim jest modulacja procesów zapalnych.

 

ERS

Spośród kilku możliwości (np. profil cytokin, czy ocena objawów) i skali (tkankowa, komórkowa…), powyższa praca skupiła się przede wszystkim na zjawiskach obejmujących poziom komórkowy i to właśnie tam chciałbym nas teraz zabrać – do retikulum śródplazmatycznego, które będziemy określać angielskim skrótem ER.

Retikulum śródplazmatyczne to nic innego jak sieć korytarzy wewnątrz komórki, po których przemieszczają się rozmaite związki i która to (sieć) pełni zarazem funkcję podporowo-szkieletową, nadając od wewnątrz odpowiednią trójwymiarowość komórce i utrzymując jej kompartmenty we właściwej organizacji przestrzennej.

W trakcie stresu komórkowego, wolne rodniki mogą zniekształcić białka (wywołać tzw. zmianę konformacyjną), a co więcej – te zmienione białka, zaczynają następnie akumulować się w komórce.

Jeśli te białka akumulują się w retikulum, to jest to coś w rodzaju karambolu na autostradzie, tyle, że w skali subkomórkowej.

Zjawisko akumulacji zmienionych konformacyjnie białek w retikulum komórki jest sztandarowym zjawiskiem w chorobach neurodegeneracyjnych, np. w Alzheimerze

Stres retikulum śródplazmatycznego, które będziemy określać angielskim skrótem ERS, jest zjawiskiem związanym z wolnymi rodnikami i wynikającą z ich niekontrolowanej aktywności, akumulacją nieprawidłowo pofałdowanych białek wewnątrz retikulum.

Określeniem, które również stosujemy do opisania sytuacji, gdy dochodzi do akumulacji zmienionych konformacyjnie, dysfunkcyjnych białek, jest tzw. misfolding proteinowy –  aminokwasy (“cegiełki budujące białka), zmieniają swój kształt i położenie (czyli zmieniają swoją konformację) – taka geometryczna zmiana najczęściej (jeśli mówimy o sytuacjach patologicznych) uniemożliwia jego prawidłowe funkcjonowanie.

Oczywiście komórka wykrywa takie zjawiska.

NLRP3

Gdy ów misfolding proteinowy osiąga stopień ERS, komórka aktywuje tzw. Inflamasom NLRP3.

Zastanawiam się nad metaforą, która ułatwiłaby zobrazowanie tego… może porównajmy ERS do rytuału, w którym wywołujemy złego ducha (NLRP3), który zamierza przejąć władzę nad światem, przyzywając swoją armię ognistych demonów…?

A zatem zacznijmy od odważnego pytania: 

Czy można kontrolować ERS?

Jeśli potraktujemy poruszane zagadnienie jako problem badawczy (czy ketoza wpływa na stan zapalny?), należałoby zacząć od pytań organizacyjnych:

1. Jak chcemy wywołać stan ketozy?

2. Jak będziemy mierzyć stan zapalny?

Tutaj już ustaliliśmy, że będziemy pracować wokół NLRP3 – na sygnałach i substratach związanych z tym inflamasomem.

 

Segment I: głód

Jedną z takich metod jest oczywiście restrykcja kaloryczna, która na swym ekstremalnym biegunie przybiera formę głodówki lub postu (jak wiemy, to nie to samo) albo mówiąc bardziej nowocześnie, fastingu.

We wspomnianym badaniu z 2016, szczury (6- i 24- miesięczne, kolejno uznane za młode i stare) wprowadzono na 3-dniową głodówkę (idąc za autorami, starvation, a więc pojedziemy klasycznie – głód i głodówka). 

W porównaniu do szczurów BEZ-głodówki, głodówka doprowadziła do zwiększenia poziomu BHB w surowicy, z jednoczesnym obniżeniem wskaźników ERS (PERK [A], IRE1 [B], ATF6a [C]), zmniejszając również formację inflamasomu NLRP3 (ASC, kaspaza-1, NLRP3) [D]

Objaśnienie tych skrótów znajdziesz na kolejnych stronach. 

