Einfluss des Vitamin K2 auf die Lipidhomöostase und potenzielle Implikationen für die Alzheimererkrankung

Abstract

Demenzen beschreiben einen Symptomkomplex mit dem Verlust höherer kortikaler Funktionen wie Gedankenbildung, Orientierung und Sprachfähigkeit. Mit 50-70 % bildet die Alzheimererkrankung die häufigste ätiologische Ursache einer Demenz. Charakteristisch für die Alzheimer-Krankheit ist der histopathologische Befund extrazellulärer Amyloid-Plaques und intrazellulärer neurofibrillärer Bündel. Amyloid-Plaques beschreiben Oligomere aus jeweils 38-43 Aminosäure langen Amyloid-Peptiden, die im Rahmen der amyloidogenen Prozessierung des Transmembranproteins Amyloid Precusor Protein durch proteolytische Spaltung der β- und γ-Sekretase entstehen. Dem gegenüber steht die neuroprotektive nichtamyloidogene Prozessierung durch die initiale enzymatische Spaltung des APP durch die αSekretase und anschließender Prozessierung durch die γ-Sekretase. Eine Störung des Gleichgewichts zwischen Bildung und Abbau des Aβ oder der enzymatischen Aktivität der αzur β-Sekretase führt zur übermäßigen Oligomerisierung und Manifestation der neurotoxischen Amyloid-Plaques. Neben weiteren Einflussfaktoren wie Neuroinflammation, oxidativem Stress und mitochondrialer Dysfunktion gewinnt die Rolle der Lipide im Kontext der Alzheimerdemenz zunehmen an Bedeutung. Eine Alteration der Lipidhomöstase steht in einem bidirektionalen Zusammenhang mit der Pathogenese und Progression neurodegenerativer Erkrankungen, insbesondere der Alzheimererkrankung. Ebenfalls an Bedeutung und zunehmendem Interesse gewinnen die vielfältigen Einflüsse des fettlöslichen Vitamin K2 auf neuronale Prozesse. Über die γ-Carboxylierung von aktuell 17 bekannten Gla-Proteinen moduliert Vitamin K2 unter anderem Signaltransduktion, Knochenhomöstase und vaskulären Kalzifizierungsprozesse. Sowohl epidemiologische als auch in vitro und in vivo Studien deuten zunehmend auf vielfältige neuroprotektive Effekte des Vitamin K2 hin. Im Kontext des zunehmenden Interesses am Zusammenhang zwischen Vitamin K2, der Lipidhomöstase und der Alzheimererkrankung sollte in dieser Arbeit drei Fragestellungen nachgegangen werden: Zum einen sollte der direkte Einfluss des Vitamers MK4 auf Klasseneffekte, Sättigungsgrade und Kettenlänge typischer Membranlipide (Diacylphsophatidylcholine, PhosphatidylcholinPlasmalogene, lysierte Phosphatidylcholine, Sphingomyeline) untersucht werden. Zusätzlich sollten mögliche Interaktionen des MK4 auf Lipide des Energiemetabolismus (Carnitinester und Triacylglyceride) nachgegangen werden. Für beide Fragestellungen erfolgte eine massenspektrometrische Analyse des Lipidprofils der humanen SH-SY5Y-Zelllinie unter einer 72-stündigen Inkubation mit MK4. In der Analyse zeigte sich in der Gruppe der Diacyl-Phosphatidylcholine und Phosphatidylcholin-Plasmalogene eine Zunahme der sechsfach ungesättigten und kurzkettig gesättigten Fettsäuren. In der Gruppe der lysierten Phosphatidylcholine zeigte sich eine Zunahme der mehrfach ungesättigten Fettsäuren Docosahexaensäure und Arachidonsäure. Die Analyse der Carnitinester als auch der Triacylglyceride -als Repräsentanten des mitochondrialen Energiemetabolismus- zeigte in beiden Fällen als gesamte Klasse eine signifikante Abnahme gegenüber den Kontrollen. Neben dem Einfluss des Vitamin K2 auf das Lipidprofil sollte in dieser Arbeit der direkte Effekt des Vitamin K2 auf die Prozessierung des APP erforscht werden. Dafür erfolgte zum einen die Analyse des Expressionsniveaus mehrerer Gene der APP-Prozessierung und eine Echtzeitfluoreszenzanalyse der α- und β-Sekretase, jeweils in SH-SY5Y-Zellen nach 72- stündiger Inkubation mit MK4. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass unter Einfluss von MK4 kein statistisch signifikanter Einfluss auf das Expressionsniveau des αSekretase kodierenden Gens ADAM10 ausgeübt wurde. Gleichzeitig zeigte sich keine statistisch signifikante Änderung der Enzymaktivität der α-Sekretase in der EchtzeitFluoreszenzspektrometrie. Jedoch konnte sich unter Inkubation mit MK4 eine signifikante Abnahme des Expressionsniveaus des β-Sekretase kodierenden Gens BACE-1 nachweisen lassen. Korrespondierend zu diesem Befund zeigte sich eine Abnahme der Enzymaktivität der β-Sekretase unter Inkubation mit MK4. In der Gesamtschau deuten die in dieser Arbeit gefundenen Erkenntnisse in Konkordanz mit der aktuell bestehenden Datenlage auf komplexe mannigfaltige neuroprotektive Effekte des Vitamin K2, welche auf Entstehung und Verlauf der Alzheimer-Erkrankung Einfluss nehmen.

