Kardioprotektive Wirkung der mitochondrialen Aldehyd-Dehydrogenase 2

Kardioprotektive Wirkung der mitochondrialen Aldehyd-Dehaydrogenase 2

Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH2) ist hauptsächlich als ein alkoholabbauendes Enzym bekannt. Die mitochondriale Isoform dieses Enzyms mtALDH2 wirkt in erster Linie schützend auf den Herzmuskel. Seine kardioprotektive Aktivität ist nach einer Sauerstoffmangelsituation im Herzen, z.B. durch einen Verschluss der Koronargefäße, für das Überleben der Herzmuskelzellen von hoher Bedeutung (Pang Jiao Jiao).

Es schützt das Gewebe und die Zellen vor der schädigenden Wirkung von Alkohol bzw.Acetaldehyd, und anderen toxischen Aldehyden. mtALDH2 spielt eine wichtige Rolle in der Detoxifikation der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und ist dadurch maßgeblich an der Aufrechterhaltung einer intakten Funktion der Mitochondrien beteiligt. (J.Liao). Es kommt daher sehr häufig im Herz vor, einem Organ das besonders viele Mitochondrien enthält und deshalb empfindlich gegenüber oxdidativen Stress und ROS ist (Che Hong). Die Aktivierung von mtALDH2 beugt hauptsächlich der vorzeitigen Apoptose und Nekrose der (J.Liao) Herzmuskelzellen sowie der Bildung von fibrotischen Gewebes vor (X hong).

Die Rolle von ROS und die Aktivierung von mtALDH2

Präkonditionierung

mtALDH2 ist ein Schlüsselenzym in der (ischämischen) Präkonditionierung (Pang Jiao Jiao). Wird das Myokard durch kurze, für das Herz, unschädliche ischämische Phasen, präkonditioniert und folgt darauf ein schwerer Infarkt, so sind die Schäden am Myokard, die durch den Sauerstoffmangel hervorgerufen werden deutlich geringer als nach einem Infarkt ohne Präkonditionierung (Charles Murry).

Ergebnis der Präkonditionierung ist die Aktivierung von mtALDH2. 

Eine Präkonditionierung kann auch durch chemische Substanzen wie Ethanol oder Anästhetika hervorgerufen werden. Ein wichtiger Aktivator bei der Päkonditionierung ist die Proteinkinase ε- PKCε. Diese wird von den RISK-(Repefusions-Injury-Kinases) durch Phosphorylierung aktiviert. RISK selbst werden durch Präkonditionierung aktiviert. Das durch RISK aktivierte PKCε wandert aus dem Zytosol in das Mitochondrium um dort ALDH2 durch Phosphorylierung zu aktivieren (Xiao.E.Lang).

Bildung von ROS und Lipidperoxidation

Hauptaufgabe von mtALDH2 ist es, die für die Zelle schädlichen reaktive Aldehyde aus der Zelle zu entfernen (Che-Hong). Es ist an der Detoxifikation von reaktiven Aldehyden wie z.B. 4 Hydroxy-2-nonenal (4-HNE) oder Malondialdehyd (MDA) beteiligt (J.Liao). Reaktive Aldehyde entstehen im Myokard hauptsächlich in der Reperfusionsphase, wenn nach Auflösung einer Ischämie, das Gewebe plötzlich wieder durchblutet und mit Sauerstoff versorgt wird. Diese schlagartige Rückführung von Sauerstoff führt zu oxidativen Stress (Pang Jiao Jiao) ein Zustand bei dem in der Zelle mehr ROS gebildet als abgebaut wird (Che-Hong, Shijun Wang). ROS oxidieren ungesättigte Fettsäuren wie z.B Arachidonsäure und Linolsäure mit Peroxiden wodurch u.a. wird die mitochondriale Membran geschädigt wird und reaktive Aldehyde wie 4- HNE entstehen. Dieser Prozess wird als Lipidperoxidation bezeichnet. (Pang Jiao Jiao / Che Hong). Die gebildeten Aldehyde sind durch ihre ungesättigten α,β-Kohlenstoffatome sehr reaktiv. Sie bilden mit verschiedenen Molekülen Proteinaddukte, indem sie mit den Aminosäureresten von Cystein. Histidin und Lysin des Proteins reagieren (Che Hong). Die Proteinaddukte hemmen sowohl Enzyme als auch die Synthese von DNA und RNA (Quing Yuan). Diese Vorgänge, bei denen das Gewebe sowohl durch den Sauerstoffmangel während der Ischämie als auch durch die anschließende die Reperfusion des Gewebes für die Schädigung der Zellen sorgt, sind die Ursache für einen Ischämie-Repefusions (IR)-Schaden( Murry)

