La PCSK9 humaine, une molécule aux multiples facettes métaboliques et une cible thérapeutique prometteuse : études de régulation in vitro et in vivo

La proprotéine convertase subtilisine/kexine-9 (PCSK9) a été identifiée comme le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie autosome dominante (ADH). Les deux autres gènes impliqués dans l’ADH encodent le récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR) et l’apolipoprotéine B. La PCSK9 est une convertase qui favorise la dégradation du LDLR dans les hépatocytes et augmente le niveau plasmatique de cholestérol des LDL (LDL-C). Les mutations « gain de fonction » de la PCSK9 sont associées à un phénotype d’hypercholestérolémie familiale, tandis que les variantes « perte de fonction » sont associées à un LDL-C réduit et à un risque coronarien plus faible. Pour élucider le rôle physiologique de la PCSK9, nous avons étudié sa régulation génique. En utilisant le RT-PCR quantitatif dans des hépatocytes humains, nous avons analysé la régulation de PCSK9 sous différentes conditions modulant l’expression des gènes impliqués dans le métabolisme du cholestérol. Nous avons démontré que l’expression de la PCSK9 était induite par les statines de manière dose-dépendante et que cette induction était abolie par le mévalonate. De plus, le promoteur de PCSK9 contenait deux motifs conservés pour la régulation par le cholestérol : le sterol regulatory element (SRE) et un site Sp1. La PCSK9 circule dans le plasma sous des formes mature et clivée par la furine. Grâce à notre anticorps polyclonal, nous avons mis au point un test ELISA mesurant la PCSK9 plasmatique totale. Une étude transversale a évalué les concentrations plasmatiques de PCSK9 chez des sujets sains et hypercholestérolémiques, traités ou non par des statines ou une combinaison statine/ezetimibe. Chez 254 sujets sains, la valeur moyenne de PCSK9 (écart-type) était de 89,5 (31,9) µg/L. La concentration plasmatique de la PCSK9 corrélait avec celle de cholestérol total, du LDL-C, des triglycérides (TG), de la glycémie à jeun, l’âge et l’indice de masse corporelle. Le séquençage de PCSK9 chez des sujets aux extrêmes de la distribution des concentrations de PCSK9 de notre cohorte a révélé la présence d’une nouvelle variation « perte de fonction » : R434W. Chez 200 patients hypercholestérolémiques, la concentration de PCSK9 était plus élevée que chez les sujets sains (P<0,04). Elle a augmenté avec une dose croissante de statine (P<0,001), et a augmenté encore plus suite à l’ajout d’ezetimibe (P<0,001). Chez les patients traités, ceux présentant une hypercholestérolémie familiale (HF; due à une mutation du LDLR) avaient des concentrations plus élevées de PCSK9 que les non-HF (P<0,005), et la réduction de LDL-C corrélait positivement avec la concentration de PCSK9 atteinte de la même manière dans les deux sous-catégories (P<0,02 et P<0,005, respectivement). Par ailleurs, une incubation des cellules HepG2 (hépatocytes) et Caco-2 (entérocytes) avec de l’ezetimibe a provoqué une augmentation de l’ARNm de PCSK9 et de NPC1L1 de 1,5 à 2 fois (P<0,05), mais aucune variation significative de PCSK9 sécrétée n’a été observée, suggérant que ces lignées cellulaires ne sont pas un modèle idéal. Nous avons également mesuré le niveau de PCSK9 chez 1 739 Canadiens-français âgés de 9, 13 et 16 ans. La valeur moyenne (écart-type) de PCSK9 dans cette cohorte était de 84,7 (24,7) µg/L, légèrement plus basse que dans la cohorte d’adultes (89,5 (31,9) µg/L). Chez les garçons, la PCSK9 circulante diminuait avec l’âge, tandis que c’était l’inverse chez les filles. Il y avait des associations positives et significatives entre la PCSK9 et la glycémie à jeun, l’insulinémie, le HOMA-IR, et les paramètres lipidiques (TC, LDL-C, TG, HDL-C, apoAI et apoB). Dans l’analyse multivariée, une hausse de 10% de l’insulinémie à jeun était associée à une augmentation de 1 à 2% de PCSK9. La régulation de PCSK9 est typique de celle d’un gène impliqué dans le métabolisme des lipoprotéines et est probablement la cible du facteur de transcription «sterol regulatory element-binding protein » (SREBP-2). La concentration plasmatique de la PCSK9 est associée avec l’âge, le sexe, et de multiples marqueurs métaboliques chez les enfants et les adultes. La détection de la PCSK9 circulante chez les sujets HF et non-HF signifie que ce test ELISA spécifique à PCSK9 pourrait servir à suivre la réponse à la thérapie chez un grand éventail de sujets. PCSK9 semble être une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement de l’hypercholestérolémie et de la maladie cardiovasculaire.

