570 Biowissenschaften; Biologie
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Human placenta is surprisingly rich in post-proline dipeptidyl peptidase activity. Among various cell fractions, microsomes have the highest specific activity. A homogeneous enzyme preparation is obtained in a six-step purification procedure. The final preparation appears homogeneous upon dodecyl sulfate electrophoresis, but analytical isoelectric focussing reveals various active bands with isoelectric points in the range of pH 3 - 4. The enzyme is a glycoprotein containing about 30% carbohydrate. Treatment with neuraminidase lowers the isoelectric points but does not reduce the heterogeneity of the band pattern. The subunit molecular weight is 120000 as estimated by dodecyl sulfate electrophoresis, whereas Mr of the native enzyme is > 200000, as can be concluded from gel filtration experiments. The purified dipeptidyl peptidase cleaves various synthetic and natural peptides, including substance P, kentsin, casomorphin and a synthetic renin inhibitor. In general, the specificity of the placenta peptidase is similar to that of post-proline dipeptidyl peptidase from other sources. Phenylalanylprolyl-P-naphthylamide (Km = 0.02 mM, I/ = 92 Ujmg) is the best substrate among various synthetic peptide derivatives. Only peptides with a free N-terminal amino group and proline, hydroxyproline, or alanine in position 2 of the N-terminal sequence are cieaved. However, X-Pro-Pro- . . . structures, e. g. as in bradykinin, are not attacked. 1 mM bis-(6nitrophenyI)phosphate or 1 mM diisopropylfluorophosphate completely inactivate the peptidase within 30 min at 30°C (pH 8). The peptidase is also completely inhibited by 1 mM Zn²⁺ and by other heavy metals.
In the isolated rat liver perfused in situ stimulation of the nerve bundles around the portal vein and the hepatic artery caused an increase of urate formation that was inhibited by the α1-blocker prazosine and the xanthine oxidase inhibitor allopurinol. Moreover, nerve stimulation increased glucose and lactate output and decreased perfusion flow. Infusion of noradrenaline had similar effects. Compared to nerve stimulation infusion of glucagon led to a less pronounced increase of urate formation and a twice as large increase in glucose output but a decrease in lactate release without affecting the flow rate. Insulin had no effect on any of the parameters studied.
In the isolated rat liver perfused in situ, stimulation of the nerve bundles around the hepatic artery and portal vein caused an increase of glucose and lactate output and a reduction of perfusion flow. These changes could be inhibited completely by α-receptor blockers. The possible involvement of inositol phosphates in the intracellular signal transmission was studied. 1. In cell-suspension experiments, which were performed as a positive control, noradrenaline caused an increase in glucose output and, in the presence of 10 mM LiCl, a dose-dependent and time-dependent increase of inositol mono, bis and trisphosphate. 2. In the perfused rat liver 1 μM noradrenaline caused an increase of glucose and lactate output and in the presence of 10 mM LiCl a time-dependent increase of inositol mono, bis and trisphosphate that was comparable to that observed in cell suspensions. 3. In the perfused rat liver stimulation of the nerve bundles around the portal vein and hepatic artery caused a similar increase in glucose and lactate output to that produced by noradrenaline, but in the presence of 10 mM LiCl there was a smaller increase of inositol monophosphate and no increase of inositol bis and trisphosphate. These findings are in line with the proposal that circulating noradrenaline reaches every hepatocyte, causing a clear overall increase of inositol phosphate formation and thus calcium release from the endoplasmic reticulum, while the hepatic nerves reach only a few cells causing there a small local change of inositol phosphate metabolism and thence a propagation of the signal via gap junctions.
The complement fragments C3a and C5a were purified from zymosan-activated human serum by column chromatographic procedures after the bulk of the proteins had been removed by acidic polyethylene glycol precipitation. In the isolated in situ perfused rat liver C3a increased glucose and lactate output and reduced flow. Its effects were enhanced in the presence of the carboxypeptidase inhibitor DL-mercaptomethyl-3-guanidinoethylthio-propanoic acid (MERGETPA) and abolished by preincubation of the anaphylatoxin with carboxypeptidase B or with Fab fragments of an anti-C3a monoclonal antibody. The C3a effects were partially inhibited by the thromboxane antagonist BM13505. C5a had no effect. It is concluded that locally but not systemically produced C3a may play an important role in the regulation of local metabolism and hemodynamics during inflammatory processes in the liver.
1) During orthograde perfusion of rat liver human anaphylatoxin C3a caused an increase in glucose and lactate output and reduction of flow. These effects could be enhanced nearly twofold by co-infusion of the carboxypeptidase inhibitor MERGETPA, which reduced inactivation of C3a to C3adesArg. 2) During retrograde perfusion C3a caused a two- to threefold larger increase in glucose and lactate output and reduction of flow than in orthograde perfusions. These actions tended to be slightly enhanced by MERGETPA. 3) The elimination of C3a plus C3adesArg immunoreactivity during a single liver passage was around 67%, irrespective of the perfusion direction and the presence of the carboxypeptidase inhibitor MERGETPA; however, less C3adesArg and more intact C3a appeared in the perfusate in the presence of MERGETPA in orthograde and retrogade perfusions It is concluded that rat liver inactivated human anaphylatoxin C3a by conversion to C3adesArg and moreover eliminated it by an additional process. The inactivation to C3adesArg seemed to be located predominantly in the proximal periportal region of the liver sinusoid, since C3a was less effective in orthograde perfusions, when C3a first passed the proximal periportal region before reaching the predominant mass of parenchyma as its site of action, than in retrograde perfusions, when it first passed the perivenous area. These data may be evidence for a periportal scavenger mechanism, by which the liver protects itself from systemically released mediators of inflammation that interfere with the local regulation of liver metabolism and hemodynamics.
