Main protein component of high density lipoprotein, apolipoprotein A1, modulates leukocyte cell respiration

Abstract

HDL:n (high density lipoprotein) pääproteiinikomponentin, apolipoproteiini A1:n (ApoA1), on todettu lisäävän glykolyysia ja oksidatiivista fosforylaatiota hiiren luurankolihassoluissa. ApoA1:llä oletetaan myös olevan merkittävä rooli lihaksen normaalissa aineenvaihdunnassa ja siihen liittyvissä sairauksissa. ApoA1 vaikuttaa leukosyyttien aktivaatioon ja jakautumiseen säätelemällä solun sisäistä kolesterolitasoa. Nämä muutokset vaikuttavat myös solun aineenvaihduntaan. ApoA1:n suoranaista vaikutusta leukosyyttien soluhengitykseen ei kuitenkaan ole aiemmin tutkittu. Aiemmin on esitetty, että leukosyyttejä voitaisiin käyttää biomarkkerina kuvaamaan muutoksia mitokondrioiden toiminnassa aineenvaihduntaan liittyvän stressin aikana. Eräässä tutkimuksessa leukosyyttien mitokondrioita käytettiin onnistuneesti kuvaamaan fysiologisia muutoksia sydänlihassoluissa. Tämän pro gradu -tutkimuksen taustalla on tulevaisuuden päämäärä siitä, että leukosyyttien mitokondrioiden avulla voitaisiin kuvata lihassoluissa tapahtuvia ApoA1 välitteisiä aineenvaihdunnan muutoksia. Tässä tutkimuksessa tavoitteena on selvittää vaikuttaako ApoA1 samoin leukosyyttien soluhengitykseen, kuin sen on aiemmin esitetty vaikuttavan lihassolujen soluhengitykseen. Tutkimuksella on kaksi hypoteesia: 1) ApoA1 lisää soluhengitystä ja 2) ApoA1 vaikuttaa soluhengityskompleksiproteiinien määrään leukosyyteissä. Soluviljelyolosuhteissa kasvavat ihmisen T lymfosyytit altistettiin ApoA1:lle 50 µg/ml konsentraatiossa 4, 12 tai 24 tunnin ajan. Muutoksia soluhengityksessä monitoroitiin korkean resoluution respirometrillä kokonaisissa (4, 12, 24h) ja läpäistyissä (12h) soluissa. Läpäistyjen solujen avulla pystyttiin tutkimaan kullekkin hengityskompleksille ominaista soluhengitystä. ApoA1:n vaikutusta hengityskompleksiproteiinien määrään tutkittiin western blot – menetelmällä käyttäen viiden vasta-aineen sekoitusta. Soluhengitys oli tilastollisesti merkittävästi lisääntynyt ROUTINE (p= 0.040) ja ETS (p= 0.011) hengitystiloissa kokonaisissa soluissa, joita oli altistettu ApoA1:lle 4 tunnin ajan. ROUTINE hengitystila kuvaa kokonaisten solujen soluhengitystä kasvatusmediumin substraateilla. ETS hengitystila kuvaa oksidatiiviseen fosforylaatioon liittyvän elektroninsiirron maksimaalista kapasiteettia. ApoA1:lle 4 tunnin ajan altistetuissa soluissa ROUTINE hengitystila oli kauempana ETS hengitystilasta (p= 0.035), kuin kontrolli soluissa. Hengityskompleksi IV:n proteiinimäärä oli alentunut (p= 0.018) ApoA1:lle altistetuissa soluissa. Hengityskompleksikohtainen hengitys ei tuottanut tilastollisesti merkittäviä tuloksia. Kokonaisilla soluilla saadut tulokset vahvistivat ensimmäisen hypoteesin. Nämä tulokset osoittavat että ApoA1 lisää ETS kapasiteettia leukosyyteissä. Lisääntynyt ETS kapasiteetti nostaa myös ROUTINE –tilan hengitystä ja ylijäämä hengitystasoa. Toinen hypoteesi vahvistettiin myös, sillä hengityskompleksi CIV:n proteiinimäärä oli merkittävästi alentunut. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta että ApoA1 lisää soluhengitystä kokonaisissa leukosyyteissä ja muokkaa soluhengityskompleksien proteiineja. On kuitenkin otettava huomioon, että tämä tutkimus on alustava ja toteutettu pienellä näytemäärällä. Tulosten varmistamiseksi on suotavaa tehdä vielä lisätutkimuksia suuremmalla näytemäärällä. Läpäistyistä soluista ei onnistuttu saamaan merkitseviä tuloksia, sillä metodissa havaittiin useita artifaktoja. Hengityskompleksikohtaista hengitystä olisi syytä tutkia tulevaisuudessa, että saataisiin tarkempaa tietoa ApoA1:n vaikutuksesta soluhengitysketjun eri osiin.. Tässä havaitut tulokset ovat kaikesta huolimatta lupaavia leukosyyttien biomarkkerina käytön tulevaisuuden kannalta.