Bioassay-guided fractionation of Larix laricina du Roi, and antidiabetic potentials of ethanol and hot water extracts of seventeen medicinal plants from the traditional pharmacopeia of the James Bay Cree

Nous avons utilisé une approche ethnobotanique pour identifier des espèces de plantes utilisées par les Cris afin de traiter les symptômes du diabète de type 2. Larix laricina du Roi (L. laricina) a récemment été identifiée comme une des meilleures plantes qui a stimulé le transport de glucose dans les cellules C2C12 et fortement potentialisé la différenciation des 3T3-L1 en indiquant une sensibilité potentiellement accrue à l’insuline. Ensuite, ces études de criblage ont été effectuées sur des extraits éthanolique (EE) en utilisant une série de bioessais in vitro. Cependant, les préparations traditionnelles des plantes sont souvent faites avec l’eau chaude. Le but de cette thèse de doctorat était d’isoler les principes actifs de L. laricina par un fractionnement guidé par l’adipogenèse; d’évaluer et de comparer l’activité et les mécanismes antidiabétiques des EE et des extraits aqueux (HWE) de ces 17 plantes. Pour le fractionnement de L. laricina, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau composé actif cycloartane triterpene, qui a amélioré fortement l’adipogenèse et a été responsable en partie de l’activité adipogénique (potentiellement similaire à l’effet sensibilisateur à l’insuline des glitazone) de l’extrait éthanolique issu de l’écorce de L. laricina. Pour le métabolisme lipidique, nos résultats ont confirmé que 10 parmi les 17 EE ont augmenté la différenciation des adipocytes alors que 2 extraits seulement l’ont inhibée. Les HWE ont montré une faible activité adipogénique ou antiadipogénique. Les EE de R. groenlandicum et K. angustifolia ont le PPAR γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ), le SREBP-1 (sterol regulatory element binding protein-1) et le C/EBP (CCAAT-enhancer binding proteins) α, alors que ceux de P. balsamifera et A. incana les ont inhibés. L’effet inhibiteur de P. balsamifera a également été prouvé d’avoir impliqué l’activation de la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK). Les EE et HWE de R. groenlandicum ont stimulé les mêmes facteurs de transcription alors que les extraits aqueux d’autres plantes sélectionnées ont perdu ces effets en comparaison avec leurs extraits éthanoliques respectifs. L’analyse phytochimique a également identifié le groupe des espèces actives et inactives, notamment lorsque les espèces ont été séparées par famille de plante. Finalement concernant l’homéostasie de glucose, nos résultats ont confirmé que plusieurs EE ont stimulé le transport de glucose musculaire et inhibé l’activité de la glucose-6-phosphatase (G6Pase) hépatique. Certains des HWE ont partiellement ou complètement perdu ces activités antidiabétiques par rapport aux EE, tandis qu’une seule plante (R.groenlandicum) a juste conservé un potentiel similaire entre les EE et HWE dans les deux essais. Dans les cellules musculaires, les EE de R.groenlandicum, A. incana et S. purpurea ont stimulé le transport de glucose en activant la voie de signalisation de l’AMPK et en augmentant le niveau d’expression des GLUT4. En comparaison avec les EE, les HWE de R.groenlandicum ont montré des activités similaires; les HWE de A. incana ont complètement perdu leur effet sur tous les paramètres étudiés; les HWE de S. purpurea ont activé la voie de l’insuline au lieu de celle de l’AMPK pour augmenter le transport de glucose. Dans les cellules H4IIE, les EE et HWE des 5 plantes ont activé la voie de l’AMPK, et en plus les EE et HWE de 2 plantes ont activé la voie de l’insuline. La quercétine-3-O-galactoside et la quercétine 3-O-α-L-arabinopyranoside ont été identifiées comme des composés ayant un fort potentiel antidiabétique et donc responsables de l'activité biologique des plantes HWE actifs avec le transport du glucose. En conclusion, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau triterpène actif à partir du fractionnement de L. laricina. Nous avons fourni également une preuve directe pour l'évaluation et la comparaison d'une action analogue à l'insuline ou insulino-sensibilisateur des EE et HWE de plantes médicinales Cris au niveau de muscle, de foie et de tissus adipeux. Une partie de leur action peut être liée à la stimulation des voies de signalisation intracellulaire insulino-dépendante et non-insulino-dépendante, ainsi que l’activation de PPARγ. Nos résultats indiquent que les espèces de plantes, les tissus ou les cellules cibles, ainsi que les méthodes d'extraction sont tous des déterminants significatifs de l'activité biologique de plantes médicinales Cris sur le métabolisme glucidique et lipidique.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.