Rat serum, in which the complement sytem had been activated by incubation with zymosan, increased the glucose and lactate output, and reduced and redistributed the flow in isolated perfused rat liver clearly more than the control serum. Heat inactivation of the rat serum prior to zymosan incubation abolished this difference. Metabolic and hemodynamic alterations caused by the activated serum were dose dependent. They were almost completely inhibited by the cyclooxygenase inhibitor indomethacin and by the thromboxane antagonist 4-[2-(4-chlorobenzenesulfonamide)-ethyl]-benzene-acetica cid (BM 13505), but clearly less efficiently by the 5’-lipoxygenase inhibitor nordihydroguaiaretic acid and the leukotriene antagonist N-{3-[3-(4-acetyl-3-hydroxy-2-propyl-phenoxy)-propoxy]-4-chlorine-6-methyl-phenyl}-1H-tetrazole-5-carboxamide sodium salt (CGP 35949 B). Control serum and to a much larger extent complement-activated serum, caused an overflow of thromboxane B₂ and prostaglandin F₂α into the hepatic vein. It is concluded that the activated complement system of rat serum can influence liver metabolism and hemodynamics via release from nonparenchymal liver cells of thromboxane and prostaglandins, the latter of which can in turn act on the parenchymal cells.
Increase in prostanoid formation in rat liver macrophages (Kupffer cells) by human anaphylatoxin C3a
(1993)
Human anaphylatoxin C3a increases glycogenolysis in perfused rat liver. This action is inhibited by prostanoid synthesis inhibitors and prostanoid antagonists. Because prostanoids but not anaphylatoxin C3a can increase glycogenolysis in hepatocytes, it has been proposed that prostanoid formation in nonparenchymal cells represents an important step in the C3a-dependent increase in hepatic glycogenolysis. This study shows that (a) human anaphylatoxin C3a (0.1 to 10 mug/ml) dose-dependently increased prostaglandin D2, thromboxane B, and prostaglandin F2alpha formation in rat liver macrophages (Kupffer cells); (b) the C3a-mediated increase in prostanoid formation was maximal after 2 min and showed tachyphylaxis; and (c) the C3a-elicited prostanoid formation could be inhibited specifically by preincubation of C3a with carboxypeptidase B to remove the essential C-terminal arginine or by preincubation of C3a with Fab fragments of a neutralizing monoclonal antibody. These data support the hypothesis that the C3a-dependent activation of hepatic glycogenolysis is mediated by way of a C3a-induced prostanoid production in Kupffer cells.
In perfused rat livers, infusion of prostaglandin F₂α (PGF₂α) or noradrenaline increased glucose and lactate output and reduced flow. Glucagon increased glucose output and decreased lactate output without influence on flow. Infusion of phorbol 13-myristate 14-acetate (PMA) for 20 min prior to these stimuli strongly inhibited the metabolic and hemodynamic effects of noradrenaline, reduced the metabolic actions of PGF₂α but did not alter the effects of glucagon. In isolated rat hepatocytes PGF₂α, noradrenaline and glucagon activated glycogen phosphorylase but only PGF₂α and noradrenaline increased intracellular inositol 1,4,5-1risphosphalc (InsP₃). The noradrenaline- or PGF₂α-elicited activation of glycogen phosphorylase and increase in InsP₃ were largely reduced after preincubation of the cells for 10 min with PMA, whereas the glucagon-mediated enzyme activation was not affected. In contra\t to PMA, the phorbol ester 4a-phorbol 13,14-didecanoate. which does not activate protein kinase C, did not attenuate the PGF₂α- and noradrenaline-elicited stimulation of glucose output, glycogen phosphorylase and InsP, formation. Stimulation of InsP₃ formation by AlF₄⁻, which activates phospholipase C independently of the receptor, was not attenuated by prior incubation with PMA. Plasma membranes purified from isolated hepatocytes had both a high-capacity, low-affinity and a low-capacity, high-affinity binding site for PGF₂α. The Kd of the high-capacity, low-affinity binding site was close to the concentration of PGF₂α that increased glycogen phosphorylase activity halfmaximally. Binding to the high-capacity, low-affinity binding site was enhanced by guanosine 5'- 0-(3-thio)triphosphate (GTP[S]). This high-capacity, low-affinity site might thus represent the receptor. The Bmax and Kd of the high-capacity site, as well as the enhancement by GTP[S] of PGF₂α binding to this site, remained unaffected by PMA pretreatment. It is concluded that, in hepatocytes, activation of protein kinase C by PMA interrupted the InsP₃-mediated signal pathway from PGF₂α via a PGF₂α receptor and phospholipase C to glycogen phosphorylase at a point distal of the receptor prior to phospholipase C.
