京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第19241号 / 農博第2138号 / 新制||農||1036(附属図書館) / 学位論文||H27||N4945(農学部図書室) / 32240 / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 植田 和光, 教授 矢﨑 一史, 教授 栗原 達夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第23953号 / 農博第2502号 / 新制||農||1091(附属図書館) / 学位論文||R4||N5388(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 木岡 紀幸, 教授 矢﨑 一史, 教授 三芳 秀人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

Les patients atteints de la maladie de Tangier présentent des niveaux très bas de lipoprotéines de haute densité (HDL), un facteur de risque pour le développement des maladies cardiovasculaires. In vivo, les HDL ont un effet protecteur important contre l’athérosclérose puisqu’elles effectuèrent le transport à rebours du cholestérol des tissus périphériques vers le foie. Or, la maladie de Tangier est causée par des mutations dans le gène du transporteur « ATP-binding cassette A1 » (ABCA1). Le modèle actuel stipule que ce transporteur assure la lipidation de l’apolipoprotéine A-I (apoA-I), la composante protéique majeure des HDL, pour former des particules HDL naissantes discoïdales. Un défaut dans la lipidation de l’apoA-I par l’ABCA1 abolit la biogénèse des HDL. Nous avons voulu étudier les sites d’interaction de l’ABCA1 avec son ligand (l’apoA-I), les voies de biogénèse impliquées, et l’implication des pré-β-HDL dans l’efflux du cholestérol par la voie de l’ABCA1. D’abord, nous avons utilisé un système de culture cellulaire (fibroblastes humaines et BHK-ABCA1-inductible) afin de déterminer les sites de liaison cellulaires de l’apoA-I, leurs localisations et l’implication de l’ABCA1. Nous avons trouvé que la majorité de l’apoA-I n’est pas associée à l’ABCA1 et, deux tiers de cet apoA-I, était à la membrane plasmique. Ensuite, Une étude plus détaillée examinait les voies de lipidation de l’apoA-I, soit au niveau de la membrane plasmique (MP), soit aux compartiments intracellulaires (CICs). Nous avons montré que la lipidation de l’apoA-I a lieu aux deux niveaux (MP et CICs) selon deux voies différentes cinétiquement. Finalement, nous avons montré que les pré-β-HDL effluent aussi (efficacement que l’apoA-I) le cholestérol par la voie de l’ABCA1. Ces observations réunies démontrent que 1) la majorité de l’apoA-I s’est trouvé non-associée à l’ABCA1; 2) deux tiers de l’apoA-I s’associent a la membrane plasmique; 3) la lipidation de l’apoA-I se fait en partie à la membrane plasmique et, par la voie de retro-endocytose du complexe apoA-I/ABCA1. / Patients affected with Tangier disease show abnormal low levels of high density lipoproteins (HDL), a risk factor for the development of cardiovascular diseases. In vivo, HDL has an important protective effect against atherosclerosis since they accomplish the reverse cholesterol transport from peripheral tissues towards the liver. However, Tangier disease is caused by mutations in the gene of the transporter “ATP-binding cassette A1” (ABCA1). The current model believe that ABCA1 promotes the lipidation of apolipoprotein AI (apoA-I), the major protein component of HDLs, to form nascent discoid HDL particles. A defect in the lipidation of apoA-I by ABCA1 abolishes the biogenesis of HDL. We wanted to study interaction sites of ABCA1 with its ligand (the apoA-I), the implicated biogenesis’s pathways, and the implication of pre-β-HDLs in the cholesterol efflux by the ABCA1 pathway. Initially, we used a cell culture system (human skin fibroblasts and BHK-ABCA1) in order to determine the cellular sites of apoA-I binding and their localizations and the implication of ABCA1. We found that the majority of apoA-I was not associated with ABCA1 and, 2 thirds of this apoA-I bound to the plasma membrane. Then, a more detailed study examined the lipidation pathways of apoA-I either at plasma membrane (PM) level, or in the intracellular compartments (ICCs). We showed that the lipidation apoA-I occurs at the two levels (PM and ICCs) with two kinetically different pathways. Finally, we showed that the pre-β-HDLs efflux (as efficiently as apoA-I) the cholesterol via the ABCA1 pathway. Taken together, these observations show that 1) the majority of apoA-I was found non-associated with ABCA1; 2) two thirds of apoA-I bind the plasma membrane; 3) the lipidation of the apoA-I occurs, in part at the plasma membrane and, in the other, by the retro-endocytosis pathway of the apoA-I/ABCA1complexe.