Supranutritional selenium induces alterations in molecular targets related to energy metabolism in skeletal muscle and visceral adipose tissue of pigs

While selenium (Se) is an essential micronutrient for humans, epidemiological studies have raised concern that supranutritional Se intake may increase the risk to develop Type 2 diabetes mellitus (T2DM). We aimed to determine the impact of Se at a dose and source frequently ingested by humans on markers of insulin sensitivity and signalling. Male pigs were fed either a Se-adequate (0.17 mg Se/kg) or a Se-supranutritional (0.50 mg Se/kg; high-Se) diet. After 16 weeks of intervention, fasting plasma insulin and cholesterol levels were non-significantly increased in the high-Se pigs, whereas fasting glucose concentrations did not differ between the two groups. In skeletal muscle of high-Se pigs, glutathione peroxidase activity was increased, gene expression of forkhead box O1 transcription factor and peroxisomal proliferator-activated receptor- coactivator 1 were increased and gene expression of the glycolytic enzyme pyruvate kinase was decreased. In visceral adipose tissue of high-Se pigs, mRNA levels of sterol regulatory element-binding transcription factor 1 were increased, and the phosphorylation of Akt, AMP-activated kinase and mitogen-activated protein kinases was affected. In conclusion, dietary Se oversupply may affect expression and activity of proteins involved in energy metabolism in major insulin target tissues, though this is probably not sufficient to induce diabetes.

Intake of total and subgroups of fat minimally affect the associations between selected single nucleotide polymorphisms in the PPARγ pathway and changes in anthropometry among European adults from cohorts of the DiOGenes study

BACKGROUND: Although the peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) pathway is central in adipogenesis, it remains unknown whether it influences change in body weight (BW) and whether dietary fat has a modifying effect on the association. OBJECTIVES: We examined whether 27 single nucleotide polymorphisms (SNPs) within 4 genes in the PPARγ pathway are associated with the OR of being a BW gainer or with annual changes in anthropometry and whether intake of total fat, monounsaturated fat, polyunsaturated fat, or saturated fat has a modifying effect on these associations. METHODS: A case-noncase study included 11,048 men and women from cohorts in the European Diet, Obesity and Genes study; 5552 were cases, defined as individuals with the greatest BW gain during follow-up, and 6548 were randomly selected, including 5496 noncases. We selected 4 genes [CCAAT/enhancer binding protein β (CEBPB), phosphoenolpyruvate carboxykinase 2, PPARγ gene (PPARG), and sterol regulatory element binding transcription factor 1] according to evidence about biologic plausibility for interactions with dietary fat in weight regulation. Diet was assessed at baseline, and anthropometry was followed for 7 y. RESULTS: The ORs for being a BW gainer for the 27 genetic variants ranged from 0.87 (95% CI: 0.79, 1.03) to 1.12 (95% CI: 0.96, 1.22) per additional minor allele. Uncorrected, CEBPB rs4253449 had a significant interaction with the intake of total fat and subgroups of fat. The OR for being a BW gainer for each additional rs4253449 minor allele per 100 kcal higher total fat intake was 1.07 (95% CI: 1.02, 1.12; P = 0.008), and similar associations were found for subgroups of fat. CONCLUSIONS: Among European men and women, the influence of dietary fat on associations between SNPs in the PPARγ pathway and anthropometry is likely to be absent or marginal. The observed interaction between rs4253449 and dietary fat needs confirmation.