Prostaglandin (PG)F₂α has previously been shown to increase glucose output from perfused livers and isolated hepatocytes, where it stimulated glycogen phosphorylase via an inositol-trisphosphatedependent signal pathway. In this study, PGF₂α binding sites on hepatocyte plasma membranes, that might represent the putative receptor, were characterized. Binding studies could not be performed with intact hepatocytes, because PGF₂α accumulated within the cells even at 4°C. The intracellular accumulation was an order of magnitude higher than binding to plasma membranes. Purified hepatocyte plasma membranes had a high-affinity/low-capacity and a low-affinity/highcapacity binding'site for PGF₂α. The respective binding constants for the high-affinity site were Kd = 3 nM and Bmax = 6 fmol/mg membrane protein, and for the low-affinity site Kd = 426 nM and Bmax = 245 fmol/mg membrane protein. Specific PGF₂α binding to the low-affinity site, but not to the high-affinity site, could be enhanced most potently by GTP[γS] followed by GDP[ϐS] and GTP, but not by ATP[γS] or GMP. PGF₂α competed most potently with [³H]PGF₂α for specific binding to hepatocyte plasma membranes, followed by PGD₂ and PGE₂. Since the low-affinity PGF₂α-binding site had a Kd in the concentration range in which PG had previously been shown to be half-maximally active, and since this binding site showed a sensitivity to GTP, it is concluded that it might represent the receptor involved in the PGF₂α signal chain in hepatocytes. A biological function of the high-affinity site is currently not known.
Prostaglandin E₂ has been reported both to stimulate glycogen-phosphorylase activity (glycogenolytic effect) and to inhibit the glucagon-stimulated glycogen-phosphorylase activity (antiglycogenolytic effect) in rat hepatocytes. It was the purpose of this study to resolve this apparent contradiction and to characterize the signalling pathways and receptor subtypes involved in the opposing prostaglandin E₂ actions. Prostaglandin E₂ (10 μM) increased glucose output, glycogen-phosphorylase activity and inositol trisphosphate formation in hepatocyte cell culture andor suspension. In the same systems, prostaglandin E₂ decreased the glucagon-stimulated (1 nM) glycogen-phosphorylase activity and cAMP formation. The signalling pathway leading to the glycogenolytic effect of PGE₂ was interrupted by incubation of the hepatocytes with 4P-phorbol 12-myristate 13-acetate (100 nM) for 10 min, while the antiglycogenolytic effect of prostaglandin E₂ was not attenuated. The signalling pathway leading to the antiglycogenolytic effect of prostaglandin E₂ was interrupted by an incubation of cultured hepatocytes with pertussis toxin (100 ng/ml) for 18 h, whereas the glycogenolytic effect of prostaglandin E₂ was enhanced. The EP₁/EP₃ prostaglandin-E₂-receptor-specific prostaglandin E₂ analogue Sulproston had a stronger glycogenolytic potency than the EP₃ prostaglandin-E₂-receptor-specific prostaglandin E₂ analogue Misoprostol. The antiglycogenolytic potency of both agonists was equal. It is concluded that the glycogenolytic and the antiglycogenolytic effects of prostaglandin E₂ are mediated via different signalling pathways in hepatocytes possibly involving EP₁ and EP₃ prostaglandin E₂ receptors, respectively.
In cultured rat hepatocytes the key gluconeogenic enzyme phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) is known to be induced by glucagon via an elevation of cAMP. Prostaglandin E₂ has been shown to antagonize the glucagon-activated cAMP formation, glycogen phosphorylase activity and glucose output in hepatocytes. It was the purpose of the current investigation to study the potential of PGE₂ to inhibit the glucagon-induced expression of PCK on the level of mRNA and enzyme activity. PCK mRNA and enzyme activity were increased by 0.1 nM glucagon to a maximum after 2 h and 4 h, respectively. This increase was completely inhibited if 10 μM PGE2 was added concomitantly with glucagon. This inhibition by PGE₂ of glucagon-induced PCK activity was abolished by pertussis toxin treatment. When added at the maximum of PCK mRNA at 2 h, PGE₂ accelerated the decay of mRNA and reduced enzyme activity. This effect was not reversed by pertussis toxin treatment. Since in liver PGE₂ is derived from Kupffer cells, which play a key role in the local inflammatory response, the present data imply that during inflammation PGE₂ may reduce the hepatic gluconeogenic capacity via a Gᵢ-linked signal chain.
Rat hepatocytes have previously been reported to possess prostaglandin E₂ receptors of the EP₃-type (EP₃-receptors) that inhibit glucagonstimulated glycogenolysis by decreasing cAMP. Here, the isolation of a functional EP₃ϐ receptor cDNA clone from a rat hepatocyte cDNA library is reported. This clone can be translated into a 362-amino-acid protein, that displays over 95% homology to the EP₃ϐ receptor from mouse mastocytoma. The amino- and carboxy-terminal region of the protein are least conserved. Transiently transfected HEK 293 cells expressed a single binding site for PGE₂ with an apparent Kd of 15 nM. PGE₂ > PGF₂α > PGD₂ competed for [³H]PGE₂ binding sites as did the EP₃ receptor agonists M&B 28767 = sulprostone > misoprostol but not the EP₁ receptor antagonist SC 19220. In stably transfected CHO cells M&B 28767 > sulprostone = PGE₂ > misoprostol > PGF₂α inhibited the forskolin-elicited cAMP formation. Thus, the characteristics of the EP₃ϐ receptor of rat hepatocytes closely resemble those of the EP₃ϐ receptor of mouse mastocytoma.