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<p> The liver X receptors (LXRs) are members of the nuclear hormone receptor (NHR) superfamily of transcription factors and are activated by oxysterols. As such, LXRs act as "cholesterol sensors" and play an integral role in cholesterol homeostasis by modulating the expression of genes involved in lipid transport and metabolism as well as inflammation. </p> <p> This thesis begins by describing the modulation of LXR transactivation by PKC. Specifically, transactivation by LXRα is decreased upon activation of PKC signalling pathways as assessed by LXR reporter gene analysis and endogenous target gene expression. These findings reveal a mode of regulation of LXRα that may be relevant to disease conditions where aberrant PKC signalling is observed. </p> <p> The second and third part of the thesis turns the attention to the role of LXR in human airway smooth muscle (hASM), a crucial effector cell in asthma progression. For the first time, research described here indicates that primary human ASM cells express functional LXRs. Moreover, LXR target genes ABCA 1 and ABCG I were highly induced upon the addition of LXR agonists leading to enhanced cholesterol efflux to apoAI and HDL, a process dependant entirely on ABCA I. Furthermore, activation of LXR inhibited the expression of multiple cytokines in response to inflammatory mediators and inhibited the proliferation and migration of hASM cells, two important processes that contribute to the airway remodelling observed in the asthmatic lung. </p> <p> This body of work suggests that modulation of LXR offers prospects for new therapeutic approaches in the treatment of asthma. Furthermore, it establishes a critical role for ABCA 1 in lipid transport in ASM cells and suggests that dysregulation of cholesterol homeostasis in these cells may be important. These findings have broad implications in the association of hypercholesterolemia and AHR and places LXR at the forefront of novel therapeutic avenues to treat inflammatory lung disease. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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Récemment, des études menées chez des patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA) suggèrent un rôle important de la clairance cérébrale des peptides bêta-amyloïde (Abeta) dans la physiopathologie de la MA. Les échanges de peptide Abeta entre le cerveau et le sang peuvent se faire à travers la barrière hémato-encéphalique (BHE). De nombreux transporteurs sont exprimés au niveau de la BHE, telles les protéines ABC (ATP-Binding Casette) et SLC (Solute Carriers). Il a été montré que l’influx du peptide Abeta à travers la BHE était partiellement médié par le récepteur RAGE (Receptor for Advanced Glycation End products) et son efflux par le récepteur LRP-1 (Low density lipoprotein receptor-related protein 1). De plus, l’implication de transporteurs ABC/SLC dans le passage cérébral du peptide Abeta a été suggérée. Il paraît donc important de caractériser les transporteurs ABC et/ou SLC impliqués dans le transport du peptide Abeta à travers la BHE. D’autre part, l’on peut se demander si, dans le cadre de la MA, la BHE subit des modifications, en termes d’étanchéité, d’expression de transporteurs, de mécanismes de transport, et si, dans ce cas, il y a une modification du transport du peptide Abeta à travers la BHE altérée. Nous avons d’abord montré que des transporteurs ABC et SLC étaient respectivement impliqués dans l’efflux et l’influx des peptides Abeta à travers la BHE. Concernant l’efflux, outre l’Abcb1, nous avons montré qu’Abcg2 et Abcg4 étaient impliquées dans la clairance cérébrale des peptides Abeta. Concernant l’influx, nous avons montré qu’Oatp1a4 pourrait jouer un rôle important dans la pénétration cérébrale des peptides Abeta. De plus, Abca1, principal transporteur ABC impliqué dans le transport du cholestérol, régule indirectement les taux cérébraux d’Abeta. En particulier, nous avons identifié la L-thyroxine et la rosuvastatine comme de puissants inhibiteurs respectifs de l’efflux et de l’influx cérébral d’Abeta. L’ensemble de ces transporteurs d’influx et d’efflux fixe ainsi la clairance cérébrale des peptides Abeta à travers la BHE. Or ces transporteurs sont régulés chez les souris 3xTg-AD (modèle de souris triple transgénique pour la MA exprimant à la fois les pathologies amyloïde et tau), dans des phases précoces et/ou tardives de la MA. Précocement, l’expression de Rage et d’Abca1 sont fortement augmentées au niveau de la BHE chez les souris 3xTg-AD. L’augmentation de Rage dès l’âge de 3 mois laisse supposer une augmentation très précoce de l’influx du peptide Abeta à travers la BHE. Mais cet influx semble être contre-balancé par l’augmentation concomitante d’Abcg4. Quant à Abca1, ne transportant pas directement le peptide Abeta, le rôle de son augmentation graduelle