Caracterização funcional de fatores de transcrição hipotéticos de Neurospora crassa

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Hepatocyte nuclear factors 1α/4α and forkhead box A2 regulate the solute carrier 2A2 (Slc2a2) gene expression in the liver and kidney of diabetic rats

AIMS: Solute carrier 2a2 (Slc2a2) gene codifies the glucose transporter GLUT2, a key protein for glucose flux in hepatocytes and renal epithelial cells of proximal tubule. In diabetes mellitus, hepatic and tubular glucose output has been related to Slc2a2/GLUT2 overexpression; and controlling the expression of this gene may be an important adjuvant way to improve glycemic homeostasis. Thus, the present study investigated transcriptional mechanisms involved in the diabetes-induced overexpression of the Slc2a2 gene. MAIN METHODS: Hepatocyte nuclear factors 1α and 4α (HNF-1α and HNF-4α), forkhead box A2 (FOXA2), sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP-1c) and the CCAAT-enhancer-binding protein (C/EBPβ) mRNA expression (RT-PCR) and binding activity into the Slc2a2 promoter (electrophoretic mobility assay) were analyzed in the liver and kidney of diabetic and 6-day insulin-treated diabetic rats. KEY FINDINGS: Slc2a2/GLUT2 expression increased by more than 50% (P<0.001) in the liver and kidney of diabetic rats, and 6-day insulin treatment restores these values to those observed in non-diabetic animals. Similarly, the mRNA expression and the binding activity of HNF-1α, HNF-4α and FOXA2 increased by 50 to 100% (P<0.05 to P<0.001), also returning to values of non-diabetic rats after insulin treatment. Neither the Srebf1 and Cebpb mRNA expression, nor the SREBP-1c and C/EBP-β binding activity was altered in diabetic rats. SIGNIFICANCE: HNF-1α, HNF-4α and FOXA2 transcriptional factors are involved in diabetes-induced overexpression of Slc2a2 gene in the liver and kidney. These data point out that these transcriptional factors are important targets to control GLUT2 expression in these tissues, which can contribute to glycemic homeostasis in diabetes.

Hypoxia aggravates non-alcoholic steatohepatitis in mice lacking hepatocellular PTEN

