Glycosylation of angiogenic factors by the Hexosamine Biosynthetic Pathway, a nutrient sensor with a novel metabolic-signaling role in angiogenesis?

Bloedvaten zijn verantwoordelijk voor de aanvoer van voedingstoffen en zuurstof aan alle cellen via transport doorheen het endothelium. Deze laag bestaande uit endotheelcellen (ECn) bevindt zich aan de luminale zijde van de bloedvaten en vormt een selectieve barrière tussen het circulerend bloed en het omliggende weefsel. ECn worden gekarakteriseerd door fenotypische plasticiteit: Enerzijds zijn de ECn aanwezig in volgroeide bloedvaten in rusttoestand. Anderzijds worden ze pathologisch geactiveerd in condities zoals inflammatie, ischemie en kwaadaardige ziekten (angiogene transitie) waardoor ze gaan migreren en delen om nieuwe bloedvaten te vormen (angiogenese). Door hun onmiskenbare rol in pathologische condities zijn deze geactiveerde ECn onderwerp van intens cardiovasculair wetenschappelijk onderzoek. Recente ontwikkelingen demonstreren dat in parallel met de angiogene transitie, ook een metabole transitie plaatsvindt. Terwijl het merendeel van de wetenschappelijke studies zich tot nu toe focust op de geactiveerde ECn met als doel de angiogene activatie en bijgevolg angiogenese tegen te gaan, hebben wij beslist ons te focussen op de tegenovergestelde transitie. Daarbij trachtten we een beter overzicht te krijgen van het metabole profiel van rustende endotheelcellen en de metabole aanpassingen die gepaard gaan met de transitie naar de rusttoestand.

Wanneer we kijken naar hun omgevingsomstandigheden, functionele rol en celfysiologie, observeren we onmiskenbare verschillen die er op wijzen dat geactiveerde en rustende ECn verschillende metabole noden hebben. Eerder onderzoek van het gastlaboratorium toonde aan dat geactiveerde ECn het grote merendeel van hun bio-energetische capaciteit gebruiken voor migratie en de synthese van essentiële macromoleculen zoals lipiden, eiwitten en nucleotiden die nodig zijn voor cel duplicatie. In tegenstelling tot de geactiveerde ECn  hebben de rustende ECn geen nood aan een dergelijk actief metabolisme sinds deze niet geconfronteerd worden met deze energie consumerende processen. Daarom postuleerden wij de hypothese dat een herprogrammering van het cellulair metabolisme essentieel is om de transitie van de geactiveerde naar de rust toestand te vrijwaren. In deze thesis werden diverse metaboloom -en metabole flux -analyse technieken gecombineerd met biochemische en moleculaire technieken om de aard en het mechanisme achter de transitie van de angiogene toestand naar de rust toestand te bestuderen.

Dit toonde aan dat ECn cellen niet zomaar een hypo-metbolisch profiel vertonen, maar dat deze cellen een verhoogde oxidatieve pentose fosfaat flux en vetzuur b-oxidatie (FAO) vertonen. Deze bevindingen weerleggen de algemeen aanvaarde notie dat rustende cellen simpelweg hun metabolism onderdrukken.

De geobserveerde metabole transitie gaat niet gepaard met verhoogde ATP of biomassa productie, maar stimuleert de productie van NADPH, reducerende factoren die essentieel zijn voor intracellulaire redox controle en de oxidatieve status van de rustende cellen verlagen. Redox controle van deze omvang is hoogst waarschijnlijk noodzakelijk om, als gevolg van het oxidatieve milieu en hoge zuurstof concentraties, de vorming van reactieve zuurstof radicalen tegen te gaan. Dit zorgt er voor dat endotheel cel activatie als gevolg van redox signalisatie in endotheelcellen verhinderd wordt en dat langdurige blootstelling tot deze radicalen, iets wat geassocieerd is met cardiovasculaire ziektes, voorkomen wordt. Een meer gedetailleerde analyse van de FAO in rustende ECn toonde aan dat FAO de NADPH productie verhoogt doordat deze metabole weg bijdraagt tot de vorming van substraat voor de NADPH producerende mitochondriale enzymen.

Functioneel tonen we aan dat de FAO in rustende EC cellen essentieel is voor het onderhouden van de redox homeostase, en dat inhibitie van FAO verlies van barrière-functie veroorzaakt en leidt tot endotheliale permeabiliteit, zoals ook aangetroffen wordt in cardiovasculaire ziekten. Verder tonen we aan dat de Dll4-Notch signalering in ECn een belangrijke rol speelt als moleculaire hub welke de metabole aanpassingen tijdens de overschakeling naar de rusttoestand controleert. Meer bepaald wordt FAO rechtstreeks gereguleerd door Dll4-Notch signalering doordat NICD direct interageert met een activatie complex op de promoter van carnitine palmitoyl transferase (CPT1a), een sleutelenzyme van de FAO verantwoordelijk voor de transfer van vetzuren tot in de mitochondriën, en vervolgens de transcriptie stimuleert.

Alles samengevat voorziet dit werk onweerlegbaar bewijs voor het bestaan van een metabole transitie die gepaard gaat met de endotheliale transitie van een geactiveerde toestand naar een rustende toestand, en identificeerden we een moleculair mechanisme dat deze metabole transitie reguleert.