Kontynuujmy.

Inflamasom, o którym mowa, składa się z NLRP3, kaspazy-1 oraz domeny ASC – zespół ten jest w stanie spowodować auto-aktywację proteolitycznego działania kaspaz (trawienie białek). Przebudzenie NLRP3 możemy zobrazować sobie jako połączenie ASC z NLRP3 (tzw. oligomeryzacja) i wtedy ten ostatni staje się aktywny. 

Głodówka hamuje formację inflamasomu NLRP3, poprzez łagodzenie stresu w retikulum.

Gdy dochodzi do ERS, inflamasom zostaje przebudzony, powodując dojrzewanie i wyrzut cytokin pro-zapalnych (wysłanniki układu odpornościowego, które nasilają lub zmniejszają stany zapalne) – w związku z tym mierzono poziom – jednej z najpotężniejszych – interleukiny prozapalnej: IL-6.

Głód wpłynął na poziomy IL-6, co ciekawe zwiększając jej poziom wśród młodych, a obniżając wśród starych szczurów. 

Naukowcy sprawdzili również IL-1β, która znana jest przede wszystkim z dwóch ról: bierze udział w starzeniu oraz w gorączce i ma to do siebie, że rośnie z wiekiem.

Kiedy jednak wprowadzono szczury na głodówkę – poziom IL-1β obniżył się zarówno u młodych, jak i u seniorów.

W związku z powyższym, wiedząc, że wraz z wiekiem może wzrastać poziom wszystkich tych jednostek (ASC, NLRP3, kaspaza-1) – postanowiono zbadać ich poziomy, a efekty ukazały tendencje podobne do tych z IL-1β oraz IL-6.

Perspektywa kliniczna: BHB obniża IL-1β.

Warto również zwrócić uwagę na małą dygresję od stanu zapalnego per se.

W tym badaniu sprawdzono trójglicerydy i kwasy tłuszczowe we krwi na głodówce, a efekty mogą inspirować do postawienia pewnych pytań o sposoby regulacji lipidemii za pomocą nie tylko prostych, ale i darmowych narzędzi – narzędzi, które oczywiście mogą tak służyć, jak i szkodzić.

Telegraficznie zatem: powyższe informacje dowodzą na pułapie subkomórkowym tego, że głodówka moduluje układ odpornościowy, co obserwujemy m.in. poprzez obniżenie aktywności inflamasomu NLRP3. Najbardziej prawdopodobnym sprawcą całego zamieszania (choć oczywiście niekoniecznie jedynym) jest BHB, który na głodówce znacząco rośnie.


Objaśnienia:

[A] – PERK to skrót od “protein endoplasmic reticulum kinase” – jest to przekaźnik komórkowy, który po “zauważeniu” akumulacji zmienionych konformacyjnie białek w retikulum, promuje aktywność cytokin prozapalnych, łącznie z jedną z najsilniejszych i najpopularniejszych, IL-6.

[B] – IRE1, to enzym zależny od inozytolu, będący jednocześnie kinazą (dokładnie:  serynowo-treoninową).

Kinazy to enzymy, których główną rolą jest przenoszenie fosforu z albo na jakieś białko.

Przenoszenie fosforu (fosforylacja i defosforylacja) to nic innego jak dodawanie lub odejmowanie elektronów z wiązań międzyatomowych w danym białku.

Wpływając na te wiązania, kinazy wywołują zarazem zmianę konformacyjną białek, aktywując lub dezaktywując je.

Jeśli IRE1 działa “tylko trochę”, promuje przetrwanie komórki poprzez oczyszczenie retikulum ze zmienionych białek.

Jeśli jednak działa zbyt mocno lub zbyt długo – może komórkę zabić.

[C] – ATF6a to czynnik transkrypcyjny, który reguluje odpowiedź genów związanych z retikulum śródplazmatycznym, a więc i biorący udział w ERS, gdzie promuje zjawisko proteolizy, czyli trawienia białek zalegających w retikulum.