The site of confluence of the artery and the portal vein in the liver still appears to be controversial. Anatomical studies suggested a presinusoidal or an intrasinusoidal confluence in the first, second or even final third of the sinusoids. The objective of this investigation was to study the problem with functional biochemical techniques. Rat livers were perfused through the hepatic artery and simultaneously either in the orthograde direction from the portal vein to the hepatic vein or in the retrograde direction from the hepatic vein to the portal vein. Arterial how was linearly dependent on arterial pressure between 70 cm H2O and 120 cm H2O at a constant portal or hepatovenous pressure of 18 cm H2O. An arterial pressure of 100 cm H2O was required for the maintenance of a homogeneous orthograde perfusion of the whole parenchyma and of a physiologic ratio of arterial to portal how of about 1:3. Glucagon was infused either through the artery or the portal vein and hepatic vein, respectively, to a submaximally effective ''calculated'' sinusoidal concentration after mixing of 0.1 nmol/L. During orthograde perfusions, arterial and portal glucagon caused the same increases in glucose output. Yet during retrograde perfusions, hepatovenous glucagon elicited metabolic alterations equal to those in orthograde perfusions, whereas arterial glucagon effected changes strongly reduced to between 10% and 50%. Arterially infused trypan blue was distributed homogeneously in the parenchyma during orthograde perfusions, whereas it reached clearly smaller areas of parenchyma during retrograde perfusions. Finally, arterially applied acridine orange was taken up by all periportal hepatocytes in the proximal half of the acinus during orthograde perfusions but only by a much smaller portion of periportal cells in the proximal third of the acinus during retrograde perfusions. These findings suggest that in rat liver, the hepatic artery and the portal vein mix before and within the first third of the sinusoids, rather than in the middle or even last third.
Prostaglandins, released from Kupffer cells, have been shown to mediate the increase in hepatic glycogenolysis by various stimuli such as zymosan, endotoxin, immune complexes, and anaphylotoxin C3a involving prostaglandin (PG) receptors coupled to phospholipase C via a G(0) protein. PGs also decreased glucagon-stimulated glycogenolysis in hepatocytes by a different signal chain involving PGE(2) receptors coupled to adenylate cyclase via a G(i) protein (EP(3) receptors). The source of the prostaglandins for this latter glucagon-antagonistic action is so far unknown. This study provides evidence that Kupffer cells may be one source: in Kupffer cells, maintained in primary culture for 72 hours, glucagon (0.1 to 10 nmol/ L) increased PGE(2), PGF(2 alpha), and PGD(2) synthesis rapidly and transiently. Maximal prostaglandin concentrations were reached after 5 minutes. Glucagon (1 nmol/L) elevated the cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and inositol triphosphate (InsP(3)) levels in Kupffer cells about fivefold and twofold, respectively. The increase in glyco gen phosphorylase activity elicited by 1 nmol/L glucagon was about twice as large in monocultures of hepatocytes than in cocultures of hepatocytes and Kupffer cells with the same hepatocyte density. Treatment of cocultures with 500 mu mol/L acetylsalicylic acid (ASA) to irreversibly inhibit cyclooxygenase (PGH-synthase) 30 minutes before addition of glucagon abolished this difference. These data support the hypothesis that PGs produced by Kupffer cells in response to glucagon might participate in a feedback loop inhibiting glucagon-stimulated glycogenolysis in hepatocytes.
Human anaphylatoxin C3a had previously been shown to increase glycogenolysis in perfused rat liver and prostanoid formation in rat liver macrophages. Surprisingly, human C5a, which in other systems elicited stronger responses than C3a, did not increase glycogenolysis in perfused rat liver. Species incompatibilities within the experimental system had been supposed to be the reason. The current study supports this hypothesis: (1) In rat liver macrophages that had been maintained in primary culture for 72 h recombinant rat anaphylatoxin C5a in concentrations between 0.1 and 10 pg/ml increased the formation of thromboxane A₂, prostaglandin D₂, E₂ and F₂α6- to 12-fold over basal within 10 min. In contrast, human anaphylatoxin C5a did not increase prostanoid formation in rat Kupffer cells. (2) The increase in prostanoid formation by recombinant rat C5a was specific. It was inhibited by a neutralizing monoclonal antibody. (3) In co-cultures of rat hepatocytes and rat Kupffer cells but not in hepatocyte mono-cultures recombinant rat C5a increased glycogen phosphorylase activity 3-fold over basal. This effect was inhibited by incubation of the co-cultures with 500 μM acetylsalicyclic acid. Thus, C5a generated either locally in the liver or systemically e.g. in the course of sepsis, may increase hepatic glycogenolysis by a prostanoid-mediated intercellular communication between Kupffer cells and hepatocytes.
