• No results found

The  enzymatic  machinery  of  leukotriene  biosynthesis:

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "The  enzymatic  machinery  of  leukotriene  biosynthesis:"

Copied!
103
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

 

 

 

 

The  enzymatic  machinery  of  leukotriene  biosynthesis:  

Studies  on  ontogenic  expression,  interactions  and  function  

 

 

Tobias  Strid  

 

 

 

 

 

 

 

Division  of  Cell  Biology    

Department  of  Clinical  and  Experimental  Medicine   Faculty  of  Health  Sciences,  Linköping  University  

SE-­‐581  85  Linköping,  Sweden   www.liu.se

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

©  Tobias  Strid  2012  

Cover:  Pixel-­‐inverted  scan  of  LTA

4

H  in  situ  hybridized  mouse  e18.5  fetus.    

Printed  by  LiU-­‐Tryck,  Linköping,  Sweden  2012  

ISBN:  978-­‐91-­‐7519-­‐987-­‐0  

ISSN  0345-­‐0082  

Published  articles  were  reprinted  with  permission  from  the  copyright  

holder  Elsevier  Ltd.  According  to  Elsevier’s  policy  on  author  postings  

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Research  is  the  act  of  going  up  alleys  to  see  if  they  are  blind  

//  Plutarch  

 

 

 

 

 

 

(4)

Supervisor:    

 

 

Faculty  opponent:  

Professor  Sven  Hammarström    

Professor  Ralf  Morgenstern  

Department  of  Clinical  and  Experimental       Institute  of  Environmental  Medicine   Medicine,  Faculty  of  Health  Sciences,       Karolinska  Institute,  Stockholm   Linköping  University  

 

   

Co-­‐supervisor:    

 

 

Board  committee:  

Dr.  Mats  Söderström    

 

Dr.  David  Engblom  

Department  of  Clinical  and  Experimental       Department  of  Clinical  and  Experimental   Medicine,  Faculty  of  Health  Sciences,     Medicine,  Faculty  of  Health  Sciences,     Linköping  University       Linköping  University  

 

Professor  Jan  Ernerudh  

 

 

 

 

Department  of  Clinical  and  Experimental           Medicine,  Faculty  of  Health  Sciences,

 

 

 

 

 

Linköping  University

 

 

 

 

 

 

Professor  Ernst  Oliw  

 

 

 

Department  of  Pharmaceutical    

      Biosciences  

      Uppsala  University  

 

Professor  Christer  Tagesson  

 

 

 

 

Department  of  Clinical  and  Experimental           Medicine,  Faculty  of  Health  Sciences,

 

 

 

 

 

Linköping  University

 

 

 

(5)

LIST  OF  PAPERS  

This  thesis  is  based  upon  the  following  papers  referred  to  in  the  text  by  

roman  numerals:  

 

I: Strid  T.,  Söderström  M.,  and  Hammarström  S.  (2008)  Leukotriene  C

4

 

synthase  promoter  driven  expression  of  GFP  reveals  cell  specificity.  

Biochem  Biophys  Res  Commun.  366:  80-­‐85.  

http://www.journals.elsevier.com/biochemical-­‐and-­‐biophysical-­‐research-­‐ communications/  

 

II:  Strid  T.,  Svartz  J.,  Franck  N.,  Hallin  E.,  Ingelsson  B.,  Söderström  M.,  and  

Hammarström  S.  (2009)  Distinct  parts  of  leukotriene  C

4

 synthase  interact  

with  5-­‐lipoxygenase  and  5-­‐lipoxygenase  activating  protein,  Biochem  

Biophys  Res  Commun.  381:  518-­‐522.  

III:  Strid  T.,  Karlsson  C.,  Söderström  M.,  Zhang  J.,  Qian  H.,  Sigvardsson  M.,  

and  Hammarström  S.  (2009)  Fetal  hepatic  expression  of  5-­‐lipoxygenase  

activating  protein  is  confined  to  colonizing  hematopoietic  cells,  Biochem  

Biophys  Res  Commun.  383:  336-­‐339.  

IV:  Strid  T.,  Sigvardsson  M.,  Karlsson  C.,  Söderström  M.,  Qiang  H.,  and  

Hammarström  S.  (2012)  Expression  of  leukotriene  biosynthesis  proteins  in  

fetal  and  adult  hematopoietic  cells  and  its  functional  effects  on  

(6)
(7)

POPULÄRVETENSKAPLIG  SAMMANFATTNING  

Leukotriener  tillhör  gruppen  eikosanoider  som  är  biologiskt  aktiva  

substanser  bildade  från  fleromättade  fettsyror.  De  verkar  

proinflammatoriskt  och  deltar  i  utvecklandet  av  inflammatoriska  

sjukdomar  såsom  astma,  allergi,  hjärtinfarkt  och  stroke.  De  bildas  genom  

att  enzymet  5-­‐lipoxygenas  (5-­‐LO)  tillsammans  med  aktiveringsproteinet  

FLAP,  omvandlar  arakidonsyra,  till  leukotrien  A

4

 (LTA

4

).  FLAP  saknar  egen  

enzymatisk  aktivitet,  och  dess  roll  anses  vara  att  överföra  arakidonsyra  från  

fosfolipas  A

2

 till  5-­‐LO.  LTA

4

 är  en  instabil  molekyl  som  spontant  bryts  ned  

om  den  inte  omvandlas  till  LTB

4

 av  enzymet  LTA

4

 hydrolas  eller  till  LTC

4

 av  

LTC

4

 syntas.  Leukotriener  bildas  runt  cellens  kärnmembran  där  FLAP  och  

LTC

4

S  är  belägna  och  dit  5-­‐LO  förflyttas  i  samband  med  inflammatorisk  

aktivering  av  cellen.  Vi  har  studerat  proteinerna  som  möjliggör  syntes  av  

LTC

4

 och  visat  att  FLAP  och  LTC

4

S  kan  binda  till  varandra  genom  sina  

membrangenomträngande  delar.  Proteinerna  binder  till  5-­‐LO  genom  sina  

vattenlösliga  delar  som  sticker  upp  ur  membranet.

 

 

De  proteiner  som  behövs  för  att  bilda  leukotriener  finns  i  vissa  typer  av  vita  

blodkroppar.  LTA

4

H  finns  i  de  flesta  celler  medan  övriga  proteiner  finns  i  

betydligt  färre  celltyper.  Vi  undersökte  LTC

4

S  genens  uttryck  genom  att  

konstruera  en  vektor  som  uttrycker  det  lätt  påvisbara  proteinet  GFP  under  

reglering  av  promotorn  för  LTC

4

S.  Denna  vektor  gav  ett  cellspecifikt  uttryck  

liknande  det  naturliga  för  LTC

4

S  när  vektorn  fördes  in  i  olika  celltyper.  GFP  

uttrycket  ökade  av  ämnen  som  tidigare  visats  stimulera  LTC

4

S.  Vektorn  är  

alltså  lämplig  som  rapportör  för  LTC

4

S  uttryck.    

