Die differenzielle Expression der mRNA-Varianten Egr1-sv und Egr1-lv unter Ausdauerbelastung und normobarer Hypoxie

Abstract

Sowohl für körperliche Belastung als auch für Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Hypoxie ist ein Einfluss auf das Immunsystem bekannt. So wird die körperliche Belastung wird schon seit längerer Zeit als Modell zur Untersuchung der entzündlichen Reaktion verwendet (Shek et al., 1998). In dieser Studie führen wir einen Vergleich der Immunmodulation bei Ausdauerbelastung einerseits und Hypoxie andererseits durch. Frühere Untersuchungen intrazellulärer Prozesse, die diese bedingen, zeigten, dass der Transkriptionsfaktor EGR1 auf verschiedenen Wegen das Immunsystem beeinflusst. Auch der durch freie Radikale bedingte oxidative Stress scheint in diesem Zusammenhang eine große Rolle zu spielen. Da diese Radikale wiederum die Expression von EGR1 induzieren, liegt die Vermutung einer Assoziation beider Faktoren auch in vivo nahe. Ein erst seit kurzem bekannter Aspekt des Transkriptionsfaktors EGR1 ist die Existenz zweier mRNA-Varianten: Egr1-sv und Egr1-lv. Wir überprüfen, ob im peripheren Blut unter Belastung eine differenzielle Regulation dieser Varianten stattfindet, ob ein Unterschied zwischen der Egr1-Expression bei Ausdauerbelastung und Hypoxieexposition besteht und ob Antioxidantien über eine Reduktion freier Radikale die Reaktion auf Hypoxie beeinflussen. Dafür untersuchen wir drei Probandengruppen. Sieben trainierte Ausdauerathleten bei einem Halbmarathonwettkampf, sieben nicht höhenangepasste Freiwillige, die 23 Stunden in einer normobaren Hypoxiekammer verbrachten, und sechs Probanden, die sich im Rahmen einer Cross-over-Studie mit placebokontrollierter Antioxidantienbehandlung vier Stunden unter normobarer Hypoxie aufhielten. Bei diesen Gruppen zeigen sich deutliche Unterschiede in der Reaktion der beiden mRNA-Varianten. Während Egr1-lv sich praktisch nicht verändert, wird für Egr1-sv als erstem Transkriptionsfaktor eine differenzielle Regulation durch Hypoxie und Ausdauerbelastung beobachtet. Bei den Teilnehmern des Halbmarathons wurden ausser Egr1 noch verschiedene Belastungsparameter bestimmt. Sowohl der Anstieg von Noradrenalin und CKMB als auch der definitionsgemäß pathologisch erhöhte Quotient aus CKMB und CK stehen im Einklang mit der bekannten Literatur. Es besteht eine signifikante Korrelation von Noradrenalin und der Expression von Egr.1 sv, während CKMB und Egr1-sv nicht korrelieren. Die beobachtete Verschiebungen des Blutbilds zu Neutrophilie und Leukopenie durch eine Halbmarathonbelastung stimmt ebenfalls mit der aktuellen Literatur überein. Für die Probanden der Cross-Over-Studie zeigt sich sowohl für die Peroxidkonzentration als auch für die Egr1-Expression ein signifikantes Absinken der Werte in der Placebogruppe im Vergleich zur Verumgruppe, was auf einen direkten Zusammenhang zwischen dem zellulären Reduktions-Oxidations-System und EGR1 hindeutet. Die vorliegende Arbeit bestätigt manche Vermutungen bezüglich der Reaktion des Organismus und speziell des Immunsystems auf Belastung. Für die Zukunft ergeben sich aus den gewonnenen Erkenntnissen interessante Fragen, deren Beantwortung zum besseren Verständnis der immunologischen Reaktion auf verschiedene Belastungsarten führen und die Rolle des EGR1 bei diesen Prozessen weiter aufklären wird. Auf den klinischen Alltag angewandt könnte dieses Wissen neue Impulse geben für die Behandlung der akuten Höhenkrankheit, immunologischer Erkrankungen sowie die Entwicklung neuer Trainingskonzepte in Kombination mit zeitlich begrenzten Höhenexpositionen.

For physical exertion as well as for environmental influences as for example hypoxia an influence onto the immune system is well-known. Physical exertion has been used as a model for inflammatory reactions for quite some time (Shek et al., 1998). In this study we conduct a comparison of the immune modulation during endurance exercise versus during hypoxia. Earlier analyses of intracellular processes associated with this modulation have shown that the transcription factor EGR1 influences the immune system in various ways. Oxidative stress caused by free radicals appears to be of importance in this context. Since the radicals in return induce the expression of EGR1 it is likely that these two factors are also associated in vivo. A only recently known feature of the transcription factor EGR1 is the existence of two mRNA variants: Egr1-sv and Egr1-lv. We test whether there is a differential regulation of these variants in the peripheral blood, whether there is a difference between the Egr1 expression during endurance exercise and hypoxia and whether antioxidants influence the response to hypoxia via reduction of free radicals. For this we tested three groups of subjects. Seven trained endurance athletes at a competitive half marathon, seven non-acclimatized volunteers who spent 23 hours in a normobaric hypoxic chamber and six subjects who spent four hours in normobaric hypoxia in the setting of a placebo controlled crossover study of treatment with antioxidants. In these groups there are marked differences in the response of the two mRNA variants. While Egr1-lv virtually does not change, in Egr1-sv we could show a differential regulation by hypoxia and endurance exercise for the first time in a transcription factor. Other than Egr1 other parameters of stress were determined in the participants of the half marathon. The increase in norepinephrine and CKMB as well as the ratio of CKMB and CK within the pathological range are consistent with the current literature. There is a significant correlation of norepinephrine and the expression of Egr1-sv while CKMB and Egr1-sv do not correlate. We can also see a shift of the blood count towards neutrophilia and leukopenia that is consistent with the literature. For the subjects of the cross over study there is a significant decrease of peroxides as well as of expression of Egr1 in the placebo compared to the treatment group which points towards a connection of the cellular oxidation system and EGR1. The study at hand confirms some assumptions regarding the organism’s response to exertional stress, particularly regarding immunity. For the future interesting questions arise from these findings, the answers to which will increase the understanding of the immune response to different stressors and the part EGR1 is playing in this process. In clinical practice this knowledge could give new impulses in the treatment of altitude sickness and immunologic diseases as well as in the development of new training concepts using time limited exposures to altitude.