Die Ausstattung der gastrointestinalen Mukosa des Menschen und der Ratte mit Sulfotransferasen wurde mit Hilfe von Immunodetektion und Enzymaktivitätsmessungen untersucht. In Proben aus Colon und Rektum von 39 Personen wurden die Formen h1A1, h1A3 und h1B1 identifiziert, wobei in einer weiteren Probe, die als einzige von einem an Colitis Ulcerosa erkrankten Patienten stammte, keine Sulfotransferasen nachgewiesen werden konnten. Bei der Immunblot-Analyse war das Expressionsmuster der einzelnen Formen in allen Proben ähnlich. In wenigen Proben waren die relativen Signalintensitäten der h1A1 und der h1B1 um die Hälfte erniedrigt. Der Gehalt von SULT an zytosolischem Protein zeigte einen bis zu 8 - 10fachen Unterschied, er betrug jedoch bei zwei Dritteln der Proben zwischen 0,15 und 0,3 (h1A1 und h1A3) bzw. 0,6 und 0,8 Promille (h1B1). Die Variation konnte nicht auf Alter, Geschlecht oder Krankheitsbild der Patienten zurückgeführt werden. Auch der für die allelischen Varianten der h1A1 beschriebene Effekt auf die Enzymaktiviät bzw. Stabilität konnte in der Menge an immunreaktivem Protein nicht in diesem Ausmaß detektiert werden. Die Allelhäufigkeit von h1A1*R und h1A1*H war gegenüber der gesunden Bevölkerung nicht verändert. In den sieben Proben aus dem Dünndarm (Coecum, viermal Ileum, Jejunum) konnten zusätzlich die Formen h1E1 und h2A1 identifiziert werden. Ein möglicherweise der Form h1C1 entsprechendes Protein wurde im Magen detektiert. Im Vergleich zum Menschen war die Expression in der Ratte stärker auf die Leber konzentriert. Während beim Menschen in allen untersuchten Abschnitten Sulfotransferasen in Mengen detektiert wurden, die in zwei Fällen (h1B1 und h1A3) sogar den Gehalt in der Leber überstiegen, beschränkte sich die Expression in der Ratte auf im Vergleich zur Leber geringe Mengen im Magen und Dickdarm. Nachgewiesen wurden die r1B1, r1A1 sowie eine nicht identifizierte Form von 35kD, bei der es sich vermutlich um die r1C2 handelt. Im Vergleich zur Leber enthielt der Dickdarm der Ratte 20 - 30 % an r1B1 und 3 % an r1A1, während im Dickdarm des Menschen die 3 - 5fache Menge an h1B1 und 25 - 50 % an h1A1 gefunden wurden. Die nicht identifizierte Form verhielt sich wie die r1B1. Die für die Leber der Ratte bekannte geschlechtsabhängige Expression wurde im Gastrointestinaltrakt nicht beobachtet. Die Verteilung der Sulfotransferasen im Colon und Ileum des Menschen wurde immunhistochemisch untersucht; für die Gewebe der Ratte war die Spezifität der zur Verfügung stehenden Antiseren nicht ausreichend. Im Colon traten h1B1-spezifische Färbungen in den differenzierten Enterozyten am oberen Ende der Krypten auf, im Dünndarm wurden die Epithelzellen der Zotten gefärbt. Die Färbung konzentrierte sich auf das Zytoplasma. Eine ähnliche Verteilung zeigte sich für h1A1 und h1A3, außer daß zusätzlich eine intensive Färbung der Endothelzellen der Kapillaren in der Submukosa des Ileums auftrat. Im Dickdarm war dies nur bei den Kapillaren in den Lymphfollikeln zu erkennen. Die h2A1 war lediglich im Zytoplasma der Epithelzellen der Zotten des Ileums nachzuweisen, während im Colon keine Farbreaktion auftrat. Durch die Verwendung der rekombinanten Indikatorstämme TA1538-h1A1, -h1A3 und -h1B1 und des Ausgangsstammes Salmonella typhimurium TA1538 im Ames-Test wurde gezeigt, daß verschiedene benzylische und allylische Alkohole durch im humanen Colon exprimierte Sulfotransferasen zu Mutagenen aktiviert werden. In den meisten Fällen erwies sich eine der drei Sulfotransferasen als besonders effizient in der Bioaktivierung, während durch die anderen Formen kein oder nur ein schwacher Effekt verursacht wurde. Die Bioaktivierung von Promutagenen durch Sulfotransferasen im Colon muß im Zusammenhang mit der Lokalisation diskutiert werden. Die Zellen im Darm, in denen immunhistochemisch