 

 

(8)

DNA  från  vektorn  användes  för  att  ta  fram  genmodifierade  möss  som  

uttrycker  GFP  som  LTC

4

S  markör.  Leukotrienbiosyntesproteiners  uttryck  

under  fosterutveckling  undersöktes  med  två  andra  tekniker  som  specifikt  

påvisar  enskilda  proteiners  mRNA  respektive  proteinet  självt.  Resultaten  

visade  att  ett  komplett  maskineri  för  leukotriensyntes  uttrycks  i  levern  

under  fosterutvecklingen.  Under  denna  tid  sker  här  blodbildning  från  celler  

som  koloniserar  levern.    Vi  särskilde  olika  celltyper  i  fetal  lever  genom  

cellsortering  och  undersökte  vilka  som  uttryckte  mRNA  kodande  för  

proteiner  viktiga  för  leukotriensyntes.  Störst  mängd  fanns  i  mogna  

myeloida  celler,  men  även  i  omogna  blodceller  fann  vi  FLAP.  Detta  fick  oss  

att  spekulera  kring  leukotrieners  roll  i  att  reglera  själva  blodbildningen.  Vi  

undersökte  detta  genom  att  analysera  cellsammansättningen  i  blod  och  

benmärg  från  möss  som  saknar  FLAP  och  leukotrien  produktion.  Det  var  

tidigare  känt  att  sådana  möss  har  dämpade  inflammatoriska  svar.  Våra  

resultat  visade  att  förhållandet  av  B-­‐  till  T-­‐lymfocyter  var  lägre  hos  dessa  

möss  jämfört  med  kontrolldjur.  Resultaten  tyder  på  att  leukotriener  deltar  i  

reglering  av  blodcellers  differentiering  och  därmed  är  möjliga  mål  vid  

behandling  av  sjukdomar  som  drabbar  blodbildningen.  

(9)

ABSTRACT  

Leukotrienes  (LTs)  are  biologically  active  arachidonic  acid  (AA)  derivatives  

generated  by  the  5-­‐lipoxygenase  (5-­‐LO)  pathway.  They  are  produced  by  

myeloid  cells.  5-­‐LO  converts  AA  to  LTA

4

 in  cooperation  with  5-­‐LO  activating  

protein  (FLAP).  LTA

4

 is  converted  to  LTB

4

,  by  LTA

4

-­‐hydrolase  (LTA

4

H)  or  to  

LTC

4

 by  LTC

4

-­‐synthase  (LTC

4

S).  LTs  act  on  cells  through  plasma  membrane  

bound  G-­‐protein  coupled  receptors  found  on  leukocytes,  smooth  muscle  

and  endothelial  cells.  We  report  here  protein-­‐protein  interactions  of  

proteins  involved  in  LTC

4

 synthesis.  5-­‐LO  interacts  with  cytosolic  domains  

of  the  integral  membrane  proteins  FLAP  and  LTC

4

S  at  the  nuclear  envelope,  

in  addition  LTC

4

S  interacts  with  FLAP  through  its  hydrophobic  membrane  

spanning  regions.  We  constructed  an  LTC

4

S  promoter  controlled  GFP  

reporter  vector,  displaying  cell  specific  expression  and  sensitivity  to  agents  

known  to  affect  LTC

4

S  expression.  The  vector  was  used  to  create  transgenic  

mice  expressing  GFP  as  a  reporter  for  LTC

4

S.  Ontogenic  mouse  expression  

studies  revealed  that  the  complete  LT  biosynthesis  machinery  was  present  

at  e11.5  primarily  in  the  hematopoietic  cells  colonizing  the  liver.  Although  

mature  myeloid  cells  were  the  main  contributors,  a  substantial  amount  of  

FLAP  message  was  also  detected  in  hematopoietic  stem  and  progenitor  

cells,  indicating  possible  functions  for  FLAP  in  hematopoietic  regulation.  

Functional  analyses  using  FLAP  knockout  mice  suggested  fine-­‐tuning  roles  

for  LTs  during  differentiation,  primarily  along  the  B-­‐lymphocyte  

(10)

ABBREVIATIONS  

 

AA,  arachidonic  acid  

AGM,  aorta-­‐gonad-­‐mesonephros   AP1,  activating  protein  1   AP2,  activating  protein  2   BLT1R,  leukotriene  B4  receptor  1  

BLT2R,  leukotriene  B4  receptor  2  

cAMP,  cyclic  AMP  

CLP,  common  lymphoid  progenitors   CMP,  common  myeloid  progenitors  

COX,  cyclooxygenase      

cPLA2,  cytosolic  phospholipase  A2  

CysLT,  cysteinyl  leukotriene   CysLT1R,  CysLT  receptor  1  

CysLT2R,  CysLT  receptor  2  

DAG,  diacyl  glycerol  

DHGLA,  dihomo-­‐γ-­‐linolenic  acid   eGFP,  enhanced  green  fluorescent   protein  

EPA,  eicosapentaenoic  acid   ER,  endoplasmatic  reticulum   ERK,  extracellular  regulated  kinase   EX,  eoxin  

FACS,  fluorescence-­‐activated  cell  sorting   FLAP,  5-­‐lipoxygenase  activating  protein   FLIM,  fluorescence  lifetime  imaging   microscopy  

GMLP,  granulocyte,  macrophage,   lymphoid  progenitor  

GMP,  granulocyte  and  macrophage   progenitor  

GPCR,  G-­‐protein  coupled  receptor   GSH,  reduced  glutathione  

GST,  glutathione  S-­‐transferase   HETE,  hydroxyeicosatetraenoic  acid   HPC,  hematopoietic  progenitor  cell   HpETE,  hydroperoxyeicosatetraenoic   acid  

HSC,  hematopoietic  stem  cell   IP3,  Inositol  tris-­‐phosphate   ISH,  in  situ  hybridization  

LMPP,  lymphoid  primed  multipotential   progenitor   LO,  lipoxygenase   LPS,  lipopolysaccharide        

LSC,  leukemic  stem  cell   LSK,  lineage-­‐  Sca1+  cKit+  cells  

LT,  leukotriene  

LTA4H,  leukotriene  A4  hydrolase  

LTC4S,  leukotriene  C4  synthase  

LT-­‐HSC/LSC:  long  term  HSC/LSC   MAPEG,  membrane-­‐associated  proteins   in  eicosanoid  and  glutathione  

metabolism  

MAPK,  mitogen  activated  protein  kinase   MEP,  megakaryocyte  and  erythroid   progenitor  

mGST,  microsomal  glutathione  S-­‐ transferase  

MPP,  multipotential  progenitor   MRP1,  multidrug  resistance  associated   protein  1  

MS,  multiple  sclerosis   NE,  nuclear  envelope   NK-­‐cell,  natural  killer  cell  

OAG,  1-­‐oleoyl-­‐2-­‐acteyl-­‐sn-­‐glycerol   PAF,  platelet  activating  factor   PG,  prostaglandin  

PI3K,  phosphoinositide  3-­‐kinase   PIP2,  phosphatidylinositol-­‐2-­‐phosphate  

PKC,  protein  kinase  C  

PPARα,  peroxisome  proliferator-­‐ activated  receptor-­‐α  

PTX,  pertussis  toxin  

PUFA,  polyunsaturated  fatty  acid   RA,  retinoic  acid  

ROS,  reactive  oxygen  spices  

SNP,  single  nucleotide  polymorphism   SP1,  specificity  protein  1  

SP3,  specificity  protein  3  

SRS-­‐A,  slow  reacting  substance  of   anaphylaxis  

STAT3,  signal  transducer  and  activator   of  transcription  3  

ST-­‐HSC/LSC,  short  term  HSC/LSC   TGF-­‐  β,  transforming  growth  factor  β   TPA,  12-­‐O-­‐tetradecanoylphorbol-­‐13-­‐ acetate  

