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Die 5-Lipoxygenase (5-LO) ist eines der Schlüsselenzyme der Leukotrienbiosynthese. Sie katalysiert zunächst die Umsetzung der freigesetzten Arachidonsäure(AA) zu 5-Hydroperoxyeicosatetraensäure (5-HpETE), in einem zweiten Reaktionsschritt wandelt sie diese in Leukotrien A4 (LTA4) um. Leukotriene sind potente Entzündungsmediatoren und spielen eine wichtige Rolle bei entzündlichen und allergischen Reaktionen. Außerdem wird die Beteiligung an verschiedenen Krebsarten kontrovers diskutiert.
Sie besteht aus 673AS, ist 78 kDa schwer und gliedert sich wie alle bisher bekannten Lipoxygenasen in eine N-terminale C2-ähnliche, regulatorische Domäne(AS 1–114) (C2ld), die für die Membran- und Calciumbindung sowie die Interaktion mit dem Coactosin-like Protein (CLP) verantwortlich ist, und in eine C-terminale, katalytische Domäne (AS 121–673), die das Nicht-Häm-gebundene Eisen im aktiven Zentrum trägt. Ein weiteres Strukturmerkmal sind zwei ATP-Bindungsregionen, eine befindet sich in der C2ld (AS 73–83), die andere auf der katalytischen Domäne (AS 193–209), das molare Verhältnis von 5-LO zu ATP konnte dabei auf 1:1 festgelegt werden [167].
Bereits 1982 wurde in einer Veröffentlichung von Parker et al. beschrieben, dass 5-LO aus Rattenzellen in Gegenwart von Calcium auf einer Gelfiltration dimerisieren kann [204], 2008 schließlich wurde von Aleem et al. publiziert, dass humane 12-LO aus Thrombozyten Dimere bilden kann [219]. Somit konnte es möglich sein, dass auch die humane 5-LO zur Dimerisierung fähig ist.
Zunächst wurde aufgereinigtes Enzym mit nativer Gelelektrophorese und anschließender Coomassiefärbung oder Western Blot untersucht, dabei konnten mehrere Banden pro Bahn detektiert werden. Um dieses Phänomen weiter zu untersuchen, wurde im Anschluss eine Gelfiltration etabliert; da die C2ld der 5-LO recht hydrophob ist, war es nötig, 0,5% T20 zum Elutionspuffer PBS/EDTA zuzusetzen, da das Enzym ansonsten unspezifisch mit dem Säulenmaterial interagiert und für seine Größe zu spät eluiert hätte. In Anwesenheit von T20 eluierte 5-LO in zwei getrennten Peaks, die exakt zu den vorher mit Referenzproteinen bestimmten Elutionsvolumina des Monomers und Dimers passten. Weiter wurde getestet, ob niedermolekulare Substanzen einen Einfluss auf das Dimerisierungsverhalten haben, allerdings konnte weder durch Ca2+noch durch ATP eine Verstärkung der Dimerisierung beobachtet werden. Dahingegen konnte, nach Vorinkubation mit GSH und Diamid, das alleinige Monomer auf der Gelfiltration nachgewiesen werden, nach Vorinkubation nur mit Diamid, lag das gesamte Protein ausschließlich als Dimer vor. Durch Gelelektrophorese mit oder ohne Zusatz von ß-Mercaptoethanol und LILBID-MS konnte die Ausbildung von intermolekularen Disulfidbrücken bestätigt werden. Ein Bindungsassay mit radioaktivem 35S-GSH konnte die kovalente Bindung des GSH an die 5-LO bestätigen. Quantifizierungsstudien mit Ellmans Reagens zeigten, dass mindestens eins der Oberflächencysteine mit GSH modifiziert wurde. Die von der Gelfiltration erhaltenen Fraktionen wurden auf enzymatische Aktivität getestet und in allen 5-LO-haltigen Fraktionen