Sulfotransferasen detektiert wurden, haben mit Ausnahme des Endothels je nach Abschnitt eine Lebensdauer von maximal fünf Tagen und machen keine weiteren Zellteilungen mehr durch. Daher sind DNA-Schäden in diesen Zellen ein sehr geringes Risiko für den Organismus. Soweit die reaktiven Metabolite in diesen Zellen gefangen bleiben, kann die Bioaktivierung in diesen Zellen und die Bildung von Addukten als protektiv betrachten werden, da letztere nach wenigen Tagen mit den toten Zellen in das Darmlumen abgegeben werden. Für den Vergleich der Bioaktiverung von Promutagenen durch die Form 1B1 des Menschen und der Ratte wurden aus V79 Lungenfibroblasten des Chinesischen Hamsters abgeleitete Zellinien hergestellt, die je eine der beiden Formen stabil exprimieren. Damit standen 1B1-profiziente Indikatorzellen für den HPRT-Genmutationstest zur Verfügung, und die 1B1-abhängige Bioaktivierung konnte in einem System untersucht werden, die dem eukaryontischen Organismus näher steht als die für die Ames-Tests verwendeten Bakterien. So war z.B. die Sulfotransferase wie im Gewebe im Zytoplasma lokalisiert. Als Modellsubstanzen wurden hierbei die bereits in TA1538-h1B1 mutagen wirkenden benzylischen Alkohole 6-Hydroxymethylbenzo[a]pyren und 4-Hydroxycyclopenta-[def]chrysen getestet. Da die Sensitivität einer Sulfotransferase-exprimierenden V79-Zellinie sowohl durch die Menge an Sulfotransferase als auch durch die Verfügbarkeit des Sulfodonors limitiert sein könnte, wurden die Mutagenitätsexperimente mit V79-r1B1-Zellinien durchgeführt, die sich in ihrer Enzymaktivität um das Zwanzigfache unterschieden: V79-r1B1/A und -/B. Eine starke Erhöhung der Mutantenfrequenz wurde nur in der hoch exprimierenden Zellinie V79-r1B1/A (1019 ± 224 pmol/mg/min) beobachtet, so daß eine gravierende Beeinträchtigung der Sensitivität durch einen Mangel an Kosubstrat ausgeschlossen wurde. In der niedriger exprimierenden Zellinie V79-r1B1/B (57 ± 9 pmol/mg/min) war nur mit 6-Hydroxymethylbenzo[a]pyren ein schwacher Anstieg der Mutantenfrequenz zu erkennen, der mit 0,3 µM bei einer in etwa 100fach höheren Konzentration begann als bei V79-r1B1/A. Die zytosolische Fraktion aus V79-r1B1/B-Zellen enthielt in etwa die dreifache Menge an r1B1-Protein wie die aus Colonmucosa der Ratte. Da zumindest für die humane Mukosa gezeigt wurde, daß die 1B1 nur im einschichtigen Epithel, nicht aber in allen Zellen der Mukosa exprimiert wird, repräsentiert die zytosolische Fraktion aus der Mukosa nur bedingt die Expression in den Epithelzellen und der Vergleich mit den V79-1B1-Zellen ist grob. Im Gegensatz zu V79-r1B1/B war die Zellinie V79-h1B1, die ebenfalls nur mit Darm und Leber vergleichbare Mengen an h1B1 exprimierte, in der Lage, beide benzylischen Alkohole zu aktivieren. Der Erhöhung der Mutantenfrequenz im Vergleich zur KontrollZellinie war ähnlich wie bei der stark exprimierenden Zellinie V79-r1B1/A, erforderte aber 10fach höhere Konzentrationen. Somit unterscheiden sich Mensch und Ratte nicht nur insgesamt in ihrer Ausstattung des Gastrointestinaltrakts mit Sulfotransferasen, auch bei Betrachtung einer einzelnen Form zeigten sich deutliche Unterschiede in der Aktivierung von zwei Promutagenen. Die Ratte ist daher ein ungeeignetes Modell, um die Rolle von Sulfotransferasen bei tumorinitiierenden Prozessen im Darm zu untersuchen. Dies unterstreicht die Bedeutung von rekombinanten in-vitro-Systemen für die Erfassung des humanen Metabolismus von Fremdstoffen. Insgesamt kennt man nur eine geringe Anzahl von Substanzen, die im Tierexperiment Colontumore erzeugen, und mit Ausnahme der heterozyklischen aromatischen Amine sind diese lediglich von experimenteller Bedeutung. Dies spricht für effiziente Schutzmechanismen der Darmmukosa gegenüber Mutagenen und läßt die Frage nach der hohen Inzidenz des Kolorektalkarzinoms offen.
