Polymorphisms of the Antioxidative Enzyme Paraoxonase-1 in the Development of Atherosclerosis

Abstract

Valtimonkovettumataudilla eli ateroskleroosilla tarkoitetaan tilaa, jossa valtimoiden seinämiin kertyy rasvaa ja ne kovettuvat iän myötä. Ateroskleroosin yleisimmät kliiniset ilmenemismuodot, sepelvaltimotauti ja aivoverenkierron häiriöt, ovat suomalaisten yleisinpiä kuolinsyitä. Taudin kehittymisnopeuteen vaikuttavat sekä elintavat että perintötekijät. Ateroskleroosin alkuvaiheessa rasvaa kulkeutuu low-density lipoprotein (LDL) partikkelin mukana valtimoiden sisäkerrokseen, rasvan pitoisuus seinämässä nousee ja osa siitä hapettuu. Hapettunut rasva on erityisen haitallista, sillä se nopeuttaa ateroskleroosille tyypillisten muutosten kehittymistä suonen seinämässä. High-density lipoprotein (HDL) pystyy estämään ja hidastamaan hapettumista. Tämä johtuu osittain HDL:n kuljettamasta entsyymistä, paraoksonaasi-1:stä (PON1). PON1:n geenissä esiintyy luonnollista yksilöiden välistä vaihtelua, polymorfismia, joka puolestaan vaikuttaa proteiinin rakenteeseen: proteiinin kohdassa 55 voi olla joko metioniini (M) tai leusiini (L) aminohappo ja kohdassa 192 arginiini (R) tai glutamiini (Q). Yksilö voi tätän M ja L alleelien yhdistelmänä periä vanhemmiltaan MM, ML tai LL genotyypin ja R ja Q alleelien yhdistelmänä puolestaan RR, RQ tai QQ genotyypin. M/L55 ja R/Q192 polymorfismit osallistuvat PON1:n aktiivisuuden ja pitoisuuden säätelyyn verenkierrossa ja saattavat siten vaikuttaa rasvojen hapettumisherkkyyteen ja ateroskleroosin kehittymiseen.

Väitöskirjatyössä selvitettiin ehdokasgeeni- ja assosiaatiotutkimuksen keinoin PON1:n perinnöllisen vaihtelun yhteyttä ateroskleroosin riskitekijöihin, rasvojen hapettumiseen, rasva-aineenvaihduntaan kolesterolia alentavan lääkityksen aikana ja ateroskleroosin eri kehitysvaiheisiin varhaisemmista muutoksista lähtien. Lisäksi tutkittiin miten tupakointi vaikuttaa PON1:n genotyypin ja mitattujen tekijöiden välisiin suhteisiin.

Tutkimuksessa käytettiin kolmea kliinistä ja kahta ruumiinavaustutkimussarjaa, joista kaikista määritettiin PON1:n genotyyppi ja joukko ateroskleroosin riskitekijöitä. Ensimmäisessä kliinisessä sarjassa nuorille miehille, joilla oli lievästi kohonnut veren kokonaiskolesterolipitoisuus, annettiin kuuden kuukauden ajan kolesterolia alentavaa pravastatiinilääkettä tai vaihtoehtoisesti lumelääkettä. Miehiltä mitattiin positroniemissiotomografialaitteistolla sepelvaltimoiden toiminta ennen ja jälkeen lääkehoidon. Samoilta henkilöiltä tutkittiin kolesteroli- ja apolipoproteiinipitoisuuksien muutokset lääkityksen aikana ja mitattiin LDL:n hapettumisherkkyys sekä vasta-aineiden määrä hapettunutta LDL partikkelia kohtaan. Toisessa kliinisessä aineistossa tutkittiin hapettumista kuvaavan tekijän määrä virtsassa tyypin 2 diabeetikoilla ja terveillä kontrollihenkilöillä. Kolmannessa tutkimussarjassa keski-ikäisiltä miehiltä mitattiin kaulavaltimon seinämän paksuus ultraäänilaitteella. Ruumiinavaussarjoissa mitattiin sepelvaltimoiden, aortan ja suolilievevaltimoiden ateroskleroottisten muutosten vaikeusaste ja pinta-ala.