TX,  thromboxane  

UCB,  umbilical  cord  blood  

12-­‐HHT,  12(S)-­‐hydroxyheptadeca-­‐5(Z),   8(E),  10(E)-­‐trienoic  acid  

(11)

TABLE  OF  CONTENTS

 

 

LIST  OF  PAPERS  ...  I  

POPULÄRVETENSKAPLIG  SAMMANFATTNING    ...  II  

ABSTRACT  ...  III  

ABBREVIATIONS  ...  IV  

 

1.  INTRODUCTION  ...  13  

1.1  Lipids  and  inflammation  ...  13  

1.2  Biosynthesis  of  eicosanoids  ...  15  

1.2.1  Cyclooxygenases  ...  17  

1.2.2  Lipoxygenases  ...  18  

2.  LEUKOTRIENES  AND  THE  5-­‐LO  PATHWAY  ...  21  

2.1  Biosynthesis  of  leukotrienes    ...  21  

2.1.1  Biochemistry  of  Leukotrienes  ...  21  

2.1.2  5-­‐LO    ...  23   2.1.3  FLAP    ...  27   2.1.4  LTC4S    ...  29   2.1.5  LTA4H    ...  32  

2.2  Leukotriene  receptors  ...  35  

2.2.1  LTB4-­‐receptors  ...  36   2.2.2  CysLT  receptors.  ...  38  

2.3  Leukotriene  actions  ...  41  

2.3.1  Modulators  of  inflammatory  responses  ...  41  

2.3.2  Regulators  of  hematopoiesis  ...  44  

3.  AIMS  ...  49  

 

 

 

(12)

4.  RESULTS  AND  DISCUSSION  ...  51  

4.1  Paper  I    ...  51  

4.2  Generation  of  GFP  mice  (unpublished  results)  ...  53  

4.3  Paper  II  ...  55

 

4.4  Paper  III  ...  56  

4.5  Paper  IV  ...  57  

5.  CONCLUSIONS    ...  61  

6.  GENERAL  DISCUSSION  AND  FUTURE  PERSPECTIVES  ...  63  

7.  ACKNOWLEDGEMENTS  ...  67  

7.1  Financial  support  ...  67  

7.2  Personal  thank  you  /  Personligt  tack  ...  67  

8.  REFERENCES  ...  73  

9.  REPRINTS  OF  PUBLISHED  ARTICLES  AND  MANUSCRIPTS  ....  105  

 

 

 

(13)

1.  INTRODUCTION  

 

1.1  Lipids  and  inflammation  

An  inflammatory  process  is  initiated  as  an  important  and  immediate  

response  conducted  by  our  bodies  to  protect  us  against  infections  or  

injuries.  This  process  typically  leads  to  redness,  swelling,  heat  and  pain.  

These  hallmarks  of  inflammation  are  caused  by  increases  in  blood  flow,  

vascular  permeability  and  leukocyte  migration  as  well  as  stimulation  of  

pain  receptors.  The  purpose  of  an  inflammatory  response  is  to  initiate  host  

defense  reactions  to  eliminate  intruders,  such  as  bacteria,  viruses  and  

parasites  and  to  initiate  repair  of  injured  tissues.  Inflammation  can  be  

viewed  upon  as  a  double-­‐edged  sword  that  needs  a  strict  and  precise  

control  to  be  neither  too  weak  nor  too  strong,  either  of  which  may  be  

detrimental.  The  responses  of  cells  involved  in  the  inflammatory  reaction  

are  directed  by  a  complicated  array  of  signaling  molecules  (the  topic  of  

inflammation  has  been  reviewed  in  [1-­‐5]).  Proinflammatory  mediators  may  

be  quite  diverse  at  the  molecular  level.  Some  of  them  are  bioactive  lipids  

generated  from  essential  fatty  acids,  and  one  such  family  of  very  potent  

lipid  mediators  are  the  eicosanoids  (reviewed  in  [6,  7]).  Essential  fatty  acids  

are  necessary  for  survival  of  mammals  and  they  are  found  in  the  

phospholipids  of  most  cell  membranes.  The  term  “essential”  indicates  that  

they  cannot  be  synthesized  by  the  human  body  and  therefore  must  be  

obtained  by  dietary  intake.  The  essential  fatty  acids  are  divided  into  two  

series;  ω-­‐6  fatty  acids  derived  from  linoleic  acid  and  ω-­‐3  fatty  acids  derived  

from  α-­‐linolenic  acid  (reviewed  in  [8]).  

(14)

 

 

 

 

 

 

COOH Arachidonic acid COOH Eicosapentaenoic acid COOH Dihomo-γ-linolenic acid

Eicosanoids

Essential fatty acids

Linoleic acid α-Linolenic acid

COOH COOH

Fig.  1  Essential  fatty  acids.  The  precursors  of  eicosanoids  (dihomo-­‐γ-­‐linolenic  acid,   arachidonic  acid  and  eicosapentaenoic  acid)  are  20-­‐carbon  fatty  acids  formed  from   two  18-­‐carbon  essential  fatty  acids:  linoleic  acid  and  α-­‐linolenic  acid.  

(15)

1.2  Biosynthesis  of  eicosanoids  

Eicosanoids  are  oxygenated  derivatives  of  20-­‐carbon  polyunsaturated  fatty  

acids  (PUFAs),  which  in  turn  are  formed  from  18-­‐carbon  essential  fatty  

acids  (Fig.  1).  Both  the  20-­‐  and  the  18-­‐carbon  fatty  acids  are  normal  

components  of  phospholipids  in  the  cell  membranes.  Dihomo-­‐γ-­‐linolenic  

acid  (DHGLA),  AA  and  eicosapentaenoic  acid  (EPA)  give  rise  to  different  

series  of  eicosanoids  [9,  10].  The  conversion  of  linoleic  acid  to  AA  occurs  

mainly  in  the  liver.  From  there  AA  is  distributed  to  cells  throughout  the  

body  for  incorporation  into  cell  membrane  phospholipids  [11].  AA  is  

formed  by  desaturation  and  elongation  of  linoleic  acid,  an  essential  ω-­‐6  

fatty  acid.  These  conversions  are  catalyzed  by  Δ

6

-­‐desaturase  and  fatty  acid  

elongase  respectively,  giving  rise  to  DHGLA  which  is  further  converted  by  

Δ

5

-­‐desaturase  to  AA  [12].  AA  is  incorporated  into  membrane  phospholipids  

by  acylation  of  2-­‐lysophospholipids  with  arachidonyl-­‐CoA  or  by  

transacylation  of  existing  phospholipids  [13].  

 

During  evolution,  human  diet  presumably  contained  an  equal  ratio οf ω-­‐6  

to  ω-­‐3  fatty  acids.  In  modern  western  diets  however,  this  ratio  is  

approximately  16:1[14-­‐16].  This  has  lead  to  increased  formation  of  

eicosanoids  derived  from  AA  and  less  from  EPA  [15].  AA  constitutes  around  

20%  of  membrane  phospholipid  fatty  acids  in  immune  cells  from  people  

consuming  a  western  diet  [17-­‐23],  whereas  EPA  occupies  <  1%  [20,  22].  