Reaktive Aldehyde hemmen die Eletronentransportkette im Mitochondrium und induzieren die Öffnung der mitochondrialen permeabilitäts-Transitions-Pore (mPTP) verlinkung nicht möglich—rot). Membranschädigungen führen zur Dysfunktion der Mitochondrien, wodurch sie noch mehr ROS produzieren. Außerdem führt eine nicht intakte Mitochondrienmembran dazu, dass die an der inneren Mitochondrienmembran lokalisierten Enzyme, vor allem Cytochom C freigesetzt werden. Die Freisetzung von Cytochrom C führt zu Bildung eines Apoptosoms und damit zum Zelltod. mtALDH2 unterbricht den Teufelskreis von ROS-Bildung und Mitochondrienschädigung, in dem es die Bildung von ROS sowie die Blockade der der Elektronentransportkette an Komplex I und IV sowie die Ca²⁺ induzierte Öffnung der mPTP hemmt. (Pang Jiao jiao).

ROS vermittelte Aktivierung von PKC-δ

Wie schon einleitend festgestellt wurde, übt die PKCε über die Aktivierung der mtALDH2 eine positive Wirkung auf ein IR-Geschehen aus. Ihre Isoform, die Proteinkinase-δ (PKCδ) beteiligt sich jedoch an gegenteiligen Vorgängen. Wird die PKCε, durch die beschriebenen Mechanismen aktiviert, so führt dies zu einer negativen Rückkoppelung auf die Expression und Translokation von PKCδ. Diese Proteinkinase vermittelt über eine cAMP-abhängige Proteinkinase die aktivierende Phosphorylierung am Serin⁶¹⁶ des Dynamin-related-Protein 1 (Drp1).

Drp1 ist für die natürliche Fission der Mitochondrien verantwortlich, führt jedoch bei gesteigerter Aktivierung zu einer übermäßigen Teilung der Mitochondrien und damit zu deren Abbau. PKCδ wird durch ROS aktiviert und transloziert daraufhin aus dem Zytosol in das Mitochondrium und leitet dort, Mechanismen ein, welche die Mitochondrien schädigen und damit letztendlich die Zelle zerstören. Neben der Phosphorylierung von Drp1, umfassen diese Mechanismen eine PKC-δ abhängige Aktivierung der Glykogensynthase-Kinase 3β (GSK-3β). Wird die GSK-3β eingeschaltet, so bewirkt sie u.a. die Öffnung der mPTP und damit die Induktion der Apoptose. mtALDH2 gewinnt auch bei diesem Vorgang an Bedeutung, weil es unerlässliche für die Detoxifikation von ROS ist. Es beseitigt ROS und entfernt dadurch einen Aktivator von PKC-δ (Shijun Wang)