In der randomisierten, multizentrischen DASH-Studie (Dietary Approaches to Stop Hy-pertension), die unter kontrollierten Bedingungen stattfand, führte eine fettreduzierte Mischkost, reich an Obst, Gemüse und Milchprodukten, bei Borderline-Hypertonikern zu einer signifikanten Blutdrucksenkung. Während der Studienphase wurden Körpermasse, Natrium-Aufnahme sowie Alkoholzufuhr aufgrund der bekannten Einflussnahme auf den Blutdruck konstant gehalten. In der eigenen Pilot-Studie sollte untersucht werden, ob das Ergebnis der DASH-Studie (i) mit deutschen Hypertonikern und (ii) unter habituellen Ernährungs- und Lebensbedingungen mit regelmäßig durchgeführter Ernährungsberatung und ad libitum Verzehr anstelle des streng kontrollierten Studienansatzes bestätigt werden kann. Eine Konstanz der Körpermasse, der Natrium-Urinausscheidung (unter diesem Studienansatz valider als die Aufnahme) und des Alkoholkonsums wurde vorausgesetzt. Die Studienpopulation setzte sich aus 53 übergewichtigen Probanden mit einer nicht medikamentös therapierten Borderline-Hypertonie und ohne Stoffwechselerkrankungen zusammen. Die Studienteilnehmer wurden randomisiert entweder der Idealgruppe mit einer fettarmen Kost reich an Milchprodukten, Obst und Gemüse (ähnlich der DASH-Idealgruppe) oder der Kontrollgruppe mit habitueller Ernährungsweise zugeteilt. Über einen Zeitraum von fünf Wochen wurde den Probanden etwa 50% ihres täglichen Lebensmittelbedarfes entsprechend ihrer Gruppenzugehörigkeit kostenfrei zur Verfügung gestellt. Gelegenheitsblutdruckmessungen und 24h-Blutdruckmessungen, Ernährungs- und Aktivitätsprotokolle, Blut- und Urinproben sowie anthropometrische Messungen wurden vor, während und fünf Wochen nach der Interventionsphase durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass in der Idealgruppe keine signifikante Blutdrucksenkung beobachtet werden konnte. Dies lässt sich durch die Tatsache erklären, dass die Lebens-mittel- und Nährstoffaufnahme der deutschen Kontrollgruppe eher der amerikanischen Idealgruppe entsprach. In der Pilot-Studie waren die Unterschiede in der Nährstoffzufuhr zwischen den beiden Gruppen viel geringer als in der DASH-Studie; für eine blutdrucksenkende Ernährungsumstellung bestand somit nur ein geringer Spielraum. Eine weitere Erklärung besteht in der unterschiedlichen Zusammensetzung der Studienpopulation. Bei DASH wurden vorwiegend farbige Probanden (40% höhere Hypertonieprävalenz) untersucht. Die Studienergebnisse lassen also den Schluss zu, dass Ernährungs- und Lebensstilgewohnheiten sowie der genetische Hintergrund der entsprechenden Bevölkerungsgruppe bei der Formulierung von nährstoff- oder lebensmittelbezogenen Empfehlungen zur Senkung des Bluthochdruckes Berücksichtigung finden müssen.
Aromatische Amine und Amide (aAA) sind aufgrund ihrer starken Verbreitung in der menschlichen Umwelt und ihres kanzerogenen Potenzials von großer toxikologischer Bedeutung. Die Kanzerogenität der aAA wird durch die Mutagenität hochreaktiver Stoffwechselprodukte vermittelt, die in zwei sequenziellen katalytischen Reaktionen entstehen. Die erste ist meistens eine N-Hydroxylierung, die oft durch Cytochrom P450 1A2 (CYP1A2) katalysiert wird. Daran schließt sich eine O-Konjugation durch Sulfotransferasen (SULT) oder N-Acetyltransferasen (NAT) an. Die Bioaktivierung ist ein kritischer Parameter für die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Tiermodellen auf den Menschen. Rekombinante in vitro Systeme, die fremdstoffmetabolisierende Enzyme verschiedener Spezies exprimieren, ermöglichen die vergleichende Untersuchung der Bioaktivierung im Menschen und in Versuchstieren. Ziel des Projektes war die Aufklärung der Bioaktivierung der aAA durch humane Enzyme. Im Vordergrund stand die Untersuchung der Rolle humaner SULT in diesem Prozess. Es wurden rekombinante in vitro Systeme, konstruiert, die CYP1A2 und SULT des Menschen koexprimieren. SULT-cDNAs wurden in den Säugerzell Expressionsvektor pMPSV kloniert und in Standardindikatorzellen für Mutagenitätsuntersuchungen (V79 Zellen aus dem Chinesischen Hamster) transfiziert. Das Expressionsniveau von CYP1A2 und SULT wurde mittels Immunblotanalyse und radiometrischen Aktivitätsmessungen charakterisiert. In den rekombinanten Zellen wurden vier aAA als Modellsubstanzen (2-Acetylaminofluoren, 2-Aminoanthracen, 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol, 2,4-Diaminotoluol) auf ihre Mutagenität am hprt-Locus hin untersucht.Die aAA waren in Zellen, die keine rekombinanten Enzyme oder lediglich CYP1A2 exprimierten, nicht mutagen. In Zellen, die CYP1A2 und SULT der Subfamilie 1A koexprimierten, erzeugten sie bereits in geringen Konzentrationen klare mutagene Effekte (0,3 µM für 2-Acetylaminofluoren und 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol; 0,1 µM für 2-Aminoanthracen; 10 µM für 2,4-Diaminotoluol). Die stärkste Aktivierung von 2-Acetylaminofluoren und 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol erfolgte in der Zelllinie, die CYP1A2 und SULT1A2 koexprimierte; die stärkste Aktivierung von 2,4-Diaminotoluol und 2-Aminoanthracen erfolgte in der Zelllinie, die CYP1A2 und SULT1A1 koexprimierte. Sowohl SULT1A1 als auch SULT1A2 sind im Menschen genetisch polymorph. Ein unterschiedlich starkes Aktivierungspotenzial der Alloenzyme könnte eine individuell unterschiedliche Suszeptibilität für die durch aAA ausgelöste Kanzerogenese bedingen. In HPRT-Mutationsuntersuchungen mit rekombinanten Zellen zeigten die allelischen Varianten der SULT1A2 starke Unterschiede in ihrem Aktivierungpotenzial. Nur in der Zelllinie, die das Alloenzym SULT1A2*1 mit CYP1A2 koexprimierte, wurde 2-Acetylaminofluoren zum Mutagen aktiviert. Zur Aktivierung von 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol waren jedoch sowohl das Alloenzym SULT1A2*1 als auch das Alloenzym SULT1A2*2 in der Lage. Die Alloenzyme der SULT1A1 zeigten ein ähnlich gutes Aktivierungspotenzial für aAA. In früheren Studien wurde gezeigt, dass die SULT1C1 der Ratte eine wichtige Rolle bei der Aktivierung der aAA in dieser Spezies spielt. Dahingegen war die humane SULT1C1 nicht in der Lage die untersuchten aAA zu aktivieren. Die Kenntnis solcher Spezieunterschiede könnte wichtig sein um unterschiedliche Organotropismen aAA in Menschen und Tiermodellen zu erklären, da SULT mit starker Gewebespezifität exprimiert werden und das Expressionsmuster für die einzelnen SULT-Formen in Menschen und Ratten sich stark unterscheidet.