konnte Aktivität gefunden werden. Leider war es nicht möglich, eine Aussage darüber zu treffen, ob das Mono- oder das Dimer aktiver war. Es liegt offenbar in einem Fließgleichgewicht vor, da erneute Injektion des Monomerpeaks im bekannten Elutionsprofil aus zwei Peaks resultierte. Außerdem führt die Anwesenheit von 0,5% T20 während des Aktivitätstests zu einer Hemmung des Enzyms und weniger detektierbaren 5-LO-Produkten; es fiel vor allem auf, dass so gut wie keinerlei trans- und epitrans-LTB4, die nicht-enzymatischen Zerfallprodukte der 5-HpETE, nachzuweisen waren. Betrachtet man die Struktur der 5-LO, so findet man zehn Cysteine an der Oberfläche; die Cysteine 159, 300, 416 und 418 liegen dabei in einem Interface. Mutiert man diese Cysteine zu Serinen, so verschwindet der Dimer-induzierende Effekt des Diamids, wohingegen die Mutante weiterhin glutathionylierbar bleibt. Interessanterweise zeigt diese Mutante auch eine wesentlich weniger ausgeprägte Hemmung durch T20. Um eine Aussage treffen zu können, ob auch 5-LO aus humanen Zellen Dimere bilden kann, wurde 5-LO-haltiger S100 aus polymorphkernigen Leukozyten (PMNL) untersucht. Dabei konnte mit Western Blot und einem Aktivitätsnachweis gezeigt werden, dass die 5-LO in einem breiten Bereich von der Gelfiltration eluiert. Das deutet darauf hin, dass sie in PMNL ebenfalls dimerisiert vorliegen kann. In Gegenwart von Ca2+kam es zu einer Verschiebung der 5-LO zu höhermolekularen Gewichten, wobei dieses Phänomen nicht bei S100 aus transformierten E.coli auftrat, was auf einen gerichteten Komplex nach Calciuminduktion in PMNL hindeutet.
Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit der Bindemodus von Sulindac an die 5-LO mittels Crosslinking untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass konzentrationsabhängig der einfache Komplex aus 5-LO und CLP abnimmt, dafür aber ein hochmolekularer Komplex, der beide Enzyme enthält, entsteht. Weder das Prodrug Sulindac noch der weitere Metabolit Sulindacsulfon oder andere Inhibitoren, die ebenfalls an der C2ld angreifen sollen, zeigten diesen Effekt. Leider konnte nicht weiter geklärt werden, was diesen Effekt verursacht, allerdings liegt die Vermutung nahe, dass es zu einer Aggregation kommt. Weitere Untersuchungen könnten wichtige Hinweise auf das Design von neuen Arzneistoffen bringen, um selektivere und damit nebenwirkungsärmere Inhibitoren zu finden.
5-lipoxygenase (5-LO) is the key enzyme in the biosynthesis of leukotrienes and specialized proresolving lipid mediators (SPM). It is mainly expressed in leukocytes and is part of the innate immune system. 5-LO can shuttle between the cytosol and the nucleus. Upon cell activation the protein translocates from soluble cellular compartments to the nuclear membrane. Besides FLAP which is required for cellular leukotriene and SPM formation, 5-LO interacts with other proteins like coactosin-like protein (CLP), Dicer, β-catenin and p53. In this review, the factors involved in the regulation of 5-LO expression, the role of 5-LO in the regulation of stem cell proliferation and differentiation and its biological functions apart from leukotriene and SPM formation are summarized.