Increased  intake  of  long  chain  ω-­‐3  PUFAs  increases  the  proportion  of  these  

fatty  acids  in  membrane  phospholipids  [17-­‐23]  and  leads  to  lower  

production  of  prostaglandin  E

2  

(PGE

2

)

,

 thromboxane  A

2  

(TXA

2

),  leukotriene  

B

4  

(LTB

4

),  5-­‐hydroxyeicosatetraenoic  acid  (5-­‐HETE)  and  leukotriene  C

4

 

(16)

Instead  it  increases  the  production  of  the  3  series  prostaglandins  (PGs),  

thromboxane  (TXA

3

)  and  the  5  series  leukotrienes  (LTs)  [17,  19,  24,  25]  

some  of  which  are  less  potent  than  the  corresponding  eicosanoids  formed  

from  AA  [26,  27]  (reviewed  in  [7,  28]).  

 

 

Enzymes  involved  in  eicosanoid  formation  use  free  AA  as  substrate  and  the  

hydrolytic  release  of  AA  is  a  rate  limiting  step  in  eicosanoid  biosynthesis  

[29].  The  availability  of  free  AA  in  cells  is  strictly  regulated  [30]  and  the  

cellular  level  of  free  AA  is  low  [31].  AA  and  other  PUFAs  are  released  by  

phospholipase  A

2

 enzymes  [30],  most  commonly  cytosolic  phospholipase  A

2

 

(cPLA

2

)  [32,  33].    

Arachidonic acid (20:4) HO COOH OOH 5-HpETE COOH O LTA4 O O COOH PGH2 OH O O COOH O 5-LO COX PGG2 5-LO COX COOH

Fig.  2  Eicosanoid  formation.  Eicosanoids  are  formed  from  arachidonic  acid  (AA)   primarily  by  two  distinct  enzymatic  pathways:  the  cyclooxygenase  (COX)  pathway   by  which  AA  is  oxygenated  in  two-­‐steps  to  an  unstable  prostaglandin  endoperoxide   intermediate  (PGH2)  and  the  5-­‐lipoxygenase  (5-­‐LO)  pathway,  which  in  two-­‐steps  

converts  AA  to  the  unstable  epoxide  intermediate  LTA4.    

(17)

cPLA

2

 is  activated  by  an  increase  in  intracellular  Ca

2+  

concentration  [34,  35]  

and  by  phosphorylation  [36-­‐39].  Ca

2+  

activates  cPLA

2

 directly  by  interaction  

with  a  Ca

2+

-­‐binding  C2  domain  in  the  N-­‐terminal  part  of  the  protein  and  

indirectly  through  protein  kinases  [40,  41].  Activation  results  in  

translocation  of  the  protein  from  cytosol  to  the  nuclear  envelope  (NE),  

endoplasmic  reticulum  (ER)  and  Golgi  [42-­‐47]  which  have  higher  AA  

content  than  other  cell  membranes  [48,  49]  (reviewed  in  [30]).    

 

Conversion  of  free  AA  to  eicosanoids  takes  place  via  two  main  enzymatic  

pathways:  the  cyclooxygenase  (COX)  and  lipoxygenase  (LO)  pathways  (Fig.  

2).  A  third  pathway  (the  cytochrome  P

450

 pathway)  catalyzes  conversion  of  

AA  to  vasoactive  hydroxyeicosatetraenoic  and  epoxyeicosatrienoic  acids  

(reviewed  in  [50]).  

 

1.2.1  Cyclooxygenases  

The  COX  isoenzymes,  COX-­‐1[51]  and  COX-­‐2  [52,  53],  metabolize  AA  to  the  

prostaglandin  endoperoxide  PGH

2

.  Both  isoenzymes  are  localized  to  the  NE  

and  ER.  COX-­‐1  is  constitutively  expressed  while  COX-­‐2  expression  is  

inducible  [54,  55].  The  first  steps  catalyzed  by  COX  involve  dual  

oxygenation  of  AA  to  PGG

2

.  This  is  followed  by  reduction  of  a  

15-­‐hydroperoxy  group  in  PGG

2  

to  a  15-­‐hydroxyl  in  PGH

2

.  PGH

2  

is  the  

immediate  precursor  of  the  primary  PGs,  prostacyclin  (PGI

2

)  and  TXA

2

 and  

the  subsequent  products  are  formed  by  specific  synthase  enzymes  (Fig.  3).  

A  more  detailed  description  of  the  COX  pathway  is  beyond  the  scoop  of  this  

thesis.  This  topic  has  been  reviewed  in

[56-­‐58].  

(18)

 

 

1.2.2  Lipoxygenases  

Lipoxygenases  are  a  group  of  enzymes,  which  oxygenate  PUFAs  containing  

methylene  interrupted  cis-­‐double  bonds,  notably  the  ω-­‐3  and  the  ω-­‐6  series  

essential  fatty  acids.  They  are  named  after  the  carbon  atom  where  the  O

2

 is  

introduced.  The  products  from  AA  are  hydroperoxy-­‐eicosatetraenoic-­‐acids  

(HpETE).  One  1,4-­‐cis-­‐cis-­‐diene  is  transformed  into  a  1-­‐hydroperoxy-­‐2-­‐

trans-­‐4-­‐cis-­‐diene  group  [59].  AA  contains  three  1,4-­‐cis-­‐cis-­‐diene  groups  and  

O

2

 can  be  introduced  at  6  different  positions  to  give  5-­‐,  8-­‐,  9-­‐,  11-­‐,  12-­‐,  or  

15-­‐HpETE    (Fig.  4).  HpETEs  are  reduced  to  HETEs  by  peroxidases.    

 

  COOH PGD2 OH O O COOH PGH2 OH COOH TXA2 OH COOH PGE2 OH COOH PGI2 OH COOH PGF2 OH O O OH O O OH OH OH O α

Fig.  3  The  COX  pathway.  The  precursor  prostaglandin  endoperoxide  PGH2  is  

generated  from  AA  by  cyclooxygenases.  Specific  synthases  convert  PGH2  to  

primary  prostaglandins  (PGD2,  PGE2  and  PGF2α),  prostacyclin  (PGI2)  and  

(19)

Lipoxygenases  occur  in  fungi,  plants,  and  animals  [60].  In  addition  to  the  

5-­‐LO  pathway,  described  in  detail  below,  human  cells  may  express  12-­‐  

and/or  15-­‐lipoxygenases.  Platelet  and  leukocyte  forms  of  12-­‐LO  and  

reticulocyte/leukocyte  and  epidermis  types  of  15-­‐LO  are  expressed  in  

humans.  Leukocyte  12-­‐LO  and  reticulocyte  15-­‐LO  form  the  same  products  

and  are  also  referred  to  as  12/15-­‐LO.  Expression  of  12-­‐  and  15-­‐LO  differs  

between  species;  mice  do  not  express  15-­‐LO,  but  express  leukocyte  type  

12-­‐LO  with  both  12-­‐LO  and  15-­‐LO  activity  (reviewed  in  [61]).  12-­‐LO  and  

15-­‐LO  are  involved  in  lipoxin  formation  (reviewed  in  [62,  63]).  A  role  in  

cancer  metastasis  has  been  proposed  for  12-­‐LO  and  epidermal  15-­‐LO  has  

been  associated  with  suppression  of  carcinogenesis  (reviewed  in  [64]).    

 

 

 

COOH OOH 5-HpETE Arachidonic acid (20:4) COOH 12-HpETE OOH 15-HpETE COOH OOH COOH 5-LO 12-LO 15-LO

Fig.  4  The  LO  pathway.  Lipoxygenases  convert  AA  to  HpETEs.  The  reaction  is   stereospecific  and  the  lipoxygenases  are  named  after  the  carbon  atom   where  molecular  oxygen  is  introduced.  Human  5-­‐,  12-­‐  and  15-­‐lipoxygenases   have  been  identified.  

