Aktuelle Ernährungsmedizin 2004; 29(4): 171-177
DOI: 10.1055/s-2003-814974
Originalbeitrag
© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Interferon-γ-induzierter Tryptophanabbau: Bedeutung für Immunologie und Psychiatrie

Interferon-γ-Induced Tryptophan Degradation: Relevance in Immunology and PsychiatryG.  Neurauter1, 2 , B.  Wirleitner1 , K.  Schröcksnadel1 , B.  Frick1 , D.  Fuchs1, 2
  • 1Institut für Medizinische Chemie und Biochemie, Medizinische Universität, Innsbruck, Österreich
  • 2Ludwig-Boltzmann-Institut für AIDS-Forschung, Innsbruck, Österreich
Unterstützt vom Österreichischen Bundesministerium für Soziale Sicherheit und Generationen
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Publication Date:
12 August 2004 (online)

Zusammenfassung

Tryptophan, eine essenzielle Aminosäure und Bestandteil von Proteinen, ist auch Substrat für 2 wichtige biochemische Stoffwechselwege: Die Bildung des Neurotransmitters Serotonin (5-Hydroxytryptamin) durch die Tryptophan-(5)-Hydroxylase sowie die Bildung von Kynureninderivaten und Nikotinamidadenindinukleotiden über die Enzyme Tryptophanpyrrolase (Tryptophan-2,3-Dioxygenase, TDO) und Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO). TDO ist in Leberzellen lokalisiert, während IDO von einer Vielzahl von Zellen nach Induktion durch das Zytokin Interferon-γ exprimiert wird. Der durch Induktion von IDO durchgeführte Tryptophanabbau ist einerseits Teil des antimikrobiellen und antiproliferativen Repertoirs von Zellen, kann aber auch zur Suppression der T-Zellantwort beitragen. Für die Abschätzung einer Aktivierung der IDO in vivo kann das Verhältnis von Kynurenin zu Tryptophan (= Kyn/Trp) bestimmt und gleichzeitig zu Immunaktivierungsparametern wie Neopterin in Beziehung gesetzt werden. Verstärkter Tryptophankatabolismus wird bei Erkrankungen beobachtet, die mit einer zellulären (= Th1-Typ) Immunantwort einhergehen, wie Virusinfektionen (z. B. mit dem humanen Immunodefizienz Virus = HIV), Autoimmunkrankheiten, aber auch Krebserkrankungen und während einer Schwangerschaft. Bei diesen Prozessen könnte der Tryptophanabbau eine Rolle bei der Entwicklung einer Immundefizienz spielen. Außerdem kann besonders bei chronischen Krankheiten die reduzierte Verfügbarkeit des freien Tryptophan im Serum auch zu einer unzureichenden Synthese von Serotonin führen. So können serotonerge Funktionen gestört werden und der gesteigerte Tryptophanabbau zur Entstehung von neuropsychiatrischen Symptomen beitragen. Störungen des Serotoninstoffwechsels sind in der Pathogenese von Depressionen von besonderer Bedeutung. Analog dazu wurde z. B. ein Zusammenhang zwischen verstärktem Tryptophanabbau und verminderter Lebensqualität bei Patienten mit malignen Erkrankungen nachgewiesen. Die Aktivierung der IDO kann eine Verbindung zwischen dem immunologischen Netzwerk und neuroendokrinen Funktionen mit weit reichenden Konsequenzen für den psychischen Status von Patienten darstellen. Diese Zusammenhänge könnten auch eine neue Basis für ein besseres Verständnis für die Entstehung von Gemütsveränderungen bei chronisch Kranken darstellen.

Abstract

The essential amino acid tryptophan is constituent of proteins and also substrate for two important metabolic pathways, namely the formation of neurotransmitter serotonin (5-hydroxytryptamine) by tryptophan-(5)-hydroxylase and the production of kynurenine derivatives and nicotinamide-adenine-dinucleotides via enzymes tryptophan pyrrolase (tryptophan 2,3-dioxygenase, TDO) and indoleamine 2,3-diooxygenase (IDO). TDO is localized in liver, whereas IDO is expressed in a variety of cells upon induction with Th1-type cytokine interferon-y. IDO-induced tryptophan degradation is part of the antimicrobial and antiproliferative repertoire of cells, accordingly it also can contribute to the suppression of T-cell response. Enhanced tryptophan catabolism coinciding with immune activation is commonly observed during diseases, which go along with cell-mediated (= Th1-type) immune response, such as virus infections including human immunodeficiency virus infection, autoimmune disorders and cancer and also during pregnancy. In these conditions, tryptophan degradation may be involved in the development of immunodeficiency, however, the limited availability of serum tryptophan may also lead to an insufficient biosynthesis of serotonin especially in chronic situations. Consequently serotonergic functions can be disturbed, and accelerated tryptophan catabolism may thus contribute to neuropsychiatric symptoms in patients. Disturbed serotonin metabolism is of particular relevance in the pathogenesis of depression, and an association between enhanced tryptophan degradation and reduced quality of life has already been observed in patients with malignant diseases. In conclusion, activation of IDO may represent a link between the immunologic network and neuroendocrine functions with far-reaching consequences for the neuropsychiatrie status of patients. Results provide a basis for a better understanding of the development of mood disturbances in patients with chronic diseases.

