Sinalização da grelina no coração de camundongos obesos após hipernutrição durante a lactação

A grelina é um ligante endógeno do receptor secretagogo do hormônio do crescimento (GHSR), potente estimulador da liberação do hormônio de crescimento (GH), ingestão alimentar, e adiposidade. Além disso, sua ação hormonal inclui regulação do metabolismo energético cardíaco. Entretanto, a hipernutrição no início da vida leva ao desenvolvimento da obesidade, induz hipertrofia cardíaca, compromete a função cardíaca, e gera insuficiência cardíaca na vida adulta. Avaliar proteínas chaves no processo de sinalização da grelina no remodelamento cardíaco no coração de camundongos obesos após a hipernutrição na lactação. A obesidade foi induzida por redução de ninhada e camundongos adultos (180 dias) foram divididos em: grupo hiperalimentado, GH com obesidade decorrente de hipernutrição na lactação e controle, GC. Cardiomiócitos (cmi) do ventrículo esquerdo foram analisados por microscopia de luz e estereologia, o conteúdo e fosforilação de proteínas cardíacas: receptor de grelina (hormônio do crescimento secretagogo receptor 1a, GHSR-1a), proteína quinase-B (AKT e pAKT), phosphatidil inositol 3-quinase (PI3K), proteína quinase ativada por AMP (AMPK e pAMPK), m-TOR, pmTOR, Bax, Bcl2 e actina foram analizados por western blotting. A expressão gênica do GHSR-1a foi analisada por PCR em tempo real. A respirometria de alta resolução dos cardiomiócitos foi analisada por oxígrafo OROBOROS. Significância estatística (P< 0,05) determinada por teste t-Student não-pareado. Nossos dados demonstram que a hipernutrição na lactação induz aumento no peso corporal, iniciado aos 10 dias de idade, persistindo até os 180 dias de idade. A glicemia, peso do fígado, e da gordura visceral foram maiores no grupo GH. Além disso, o grupo GH também apresentou aumento no peso do coração e razão peso do coração/CT (comprimento da tíbia), indicando hipertrofia e remodelamento cardíaco, aumento na expressão e conteúdo de GHSR-1a no coração, associado ao maior conteúdo de PI3K e maior conteúdo e fosforilação de AKT, diminuição no conteúdo de Bcl2. Em contraste, o conteúdo e fosforilação da AMPK e mTOR no coração não foram diferentes entre os grupos. Os níveis de grelina plasmático no GH foram menores. A respiração do GH com grelina foi menor que no GC com grelina. A incubação das fibras cardíacas com grelina resultou em aumento do fluxo respiratório após adição de citocromo c nos grupos com grelina, indicando dano à membrana mitocondrial e extravazamento de citocromo c. Os grupos GC com grelina e GH sem grelina apresentaram RCR menor comparado ao GC sem grelina, indicando desacoplamento mitocondrial. Nossos resultados mostram que a hipernutrição na lactação induz diminuição do nível de grelina plasmática e aumento da expressão do GHS-R1a no cardiomiócito do animal quando adulto. Tal processo determina aumento da sensibilidade a grelina no coração, processo que ocorre independentemente de variações do AMPK e mTOR. Sugerimos uma redução no efeito protetor da ação da grelina na AMPK. Também, demonstramos que o remodelamento do miocárdio nestes animais adultos associa-se a GHSR-1a, PI3K, e fosforilação da AKT, mas não com AMPK e mTOR na vida adulta.

Efeito da hiperalimentação na lactação sobre a regulação da adiposidade corporal e sinalização da grelina no tecido adiposo branco de camundongos jovens e adultos

A obesidade é um dos maiores problemas de saúde pública que cresce em todo o mundo, resultante de um desequilíbrio entre ingestão alimentar e gasto energético. O aumento da adiposidade leva ao desenvolvimento de alterações funcionais. Pode-se dizer que a obesidade é o principal fator de risco para o desenvolvimento de doenças crônicas de maior prevalência como dislipidemias, doenças cardiovasculares e diabetes do tipo 2, acarretando na redução da qualidade e expectativa de vida. A Grelina é um hormônio sintetizado pelo estômago, que atua em diferentes tecidos através de um receptor específico (GHS-R1a), incluindo hipotálamo e tecido adiposo. A grelina tem uma ação direta sobre a regulação hipotalâmica da ingestão alimentar, induzindo um efeito orexígeno. Por outro lado, a grelina também modula o armazenamento de energia nos adipócitos. Esta dupla ação sugere que este hormônio pode atuar como uma ligação entre o sistema nervoso central e mecanismos periféricos. Portanto, considerando que a hiperalimentação neonatal induz obesidade na idade adulta por mecanismos desconhecidos, neste estudo foram pesquisados os efeitos da hiperalimentação no início da vida sobre o desenvolvimento da obesidade e, em particular, a sinalização da grelina no tecido adiposo em ratos jovens e adultos. Foram utilizados camundongos Swiss hiperalimentados através do modelo de redução da ninhada. Para induzir a hiperalimentação as ninhadas foram reduzidas a 3 filhotes machos por lactante no 30 dia de vida pós-natal. As ninhadas controles foram ajustadas em 9 filhotes por lactante. Foram avaliados parâmetros antropométricos como: massa corporal e massa do tecido adiposo visceral. A glicemia de jejum foi avaliada utilizando glicosímetro e fitas teste. A análise do conteúdo das proteínas envolvidas na via de sinalização da grelina foram detectadas pelo método de Western Blotting. Os grupos controle (C) e hiperalimentado (H) foram estudados aos 21 e 180 dias de vida. Os dados demonstram que a hipernutrição no início da vida induz um aumento significativo no peso corporal dos camundongos jovens, começando aos 10 dias, e este aumento de peso persistiu até à idade adulta (180 dias de idade). A glicemia e o peso da gordura visceral foram significativamente maiores no grupo hiperalimentado aos 21 e 180 dias, quando comparado com o grupo controle. Os níveis plasmáticos de grelina acilada apresentaram uma redução de 70% nos animais jovens e 49% adultos obesos. Além disso, no tecido adiposo branco, observamos um maior conteúdo (242%) do receptor de grelina (GHSR1a) nos animais hiperalimentados com 21 dias, e este aumento foi associado à modulação positiva do conteúdo e fosforilação de proteínas envolvidas no estoque e utilização de energia celular, tais como AKT, PI3K, AMPK, GLUT-4, e CPT1. No entanto, ao chegar à idade adulta os animais hiperalimentados não apresentaram diferença significativa no conteúdo de GHS-R1a e das proteínas AKT, PI3K, AMPK, GLUT-4, e CPT1. O conteúdo de PPARɣ foi menor no grupo obeso aos 21e 180 dias. Basicamente, mostramos que o metabolismo do tecido adiposo está alterado na obesidade adquirida no início da vida e, provavelmente, devido a essa modificação, ocorre um novo padrão da via de sinalização da grelina.