[D] – Jeśli uruchomione zostanie ASC, kodowane przez gen PYCARD, wtedy z kolei NLRP3 może uruchomić kaspazy-1, czyli nieco bardziej znane, potocznie nazywane “enzymy, które trawią od środka komórkę”, czyli jednostki wykonawcze wyroku śmierci na komórce.

W przypadku chorób autoimmunologicznych, stany zapalne (w tej pracy, ilekroć mówimy o stanach zapalnych, miejmy w pamięci NLRP3) i apoptoza są na porządku dziennym.


Segment II i III: BHB

BHB obniżyło ERS. Jak?

Zarówno in vivo, jak in vitro – wprowadzenie BHB (beta-hydroksymaślanu) wywołało zwiększoną ekspresję MnSOD oraz katalazy za pośrednictwem szlaku AMPK, modulowanego poprzez czynnik transkrypcyjny O3a.

Dysmutaza ponadtlenkowa oraz katalaza to enzymy, które przekształcają te mniej lub bardziej aktywne wolne rodniki tlenowe w formy „niegroźne”.

Obserwacje te dopełnia inne odkrycie – to, w którym okazało się, że BHB jest HDACi (inhibitorem deacetylaz histonowych), o czym więcej w kolejnym opracowaniu.

Znaczenie tego badania polega na odkryciu potencjalnie terapeutycznej roli BHB w zakresie tworzenia inflamasomu NLRP3:

1. Zmniejszenie ilości oraz aktywności dojrzałych cytokin pro-zapalnych – obniża się “poziom paniki” w komórce, potencjalnie zmniejszając zarówno stopień stanu zapalnego, jak i prawdopodobieństwo wystąpienia apoptozy.

2. Promocja przetrwania komórki poprzez stymulację autofagii za sprawą AMPK.
AMPK to czujnik energetyczny komórki, który najprawdopodobniej w sposób bezpośredni może uruchomić FOXO, który z kolei powoduje uodpornienie komórki na stres oksydacyjny oraz promuje długowieczność.

FOXO jest w stanie zwiększać ilość oraz aktywność systemów przeciwutleniających w komórce (źródło 1, źródło 2); o czym również powiemy więcej w kolejnych pracach).

3. Oprócz hamowania formacji NLRP3, BHB zmniejsza także stres oksydacyjny poprzez zwiększenie ekspresji endogennych systemów przeciwutleniających, które dezaktywują wolne rodniki w komórce – szczególnie MnSOD, Mt2 oraz katalazę. (przykład).

 

Część II w kolejnym artykule.

 


Źródła:

1. Bae et al. β-Hydroxybutyrate suppresses inflammasome formation by ameliorating endoplasmic reticulum stress via AMPK activation. Oncotarget. 2016; 7: 66444-66454.
2. Gerakis et al.Emerging roles of ER stress in the etiology and pathogenesis of Alzheimer’s disease. FEBS J. 2018 Mar;285(6):995-1011.
3. Starr et al. Age-Associated Increase in Cytokine Production During Systemic Inflammation-II: The Role of IL-1β in Age-Dependent IL-6 Upregulation in Adipose Tissue. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2015;70(12):1508–1515.
4. Kozak et al. IL-6 and IL-1 beta in fever. Studies using cytokine-deficient (knockout) mice. Ann N Y Acad Sci. 1998 Sep 29;856:33-47.
5. Greer et al. The Energy Sensor AMP-activated Protein Kinase Directly Regulates the Mammalian FOXO3 Transcription Factor. The Journal of Biological Chemistry 282, 30107-30119. October 12, 2007.
6. Greer et al. An AMPK-FOXO Pathway Mediates Longevity Induced by a Novel Method of Dietary Restriction in C. elegans. Current Biology 17, 1646–1656, October 9, 2007.
7. Shimazu et al. Suppression of Oxidative Stress by β-Hydroxybutyrate, an Endogenous Histone Deacetylase Inhibitor. Science 11 Jan 2013: Vol. 339, Issue 6116, pp. 211-214.