Kardioprotektive Wirkung von Ethanol

mtALDH2 fungiert als Enzym sowohl im Alkoholabbau als auch im Abbau von reaktiven Aldehyden. Auf Grund dieser Tatsache scheint es möglich, dass sich eine Alkohol- induzierte Aktivierung positiv auf den Schutz des Herzmuskels auswirkt. Tatsächlich lässt sich nach moderatem Alkoholkonsum eine gesteigerte Aktivität von mtALDH2 feststellen. Diese Präkonditionierung mit Alkohol führt dazu, dass bei einem IR-Geschehen eine hohe Konzentration an bereits aktivierten mtALDH2 vorliegt. Ein erhöhter Spiegel von aktiven mtALDH2 erweitert die Kapazität der Zelle, reaktive Aldehyde abzubauen und die Lipidperoxidation zu hemmen. Ein weiterer kardioprotektiver Effekt von Alkohol ist die Aktivierung der Superoxid-Dismutase, SOD. SOD ist ein wichtiges Antioxidans des Myokards, das durch Detoxifikation gefährliche ROS aus den Herzmuskelzellen beseitigt (Qing Lang). Im asiatischen Raum sind 40% der Bevölkerung Träger einer Mutation des ALDH2 Allels. Sie besitzen den ALDH2*2 Mutanten, welcher weniger aktiv ist als der Wild-Typ. Träger von ALDH2*2 sind dadurch einem höheren Risiko ausgesetzt, kardiale Schädigungen durch chronischen Alkoholkonsum zu erleiden (Che Hong)

Signalwege und Mechanismen von ALDH2

Hemmung der Apoptose

Obwohl durch eine rasche Wiederversorgung mit Sauerstoff durch Reperfusion des Herzmuskels die Ausbreitung des Infarktgebietes deutlich reduziert werden kann, verursacht die Rückführung von Sauerstoff paradoxerweise selbst auch Schädigungen des Myokards (IR-Schaden) (Pang Jiao Jiao). Während der Ischämischen Phase gehen die Zellen des Herzmuskels durch Nekrose zugrunde. Hingegen, während der Reperfusion sterben die Zellen durch Apoptose. Dies hängt damit zusammen, dass die Apoptose ein ATP abhängiger Prozess ist. Während der Ischämie ist die Herstellung von ATP durch Blockade der sauerstoffabhängigen ATP-Synthesewege a.v. der Hypoxie deutlich reduziert. Der Mangel an ATP verhindert damit weitgehend den Zelltod durch Apoptose. Durch die Reperfusion wird das Gewebe wieder mit Sauerstoff und Glukose versorgt. Die Rückführung von Sauerstoff sorgt einerseits dafür, dass die ATP-Konzentration wieder steigt, andererseits kommt es durch das hohe Sauerstoffangebot zu oxidativen Stress. Die Kombination aus ROS – und ATP Bildung fördert den Zelltod durch Apoptose. mtALDH2 wirkt an dieser Stelle kardioprotektiv, in dem es die Bildung von ROS hemmt und damit einer Apoptose entgegenwirkt. (Pang Jiao Jiao). Zusätzlich hemmt mtALDH2 den Signalweg der Apoptose, indem es die Aktivität von Akt und von der AMP-abhängigen Proteinkinase (AMPK) steigert, welche dann ihre apoptotischen Zielenzyme Foxo3 und Caspase-3 hemmen (Che Hong).

Autophagie

Neben Nekrose und Apoptose trägt auch die Autophagie dazu bei, dass nach einer Ischämie mit anschließender Reperfusion das Herzmuskelgewebe geschädigt ist. Die Autophagie ist ein natürlicher Mechanismus der Zellen bei dem durch Abbau von Zelleigenem Material das Überleben und das Absterben der Zelle reguliert wird. Dieser Prozess kann jedoch von 4-HNE übermäßig gesteigert wird. 4-HNE sammelt sich durch den Einfluss von ROS in den Herzmuskelzellen an. Es reguliert die Autophagie der Herzmuskelzellen während der Ischämie und Reperfusion in entgegengesetzter Richtung. Normalerweise findet zum Schutz des Myokards während der Ischämie vermehrt Autophagie statt. Hierbei wird der Inhibitor der Autophagie, mTOR durch AMPK (von LKB1 aktiviert), gehemmt. Während der Reperfusion aber, wird die Autophagie durch PTEN /Akt vermittelte Aktivierung von mTOR gehemmt. 4-HNE jedoch blockiert beide Signalwege, sodass eine für das Myokard vorteilhafte Autophagie während der Ischämie verhindert wird. Gleichzeitig wird während der Repefusionsphase eine exzessive Autophagie durch das Einwirken von 4-HNE nicht verhindert. mtALDH2 reguliert die Autophagie, in dem es die Bildung von 4-HNE eindämmt und dessen Abbau vorantreibt. (Pang Jiao Jiao).