au cours du développement de la MA reste à déterminer. L’ensemble de ces régulations n’étant pas suffisantes pour empêcher l’accumulation cérébrale d’Abeta, des régulations plus tardives semblent se mettre en place, avec notamment l’augmentation de l’expression d’Abcb1 et d’Abcg2, et la diminution d’Oatp1a4. Ces mécanismes semblent donc correspondre à des phénomènes compensatoires ayant pour objectif d’augmenter la clairance cérébrale d’Abeta. Enfin, nous avons montré que l’intégrité physique de la BHE n’était pas altérée chez ces souris 3xTg-AD âgées de 3 à 18 mois. De plus, nos résultats ont montré que le volume vasculaire était diminué de manière précoce, notamment au niveau de l’hippocampe, chez les souris 3xTg-AD par rapport à leurs contrôles. Ce phénomène n’a pas été retrouvé chez les souris APP/PS1 n’exprimant que la pathologie amyloïde. Ces résultats suggèrent un rôle causal et précoce de la protéine tau hyperphosphorylée dans la pathologie de la MA. En conclusion, nos résultats soulignent l’importance de la BHE dans la physiopathologie de la MA. Ce travail de thèse ouvre des perspectives thérapeutiques, mais aussi des pistes pour la compréhension des mécanismes conduisant à une régulation de ces systèmes de transport dans la MA. / Recent studies in Alzheimer's disease (AD) patients have suggested an important role of cerebral clearance of Abeta peptide in the pathogenesis of AD. The blood-brain barrier (BBB) represents a major pathway for exchanges of Abeta between the brain and the peripheral circulation. Many transporters are expressed at the BBB, such as the ABC (ATP-Binding Casette) and SLC (Solute Carriers) proteins. It has been shown that the influx of Abeta peptide across the BBB was partially mediated by the receptor RAGE (Receptor for Advanced Glycation End products) and its efflux by the LRP-1 receptor (low density lipoprotein receptor-related protein 1). On the other hand, the involvement of ABC/SLC transporters in the brain efflux/influx of Abeta peptide has been suggested. It was therefore important to characterize the ABC/SLC transporters involved in the transport of Abeta peptide across the BBB. In addition, the disorders of the BBB have always been suggested in neurodegenerative diseases. The question is whether, in the context of AD, the BBB undergoes changes in terms of integrity, expression of transporters, transport mechanisms, and if, in this case, there is a change in the transport of Abeta peptide across the impaired BBB. We first showed that the BBB regulated the exchange of blood-brain Abeta peptides. Thus, the involvement of efflux (ABCG2 and ABCG4) and influx (Oatp1a4) transporters allows this equilibrium of Abeta peptides between the blood and the brain parenchyma. In addition, ABCA1, the main ABC transporter involved in cholesterol transport, regulates indirectly the brain levels of Abeta. We also identified the L-thyroxine and rosuvastatin as potent inhibitors of the efflux and influx transport of brain Abeta, respectively. All these influx and efflux transporters could control the transport of Abeta peptide across the BBB. However, these transporters are regulated in 3xTg-AD mice (triple transgenic mouse model for AD expressing both amyloid and tau pathologies) in the early and/or late stages of AD. Early, the expression of Abca1 and Rage are strongly increased at the BBB in 3xTg-AD mice. The high expression levels of Rage at the age of 3 months suggest an early increase in the influx transport of Abeta peptide across the BBB. But this increase seems to be compensated by the concomitant increase of Abcg4. As Abca1 does not directly mediate the transport of Abeta peptide, the role of its gradual increase in the development of AD remains to be determined. As all these regulations are not sufficient to prevent the accumulation of cerebral Abeta, the late regulations seem to develop, including increased expression of Abcb1 and Abcg2, and decreased expression of Oatp1a4. These mechanisms seem to correspond to compensatory phenomena with the objective to increase the cerebral clearance of Abeta. Finally, we have shown that the physical integrity of the BBB was not altered in 3xTg-AD mice aging from 3 to18 months. In addition, our results showed that the cerebral vascular volume was reduced early, especially in the hippocampus of 3xTg-AD mice compared to their age-matched controls. This phenomenon was not found in APP/PS1 mice expressing only the amyloid pathology. These results suggest a causal and early role of hyperphosphorylated tau in AD pathology.In conclusion, our results show the importance of the BBB and particularly of Abcg2, Abcg4 and Oatp1a4 transporters in the pathophysiology of AD. Knowledge of these transporters not only opens up therapeutic or prophylactic purposes, but also leads to the further understanding of the regulation mechanisms of these transport systems in AD.

