Apolipoproteiini A1 ilmentyminen ja oksidatiiviseen fosforylaatioon osallistuvat proteiinikompleksit : seerumi- ja lihaskudosanalyysit kaksosilla

Abstract

HDL-partikkelien merkitys rasva- ja kolesteroliyhdisteiden kuljettajana on tunnettu jo pitkään, mutta viimeaikaiset tutkimustulokset ovat antaneet viitteitä niiden monenlaisista muista tehtävistä elimistössä. Esimerkiksi HDL-partikkelien pääproteiinin, apolipoproteiini A1:n (ApoA1), on arveltu liittyvän luurankolihassolujen toimintaan ja esiintyvän myös muissa kudoksissa, kuin maksassa tai seerumissa. Tässä tutkielmassa tarkasteltiin ApoA1-proteiinin sekä oksidatiiviseen fosforylaatioon osallistuvien proteiinien ilmentymistä luurankolihaskudoksessa fyysiseltä aktiivisuudelta eroavilla kaksosilla. Lisäksi tutkittiin, onko seerumin ApoA1-pitoisuudella yhteyttä luurankolihasten soluhengitykseen osallistuviin proteiineihin.

Työssä käytettiin Jyväskylän yliopiston TwinActive (2007) - tutkimukseen kerättyä kaksosaineistoa (n=20; aktiivisia=10 ja inaktiivisia=10) sekä lihasnäytteistä analysoituja DNA geenisirutuloksia, proteiinien geenien ilmentymisen tarkasteluun. Lisäksi vuosina 2014 – 2016 jäljellä olevista lihasnäytteistä (n=13) tehtiin tätä tutkielmaa varten erillisiä analyysejä kvantitatiivista polymeraasiketjureaktiota sekä Western blot - menetelmää hyödyntäen. Tulosten tilastollinen analysointi toteutettiin IBM SPSS 22 - ohjelmistolla.

Kaksosparien vapaa-ajan liikunnallinen aktiivisuus erosi 30 vuoden ajan keskimäärin 9 MET tuntia/päivä (p≤0,05). Mann Whitney U-testillä arvioituna, seerumin ApoA1- ja ApoA1/ApoB-suhteessa ei havaittu eroja ryhmien välillä. Sen sijaan ApoA1-geeni ilmentyi kaksosten lihasnäytteissä mRNA-tasolla, mutta ei eronnut tilastollisesti merkitsevästi ryhmien välillä. Niin ikään ApoA1- ja HDL- partikkelien toimintaan liittyvien reseptorien (ABCA1, ABCG1, SR-B1, HNFα/γ) ja entsyymien geenejä (LCAT, CETP, PLPT, HL, PON1,2,3) ilmentyi kaksosten lihasnäytteissä mRNA-tasolla.

Western blot - määrityksissä oksidatiiviseen fosforylaatioon liittyvien proteiinien tasoissa ei havaittu eroja ryhmien välillä (n=13). Menetelmä arvioi kuitenkin ainoastaan yhden proteiinin ilmentymistä kussakin kompleksissa. Sen sijaan DNA geenisiruanalyysin perusteella 17 geenin ilmeneminen erosi tilastollisesti merkitsevästi (p≤0,05) ryhmien välillä (n=20). Aktiivisilla kaksosilla geenien ilmentyminen näytti olevan tehokkaampaa etenkin kompleksin 1 proteiineissa kuin inaktiivisilla kaksosilla. Seerumin ApoA1- muuttujilla ei ollut yhteyttä luurankolihaskudoksen proteiinimäärityksiin (n=13).

Tutkielma osoitti, että ApoA1-geeniä sekä ApoA1- ja HDL-partikkelien toimintaan liittyvien reseptorien ja entsyymien geenejä ilmentyi luurankolihaskudoksissa ihmisillä. ApoA1 ilmentymisen taso oli kuitenkin vähäistä verrattuna muiden tässä työssä tutkittujen geenien ilmentymisen tasoihin. Niin ikään ApoA1 ilmentyminen proteiinitasolla sekä toiminta luurankolihaksissa ihmisillä jäivät ratkaisematta. Fyysisen aktiivisuuden erot näyttivät vaikuttavan luurankolihasten oksidatiiviseen fosforylaatioon osallistuvien proteiinien ilmentymiseen mRNA-tasolla, samasta perimästä huolimatta. Fyysisellä aktiivisuudella saattaa olla positiivisia vaikutuksia esimerkiksi ikääntymisen mukanaan tuomiin muutoksiin mitokondrioiden proteiinikompleksien rakenteissa. Tässä työssä tehdyt havainnot kaipaavat tarkennusta esimerkiksi solujen toiminnallisia mittauksia hyödyntämällä.

The importance of HDL particles as the key components of the reverse cholesterol transport is well known. However recent studies have shown several other functions of HDL particles. For instance apolipoprotein A1 (ApoA1), the main protein of HDL particle has been associated with the components of skeletal muscle. Additionally ApoA1 have been shown to exist in other tissues than liver, or serum. The aim of this study was to investigate the gene expression of ApoA1 in human skeletal muscle. Furthermore the additional purpose of this study was to examine the expression of proteins involved in oxidative phosphorylation, and their association with serum ApoA1 in twin pairs discordant for leisure time physical activity.

The research data of TwinActive study (n=20; active=10 and inactive=10) which was conducted in the University of Jyväskylä in 2007 were utilized in the present study. The participants volunteered to give muscle samples in 2007. DNA microarray results (n=20) which had been carried out in 2008 of these samples were utilized in this study. Additionally separate analyses of the remaining muscle samples (n=13) were carried out with quantitative polymerase chain reaction and Western blot methods. The statistical analysis was carried out utilizing IBM SPSS 22 - software.

Twin pairs had been discordant for physical activity on average 9 MET hours/day (p≤0,05) over 30 years. There were no difference between the groups in serum ApoA1 and ApoA1/ApoB ratio evaluated by Mann Whitney U - test. However ApoA1 gene was expressed in skeletal muscle samples of all participants at the mRNA level. The expression did not differ significantly between the groups. Additionally specific ApoA1 and HDL receptors (ABCA1, ABCG1, SR-B1, HNFα/γ) and enzymes (LCAT, CETP, PLPT, HL, PON1,2,3) were expressed in skeletal muscles.

Western blot method did not reveal differences in the proteins of oxidative phosphorylation between the groups (n=13). However the method analysed only one protein of each complex. In contrast DNA microarray analysis showed that expression of 17 genes differed significantly between the groups (n=20). Especially genes coding the proteins of complex 1 appeared to be upregulated in the physically active twins (n=10). Serum ApoA1 variables were not associated with proteins of oxidative phosphorylation (n=13).

This study showed that the ApoA1 gene and genes involved in ApoA1 and HDL particles were expressed in human skeletal muscle. However the gene expression level of ApoA1 was low compared to the expression of other genes examined in this study. ApoA1 expression at the protein level as well as function in skeletal muscle in humans remained unresolved. Discordance in physical activity affected the expression of proteins involved in oxidative phosphorylation despite the identical or mainly identical genetic factors. Physical activity may have positive effects to the structures of protein complexes and it may delay age-dependent alterations in oxidative phosphorylation. The results of this study can be clarified for example utilizing the functional measurements of the skeletal muscle cells.