The metabolic disorders that predispose patients to NASH (non-alcoholic steatohepatitis) include insulin resistance and obesity. Repeated hypoxic events, such as occur in obstructive sleep apnoea syndrome, have been designated as a risk factor in the progression of liver disease in such patients, but the mechanism is unclear, in particular the role of hypoxia. Therefore we studied the influence of hypoxia on the development and progression of steatohepatitis in an experimental mouse model. Mice with a hepatocellular-specific deficiency in the Pten (phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10) gene, a tumour suppressor, were exposed to a 10% O2 (hypoxic) or 21% O2 (control) atmosphere for 7 days. Haematocrit, AST (aspartate aminotransferase), glucose, triacylglycerols (triglycerides) and insulin tolerance were measured in blood. Histological lesions were quantified. Expression of genes involved in lipogenesis and mitochondrial beta-oxidation, as well as FOXO1 (forkhead box O1), hepcidin and CYP2E1 (cytochrome P450 2E1), were analysed by quantitative PCR. In the animals exposed to hypoxia, the haematocrit increased (60+/-3% compared with 50+/-2% in controls; P<0.01) and the ratio of liver weight/body weight increased (5.4+/-0.2% compared with 4.7+/-0.3% in the controls; P<0.01). Furthermore, in animals exposed to hypoxia, steatosis was more pronounced (P<0.01), and the NAS [NAFLD (non-alcoholic fatty liver disease) activity score] (8.3+/-2.4 compared with 2.3+/-10.7 in controls; P<0.01), serum AST, triacylglycerols and glucose were higher. Insulin sensitivity decreased in mice exposed to hypoxia relative to controls. The expression of the lipogenic genes SREBP-1c (sterol-regulatory-element-binding protein-1c), PPAR-gamma (peroxisome-proliferator-activated receptor-gamma), ACC1 (acetyl-CoA carboxylase 1) and ACC2 (acetyl-CoA carboxylase 2) increased significantly in mice exposed to hypoxia, whereas mitochondria beta-oxidation genes [PPAR-alpha (peroxisome-proliferator-activated receptor-alpha) and CPT-1 (carnitine palmitoyltransferase-1)] decreased significantly. In conclusion, the findings of the present study demonstrate that hypoxia alone aggravates and accelerates the progression of NASH by up-regulating the expression of lipogenic genes, by down-regulating genes involved in lipid metabolism and by decreasing insulin sensitivity.

Xanthohumol ameliorates atherosclerotic plaque formation, hypercholesterolemia, and hepatic steatosis in ApoE-deficient mice

SCOPE: Xanthohumol (XN), a prenylated antioxidative and anti-inflammatory chalcone from hops, exhibits positive effects on lipid and glucose metabolism. Based on its favorable biological properties, we investigated whether XN attenuates atherosclerosis in western-type diet-fed apolipoprotein-E-deficient (ApoE(-/-) ) mice. METHODS AND RESULTS: XN supplementation markedly reduced plasma cholesterol concentrations, decreased atherosclerotic lesion area, and attenuated plasma concentrations of the proinflammatory cytokine monocyte chemoattractant protein 1. Decreased hepatic triglyceride and cholesterol content, activation of AMP-activated protein kinase, phosphorylation and inactivation of acetyl-CoA carboxylase, and reduced expression levels of mature sterol regulatory element-binding protein (SREBP)-2 and SREBP-1c mRNA indicate reduced lipogenesis in the liver of XN-fed ApoE(-/-) mice. Concomitant induction of hepatic mRNA expression of carnitine palmitoyltransferase-1a in ApoE(-/-) mice-administered XN suggests increased fatty acid beta-oxidation. Fecal cholesterol concentrations were also markedly increased in XN-fed ApoE(-/-) mice compared with mice fed western-type diet alone. CONCLUSION: The atheroprotective effects of XN might be attributed to combined beneficial effects on plasma cholesterol and monocyte chemoattractant protein 1 concentrations and hepatic lipid metabolism via activation of AMP-activated protein kinase.

High protein intake reduces intrahepatocellular lipid deposition in humans

BACKGROUND: High sugar and fat intakes are known to increase intrahepatocellular lipids (IHCLs) and to cause insulin resistance. High protein intake may facilitate weight loss and improve glucose homeostasis in insulin-resistant patients, but its effects on IHCLs remain unknown. OBJECTIVE: The aim was to assess the effect of high protein intake on high-fat diet-induced IHCL accumulation and insulin sensitivity in healthy young men. DESIGN: Ten volunteers were studied in a crossover design after 4 d of either a hypercaloric high-fat (HF) diet; a hypercaloric high-fat, high-protein (HFHP) diet; or a control, isocaloric (control) diet. IHCLs were measured by (1)H-magnetic resonance spectroscopy, fasting metabolism was measured by indirect calorimetry, insulin sensitivity was measured by hyperinsulinemic-euglycemic clamp, and plasma concentrations were measured by enzyme-linked immunosorbent assay and gas chromatography-mass spectrometry; expression of key lipogenic genes was assessed in subcutaneous adipose tissue biopsy specimens. RESULTS: The HF diet increased IHCLs by 90 +/- 26% and plasma tissue-type plasminogen activator inhibitor-1 (tPAI-1) by 54 +/- 11% (P < 0.02 for both) and inhibited plasma free fatty acids by 26 +/- 11% and beta-hydroxybutyrate by 61 +/- 27% (P < 0.05 for both). The HFHP diet blunted the increase in IHCLs and normalized plasma beta-hydroxybutyrate and tPAI-1 concentrations. Insulin sensitivity was not altered, whereas the expression of sterol regulatory element-binding protein-1c and key lipogenic genes increased with the HF and HFHP diets (P < 0.02). Bile acid concentrations remained unchanged after the HF diet but increased by 50 +/- 24% after the HFHP diet (P = 0.14). CONCLUSIONS: Protein intake significantly blunts the effects of an HF diet on IHCLs and tPAI-1 through effects presumably exerted at the level of the liver. Protein-induced increases in bile acid concentrations may be involved. This trial was registered at www.clinicaltrials.gov as NCT00523562.