Η HDL είναι ένα μείγμα λιποπρωτεϊνικών σωματιδίων υψηλής πυκνότητας, που ανάλογα με τη σύσταση τους σε λιπίδια μπορούν να είναι δισκοειδή ή σφαιρικά. Η κύρια αθηροπροστατευτική δράση της HDL, οφείλεται στο γεγονός ότι η συγκεκριμένη λιποπρωτεΐνη συλλέγει την περίσσεια χοληστερόλης από τους περιφερικούς ιστούς και τη μεταφέρει στο ήπαρ όπου καταβολίζεται. Επιπλέον, έχει αντιφλεγμονώδη και αντιοξειδωτική δράση. Η κύρια πρωτεΐνη της HDL είναι η απολιποπρωτεΐνη Α-Ι (apoA-I). Ωστόσο, πρόσφατα αποδείχθηκε ότι σε πειραματόζωα με έλλειψη στην apoA-I και κατά συνέπεια στην κλασσική HDL, η απολιποπρωτεΐνη Ε (apoE) αλληλεπιδρά με τον μεταφορέα λιπιδίων ABCA1 προάγοντας την de novo σύνθεση HDL σωματιδίων. Στην παρούσα μελέτη, στόχος ήταν η εύρεση της περιοχής της apoE που είναι υπεύθυνη για την λειτουργική αλληλεπίδραση με τον ABCA1 για το σχηματισμό HDL. Για το σκοπό αυτό, ανασυνδυασμένοι αδενοϊοί που εξέφραζαν καρβοξυ-τελικές συντετμημένες μορφές της apoE4 (AdGFP-E4[1-259], AdGFP-E4[1-229], AdGFP-E4[1-202], AdGFP-E4[1-185]), χορηγήθηκαν σε ποντίκια με έλλειψη στην ApoA-I σε δόση 8x108 pfu και πέντε μέρες μετά τη μόλυνση δείγματα πλάσματος αναλύθηκαν για το σχηματισμό HDL. Κλασματοποίηση των λιποπρωτεϊνών του πλάσματος με υπερφυγοκέντρηση σε διαβάθμιση πυκνότητας καθώς και FPLC χρωματογραφία αποκάλυψε ότι όλες οι συντετμημένες μορφές της apoE4 προάγουν το σχηματισμό HDL. Ανάλυση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας με αρνητική χρώση των HDL κλασμάτων, επιβεβαίωσε ότι όλες οι συντετμημένες μορφές της apoE4 είναι ικανές να προάγουν το σχηματισμό σωματιδίων με διάμετρο στην περιοχή της HDL. Τα δεδομένα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η αμινοτελική περιοχή της apoE που εκτείνεται από τα αμινοξέα 1 έως 185 αρκεί για το σχηματισμό HDL σωματιδίων in vivo. Αυτά τα ευρήματα, ανοίγουν το δρόμο στην έρευνα για το σχεδιασμό βιολογικών φαρμάκων με βάση την apoE για τη θεραπεία της δυσλιπιδαιμίας, της αθηροσκλήρωσης και της στεφανιαίας νόσου. / HDL is a mixture of high density lipoprotein particles that depending on the lipid composition may be discoidal or spherical. The main atheroprotective property of HDL is reverse cholesterol transport, a process that unloads excess cholesterol from peripheral tissues and transports it to the liver for catabolism. HDL has also anti-inflammatory and antioxidant properties. The main protein of HDL is apolipoprotein A-I (apoA-I). However, recently it was shown that in the absence of apoA-I and consequently classical HDL, apolipoprotein E (apoE) interacts functionally with the lipid transporter ABCA1, promoting the de novo synthesis of HDL-like particles. The present study focused on the identification of the domain of apoE that is responsible for the functional interaction with ABCA1 and the formation of apoE-containing HDL. Recombinant attenuated adenoviruses expressing carboxy-terminal truncated forms of apoE4 (apoE4[1-259], apoE4[1-229], apoE4[1-202], and apoE4[1-185]) were administered to apoA-I-deficient mice at a low dose of 8x108 pfu and five days post-infection plasma samples were isolated and analyzed for HDL formation. Fractionation of plasma lipoproteins of the infected mice by density gradient ultracentrifugation and FPLC revealed that all forms were capable of promoting HDL formation. Negative staining electron microscopy analysis of the HDL density fractions confirmed that all C-terminal truncated forms of apoE4 promoted the formation of particles with diameters in the HDL region. Taken together, these data establish that the aminoterminal 1 to 185 region of apoE suffices for the formation of HDL particles in vivo. These findings may have important ramifications in the design of apoE-based biological drugs for the treatment of dyslipidemia, atherosclerosis and coronary heart disease.