Mitophagie

mtALDH2 verindert auch, die durch oxidativen Stress gehemmte Mitophagie also den Abbau geschädigter Mitochondrien. Geschädigte Mitochondrien müssen zum Schutz der Zelle abgebaut werden. Oxidativer Stress führt zu einer Inaktivierung von Parkin, welches für den Abbau des Mitochondriums wichtig ist, und verhindert damit die Entfernung des geschädigten Mitochondriums aus der Zelle. Werden die nicht richtig funktionierenden Mitochondrien nicht abgebaut, so bilden diese mehr ROS was in weiterer Folge zu oxidativen Stress führt. mtALDH2 schützt die Zelle vor einer Inaktivierung der Mitophagie in dem es die Entstehung von ROS und die damit verbundene Inaktivierung von Parkin hemmt. (Pang Jiao Jiao)

ER-Stress

Durch die hypoxischen Bedingungen während der Ischämie wird der Proteinhaushalt der Myokardzellen, insbesondere die Proteinfaltung und der Proteinabbau, empfindlich gestört. Verschiedene Stressoren, wie z.B. Hypoxie führen dazu, dass die Kapazität des Endoplasmatischen Retikulums (ER), neu synthetisierte Proteine korrekt zu falten und falsch gefaltete Proteine richtig zu falten, abnimmt. Faltungsbedürftige Protein sammeln sich deshalb in der Zelle an. Es kommt zu einem Zustand der ER-Stress genannt wird. (J. Liao) ER-Stress löst im Myokard die Apoptose der Kardiomyozyten aus und reduziert das Herzmuskelgewebe somit um einen Großteil seiner funktionsfähigen Zellen. J.Liao)

ER-Stress führt über die NADPH- Oxidase zur Apoptose. Damit die Zelle trotz ER-Stress überleben kann, wird dieser apoptotische Signalweg durch einen, an einen Wachstumsfaktor gekoppelten Signalwegen von Akt und PI3K gehemmt. Hierbei wird Akt von PI3K phosphoryliert. Das nun aktivierte Akt hemmt die p^47phox Untereinheit der NADPH-Oxidase. Wäre die p^47phox Untereinheit nicht gehemmt, so würde sie die Apoptose einleiten. Dies geschieht, wenn durch ER-Stress die PI3K gehemmt und damit die Aktivierung von Akt verhindert wird. Somit bleibt die p^47phox Untereinheit aktiv und leitet die Apoptose ein. mtALDH2 hält den Signalweg von PI3K und Akt auch während ER-Stress aufrecht. Sie hebt die hemmende Wirkung des ER-Stress auf PI3K auf, sodass Akt weiterhin aktiviert wird und die Apoptose hemmt (J.Liao) Die Stressmarker GRP78 und CHOP vermitteln selbst auch, auf noch unbekannte Weise, die Apoptose. Die Apoptotse hemmende Wirkung von mtALDH2 besteht hierbei darin, CHOP und GRP78 zu hemmen. (J.Liao). Ein weiterer ER- Stress auslösender Stressor ist 4 HNE. mtALDH2 beseitigt diesen Stressfaktor indem es 4-HNE durch Detoxifikation eliminiert. (J Liao)