Literatur

  • 1 Brown R R. Metabolism and biology of tryptophan. Some clinical implications.  Adv Exp Med Biol. 1996;  398 15-25
  • 2 Moroni F. Tryptophan metabolism and brain function: focus of kynurenine and other indole metabolites.  Eur J Pharm. 1999;  375 87-100
  • 3 Taylor M W, Feng G S. Relationship between interferon-γ, indoleamine 2,3-dioxygenase, and tryptophan catabolism.  FASEB J. 1991;  5 2516-2522
  • 4 Knox W E. The regulation of tryptophan pyrrolase activity by tryptophan.  Adv Enzyme Regul. 1966;  4 287-297
  • 5 Takikawa O, Yoshida R, Kido R, Hayaishi O. Tryptophan degradation in mice initiated by indoleamine 2,3-dioxygenase.  J Biol Chem. 1986;  261 3648-3653
  • 6 Byrne G I, Lehmann L K, Kirschbaum J G, Borden E C, Lee C M, Brown R R. Induction of tryptophan degradation in vitro and in vivo: a gamma-interferon-stimulated activity.  J Interferon Res. 1986;  6 389-396
  • 7 Werner E R, Bitterlich G, Fuchs D, Hausen A, Reibnegger G, Szabo G, Dierich M P, Wachter H. Human macrophages degrade tryptophan upon induction by interferon-gamma.  Life Sci. 1987;  41 273-280
  • 8 Widner B, Werner E R, Schennach H, Wachter H, Fuchs D. Simultaneous measurement of serum tryptophan and kynurenine by HPLC.  Clin Chem. 1997;  43 2424-2426
  • 9 Romagnani S. Cytokines and chemoattractants in allergic inflammation.  Mol Immunol. 2002;  38 881-885
  • 10 Brown R R, Lee C M, Kohler P C, Hank J A, Storer B E, Sondel P M. Altered tryptophan and neopterin metabolism in cancer patients treated with recombinant interleukin 2.  Cancer Res. 1989;  49 4941-4944
  • 11 Werner-Felmayer G, Werner E R, Fuchs D, Hausen A, Reibnegger G, Wachter H. Characteristics of interferon induced tryptophan metabolism in human cells in vitro.  Biochim Biophys Acta. 1989;  1012 140-147
  • 12 Werner-Felmayer G, Werner E R, Fuchs D, Hausen A, Reibnegger G, Wachter H. Neopterin formation and tryptophan degradation by a human myelomonocytic cell line (THP-1).  Cancer Res. 1990;  50 2863-2867
  • 13 Ozaki Y, Edelstein M P, Duch D S. The actions of interferon and antiinflammatory agents of induction of indoleamine 2,3-dioxygenase in human peripheral blood monocytes.  Biochem Biophys Res Commun. 1987;  144 1147-1153
  • 14 Fuchs D, Möller A A, Reibnegger G, Stöckle E, Werner E R, Wachter H. Decreased serum tryptophan in patients with HIV-1 infection correlates with increased serum neopterin and with neurologic/psychiatric symptoms.  J Acquir Immune Defic Syndr. 1990;  3 873-876
  • 15 Widner B, Ledochowski M, Fuchs D. Interferon-gamma-induced tryptophan degradation: neuropsychiatry and immunological consequences.  Curr Drug Metabol. 2000;  1 193-204
  • 16 Pfefferkorn E R. Interferon-γ blocks the growth of Toxoplasma ghondii in human fibroblasts by inducing the host cells to degrade tryptophan.  Proc Natl Acad Sci (USA). 1986;  81 908-912
  • 17 Pfefferkorn E R, Eckel M, Rebhun S. Interferon-gamma suppresses the growth of Toxoplasma gondii in human fibroblasts through starvation for tryptophan.  Mol Biochem Parasitol. 1986;  20 215-224
  • 18 Byrne G I, Lehmann L K, Landry G J. Induction of tryptophan catabolism is the mechanism for gamma-interferon-mediated inhibition of intracellular Chlamydia psittaci replication in T24 cells.  Infect Immun. 1986;  53 347-351
  • 19 Bodaghi B, Goureau O, Zipeto D, Laurent L, Virelizier J L, Michelson S. Role of IFN-gamma-induced indoleamine 2,3 dioxygenase and inducible nitric oxide synthase in the replication of human cytomegalovirus in retinal pigment epithelial cells.  J Immunol. 1999;  162 957-964
  • 20 Maza L M de la, Peterson E M. Dependence of the in vitro antiproliferative activity of recombinant human gamma-interferon on the concentration of tryptophan in culture media.  Cancer Res. 1988;  48 346-350