PON1:n genotyyppi ei ollut johdonmukaisesti yhteydessä veren kolesterolipitoisuuksiin. R192 alleelin kantajat näyttivät kuitenkin erityisesti hyötyvän pravastatiinilääkityksestä, sillä heillä sekä ateroskleroosilta suojaava HDL-kolesteroli että HDL:ään kiinnittynyt apolipoproteiini AI kohosivat kaikkein eniten lääkityksen aikana. R/Q192 genotyyppi vaikutti myös suonen seinämän jännitystilaan lepotilassa. PON1:n LL genotyypin kantajilla oli virtsassaan enemmän hapettumista kuvaavaa tekijää verrattuna M55 alleelin kantajiin. Tulos vahvisti käsitystä siitä, että M55 alleelia kantava PON1 estää tehokkaimmin tiettyjen rasvojen hapettumista. PON1:n genotyyppi ei kuitenkaan vaikuttanut LDL partikkelin hapettumisherkkyyteen tai vasta-aineiden määrään hapettunutta LDL partikkelia vastaan verenkierrossa. L55 alleelin kantajilla oli paksumpi kaulavaltimon seinämä verrattuna MM genotyypin kantajiin. Ruumiinavausaineistoissa M55 alleelin kantajilla oli eniten varhaisia, harmittomia ateroskleroottisia muutoksia. LL genotyypin kantajilla puolestaan oli eniten pidemmälle edenneitä haitallisia muutoksia suolilievevaltimoissa. Samanlaista yhteyttä LL genotyypin ja vakavampien ateroskleroottisien muutosten välillä ei kuitenkaan löydetty sepelvaltimoista tai aortasta. Sepelvaltimoissa ja kaulavaltimoissa tupakointi muutti PON1:n genotyypin ja ateroskleroottisten muutosten välistä yhteyttä.

Tutkimus vahvisti käsitystä siitä, että PON1:n perinnöllinen monimuotoisuus vaikuttaa ateroskleroosin kehittymiseen nimenomaan sen alkuvaiheessa. Vaikutus saattaa johtua PON1:n kyvystä estää tiettyjen rasva-aineiden hapettumista. PON1:n osuus ateroskleroosin kehittymisessä näyttää kuitenkin riippuvan paljolti siitä, mitkä ympäristötekijät, kuten tupakointi, kulloinkin vaikuttavat yhtäaikaa geneettisten tekijöiden kanssa. Tulevaisuudessa PON1 genotyypin määritys saattaa osoittautua tärkeäksi ateroskleroosin ennaltaehkäisytoimien kohdistamisessa ja valinnassa, sillä PON1:n genotyyppi näytti muuntelevan hoitovastetta kolesterolia alentavan lääkityksen aikana.

Oxidative modification of low-density lipoprotein (LDL) particle in the artery wall is involved with the initiation of atherosclerosis. High-density lipoprotein (HDL) retards the occumulation of lipid peroxides on LDL particles, which is partly related to HDL-bound enzyme, paraoxonase-1 (PON1). The gene of PON1 has two common coding region polymorphisms (M/L55 and R/Q192) that affect enzyme's activity and may modify the risk of coronary heart disease.

Three clinical series was used to elucidate the relationship between PON1 genotypes and indices of lipid oxidation and levels of serum lipids and apolipoproteins in subjects with or without pravastatin medication. The association between PON1 genotypes and blood flow measured by positron emission tomography and intima-media thickness of carotid arteries measured by ultrasound was also studied. The association of PON1 genotypes with the areas of atherosclerotic lesions in coronaries, aorta and mesenteric arteries was examined in two autopsy series.

PON1 genotypes were not consistently related to lipid or apolipoprotein concentrations. The increases in HDL cholesterol and apolipoprotein AI concentrations during pravastatin therapy were, however, greatest in men carrying the PON1 R192 allele. R/Q192 genotype was also associated with coronary blood flow at rest. Subjects carrying the PON1 LL genotype had higher concentration of an in vivo oxidative stress marker and greater intima-media thickness in their carotid arteries than subjects carrying the M55 allele. There were, however, no differences in in vitro indices of LDL oxidation between genotypes. In autopsy series, non-smoking subjects with the M55 allele had larger areas of fatty streaks in their arteries. LL homozygotes, in turn, had larger areas of advanced lesions in their mesenteric arteries but not in coronaries or aorta. Smoking modified the effect of M/L55 genotype on atherosclerosis.

The effects of PON1 genotypes on atherosclerosis are more clearly seen in the development of early fatty streak lesions, which could be due to differential abilities of PON1 isozymes to destroy oxidized LDL species. The impact of PON1 genotypes on atherosclerosis is, however, substantially related to smoking and may not be the same in all arteries. Genotypes of PON1 seem also to modulate the response to pravastatin treatment.