Fibrosebildung

Die Bildung einer Fibrose im Herz, ist die Hauptursache für eine herabgesetzte Herzleistung nach einem Infarkt. Sie geht mit einer verminderten Kontraktilität des Herzmuskels und einem verringerten Auswurfvolumen des linken Ventrikels – LVEF (left ventricular ejection fraction) (Ejektionsfraktion verlinken) einher. Ein Grund für die Veränderung des Herzmuskelgewebes ist ein überaktiver Wnt/β-Catenin-Signalweg. Dieser Signalweg ist für die Regeneration und Reparation des Gewebes verantwortlich und ist unter physiologischen Bedingungen inaktiv bzw. stark reguliert (Xinjun Zhao). Ein Infarkt führt zu dessen andauernden und übermäßigen Aktivierung, wodurch sich das Myokard und Epikard in stark fibröses weitgehend funktionsloses Gewebe umwandelt. Die Ausbildung der kardialen Fibrose erfolgt einerseits durch die Wnt vermittelte epithelial-mesenchymale-Transition (EMT) der Zellen des Epikards in Fibroblasten. Andererseits wird das Myokard durch die Infiltration seiner infarktgeschädigten nekrotischen Areale mit Fibroblasten zu einem weniger elastischen und kontraktionschwächeren Gewebe umstrukturiert (Xinjun Zhao).

Wnt/β-Catenin-Signalweg

In Abwesenheit von Wnt 1 befindet sich der Transkriptions-Coaktivator β-Catenin in einem Komplex, in welchem er über Axin und APC mit, CK1 und GSK-3β verknüpft ist. In diesem Komplex gebunden, wird β-Catenin von CK1 und GSK-3β phosphoryliert. Das phosphorylierte β-Catenin wird von der E-3 Ubiquitin Ligase β-Trcp erkannt und ubiquitiniert. Durch die Ubiquitinierung wird es im Proteasom abgebaut und somit kontinuierlich aus dem Zytosol eliminiert.

Ist Wnt anwesend, dann formiert es einen Rezeptorkomplex mit dem 7-Transmembranrezeptor Frizzled und dem Korezeptor LRP5 oder LRP6. Nun binden auf der zytosolischen Seite des Rezeptorkomplexes das Protein Disheveled (Dsh), GSK-3β und CK1. Die beiden Kinasen GSK-3β und CK1 phosphorilieren LRP wodurch Axin an LRP gebunden wird. Durch die Bindung von Axin an den Rezeptorkomplex in der Membran bleibt β-Catenin unphosphoryliert im Zytosol und wird nicht abgebaut Es wandert in den Zellkern wo es gemeinsam mit dem T-cell-factor (TCF) die Transkription seiner Zielgene einschaltet (T.Bryan). Ein bedeutendes Zielgen ist das Wnt-inducible-signaling pathway (WISP)-1-Gen. WISP-1 ist ein Wachstumsfaktor der insbesondere die Synthese und Freisetzung von Kollagen sowie die Proliferation der Fibroblasten stimuliert (Xinjun Zhao).

In Anwesenheit von mtALDH2 ist die Ausbildung einer Fibrose deutlich gedrosselt. Fehlt mtALDH2, so ist die Konzentration von β-Catenin, Wnt und und aktiver GSK-3β erhöht. mtALDH2 hemmt die Dephosphorylierung der GSK-3β und verhindert damit deren Aktivierung, denn phosphorylierte GSK-3β ist inaktiv . Der Prozess der Stabilisierung von β-Catenin wird gehemmt, wodurch die Signalkaskade über die Wnt seine Zielgene einschaltet, unterbrochen wird. Die Aktivierung von mtALDH2 führt außerdem dazu, dass weniger Kollagen I und III gebildet und in den Zellen abgelagert wird. Zudem wird die Expression von α-SMA und WISP-1 gehemmt. Auch sei an die Funktion von mtALDH2 als Alkoholabbauendes Enzym erinnert, denn das im Alkoholabbau entstehende und von mtALDH2 abgebaute Acetyldehyd ist dafür bekannt, die Fibrogenese zu fördern (Xinjun Zhao).