Clinical implications and genetic regulation of indoleamine 2,3-dioxygenase serum activity

Abstract

Tryptofaani on välttämätön ravinnosta saatava aminohappo, joka toimii mm. serotoniini ja melatoniini hormonien esiasteena. Tryptofaani on elimistössä määrältään vähäisin aminohappo, ja sen pitoisuuden säätely metabolian kautta vaikuttaa moniin fysiologisiin prosesseihin. Jo pitkään on esimerkiksi tiedetty elimistön puolustautuvan tautia aiheuttavia mikrobeja vastaan laskemalla tryptofaanin paikallista pitoisuutta. Tärkeä tekijä tryptofaanin metaboliassa on indoliamiini 2,3-dioksigenaasi (IDO) entsyymi, joka metaboliareitin ensimmäisessä vaiheessa hajottaa aminohapon kynureniiniksi. Viime vuosina IDO on herättänyt kasvavaa mielenkiintoa erityisesti immuunijärjestelmän säätelijänä, sillä on selvinnyt, että tryptofaanitason lasku johtaa myös T-soluvasteen estymiseen. Tryptofaanin hajoamista ja IDO-entsyymin aktiivisuutta voidaan seurata määrittämällä verestä tryptofaanin ja sen hajoamistuotteen kynureniinin pitoisuuksien suhde.

IDO:n katsotaan olevan keskeinen immuunisäätelyssä, koska sitä tuottavat pääasiassa immuunijärjestelmän antigeenia esittelevät solut. Merkittävimmät entsyymiä aktivoivat tekijät ovat Th1-tyypin sytokiini gammainterferoni (IFN-?) sekä tiettyjen bakteerien ulkopinnalla sijaitsevat lipopolysakkaridit. Entsyymin aktivaatio johtaa paikalliseen tryptofaanitason laskuun, mikä heikentää lähellä olevien T-solujen lisääntymistä ja toimintaa. Nykyään tiedetään tryptofaanin hajoamisen olevan merkittävässä asemassa niin normaalissa immuunivasteessa kuin myös useissa sairauksissa, mutta IDO-välitteisen immuunivasteen estymisen todellinen merkitys eri sairauksissa on vielä suurelta osin avoin.

Väitöskirjatyössä selvitettiin IDO-entsyymin toimintaa ja sen aktiivisuutta sääteleviä tekijöitä sekä terveillä suomalaisilla, että infektiossa, atopiassa ja valtimonkovettumataudissa. Tutkimusaineisto koostui yhteensä 2608 henkilöstä. Tutkimuksessa todettiin terveiden aikuisten IDO-entsyymiaktiivisuus korkeammaksi henkilöillä, joilla oli korkeaan IFN-?:n tuotantoon liittyvä geenipolymorfia. Tämä vahvistaa Th1 solujen tuottaman IFN-?:n merkityksen IDO:n säätelijänä. Entsyymiaktiivisuus havaittiin normaalia matalammaksi atopiaa, eli tyypillistä Th2 tyypin vasteen tautia, sairastavilla. Tiettyjen atopialta suojaavien ympäristötekijöiden, mm. helikobakteeri-infektion, huomattiin puolestaan kohottavan aktiivisuutta. Lisäksi todettiin helikobakteerin aikaansaaman aktiivisuuden nousun liittyvän kahden immuunijärjestelmän säätelijämolekyylin, CTLA4 ja TGF?, korkean ilmentymisen (CTLA4) tai tuotannon (TGF?) geenipolymorfioihin. Tulos antaa viitteitä siitä, että tiettyjen geenien perinnöllinen vaihtelu vaikuttaa IDO:n aktiivisuuteen, mutta assosiaatiotutkimuksen tulokset tulisi vielä varmentaa suuremmissa aineistoissa.

Väitöskirjatyössä haluttiin lisäksi selvittää IDO:n mahdollista vaikutusta valtimonkovettumataudin synnyssä, sillä ateroskleroottisen plakin sisältämien T-solujen tiedetään olevan pääasiassa IFN ?:a tuottavaa Th1-tyyppiä. Entsyymiaktiivisuuden havaittiin assosioituvan taudin varhaisena merkkinä pidettävään kaulavaltimon seinämän paksuuntumiseen sekä useisiin muihin sydän- ja verisuonitautien riskitekijöihin kahdessa eri-ikäisistä aikuisista koostuneessa väestöotoksessa, mutta se ei kuitenkaan osoittautunut valtimonkovettumataudin itsenäiseksi riskitekijäksi.

Mechanisms induced by the catabolism of the amino acid tryptophan are important in the regulation of both normal and pathogenetic immune responses. Tryptophan is catabolized by two distinct biochemical pathways. In central nervous system trp 5-hydroxylase converts tryptophan into serotonin. Secondly, it is transformed into kynurenine and subsequent metabolites by two enzymes; tryptophan 2,3-dioxygenase (TDO) and indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO).

The basal blood level of tryptophan is mainly controlled by the homeostatic enzyme TDO, expressed in the liver. Unlike TDO, IDO is highly responsive to signals from the immune system. IDO is mainly expressed in antigen presenting cells and responsible for the immunomodulatory effects. The activity is mainly upregulated by typical T helper (Th) 1 differentiating signals such as interferon gamma (IFN-γ) and bacterial lipopolysaccharide. Activation of IDO during the inflammatory response leads to a decrease in local tryptophan levels. These decreased levels have an inhibitory effect on proliferation of T lymphocytes. The concentration ratio between kynurenine and tryptophan allows an estimate of IDO activity and can be used as an indicator for tryptophan degradation and therefore an activated immune system.

In the studies constituting this dissertation we investigated the regulation of IDO activity and its role in certain clinical conditions by means of epidemiology and genetic epidemiology. Tryptophan and kynurenine concentrations were measured from a total of 2608 individuals; healthy Finnish blood donors, control participants in an adult asthma study, young adults from the Cardiovascular Risk in Young Finns Study and participants of the Health 2000 Study.

IDO enzyme activity was increased in carriers of IFNG genotype associated with high IFN-γ production. The finding confirms the role of IFN-γ produced by Th1 cells in the regulation of IDO activity. Enzyme activity was significantly lower in a Th2-associated disease, atopy, and certain environmental factors, i.e. Helicobacter pylori, increased the activity. We also observed that high expression or producer genotype of the genes CTLA4 and TGFB1 was required for the H. pylori induced elevation of IDO activity.

The inflammatory nature of atherosclerosis is well recognized. The atherosclerotic plaque contains T lymphocytes, most of which are of the IFN-γ secreting Th1 phenotype, i.e. proinflammatory cells. In this study we wanted to ascertain the possible effect of IDO in the development of atherosclerosis. In two population cohorts of adults of various ages we observed that IDO activity correlated statistically significantly with several risk factors for atherosclerosis and with intima-media thickness, which is often used as a presymptomatic predictor of the disease.