Proprotein Convertase Subtilisin/kexin Type 9 (PCSK9) Enzyme in Immunity and Cancer

Abstract

PCSK9 entsyymin ensimmäisenä löydetty ja parhaiten tunnettu fysiologinen rooli on alhaisen tiheyden lipoproteiinireseptorin (engl. low density lipoprotein receptor, LDLR) ilmentämisen säätely maksassa, mikä vaikuttaa verenkierrossa olevan kolesterolin kulkeutumiseen soluihin ja lopulta sydän- ja verisuonitautien kehittymiseen. Hiljattain on näytetty, että PCSK9 kontrolloi myös muiden solureseptoreiden, kuten esimerkiksi MHCI:n (engl. major histocompatibility complex I), uudelleenkiertoa. PCSK9:n merkitystä infektioita ja syöpää vastaan suuntautuvassa immuunivasteessa ei täysin ymmärretä, – osittain sen vuoksi, että, bakteeri-infektioiden tutkimuksista on saatu vaihtelevia ja toisistaan poikkeavia tuloksia. Toisaalta pahanlaatuisia kasvaimia, joilla esiintyy poikkeavaa lipidiaineenvaihduntaa, on toistaiseksi tutkittu vain vähän. Esimerkkinä tällaisesta kasvaimesta on munasarjasyöpä.

Tässä tutkimuksessa selvitettiin PCSK9:n määrää verenkierrossa bakteremiapotilailla. Tulokset osoittivat matalampien PCSK9 tasojen olevan yhteydessä huonompaan taudin ennusteeseen. Lisäksi pcsk9-geenin poistamisen vaikutusta pneumokokki-infektiossa tutkittiin <i>in vivo</i> luomalla kaksi seeprakalan mutanttilinjaa käyttäen CRISPR/Cas9-menetelmää. Sekä ihmisessä että seeprakalassa PCSK9- proteiinin ja geenin tasot nousevat systeemisessä infektiossa, etenkin <i>Streptococcus pneumoniae</i> infektiossa, ja se käyttäytyy akuutin vaiheen proteiinin tavoin korreloiden infektioihin liittyvän C-reaktiivisen proteiinin (CRP) tasojen kanssa. <i>Pcsk9</i>-geeni ei ollut seeprakalassa välttämätön yksilönkehityksen aikaiselle neurogeneesille eikä aikuisen kalan selviytymiskyvylle streptokokin aiheuttamassa keuhkoinfektiossa. Poistogeenisessä kalassa tietyt immuunipuolustukseen liittyvät geenit kuitenkin ilmentyivät alentuneesti ja toisaalta lipidimetaboliaan liittyvien geenien ilmentyminen oli koholla. Tämä viittaa pcsk9:llä olevan evoluutiossa säilynyt immuunijärjestelmän säätelijän rooli maksassa.

Lopuksi PCSK9 proteiinin ilmentämistä ja merkitystä epiteliaalisessa munasarjasyövässä tutkittiin hyödyntäen valikoituja solulinjoja. Immortalisoidut solulinjat ja potilaiden syöpäkasvaimista viljellyt solut ilmensivät ja erittivät PCSK9:ää, mikä viittaa parakriiniseen säätelyyn. PCSK9:ää havaittiin myös matalina pitoisuuksina potilaiden vastaontelon nesteessä. PCSK9:n ilmentämistä muokattiin, jotta sen vaikutusta solujen jakaantumiseen voitaisiin selvittää. Kun PCSK9 ilmentymistä hiljennettiin, syöpäsolujen selviytymiskyky huonontui. Tämä tulos on samansuuntainen aiempien pahanlaatuisten kasvainten tutkimusten kanssa ja viittaa PCSK9:n parantavan syöpäsolujen selviytymistä. Kun PCSK9:n ilmentymistä lisättiin soluissa ohimenevästi, havaittiin solunsisäistä signaaliaktivaatiota, mikä vahvistaa hypoteesia PCSK9:n merkityksestä solujen selviytymisen paranemisessa.

Yhteenvetona, PCSK9:llä on merkitystä immuunipuolustuksessa ja syövässä. Kuitenkin jotkin asiat jäävät moniselitteisiksi, ja lisää tutkimuksia tarvitaan selvittämään PCSK9:n toimintaa sekä sen hyödyllisyyttä terapeuttisena kohteena bakteeri-infektioiden ja syövän hoidossa.

The first and best characterized physiological function of PCSK9 enzyme has been the regulation of the low-density lipoprotein receptors (LDLR) turn-over in the liver, affecting the circulating cholesterol uptake, and contributing eventually to the development of cardiovascular events. Recently it has been reported that PCSK9 controls the turn-over of other cellular receptors, such as the major histocompatibility complex class I (MHC-I). However, its participation in the immune responses against infections and cancer, is not fully understood, in part, due to the diverse results obtained in bacterial infections studies, and in part because little research has been done in certain malignancies with altered lipid metabolism, such ovarian cancer.

In the present study, circulating PCSK9 protein levels were explored in bacteremic patients. Interestingly, those with lower PCSK9 levels, but still over the normal range, had worse prognosis. Thus, to study <i>in vivo</i> the effects of PCSK9 gene knockout upon pneumococcal infection, two zebrafish mutant lines were generated using a genetic modification method called CRISPR/Cas9. Both, in humans and zebrafish, PCSK9 gene and protein levels are upregulated upon systemic infection, especially due to <i>Streptococcus pneumoniae</i>, where it resembles an acute-phase reactant correlating with the levels of infection-associated marker C-reactive protein (CRP). In zebrafish, PCSK9 protein is dispensable for the correct neurogenesis during ontogeny, and also for adult host survival against <i>Streptococcus pneumoniae</i> infections. However, certain immune related genes were downregulated, whereas lipid- metabolism related genes were upregulated, suggesting a conserved hepatic immunoregulatory function.

Lastly, the expression and putative role of PCSK9 protein in epithelial ovarian cancer cells was explored in selected cell lines. It was found that PCSK9 protein is expressed and secreted by immortalized cell lines and patient derived cancer cell cultures, suggesting a paracrine modulation. PCSK9 protein was also detected at low concentrations in patients’ ascites fluids. Furthermore, to study its effects on cell proliferation, PCSK9 gene expression was modulated. When PCSK9 gene was silenced, cancer cell survival was impaired, suggesting a pro-survival role for PCSK9 protein, in line with previous studies in other malignancies. When PCSK9 protein expression was transiently induced, intracellular signaling activation was observed, reinforcing the pro-survival role for PCSK9.

In conclusion, PCSK9 plays a role in immunity and cancer. However, some aspects remain ambiguous, and more research would be needed to determine its roles and its usefulness as a therapeutic target to treat bacterial infections or cancer.