The main protein component of high density lipoprotein (HDL), apolipoprotein A1 (ApoA1), has previously been shown to stimulate glycolysis and mitochondrial oxidative phosphorylation in mouse muscle cells. ApoA1 is also suggested to have a role in normal metabolism and metabolic diseases in skeletal muscle. In leukocytes, by regulating cellular cholesterol, ApoA1 is able to affect leukocyte cell activation and proliferation and through these actions, cell metabolism can be changed. However, direct effects of ApoA1 to leukocyte cell respiration have not been studied. Leukocytes have been suggested to function as predictive biomarkers of mitochondrial function under metabolic stress. Leukocyte mitochondria have previously been used to reflect physiological changes in heart muscle cells and the ultimate target is that leukocytes could be used to reflect ApoA1 related metabolic changes in muscle cells. The aim of this preliminary study was to examine whether ApoA1 has similar effect on leukocyte cell respiration, as it does on mouse muscle mitochondria. First hypothesis is that ApoA1 increases human leukocyte cell respiration and second hypothesis is that ApoA1 affects the amount of respiration complex proteins in human leukocytes. To examine the effect of ApoA1 to cell respiration, cultured human T lymphocytes were incubated for 4, 12 or 24 hours with 50 µg/ml of ApoA1. Cell respiration was studied with high resolution respirometry in intact (4h, 12h, 24h) cells and complex specific respiration was studied with permeabilized cells (12h). Glutamate, malate, succinate, ADP, oligomycin, CCCP, rotenone and antimycin A were used to induce different respiration states. Effect of ApoA1 on respiration complex proteins was determined with western blot using antibody cocktail for proteins of five different respiration complexes. Increase in cell respiration was statistically significant at ROUTINE respiration (p= 0.040) and ETS capacity (p= 0.011) in intact cells treated with ApoA1 for 4 hours. ROUTINE respiration reflects respiration in intact cells by growth medium substrates. ETS capacity reflects the maximal capacity of oxidative phosphorylation related electron transfer. ROUTINE control ratio was significantly decreased (p= 0.035) in 4 hours ApoA1 treated intact cells. This indicates that ROUTINE respiration is operating closer to ETS capacity in control cells than in ApoA1 cells. Respiration complex IV proteins were significantly decreased in ApoA1 treated cells (p= 0.018). Complex specific respiration in permeabilized cells was not significantly affected by ApoA1 treatment. First hypothesis was confirmed by results obtained with intact cells. These results indicate ApoA1 increased ETS capacity in leukocytes. Increased ETS capacity leads to increased ROUTINE respiration and residual respiration. Second hypothesis was confirmed since significant decrease in CIV protein was discovered with western blot. Based on this study, it can be concluded that ApoA1 increases cell respiration in intact leukocytes and affects respiration complex proteins. However, this study was limited preliminary study and further experiments with larger sample size are needed to confirm the obtained results. Due to several artifacts significant results were not obtained regarding complex specific respiration in permeabilized cells. Respiration in permeabilized cells should be examined in future studies to gain knowledge of more detailed effects of ApoA1 to cell respiration. Nonetheless the results obtained here are promising for the future use of leukocytes to reflect metabolism in muscle cells.