  • 21 Ozaki Y, Edelstein M P, Duch D S. Induction of indoleamine 2,3-dioxygenase: a mechanism of the antitumor activity of interferon-gamma.  Proc Natl Acad Sci (USA). 1988;  85 1242-1246
  • 22 Carlin J M, Borden E C, Byrne G I. Enhancement of indoleamine 2,3-dioxygenase activity in cancer patients receiving interferon-beta Ser.  J Interferon Res. 1989;  9 167-173
  • 23 Roberts J, Schmid F A, Rosenfeld H J. Biologic and antineoplastic effects of enzyme-mediated in vivo depletion of L-glutamine, L-tryptophan, and L-histidine.  Cancer Treat Rep. 1979;  63 1045-1054
  • 24 Woolley P V, Dion R L, Bono V H. Effects of tryptophan deprivation on L1210 cells in culture.  Cancer Res. 1974;  34 1010-1014
  • 25 Fuchs D, Malkovsky M, Reibnegger G, Werner E R, Forni G, Wachter H. Endogenous release of interferon-gamma and diminished response of peripheral blood mononuclear cells to antigenic stimulation.  Immunol Lett. 1989;  23 103-108
  • 26 Munn D H, Shafizadeh E, Attwood J T, Bondarev I, Pashine A, Mellor A L. Inhibition of T-cell proliferation by macrophage tryptophan catabolism.  J Exp Med. 1999;  189 1663-1672
  • 27 Mellor A L, Munn D, Chandler P, Keskin D, Johnson T, Marshall B, Jhaver K, Baban B. Tryptophan catabolism and T-cell responses. Padova, Italy; 10th International Meeting on Tryptophan Research 2002, June 27 - 30
  • 28 Fuchs D, Hausen A, Reibnegger G, Werner E R, Dierich M P, Wachter H. Neopterin as a marker for activated cell-mediated immunity: Application in HIV infection.  Immunol Today. 1988;  9 150-155
  • 29 Fahey J L, Taylor J M, Detels R, Hofmann B, Melmed R, Nishanian P, Giorgi J V. The prognostic value of cellular and serologic markers in infection with human immunodeficiency virus type 1.  N Engl J Med. 1990;  322 166-172
  • 30 Fuchs D, Spira T J, Hausen A, Reibnegger G, Werner E R, Werner-Felmayer G, Wachter H. Neopterin as a predictive marker for disease progression in human immunodeficiency virus type 1 infection.  Clin Chem. 1989;  35 1746-1749
  • 31 Eriksson T, Lidberg L. Decreased plasma ratio of tryptophan to competing large neutral amino acids in human immunodeficiency virus type 1 infected subjects: possible implications for development of neuro-psychiatric disorders.  J Neural Transm. 1996;  103 157-164
  • 32 Fuchs D, Möller A A, Reibnegger G, Werner E R, Werner-Felmayer G, Dierich M P, Wachter H. Increased endogenous interferon-gamma and neopterin correlate with increased degradation of tryptophan in human immunodeficiency virus type 1 infection.  Immunol Lett. 1991;  28 207-212
  • 33 Wiegand M, Möller A A, Schreiber W, Krieg J C, Fuchs D, Wachter H, Holsboer F. Nocturnal sleep EEG in patients wit HIV infection.  Eur Arch Psychiatry Clin Neurosci. 1991;  240 153-158
  • 34 Gisslén M, Fuchs D, Svennerholm B, Hagberg L. Cerebrospinal fluid viral load, intrathecal immunoactivation, and cerebrospinal fluid monocytic cell count in HIV-1 infection.  J Acquir Immune Defic Syndr. 1999;  21 271-276
  • 35 Zangerle R, Widner B, Quirchmair G, Neurauter G, Sarcletti M, Fuchs D. Effective antiretroviral therapy reduces degradation of tryptophan in patients with HIV-1 infection. Clin Immunol 2004 (im Druck)
  • 36 Judd F K, Cockram A M, Komiti A, Mijch A M, Hoy J, Bell R. Depressive symptoms reduced in individuals with HIV/AIDS treated with highly active antiretroviral therapy: a longitudinal study.  Aust N Z J Psychiatry. 2000;  34 1015-1021
  • 37 Murr C, Gerlach D, Widner B, Dierich M P, Fuchs D. Neopterin production and tryptophan degradation in humans infected by Streptococcus pyogenes.  Med Microbiol Immunol. 2001;  189 161-163