Leukotrienes (LTs) are inflammatory mediators that play a pivotal role in many diseases like asthma bronchiale, atherosclerosis and in various types of cancer. The key enzyme for generation of LTs is the 5-lipoxygenase (5-LO). Here, we present a novel putative protein isoform of human 5-LO that lacks exon 4, termed 5-LOΔ4, identified in cells of lymphoid origin, namely the Burkitt lymphoma cell lines Raji and BL41 as well as primary B and T cells. Deletion of exon 4 does not shift the reading frame and therefore the mRNA is not subjected to non-mediated mRNA decay (NMD). By eliminating exon 4, the amino acids Trp144 until Ala184 are omitted in the corresponding protein. Transfection of HEK293T cells with a 5-LOΔ4 expression plasmid led to expression of the corresponding protein which suggests that the 5-LOΔ4 isoform is a stable protein in eukaryotic cells. We were also able to obtain soluble protein after expression in E. coli and purification. The isoform itself lacks canonical enzymatic activity as it misses the non-heme iron but it still retains ATP-binding affinity. Differential scanning fluorimetric analysis shows two transitions, corresponding to the two domains of 5-LO. Whilst the catalytic domain of 5-LO WT is destabilized by calcium, addition of calcium has no influence on the catalytic domain of 5-LOΔ4. Furthermore, we investigated the influence of 5-LOΔ4 on the activity of 5-LO WT and proved that it stimulates 5-LO product formation at low protein concentrations. Therefore regulation of 5-LO by its isoform 5-LOΔ4 might represent a novel mechanism of controlling the biosynthesis of lipid mediators.
The miRNA biogenesis is tightly regulated to avoid dysfunction and consequent disease development. Here, we describe modulation of miRNA processing as a novel noncanonical function of the 5-lipoxygenase (5-LO) enzyme in monocytic cells. In differentiated Mono Mac 6 (MM6) cells, we found an in situ interaction of 5-LO with Dicer, a key enzyme in miRNA biogenesis. RNA sequencing of small noncoding RNAs revealed a functional impact, knockout of 5-LO altered the expression profile of several miRNAs. Effects of 5-LO could be observed at two levels. qPCR analyses thus indicated that (a) 5-LO promotes the transcription of the evolutionarily conserved miR-99b/let-7e/miR-125a cluster and (b) the 5-LO-Dicer interaction downregulates the processing of pre-let-7e, resulting in an increase in miR-125a and miR-99b levels by 5-LO without concomitant changes in let-7e levels in differentiated MM6 cells. Our observations suggest that 5-LO regulates the miRNA profile by modulating the Dicer-mediated processing of distinct pre-miRNAs. 5-LO inhibits the formation of let-7e which is a well-known inducer of cell differentiation, but promotes the generation of miR-99b and miR-125a known to induce cell proliferation and the maintenance of leukemic stem cell functions.
Human 5-lipoxygenase (5-LO) is the key enzyme of leukotriene biosynthesis, mostly expressed in leukocytes and thus a crucial component of the innate immune system.
In this study, we show that 5-LO, besides its canonical function as an arachidonic acid metabolizing enzyme, is a regulator of gene expression associated with euchromatin. By Crispr-Cas9-mediated 5-LO knockout (KO) in MonoMac6 (MM6) cells and subsequent RNA-Seq analysis, we identified 5-LO regulated genes which could be clustered to immune/defense response, cell adhesion, transcription and growth/developmental processes. Analysis of differentially expressed genes identified cyclooxygenase-2 (COX2, PTGS2) and kynureninase (KYNU) as strongly regulated 5-LO target genes. 5-LO knockout affected MM6 cell adhesion and tryptophan metabolism via inhibition of the degradation of the immunoregulator kynurenine. By subsequent FAIRE-Seq and 5-LO ChIP-Seq analyses, we found an association of 5-LO with euchromatin, with prominent 5-LO binding to promoter regions in actively transcribed genes. By enrichment analysis of the ChIP-Seq results, we identified potential 5-LO interaction partners. Furthermore, 5-LO ChIP-Seq peaks resemble patterns of H3K27ac histone marks, suggesting that 5-LO recruitment mainly takes place at acetylated histones.>
In summary, we demonstrate a noncanonical function of 5-LO as transcriptional regulator in monocytic cells.