Biliäre Lipidsekretion bei leberspezifischem Knock-out des Cholesterintransporters ABCG5/G8

Abstract

Erste Berichte zur genetischen Prädisposition für die Entstehung von Gallensteinen wurden bereits in den 30iger Jahren von Körner et al. [1, 2] veröffentlicht. In Studien an unterschiedlichen ethnischen Gruppen konnten diese Erkenntnisse mehrfach belegt werden [2–10]. Durchweitere Untersuchungen gelang es Buch et al. [2] 2007 den Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) p.D19H im ABCG8-Gen zu identifizieren, der signifikant mit der Entwicklung von Gallensteinen assoziiert ist. Bereits ein Jahr zuvor hatten Acalovschi et al. [11] gezeigt,dass genetische Varianten des ABCG5/G8-Gens mit veränderten Plasmalipidspiegeln assoziiert sind und dadurch die biliäre Cholesterinkonzentration und die Bildung von Gallensteinen beeinflussen können. Das ABCG5/G8-Gen kodiert für einen heterodimeren, ATP-abhängigen Cholesterintransporter, der in der Leber und im Darm exprimiert wird [11]. Weitere Arbeiten [12,13] hatten zum Ziel, die Auswirkungen des singulären Abcg5 bzw. Abcg8 Knock-outs oder des kombinierten Abcg5/g8 Knock-outs auf den Organismus zu untersuchen. Diese Arbeiten liefern jedoch zum Teil widersprüchliche Aussagen. Wang et al. [14] verfolgten einen anderen Forschungsansatz und untersuchten die organspezifische (hepatische und intestinale) Rolle des ABCG5/G8 Transporters. Hierbei wurden Wildtyp-Mäuse mit Mäusen, bei denen der ABCG5/G8 Transporter in der Leber und/oder Darm fehlt, bezüglich bestimmter Parameter untersucht. Dieser experimentelle Ansatz wurde auch in der vorliegenden Arbeit verfolgt. Die Auswirkungen einer lithogenen Diät wurden von Wang et al. nicht untersucht, außerdem wurden keine Cholesterinsekretionsraten gemessen und die biliäre Phospholipid- und Gallensäurenkonzentration, die für die Ermittlung des Cholesterinsättigungsindexes (CSI) erforderlich sind, wurden nicht in hepatischer Galle bestimmt. In der vorliegenden Arbeit werden sowohl die Auswirkungen der lithogenen Diät auf die Wildtyp-Mäuse und auf die entsprechenden Knock-out Mäuse, mit Fokus auf den hepatischen Knock-out, analysiert als auch die absoluten Gallensäurensekretionswerte und die CSI-Werte ermittelt. C. Rebholz [15] untersuchte in ihrer Arbeit die Auswirkungen des intestinalen ABCG5/G8 Knock-outs mit den gleichen Untersuchungsmethoden wie in der vorliegenden Arbeit. Daher eignen sich diese Daten für einen Vergleich zwischen intestinalem [15] und hepatischem Knock-out. Der Vergleich der Wildtyp-Mäuse unterschiedlicher Diät zeigt die Auswirkungen der lithogenen Diät auf die Kontrollguppe. Es wird deutlich, dass die gefütterten Tiere durch eine gesteigerte biliäre Sekrektion an Cholesterin und Phospholipiden versuchen, dem Überangebot an Lipiden entgegenzuwirken. Dieser Kompensationsversuch scheint jedoch an seine Grenzen zu kommen, da das Lebergewicht unter lithogener Diät ansteigt und sich makroskopisch eine Leberverfettung entwickelt. Die Analyse der Sekretionswerte der AlbCre-Mäuse zeigt unerwartete Ergebnisse. Trotz des Abcg5/g8 Knock-outs in der Leber sind die AlbCre-Mäuse fähig, Cholesterin aus der Leber in die Galle zu sezernieren. Unter normaler Diät haben sie sogar einen höheren absoluten Cholesterinoutput als die entsprechenden Kontrollen. Dies bestätigt die in Wang et al. [16] gemachte Beobachtung, dass ein ABCG5/G8 unabhängiger Sekretionsweg des Cholesterins existiert. Wieso die AlbCre-Mäuse unter normaler Diät sogar mehr Cholesterin als die Wildtyp-Mäuse sezernieren, kann noch nicht erklärt werden. Unter lithogener Diät sind die AlbCre-Mäuse dagegen nicht fähig, die Cholesterinsekretion in der gleichen Weise wie ihre Kontrollgruppe zu steigern. Der ABCG5/G8 unabhängige Sekretionsweg scheint schneller seine Kompensationsgrenze zu erreichen als der ABCG5/G8 abhängige Transportweg. Dies wird durch eine Zunahme des Lebergewichts der AlbCre-Mäuse im Vergleich zu den Kontrollen bei lithogener Diät deutlich. Auffällig sind weiterhin die geringen Gallensäurensekretionswerte der AlbCre-Mäuse, für die, unabhängig von der Diätform, eine maximale Sekretionsrate zu existieren scheint. Auf welche Art und Weise es zu einer Beeinflussung der Gallensäurensekretion durch den Abcg5/g8 Knock-out kommt, ist derzeit unklar. Eine erstaunliche Beobachtung konnte beim Vergleich der AlbCre-Mäuse mit den VilCre-Mäusen gemacht werden. Trotz des unterschiedlichen gewebsspezifischen Abcg5/g8 Knock-outs zeigen diese beiden Mausmodelle unabhängig von der Diätform im Wesentlichen den gleichen Phänotyp. Sie unterscheiden sich bei normaler und bei lithogener Diät weder im Körper- und Lebergewicht noch in den absoluten Outputwerten der Lipide. Dieses Ergebnis war unerwartet und zeigt, dass die Funktionsweise des Transporters nicht auf ein Gewebe beschränkt ist, sondern vielmehr Wechelwirkungsmechanismen zwischen verschiedenen Transportern existieren. Die zum Teil widersprüchlichen Vorarbeiten hinsichtlich der intestinalen Sterolabsorption bei Abcg5/g8 Knock-out Mäusen zeigen, dass der genaue Mechanismus des Transporters noch nicht hinreichend verstanden ist. Die experimentellen Daten dieser Arbeit verdeutlichen jedoch, dass nicht von der Annahme einer unabhängigen gewebsspezifischen Funktionsweise dieser Transporter ausgegangen werden kann.