Menschen nehmen Tausende von Stoffen als bitter wahr. Die chemische Struktur der verschiedenen Bitterstoffe ist sehr vielfältig: Sie reicht von kleinen Molekülen wie Kaliumchlorid oder Harnstoff, bis zu sehr komplexen organischen Verbindungen. Die Größe der einzigen bekannten menschlichen Familie von Bitterrezeptoren (TAS2Rs) wurde auf nur ca. 80-120 Mitglieder geschätzt. In Anbetracht der hohen Zahl und Komplexität der Bitterstoffe erscheint die Zahl von Rezeptoren als sehr gering. Dies führt natürlich zu einer Reihe von Fragen: Wie viele Mitglieder hat die menschliche TAS2R-Genfamilie? Wie viele verschiedene Substanzen können denselben Rezeptor aktivieren? Scheint die Zahl der TAS2R-Rezeptoren ausreichend, alle Bitterstoffe wahrnehmen zu können oder muss es noch andere Bitterrezeptorfamilien geben? Diese Fragen zu beantworten, ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Hier durchgeführte Analysen des menschlichen Genomprojektes zeigen, dass Menschen ca. 25 TAS2R-Rezeptoren besitzt, die eine sehr divergente Aminosäurestruktur aufweisen. Diese Rezeptoren wurden in eine neu entwickelte Expressionskassette kloniert, die den Transport des Rezeptors an die Zelloberfläche ermöglicht. Um Liganden für die menschliche TAS2R-Rezeptoren zu identifizieren, wurden die Rezeptoren in HEK293 Zellen exprimiert und mit verschiedenen Bitterstoffen stimuliert. Der Nachweis der Rezeptoraktivierung erfolgte durch Calcium-Imaging. Es konnte gezeigt werden, dass hTAS2R16 der menschliche Rezeptor zur Wahrnehmung von Salicin und verwandten bitteren Pyranosiden ist. So wird hTAS2R16 in HEK293 Zellen durch Salicin und chemisch verwandte Substanzen aktiviert. Ein Vergleich der in diesem Messsystem erhaltenen Daten mit psychophysikalisch ermittelten Geschmackswahrnehmungen beim Menschen, ergab eine hohe Übereinstimmung. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Desensitiverung einzelner Rezeptoren die Ursache für die Adaption des Bittergeschmacks ist. Der Nachweis der Expression des Rezeptors in menschlichen Geschmackspapillen, sowie die festgestellte Assoziation des G/A Polymorpphismus an Position 665 des hTAS2R16 Gens mit einer reduzierten Salicinwahrnehmung, sind weitere unabhängige Beweise für diese These. Ein anderer menschlicher Rezeptor, hTAS2R10, wird durch die Bitterstoffe Strychnin, Brucin und Denatonium aktiviert. Dies sowie die Tatsache, dass die zur Aktivierung benutzten Konzentrationen eine sinnvolle Korrelation zu dem menschlichen Geschmacksschwellwert von Strychnin zeigen, sind starke Hinweise, dass hTAS2R10 der menschliche Rezeptor zur Wahrnehmung von Strychnin und verwandten Substanzen ist. Die vorliegenden Daten zeigen eindeutig, dass die TAS2R-Rezeptoren auch beim Menschen Bitterrezeptoren darstellen. Sowohl hTAS2R16, als auch hTAS2R10 werden durch ein Spektrum strukturell sehr unterschiedlicher Bitterstoffe aktiviert. Falls die anderen Mitglieder der TAS2R-Familie ebenfalls dieses Verhalten zeigen, wäre es möglich, dass die nur ca. 25 Mitglieder umfassende TAS2R-Rezeptorfamilie des Menschen tatsächlich zur Wahrnehmung aller Bitterstoffe ausreicht.