(20)
(21)

2.  LEUKOTRIENES  AND  THE  5-­‐LO  PATHWAY  

 

2.1  Biosynthesis  of  leukotrienes  

The  5-­‐LO  pathway  generates  the  proinflammatory  lipid  mediators  

leukotrienes.  The  main  protein  components  of  this  pathway  are  5-­‐LO,  FLAP,  

LTA

4

H  and  LTC

4

S.  5-­‐LO,  assisted  by  FLAP,  transforms  AA  to  LTA

4

,  which  is  

metabolized  either  by  LTA

4

H  to  LTB

4

,  or  by  LTC

4

S  to  LTC

4

.      

 

2.1.1  Biochemistry  of  Leukotrienes  

Leukotrienes  of  the  4  series  are  formed  from  AA  following  its  release  from  

membrane  phospholipids  by  cPLA

2

 (see  above  on  pages  16-­‐17).  Major  

determinants  for  the  magnitude  of  LT  biosynthesis  are  the  concentration  of  

free  AA  [65]  and  its  accessibility  [66].  Most  stimuli  of  LT  synthesis  activate  

both  5-­‐LO  and  cPLA

2

 [67].  5-­‐LO  catalyzes  a  two-­‐step  conversion  of  AA  via  

5-­‐HpETE  to  LTA

4

 (reviewed  in  [68,  69]).  These  steps  are  stereospecific  and  

initiated  by  abstraction  of  a  hydrogen  atom  from  carbon  C-­‐7  of  AA  and  

insertion  of  molecular  oxygen  at  C-­‐5,  giving  5-­‐HpETE  [70]  (Fig.  4).  In  the  

second  reaction  the  10D  (pro-­‐R)  hydrogen  is  removed  followed  by  radical  

migration  and  formation  of  the  allylic  epoxide  LTA

4  

[71-­‐73]

1

 (Fig.  5).  LTA

4

 is  

unstable  and  rapidly  metabolized  to  either  LTB

4

 or  LTC

4

.  LTA

4

H  catalyzes  a  

hydrolytic  reaction  to  the  dihydroxy  acid  LTB

4  

[68,  69]  (Fig.  5),  which  is  

exported  out  of  the  cell  by  a  carrier-­‐mediated,  temperature  sensitive  and  

energy-­‐dependent  mechanism  [74,  75].  LTC

4

S  catalyzes  a  glutathione-­‐S-­‐

transferase  reaction  yielding  the  peptidolipid  LTC

4

.    

 

 

                                                                                                               

(22)

The  discovery  of  LTC

4  

in  1979  [76,  77]

 

was  a  result  of  investigations  to  find  

the  chemical  structure  of  a  factor  termed  slow  reacting  substance  of  

anaphylaxis  (SRS-­‐A)  [78].  LTC

4

 is  formed  by  conjugation  of  LTA

4

 with  

reduced  glutathione  (GSH)  catalyzed  by  LTC

4

S  [76,  77].  Shortly  after  that  

LTD

4

 [79-­‐81]  and  LTE

4

 [81,  82]  were  found  to  be  formed  by  metabolism  of  

the  peptide  part  of  LTC

4

.  

 

 

 

 

 

COOH O LTA4 COOH OH OH LTB4 COOH OH γGluCysGly C5H11 LTC4 COOH OH CysGly C5H11 LTD4 COOH OH Cys C5H11 LTE4 LTA4H LTC4S + GSH γ-Glutamyl transpeptidase / γ-Glutamyl leukotrienase Dipeptidase Fig.  5  Leukotriene   biochemistry.  LTA4,  

formed  from  AA  by  the   action  of  5-­‐LO,  is  an   unstable  epoxide  which   is  converted  to  either   LTB4  or  LTC4.  LTB4  is  

formed  by  hydrolysis   catalyzed  by  LTA4H  

which  introduces  an  OH   group  at  carbon  12  and   converts  the  epoxide   group  in  LTA4  to  an  OH  

group  at  C-­‐5.  LTC4  is  

formed  by  the  action  of   LTC4S  which  conjugates  

LTA4  with  GSH  at  carbon  

6  and  converts  the   epoxide  to  a  C-­‐5  OH   group.  LTC4  is  actively  

transported  out  of  the   cell  and  converted   extracellularly  to  LTD4  

by  γ  -­‐glutamyl-­‐ transpeptidase  or  γ-­‐ glutamyl-­‐leukotrienase.   LTD4  is  metabolized  to  

LTE4  by  a  dipeptidase.  

(23)

LTD

4

 is  generated  from  LTC

4

 by  cleavage  of  the  isopeptide  bond  of  the  GSH  

moiety  by  γ-­‐glutamyl  transpeptidase  [79,  83]  or  γ-­‐glutamyl  leukotrienase  

[84]  and  LTE

4

 is  formed  from  LTD

4

 by  elimination  of  the  glycine  residue  by  

a  dipeptidase  [82,  85]  (Fig.  5).  LTC

4

 is  actively  transported  out  of  the  cells  

by  multidrug  resistance-­‐associated  protein  1  (MRP1)  [86-­‐88]  and  the  

conversions  to  LTD

4

 and  LTE

4

 take  place  extracellularly.

 

 

 

 

LT  production  may  also  occur  in  cells  not  expressing  all  the  necessary  

enzymes.  LTB

4  

was  formed  when  red  blood  cells,  which  lack  5-­‐LO,  were  

incubated  with  LTA

4

 [89].  Conversion  of  exogenous  LTA

4

 to  LTC

4  

was  

demonstrated  in  bone  marrow-­‐derived  mast  cells  [90]  and  co-­‐incubations  

of  red  blood  cells  with  neutrophils  provided  the  first  evidence  for  

cooperation  between  different  types  of  cells  in  LT  synthesis  [91].  

Transcellular  formation  of  LTC

4

 was  reported  soon  thereafter  [92].  This  

phenomenon  has  later  been  reported  for  a  number  of  other  cell  types  [93-­‐

100].  Another  example  of  transcellular  biosynthesis  is  the  generation  of  the  

antiinflammatory  lipoxins  which  requires  cooperation  between  5-­‐LO  and  

12/15-­‐LO  expressing  cells  (reviewed  in  [62,  63]).  Resolvins  and  protectins  

are  generated  by  cooperation  between  COX-­‐2  and  lipoxygenase  enzymes  

(reviewed  in  [101]).  

 

2.1.2  5-­‐LO  

Human  5-­‐LO,  is  a  674  amino  acid  protein  with  a  molecular  weight  of  78  kDa  

[102,  103]  which  requires  non-­‐heme  iron  (III)  for  enzymatic  activity  [104].  

cDNA  encoding  human  5-­‐LO  was  cloned  in  1988  [102,  103].    

 

 

(24)

Sequence  comparisons  with  other  lipoxygenases  and  mutagenesis  studies  

indicated  that  iron  is  bound  to  His367,  His372  and  His550,  Asn554  and  

Ile673  of  the  active  site  in  5-­‐LO  [105].  The  crystal  structure  confirmed  this  

binding  pattern  except  that  Asn554  is  not  involved  [106].    