Variation in hepatic regulation of metabolism during the dry period and in early lactation in dairy cows

The purpose of this study was to investigate variations in hepatic regulation of metabolism during the dry period, after parturition, and in early lactation in dairy cows. For this evaluation, cows were divided into 2 groups based on the plasma concentration of beta-hydroxybutyric acid (BHBA) in wk 4 postpartum (PP; group HB, BHBA >0.75 mmol/L; group LB, BHBA <0.75 mmol/L, respectively). Liver biopsies were obtained from 28 cows at drying off (mean 59 +/- 8 d antepartum), on d 1, and in wk 4 and 14 PP. Blood samples were collected every 2 wk during this entire period. Liver samples were analyzed for mRNA abundance of genes related to carbohydrate metabolism (pyruvate carboxylase, PC; phosphoenolpyruvate carboxykinase, PEPCK; citrate synthase, CS), fatty acid biosynthesis (ATP citrate lyase, ACLY) and oxidation (acyl-CoA synthetase long-chain, ACSL; carnitine palmitoyltransferase 1A, CPT 1A; carnitine palmitoyltransferase 2, CPT 2; acyl-coenzyme A dehydrogenase very long chain, ACADVL), cholesterol biosynthesis (3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase 1, HMGCS1), ketogenesis (3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase 2, HMGCS2), and of genes encoding the transcription factors peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha), peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma), and sterol regulatory element binding factor 1 (SREBF1). Blood plasma was assayed for concentrations of glucose, BHBA, nonesterified fatty acids, cholesterol, triglycerides, insulin, insulin-like growth factor-I, and thyroid hormones. In both groups, plasma parameters followed a pattern usually observed in dairy cows. However, changes were moderate and the energy balance in cows turned positive in wk 7 PP for both groups. Additionally, the energy balance and milk yield were similar for both groups after parturition onwards. Significant group effects were found at drying off, when plasma concentrations of triglycerides were higher in LB than in HB, and in wk 4 PP, when plasma concentrations of glucose and IGF-I were lower in HB than in LB. Similarly, moderate changes in mRNA expression of hepatic genes between the different time points were observed, although HB cows showed more adaptive performance than LB cows based on changes in mRNA expression of PEPCKc, PEPCKm, CS, CPT 1A, CPT 2, and PPARalpha. Part of the variation measured in this study was explained by parity. Significant Spearman rank correlation coefficients between the variables were not similar at each time point and were not similar between the groups at each time point, suggesting that metabolic regulation differs between cows. In conclusion, metabolic regulation in dairy cows is a dynamic system, and differs obviously between cows at different metabolic stages related to parturition.

Hepatic gene expression involved in glucose and lipid metabolism in transition cows: effects of fat mobilization during early lactation in relation to milk performance and metabolic changes.