  • 38 Widner B, Sepp N, Kowald E, Ortner U, Wirleitner B, Fritsch P, Baier-Bitterlich G, Fuchs D. Enhanced tryptophan degradation in systemic lupus erythematosus.  Immunobiology. 2000;  201 621-630
  • 39 Denz H, Fuchs D, Huber H, Nachbaur D, Reibnegger G, Thaler J, Werner E R, Wachter H. Correlation between neopterin, interferon-gamma and haemoglobin in patients with haematological disorders.  Eur J Haematol. 1990;  44 186-189
  • 40 Iwagaki H, Hizuta A, Tanaka N, Orita K. Decreased serum tryptophan in patients with cancer cachexia correlates with increased serum neopterin.  Immunol Invest. 1995;  24 467-478
  • 41 Huang A, Fuchs D, Widner B, Glover C, Henderson D C, Allen-Mersh T G. Tryptophan decrease in advanced colorectal cancer correlates with immune activation and impaired quality of life.  Brit J Cancer. 2002;  86 1691-1696
  • 42 Widner B, Leblhuber F, Fuchs D. Increased neopterin production and tryptophan degradation in advanced Parkinson's disease.  J Neural Transm. 2002;  109 181-189
  • 43 Leblhuber F, Walli J, Jellinger K, Tilz G P, Widner B, Laccone F, Fuchs D. Activated immune system in patients with Huntington's disease.  Clin Chem Lab Med. 1998;  36 747-750
  • 44 Widner B, Leblhuber F, Walli J, Tilz G P, Demel U, Fuchs D. Tryptophan degradation and immune activation in Alzheimer's disease.  J Neural Transmission. 2000;  107 343-353
  • 45 Owens M J, Nemeroff C B. Role of serotonin in the pathophysiology of depression: focus on the serotonin transporter.  Clin Chem. 1994;  40 288-295
  • 46 Briley M, Moret C. Neurobiological mechanisms involved in antidepressant therapies.  Clin Neuropharmacol. 1993;  16 387-400
  • 47 Williams W A, Shoaf S E, Hommer D, Rawlings R, Linnoila M. Effects of acute tryptophan depletion on plasma and cerebrospinal fluid tryptophan and 5-hydroxyindoleacetic acid in normal volunteers.  J Neurochem. 1999;  72 1641-1647
  • 48 Oldendorf W H. Stereospecificity of blood-brain barrier permeability to amino acids.  Am J Physiol. 1973;  224 967-969
  • 49 Maes M, Scharpe S, Meltzer H Y, Okayli G, Bosmans E, D'Hondt P, Bossche B V Van den, Cosyns P. Increased neopterin and interferon-gamma secretion and lower availability of L-tryptophan in major depression: further evidence for an immune response.  Psychiatry Res. 1994;  54 143-160
  • 50 Sandyk R. L-tryptophan in neuropsychiatric disorders: a review.  Int J Neurosci. 1992;  67 127-144
  • 51 Giusti R M, Maloney E M, Hanchard B, Morgan O SC, Steinberg S M, Wachter H, Williams E, Cranston B, Fuchs D, Manns A. Differential patterns of serum biomarkers of immune activation in human T-cell lymphotropic virus type I-associated myelopathy/tropical spastic paresis and adult T-cell leukemia/lymphoma.  Cancer Epidemiol Biomarkers Prevent. 1986;  5 699-709
  • 52 Murr C, Widner B, Sperner-Unterweger B, Ledochowski M, Schubert C, Fuchs D. Immune reaction links disease progression in cancer patients with depression.  Medical Hypotheses. 2000;  55 137-140
  • 53 Brown R R, Ozaki Y, Datta S P, Borden E C, Sondel P M, Malone D G. Implications of interferon-induced tryptophan catabolism in cancer, auto-immune diseases and AIDS.  Adv Exp Med Biol. 1991;  294 425-435
  • 54 Frick B, Schroecksnadel K, Neurauter G, Leblhuber F, Fuchs D. Increasing production of homocysteine and neopterin and degradation of tryptophan with older age. Clin Biochem (im Druck)
  • 55 Murr C, Ledochowski M, Fuchs D. Chronic immune stimulation may link ischemic heart disease with depression.  Circulation. 2002;  105 (14) 83e

Prof. Dr. Dietmar Fuchs

Institut für Medizinische Chemie und Biochemie

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