 

Resting  inflammatory  cells  harbor  5-­‐LO  in  the  cytosol  or  in  the  nucleus,  

depending  on  cell  type  [107-­‐113].  Upon  cell  activation,  cPLA

2

 and  5-­‐LO  

translocate  to  the  NE  and/or  ER,  where  FLAP  resides  [114-­‐116].  Most  

stimuli  simultaneously  activate  5-­‐LO  and  cPLA

2  

(Fig.  6,  reviewed  in  [67]).  In  

the  absence  of  functional  FLAP,  5-­‐LO  is  unable  to  convert  endogenous  AA  to  

LTs  in  cells  (reviewed  in  [117]).  However,  exogenous  AA  has  been  

suggested  to  be  converted  also  by  non-­‐translocated  cytosolic  5-­‐LO  [118].    

 

The  crystal  structure  of  5-­‐LO  revealed  that  the  catalytic  site  is  located  in  the  

C-­‐terminal  part  of  the  protein,  while  the  N-­‐terminal  part  contains  the  C2-­‐

like  calcium-­‐binding  domain  [106].  Binding  of  Ca

2+

 is  reversible  [119]  and  

serves  as  an  activator  of  5-­‐LO  [120].  Asn43,  Asp44  and  Glu46  located  in  

loop  2  of  the  C2-­‐like  domain,  are  important  for  this  interaction  and  for  the  

stimulatory  effects  of  Ca

2+  

[121].  ATP  has  been  reported  as  another  

activator  of  5-­‐LO  [122]  and  additional  activating  factors  e.g.  microsomal  

membranes  [120,  123]  were  identified  during  purification.  In  addition,  

glycerides  such  as  1-­‐oleoyl-­‐2-­‐acteyl-­‐sn-­‐glycerol  (OAG)  activated  5-­‐LO  [124].    

5-­‐LO  binding  to  coactosin-­‐like  protein  is  essential  for  activation  of  the  

enzyme  by  Ca

2+

 [125,  126].  The  interaction,  but  not  enzyme  activity  occurs  

in  the  absence  of  Ca

2+

 [126].  Nitric  oxide  [127,  128]  and  certain  peroxidases  

[129,  130]  suppress  5-­‐LO  activity.    

 

(25)

Another  control  mechanism  is  regulation  of  subcellular  distribution:  e.g.  

neutrophils,  monocytes  and  peritoneal  macrophages  harbor  inactive  5-­‐LO  

in  cytosol  while  alveolar  macrophages  and  Langerhans  cells  harbor  it  in  the  

nuclear  matrix  (reviewed  in  [67]).  These  localizations  of  the  protein  in  

resting  cells  affect  their  ability  to  produce  LTs.  Nuclear  localization  has  

been  associated  with  increased  LT  synthesis,  except  in  eosinophils  where  

the  opposite  effect  was  observed  (reviewed  in  [131]).  5-­‐LO  has  both  

nuclear  import  [131,  132]  and  nuclear  export  sequences  [133].  Nuclear  

import  is  induced  by  glycogen,  cytokines  and  adhesion  to  cell  surfaces  

(reviewed  in  [131]).  Nuclear  import  and  export  are  both  regulated  by  

phosphorylation  [66,  134,  135]  of  Ser271  by  MAPkinase-­‐activated  protein  

kinase  2  [136,  137],  Ser663  by  extracellular-­‐signal  regulated  kinases  (ERK)  

[138]  and  Ser523  by  PKA  [139].  Ser523  phosphorylation  prevented  nuclear  

localization  and  suppressed  5-­‐LO  activity  [139,  140].    

 

Control  also  takes  place  at  the  transcriptional  level.  The  human  5-­‐LO  gene  

[141]  is  located  at  chromosome  10q11.2.  Expression  of  5-­‐LO  is  mainly  

restricted  to  granulocytes,  monocytes/macrophages,  mast  cells,  dendritic  

cells,  Langerhans  cells  of  the  skin  and  B-­‐lymphocytes  (reviewed  in  [142,  

143]).  Age-­‐dependent  increase  of  5-­‐LO  expression  has  also  been  detected  in  

mouse  hippocampus  [144].  5-­‐LO  expression  was  upregulated  in  

differentiated  compared  to  undifferentiated  myeloid  cells  [143],  e.g.  

differentiated  tissue  macrophages  compared  to  blood  monocytes  [145,  

146].  Elevated  levels  of  5-­‐LO  mRNA  were  detected  in  leukocytes  from  

asthmatic  patients  [147].  5-­‐LO  expression  appears  to  require  growth  

factors  since  human  monocytes  lost  both  5-­‐LO  and  FLAP  expression  when  

kept  in  culture  for  7  days  [148].    

(26)

5-­‐LO  has  also  been  detected  in  several  types  of  cancer  cells  (reviewed  in  

[149,  150]),  where  its  products  have  been  suggested  to  serve  as  autocrine  

growth  factors  [151].  5-­‐LO  products  have  further  been  proposed  to  induce  

DNA  damage,  and  increase  formation  of  HεdGuo-­‐adducts  (a  lipid  peroxide  

derived  DNA  adduct)  in  Ca

2+  

ionophore  A23187  stimulated  cells,  whereas  

treatment  with  a  FLAP  inhibitor  returned  HεdGuo-­‐adducts  to  basal  levels  

[152].  

 

The  human  5-­‐LO  gene  promoter  contains  GC  rich  regions  but  lacks  both  

TATA  and  CCAAT  boxes  [141].  An  important  factor  for  silencing  5-­‐LO  gene  

expression  appears  to  be  DNA  methylation  [153].  Transcription  factors  Sp1  

and  Egr1  interacted  with  five  of  eight  tandem  arranged  GC  boxes  [154-­‐156].  

Naturally  occurring  mutations  in  the  human  5-­‐LO  promoter  are  either  

deletions  or  addition  of  extra  Sp1  or  Egr1  sites  [155].  Interestingly,  the  

mouse  5-­‐LO  promoter  lacks  tandem  GC  boxes  and  contains  only  one  Sp1  or  

Sp3  site  [157].  Promoter  analyses  have  revealed  two  positive  and  two  

negative  regulatory  regions  [154].  A  slight  increase  in  promoter  activity  

was  observed  after  treatment  with  phorbol  ester  [154].  A  positive  

regulatory  region  containing  several  vitamin  D

3

 response  elements  was  

detected  between  positions  -­‐779  and  -­‐229  [158].  Additional  vitamin  D

3

 

response  elements  as  well  as  response  elements  for  the  TGF-­‐β  effectors,  

Smad3  and  4  appear  further  upstream  in  the  promoter  as  well  as  in  intron  4  

and  exons  10-­‐14,  respectively  [159,  160].    

 

Recent  findings  suggest  involvement  of  male  sex  hormones  in  the  

regulation  of  5-­‐LO  [161,  162].  Decreased  LT  formation  was  detected  in  male  

compared  to  female  blood  cells  due  to  variations  in  ERK  activation  as  a  

result  of  higher  androgen  levels.    

(27)

Part  of  the  5-­‐LO  pool  in  male  cells  reside  in  the  perinuclear  region  prior  to  

activation,  a  distribution  previously  associated  with  impaired  enzyme  

activity  upon  Ca

2+  

ionophore  A23187  activation  [163]  (for  reviews  on  the  

regulation  of  5-­‐LO,  see  [151,  164]).  