First evidence for genetic susceptibilty for gallstone formation was found by Körner et al. in the 1930s [1,2]. These pieces of evidence were confirmed by studies with different ethnic tribes [2–10]. In 2007 Buch et al. successfully identified a single-nucleotide polymorphism (SNP) in the ABCG8 gene, resulting in the amino acid substitution p.D19H, which is significantly associated with gallstone formation. Already in 2006, Acalovschi et al. [11] showed that ABCG5/G8 gene variants modify plasma lipid levels and thereby biliary cholesterol concentration. The ABCG5/G8 gene codes for the heterodimeric, ATP-dependent, intestinal and hepatic cholesterol transporter. Further analysis aimed to investigate the consequences of a single Abcg5 or Abcg8 knock-out and of a combined Abcg5/g8 knock-out. However, these studies reported inconsistent findings. Wang et al. [14] made use of a different experimental approach and examined the organ- (intestine- or liver-) specific role of the ABCG5/G8 transporter. They compared wild-type mice with intestine-specific, liver-specific and total knock-out mice. The same approach is used in the present work. The consequences of a lithogenic diet were not investigated by Wang et al.. Furthermore, in Wang et al. [14] no cholesterol secretion rates were measured and no phospholipid and bile acid concentration, which are essential to calculate the cholesterol-saturated fat index (CSI) value, were determined in hepatic bile. In the present work the consequences of a lithogenic diet for wild-type and liver-specific Abcg5/g8 knock-out mice are analysed and the absolute bile acid secretion rates and CSI values are determined. C. Rebholz [15] investigated the consequences of an intestine-specific knock-out. In her and in the present work the same experimental and analytical methods were used. Therefore, these data are suitable for comparing the intestine- and the liver-specific Abcg5/g8 knock-out. The comparison of wild-type mice with and without lithogenic diet reveals the consequences of a lithogenic diet for the control group.The lithogenic diet-fed mice display increased biliary secretion rates of cholesterol and phospholipids for coping with the excessive supply of lipids. However, it seems that this compensation reaches its limit, as reflected by the increased liver weight and fatty liver development. The analysis of the AlbCre mice secretion rates showed unexpected results. Despite the liver-specific Abcg5/g8 knock-out, AlbCre mice secret cholesterol from liver into bile. The AlbCre mice fed with normal diet even reach higher cholesterol output values than the control group. This observation confirms Wang's [16] assumption of an ABCG5/G8 independent mechanism of cholesterol secretion. The reason why the AlbCre mice, fed with normal diet, even show higher cholesterol secretion rates than wild-type mice has not been identified yet. The lithogenic diet-fed AlbCre mice are not able to increase the cholesterol secretion in the same way as the corresponding wild-type mice. Therefore, it seems as if the ABCG5/G8 independent secretion way has a lower compensation level than the ABCG5/G8 dependent mechanism. This is reflected by the increased liver weight of AlbCre mice as compared to the control group. Furthermore, the low bile acid secretion values of the AlbCre mice are conspicuous, and it seems as if there was a maximal bile acid secretion rate independent of the diet. How the Abcg5/g8 knock-out modifies bile acid secretion cannot be explained to date. The comparison between the AlbCre and the VilCre mice resulted in a suprising observation: Despite the tissue-specific Abcg5/g8 knock-out, both mouse strains exhibit similar phenotypes, independent of the diet. There are no specific differences on normal or lithogenic diet, neither between body and liver weight nor between absolute lipid output. This result was unexpected and demonstrates that the function of the transporter is not restricted to one tissue. In contrast, there must be interaction between the different transporters. The previous, at exact in part contradictory, results concerning the intestinal sterol absorption in Abcg5/g8 knock-out mice indicate that the exact mechanism of the transporter has not been fully understood by now. The experimental data of the present work demonstrate that an independent tissue-specific mechanism for cholesterol excretion cannot be postulated.