Insufficient feed intake during early lactation results in elevated body fat mobilization to meet energy demands for milk production. Hepatic energy metabolism is involved by increasing endogenous glucose production and hepatic glucose output for milk synthesis and by adaptation of postcalving fuel oxidation. Given that cows differ in their degree of fat mobilization around parturition, indicated by variable total liver fat concentration (LFC), the study investigated the influence of peripartum fat mobilization on hepatic gene expression involved in gluconeogenesis, fatty acid oxidation, ketogenesis, and cholesterol synthesis, as well as transcriptional factors referring to energy metabolism. German Holstein cows were grouped according to mean total LFC on d 1, 14, and 28 after parturition as low [<200mg of total fat/g of dry matter (DM); n=10], medium (200-300 mg of total fat/g of DM; n=10), and high (>300 mg of total fat/g of DM; n=7), indicating fat mobilization during early lactation. Cows were fed total mixed rations ad libitum and held under equal conditions. Liver biopsies were taken at d 56 and 15 before and d 1, 14, 28, and 49 after parturition to measure mRNA abundances of pyruvate carboxylase (PC); phosphoenolpyruvate carboxykinase; glucose-6-phosphatase; propionyl-coenzyme A (CoA) carboxylase α; carnitine palmitoyl-transferase 1A (CPT1A); acyl-CoA synthetase, long chain 1 (ASCL1); acyl-CoA dehydrogenase, very long chain; 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase 1 and 2; sterol regulatory element-binding factor 1; and peroxisome proliferator-activated factor α. Total LFC postpartum differed greatly among cows, and the mRNA abundance of most enzymes and transcription factors changed with time during the experimental period. Abundance of PC mRNA increased at parturition to a greater extent in high- and medium-LFC groups than in the low-LFC group. Significant LFC × time interactions for ACSL1 and CPT1A during the experimental period indicated variable gene expression depending on LFC after parturition. Correlations between hepatic gene expression and performance data and plasma concentrations of metabolites and hormones showed time-specific relations during the transition period. Elevated body fat mobilization during early lactation affected gene expression involved in gluconeogenesis to a greater extent than gene expression involved in lipid metabolism, indicating the dependence of hepatic glucose metabolism on hepatic lipid status and fat mobilization during early lactation.

Cholesterol metabolism, transport, and hepatic regulation in dairy cows during transition and early lactation

The transition from the nonlactating to the lactating state represents a critical period for dairy cow lipid metabolism because body reserves have to be mobilized to meet the increasing energy requirements for the initiation of milk production. The purpose of this study was to provide a comprehensive overview on cholesterol homeostasis in transition dairy cows by assessing in parallel plasma, milk, and hepatic tissue for key factors of cholesterol metabolism, transport, and regulation. Blood samples and liver biopsies were taken from 50 multiparous Holstein dairy cows in wk 3 antepartum (a.p.), wk 1 postpartum (p.p.), wk 4 p.p., and wk 14 p.p. Milk sampling was performed in wk 1, 4, and 14 p.p. Blood and milk lipid concentrations [triglycerides (TG), cholesterol, and lipoproteins], enzyme activities (phospholipid transfer protein and lecithin:cholesterol acyltransferase) were analyzed using enzymatic assays. Hepatic gene expression patterns of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A (HMGC) synthase 1 (HMGCS1) and HMGC reductase (HMGCR), sterol regulatory element-binding factor (SREBF)-1 and -2, microsomal triglyceride transfer protein (MTTP), ATP-binding cassette transporter (ABC) A1 and ABCG1, liver X receptor (LXR) α and peroxisome proliferator activated receptor (PPAR) α and γ were measured using quantitative RT-PCR. Plasma TG, cholesterol, and lipoprotein concentrations decreased from wk 3 a.p. to a minimum in wk 1 p.p., and then gradually increased until wk 14 p.p. Compared with wk 4 p.p., phospholipid transfer protein activity was increased in wk 1 p.p., whereas lecithin:cholesterol acyltransferase activity was lowest at this period. Total cholesterol concentration and mass, and cholesterol concentration in the milk fat fraction decreased from wk 1 p.p. to wk 4 p.p. Both total and milk fat cholesterol concentration were decreased in wk 4 p.p. compared with wk 1 and 14 p.p. The mRNA abundance of genes involved in cholesterol synthesis (SREBF-2, HMGCS1, and HMGCR) markedly increased from wk 3 a.p. to wk 1 p.p., whereas SREBF-1 was downregulated. The expression of ABCA1 increased from wk 3 a.p. to wk 1 p.p., whereas ABCG1 was increased in wk 14 p.p. compared with other time points. In conclusion, hepatic expression of genes involved in the biosynthesis of cholesterol as well as the ABCA1 transporter were upregulated at the onset of lactation, whereas plasma concentrations of total cholesterol, phospholipids, lipoprotein-cholesterol, and TG were at a minimum. Thus, at the gene expression level, the liver seems to react to the increased demand for cholesterol after parturition. Whether the low plasma cholesterol and TG levels are due to impaired hepatic export mechanisms or reflect an enhanced transfer of these compounds into the milk to provide essential nutrients for the newborn remains to be elucidated.