Influence of vitamin K2 on lipid homeostasis and potential implications for Alzheimer's disease Dementia describes a symptom complex with the loss of higher cortical functions such as thought formation, orientation and language skills. At 50-70 %, Alzheimer's disease is the most common etiologic cause of dementia. The histopathological finding of extracellular amyloid plaques and intracellular neurofibrillary tangles is an obligatory diagnostic criterion. Amyloid plaques describe oligomers of 38-43 amino acid long amyloid peptides, which are formed during the amyloidogenic processing of the transmembrane protein amyloid precursor protein by proteolytic cleavage of β- and γ-secretase. This contrasts with neuroprotective nonamyloidogenic processing through the initial enzymatic cleavage of APP by α-secretase and subsequent processing by γ-secretase. A disturbance of the balance between formation and degradation of Aβ or between the enzymatic activity of α- to β-secretase leads to excessive oligomerization and manifestation of neurotoxic amyloid plaques. In addition to other influencing factors such as neuroinflammation, oxidative stress and mitochondrial dysfunction, the role of lipids in the context of Alzheimer's disease is becoming increasingly important. Alteration of lipid homeostasis has a bidirectional relationship with the pathogenesis and progression of neurodegenerative diseases, particularly Alzheimer's disease. The role of fat-soluble vitamin K2 on neuronal processes are also gaining in importance and interest. Via the γ-carboxylation of currently 17 known Gla proteins, vitamin K2 modulates signal transduction, bone homoestasis and vascular calcification processes. Epidemiological as well as in vitro and in vivo studies increasingly point to diverse neuroprotective effects of vitamin K2. In the context of the increasing interest in the relationship between vitamin K2, lipid homoestasis and Alzheimer's disease, three questions should be investigated in this study: Firstly, the direct influence of the vitamin MK4 on class effects, degrees of saturation and chain length of typical membrane lipids (diacylphsophatidylcholines, phosphatidylcholine plasmalogens, lysed phosphatidylcholines, sphingomyelins) was to be investigated. In addition, the possible influence of MK4 on lipids of energy metabolism (carnitine esters and triacylglycerides) should be explored. For both questions, a mass spectrometric analysis of the lipid profile of the human SH-SY5Y cell line was carried out under a 72-hour incubation with MK4. The analysis showed an increase in six-fold unsaturated and short-chain saturated fatty acids in the group of diacyl-phosphatidylcholines and phosphatidylcholine plasmalogens. There was also an increase in the polyunsaturated fatty acids docosahexaenoic acid and arachidonic acid in the group of lysed phosphatidylcholines. The analysis of carnitine esters and triacylglycerides - as representatives of mitochondrial energy metabolism - showed a significant decrease in both cases as a whole class compared to the controls. In addition to the influence of vitamin K2 on the lipid profile, the direct effect of vitamin K2 on the processing of APP was examined in this study. For this, the expression level of several APP processing genes was analyzed and a real-time fluorescence analysis of α- and β- secretase was performed, both in SH-SY5Y cells after 72-hour incubation with MK4. This study showed that MK4 had no statistically significant effect on the expression level of the α- secretase-encoding gene ADAM10. At the same time, there was no statistically significant change in the enzyme activity of α-secretase in real-time fluorescence spectrometry. However, a significant decrease in the expression level of the gene encoding β-secretase BACE-1 was detected when incubated with MK4. Corresponding to this, there was a decrease in the enzyme activity of β-secretase when incubated with MK4. Overall, the findings in this study, in concordance with the current data, point to complex and diverse neuroprotective effects of vitamin K2, which influence the development and progression of Alzheimer's disease.