 

2.1.3  FLAP  

The  integral  membrane  protein,  FLAP,  localized  to  NE  and  ER  [109,  112,  

165-­‐167]  is  structurally  related  to  LTC

4

S  (described  below).  The  two  

proteins  belong  to  the  same  gene  superfamily,  referred  to  as  Membrane-­‐

Associated  Proteins  in  Eicosanoid  and  Glutathione  metabolism  (MAPEG)  

[168].  FLAP  was  discovered  in  studies  using  the  FLAP  inhibitor  MK886,  at  

the  time  known  as  an  inhibitor  of  5-­‐LO  in  intact  cells  but  not  in  broken  cell  

preparations  [169,  170].  Transfection  experiments  showed  that  both  5-­‐LO  

and  FLAP  were  required  for  Ca

2+

-­‐ionophore  induced  LT  formation  from  

endogenous  AA  [171].  FLAP  also  stimulates  conversion  of  exogenous  AA  to  

LTs  [172]  but  in  this  case  the  requirement  for  FLAP  is  not  absolute.  Several  

functions  of  FLAP  have  been  suggested:  1)  It  may  serve  as  a  scaffold  protein  

assembling  5-­‐LO  and  cPLA

2

 at  the  NE  and  ER  involving  important  protein-­‐

protein  interactions  [169,  173,  174],  e.g.  between  FLAP  and  5-­‐LO  [116].  

However,  others  report  that  MK886  inhibited  LT  biosynthesis  without  

affecting  translocation  and  membrane  association  of  5-­‐LO  [112,  163,  175,  

176].  2)  FLAP  is  an  AA  binding  protein,  which  donates  AA  to  5-­‐LO  [172,  

177].  AA  and  other  PUFAs  compete  with  FLAP  inhibitors  for  binding  to  

FLAP  (Fig.  6)  [178,  179].  Inhibitors  such  as  MK886  bind  to  the  first  

hydrophilic  loop  of  FLAP  as  judged  by  immuneprecipitation  of  FLAP  

peptide  fragments  and  mutagenesis  studies  [180,  181].    

(28)

The  crystal  structure  of  inhibitor  bound  FLAP  [182]  showed  four  trans-­‐

membrane  α-­‐helices  connected  by  two  long  cytosolic  loops  and  one  short  

luminal  loop.  Amino  acid  residues  38-­‐47  and  102-­‐115  make  up  cytosolic  

loops  1  and  2,  respectively.  The  crystal  structure  also  revealed  that  FLAP  is  

a  homotrimer  [182]  and  suggested  that  its  cytosolic  loops  interact  with  the  

C-­‐terminal  catalytic  domain  of  5-­‐LO.  The  calcium-­‐binding  domain  of  5-­‐LO  

anchors  it  to  the  nuclear  membrane  [182].  One  FLAP  trimer  binds  one  5-­‐LO  

monomer  [182].  The  essential  role  of  FLAP  in  LT  biosynthesis  was  

established  using  FLAP  null  mice.  Like  5-­‐LO

-­‐/-­‐

 mice,  FLAP

-­‐/-­‐

 mice  lack  

detectable  LT  production  [183].  It  is  not  known  whether  FLAP  influences  

AA  metabolism  by  12-­‐  and  15-­‐LO.  FLAP,  however,  stimulated  5-­‐LO  

oxygenation  of  both  12(S)-­‐  and  15(S)-­‐HETE  and  this  effect  was  abolished  by  

the  FLAP  inhibitor  MK886  as  well  as  when  certain  FLAP  mutant  variants  

were  used  [184].  A  significant  reduction  of  12-­‐HETE  formation  was  

described  in  FLAP  knockout  mice  [185].  

 

The  human  FLAP  gene  [186]  is  composed  of  5  small  exons,  four  large  

introns,  and  a  promoter  region  containing  a  potential  TATA  box,  as  well  as  

an  AP-­‐2  and  several  glucocorticoid  receptor  binding  sites.  FLAP  expression,  

which  occurs  mainly  in  myeloid,  5-­‐LO  expressing  cells  [187],  is  altered  by  

treatment  of  cells  with  TGF-­‐β1,  1,25-­‐dihydroxy-­‐vitamin  D

3

,  and  phorbol  

ester  [188,  189].  Transcription  factors  of  the  C/EBP  family  were  identified  

as  important  for  FLAP  expression  modulated  by  TNF-­‐

α

 [190].  Prolonged  

exposure  to  lipopolysaccharide  (LPS)  induced  FLAP  mRNA  and  protein.  The  

effect  was  mediated  by  NF-­‐κB  and  a  C/EBP  element  located  within  the  first  

134  bp  of  the  FLAP  promoter  [191].    

 

 

(29)

Increased  FLAP  expression  has  been  observed  in  several  pathological  

conditions.  Single  nucleotide  polymorphisms  (SNP)  identified  in  the  FLAP  

gene  have  been  correlated  with  increased  risk  of  developing  myocardial  

infarction  and  stroke  [192].  FLAP  was  highly  upregulated  in  aorta  and  

adipose  tissue  in  a  mouse  model  of  atherosclerosis  and  the  increased  FLAP  

expression  was  accompanied  by  elevated  LTB

4

 production  [193].  FLAP  

protein  in  aorta  and  adipose  tissue  was  found  in  infiltrating  macrophages,  

but  not  in  T-­‐cells.  Treatment  with  FLAP  inhibitor,  however,  reduced  not  

only  atherosclerotic  lesion  size  but  also  T-­‐cell  content,  a  finding  suggesting  

FLAP  as  a  ”potential  link  between  innate  and  adaptive  immunity”  [193].    

 

2.1.4  LTC

4

S  

Leukotriene  A

4  

is  enzymatically  converted  to  LTC

4

 [194,  195]  by  a  

glutathione  S  transferase  (GST)  with  narrow  substrate  specificity  [196].  

LTC

4

S  is  a  membrane-­‐bound  protein  [196,  197]  located  in  the  microsomal  

cell  fraction  [198-­‐201].  LTC

4

S  was  purified  by  two  groups  in  1992  and  1993  

[202,  203]  and  its  molecular  weight,  18  kDa,  was  determined.  The  amino-­‐

terminal  sequence  was  also  reported  [203].  The  cloning  of  LTC

4

S  cDNA  was  

reported  by  two  groups  in  1994  [204,  205],  revealing  a  150  amino  acid  

protein.  Evidence  for  “homo-­‐oligomerization  of  LTC

4

S  in  living  cells”  was  

published  in  2003  [206].  The  two-­‐dimensional  crystal  structure  of  

recombinant  LTC

4

S  indicated  that  it  forms  homotrimers  [207].  This  

observation  was  confirmed  by  the  3D  crystal  structure  reported  in  2007  

[208,  209].  The  enzyme  contains  5  α-­‐helices,  of  which  four  are  membrane  

spanning,  with  the  N-­‐  and  C-­‐termini  at  the  same  side  of  the  membrane  and  

an  overall  structure  that  resembles  that  of  FLAP.    

(30)

Human  LTC

4

S  shares  31%  amino  acid  identity  with  FLAP,  and  both  belong  

to  the  MAPEG  gene-­‐superfamily  [168].  Other  closely  related  MAPEG  

proteins  are  the  microsomal  Glutathione  S-­‐transferases  (mGSTs)  [210].    