Response of the cholesterol metabolism to a negative energy balance in dairy cows depends on the lactational stage.

The response of cholesterol metabolism to a negative energy balance (NEB) induced by feed restriction for 3 weeks starting at 100 days in milk (DIM) compared to the physiologically occurring NEB in week 1 postpartum (p.p.) was investigated in 50 dairy cows (25 control (CON) and 25 feed-restricted (RES)). Blood samples, liver biopsies and milk samples were taken in week 1 p.p., and in weeks 0 and 3 of feed restriction. Plasma concentrations of total cholesterol (C), phospholipids (PL), triglycerides (TAG), very low density lipoprotein-cholesterol (VLDL-C) and low density lipoprotein-cholesterol (LDL-C) increased in RES cows from week 0 to 3 during feed restriction and were higher in week 3 compared to CON cows. In contrast, during the physiologically occurring NEB in week 1 p.p., C, PL, TAG and lipoprotein concentrations were at a minimum. Plasma phospholipid transfer protein (PLTP) and lecithin:cholesterol acyltransferase (LCAT) activities did not differ between week 0 and 3 for both groups, whereas during NEB in week 1 p.p. PLTP activity was increased and LCAT activity was decreased. Milk C concentration was not affected by feed restriction in both groups, whereas milk C mass was decreased in week 3 for RES cows. In comparison, C concentration and mass in milk were elevated in week 1 p.p. Hepatic mRNA abundance of sterol regulatory element-binding factor-2 (SREBF-2), 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase 1 (HMGCS1), 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase (HMGCR), and ATP-binding cassette transporter (ABCA1) were similar in CON and RES cows during feed restriction, but were upregulated during NEB in week 1 p.p. compared to the non-lactating stage without a NEB. In conclusion, cholesterol metabolism in dairy cows is affected by nutrient and energy deficiency depending on the stage of lactation.

Insulin selectively increases SREBP-1c mRNA in the livers of rats with streptozotocin-induced diabetes

Sterol regulatory element binding proteins (SREBPs) enhance transcription of genes encoding enzymes of cholesterol and fatty acid biosynthesis and uptake. In the current experiments, we observed a decline in the mRNA encoding one SREBP isoform, SREBP-1c, in the livers of rats that were rendered diabetic by treatment with streptozotocin. There was no change in the mRNA encoding SREBP-1a, which is derived from the same gene as SREBP-1c but uses a different promoter. The ratio of SREBP-1c:1a transcripts fell 25-fold from 5:1 in control rats to 0.2:1 in the diabetic animals. The SREBP-1c mRNA rose nearly to normal, and the 1c:1a ratio increased 17-fold when the diabetic rats were treated for 6 h with insulin. These treatments produced no change in the mRNA for SREBP-2, which is encoded by a separate gene. The SREBP-1c mRNA also fell selectively in freshly isolated rat hepatocytes and rose when the cells were treated with insulin. Considered together with recent data on hepatocytes [Foretz, M., Pacot, C., Dugal, I., et al. (1999) Mol. Cell. Biol. 19, 3760–3768], the current in vivo studies suggest that insulin may stimulate lipid synthesis in the liver by selectively inducing transcription of the SREBP-1c gene.