 

Helices  1  and  2  in  LTC

4

S  are  connected  by  a  long  cytosolic  loop  [208,  209]  

as  in  FLAP  [182].  Helices  3  and  4  are  connected  by  just  a  short  turn  in  LTC

4

S  

compared  to  a  long  second  cytosolic  loop  in  FLAP.  The  GSH  binding  site  of  

LTC

4

S  is  formed  at  the  interface  between  two  neighboring  monomers  close  

to  the  protein  surface  and  the  top  of  the  binding  site  is  covered  by  the  long  

cytosolic  loop  between  helices  1  and  2  [208,  209].  Site  directed  

mutagenesis  showed  that  residues  important  for  catalytic  activity  are  

located  in  hydrophilic  segments.  Arg51  and  Tyr93  were  suggested  as  

critical  residues  at  the  active  site  [211].  The  crystal  structure  confirmed  

that  Arg30,  Arg51,  Asn55,  Glu58,  Tyr59,  Tyr93,  Tyr97  and  Arg104  are  

important  for  GSH  binding  to  the  protein  [208,  209].  LTC

4

S  is  distributed  in  

the  outer  and  excluded  from  the  inner  part  of  the  nuclear  membrane.  FLAP,  

on  the  other  hand,  occurs  in  both  the  outer  and  inner  segments  of  the  NE  

[212].  The  third  hydrophobic  region  of  LTC

4

S  is  important  for  membrane  

localization  [213]  and  amino  acids  114-­‐150  are  sufficient  for  homo-­‐

oligomerization  to  occur  [206].  The  human  [214,  215]  and  mouse  [216]  

LTC

4

S  genes  have  five  exons  and  identical  intron  /exon  boundaries.  Murine  

intron  1  is  1/3  (ca.  500  bp)  shorter  than  its  human  counterpart.  The  mouse  

gene  is  localized  to  chromosome  11B1.1-­‐1.2.  The  promoter  region  of  the  

mouse  gene  has  consensus  sites  for  AP-­‐2,  CCAAT  (enhancer  binding  

protein)  and  polyoma  virus  enhancer-­‐3  [216].  The  human  gene  is  localized  

to  chromosome  5q35  [214,  215]  adjacent  to  a  gene  cluster  implicated  in  

asthma  (5q31-­‐33)  (reviewed  in  [217]).    

(31)

The  human  LTC

4

S  and  FLAP  genes  have  almost  identical  intron  /  exon  

organization  but  LTC

4

S  has  much  shorter  introns  [186].  The  human  LTC

4

S  

promoter  contains  a  binding  motif  for  the  ubiquitously  expressed  Sp1  and  

Sp3  transcription  factors  [218,  219].  Other  regulatory  elements  would  

therefore  be  required  to  explain  the  limited  expression  of  LTC

4

S.  5-­‐LO  and  

LTC

4

S  co-­‐express  in  cells  of  myeloid  origin  (basophils,  eosinophils,  mast  

cells  and  monocytes  /  macrophages)  [220].  Platelets  contain  LTC

4

S  but  lack  

5-­‐LO  [221].  LTC

4

S  expression  also  occurs  in  the  plexus  choroideus  and  

other  parts  of  the  brain  [222-­‐228].  Treatment  of  human  erythroleukemia  

cells  with  the  PKC  activator  TPA  induced  LTC

4

S  [229]  in  agreement  with  the  

presence  of  PKC-­‐responsive  elements  (AP-­‐1  and  AP-­‐2)  in  the  promoter  

[214-­‐216].  Other  reports  have  indicated  inhibition  of  LTC

4

 formation  in  

cells  pre-­‐treated  with  TPA  [230,  231].  LPS  [232,  233]  and  TNF-­‐α  [234]  

down-­‐regulate  expression  of  LTC

4

S  whereas  TGF-­‐β  [235]  upregulates  it  in  

mononuclear-­‐like  cell  lines.  Retinoic  acid  upregulated  LTC

4

S  promoter  and  

enzyme  activity  in  rat  basophilic  leukemia  cells  [236,  237].  LTC

4

S  

expression  is  thus  differentially  regulated  depending  on  cell  type.  This  is  in  

agreement  with  a  report  suggesting  that  cell-­‐specific  transcription  involves  

Sp1  and  a  Kruppel-­‐like  transcription  factor  [219].    

 

Several  LTC

4

S  promoter  polymorphisms  have  been  associated  with  

inflammatory  disorders.  A  Polish  study  identified  a  -­‐444  A  to  C  

polymorphism  with  the  C  allele  being  more  frequent  in  patients  with  

aspirin-­‐induced  asthma  [238]  but  this  association  was  not  found  in  

Australia,  Japan  or  the  United  States  [239-­‐241].  In  addition,  a  G/A  

polymorphism  located  at  -­‐1072  in  the  LTC

4

S  promoter  was  associated  with  

(32)

LTC

4

S  knockout  mice  [243]  develop  and  breed  normally  but  have  a  reduced  

inflammatory  response  in  some  models.  Data  obtained  from  these  mice  

showed  that  LTC

4

S  accounted  for  the  major  part  of  their  LTC

4

 production,  

with  only  a  small  contribution  from  other  GST  enzymes.  A  few  human  case  

reports  have  indicated  individuals  lacking  LTC

4

S.  These  children  had  no  

CysLTs  in  their  cerebrospinal  fluid  and  showed  impaired  CNS  development  

and  mental  retardation  [244]  suggesting  developmental  roles  for  CysLTs.  

 

Eosinophils  produce  a  different  spectrum  of  eicosanoids  compared  to  other  

granulocytes.  When  incubated  with  AA  human  eosinophils  produce  a  

positional  isomer  of  LTC

4

 with  an  absorbance  maximum  at  282  rather  than  

280  nm  and  a  shorter  retention  time  than  LTC

4  

when  analyzed  by  RP-­‐HPLC.  

The  product  was  identified  as  14,15-­‐LTC

4

 and  named  eoxin  (EX)  C

4  

[245].  

Like  LTC

4,  

EXC

4

 was  metabolized  to  EXD

4

 and  EXE

4  

by  elimination  of  its  

γ-­‐

glutamyl  followed  by  its  glycine  residue,  respectively.  Incubation  of  human  

eosinophils  with  AA  alone  favored  EX  production  whereas  incubation  with  

AA  plus  a  Ca

2+

 ionophore  resulted  in  mainly  LT  products  [245].  It  is  not  

known  whether  LTC

4

S  is  involved  in  the  biosynthesis  of  eoxins  or  other  15-­‐

LO  or  12-­‐LO  products.    

 

2.1.5  LTA

4

H  

LTA

4

H  is  a  cytosolic  70  kDa  zinc-­‐containing  metalloprotease  [246].  The  

protein  has  dual  enzyme  activities  and  is  responsible  for  the  conversion  of  

LTA

4

 to  LTB

4

.  In  contrast  to  its  usual  cytosolic  localization  one  report  has  

described  a  nuclear  localization  in  alveolar  macrophages  [247].    

 

 

 

References

Related documents

Skillnad mellan bokförd avskrivning och avskrivning enligt plan avser maskiner och

Från dotterföretaget AB Tetra Pak har även Tetra Pak Data Systems AB över- tagits i samband med att detta bolag började driva sin rörelse den l januari 1989.. Tetra Pak

Det har inte varit möjligt att skapa en tydlig överblick över hur FoI-verksamheten på Energimyndigheten bidrar till målet, det vill säga hur målen påverkar resursprioriteringar

This European Standard presents guidance to the designer of machinery or its component parts and the writer of type C standards in assessing and controlling health and safety risks

For this reason, and whilst this International Standard considers machines and their associated equipment, it can be used to provide guidance to the manufacturers of all

If no suitable C-type standard is available, or if the C-type standard concerned does not cover ergonomics related risks sufficiently, see Annex A for relevant B-type

Apart from the risk assessment made at the design stage, during construction and commissioning, the principles and methods presented in this document can also be

Chickarmane et al, A computational model for understanding stem cell, trophectoderm and endoderm lineage determination, PloS One e3470 (2008) P. Krupinski et al, Simulating