Disfunção mitocondrial e cardíaca em camundongos induzida por dieta rica em ácidos graxos poliinsaturados

Indivíduos obesos apresentam maior risco de morbidade e mortalidade atribuída às doenças cardiovasculares. A composição da dieta é um fator que prediz o fenótipo cardíaco em resposta a obesidade e, o tipo de ácido graxo pode afetar de forma diferencial a estrutura e a função do miocárdio. Estudos têm mostrado que a disfunção mitocondrial exerce um papel chave na patogênese da insuficiência e hipertrofia cardíaca, e as alterações mitocondriais observadas em falhas cardíacas apontam para defeitos em sítios específicos da cadeia transportadora de elétrons. Desta forma, o objetivo deste estudo foi avaliar a função contrátil ventricular em camundongos, alimentados com dieta hiperlipídica, rica em ácidos graxos poliinsaturados, buscando elucidações através da bioenergética mitocondrial. Após desmame, camundongos machos C57Bl/6 passaram a receber dieta manipulada contendo 7% (C) ou 19% (HF) de óleo de soja, até os 135 dias de idade. A ingestão alimentar e a massa corporal foram monitoradas e foi realizado teste de tolerância à glicose. No final do período experimental, os animais foram anestesiados e submetidos à avaliação da composição corporal por Absortimetria de Raios X de Dupla Energia (DXA), e em seguida, sacrificados por exsanguinação. No plasma foram determinados o perfil lipídico e a insulina. O coração, o tecido adiposo intra-abdominal e o subcutâneo foram coletados, pesados, processados para análise histomorfológica. Fibras cardíacas do ventrículo esquerdo foram utilizadas para análise da respiração mitocondrial através de oxígrafo. O coração também foi utilizado para a técnica de perfusão de coração isolado de Langendorff, e para análise da expressão de proteínas relacionadas à bioenergética de cardiomiócitos, através de Western Blotting. O índice de HOMA e de adiposidade foram calculados. O grupo HF apresentou maior adiposidade, sem alteração na ingestão alimentar. Foi observada intolerância a glicose, hiperinsulinemia e resistência à insulina, além de alterações desfavoráveis no perfil lipídico. Foi observado alteração na morfologia cardíaca e quadro de cardiomiopatia hipertrófica, refletindo em alteração hemodinâmica, determinando maior contratilidade, maior pressão ventricular e função diastólica prejudicada. Em relação à atividade mitocondrial dos cardiomiócitos foi observada menor oxidação de carboidratos (-47%) e de ácidos graxos (-60%). Porém, sem alteração na expressão de proteínas relacionadas à bioenergética de cardiomiócitos, CPT1, UCP2, GLUT1, GLUT4, AMPK e pAMPK. A partir desses resultados, concluímos que o tipo e a quantidade de ácidos graxos predizem o fenótipo cardíaco na obesidade, promovendo alteração na capacidade oxidativa mitocondrial, na morfologia e na hemodinâmica cardíaca

Hemodinâmica cardíaca e o metabolismo energético mitocondrial de camundongos adultos hiperalimentados na lactação

O desequilíbrio nutricional no início da vida leva ao desenvolvimento da obesidade, diabetes e doenças cardiovasculares na idade adulta. Este estudo teve como objetivo analisar os efeitos a longo prazo da hiperalimentação na lactação por meio do modelo de redução da ninhada na hemodinâmica e bioenergética cardíaca. Vinte e quatro camundongos machos Swiss adultos foram divididos em dois grupos (controle e hiperalimentado) submetidos a duas condições (linha de base e isquemia/reperfusão) formando quatro grupos no total: grupo controle linha de base (GCLB), grupo controle isquemia/reperfusão (GCIR), grupo hiperalimentado linha de base (GHLB) e o grupo hiperalimentado isquemia/reperfusão (GHIR), todos com seis camundongos/grupo. As alterações cardíacas foram analisadas por meio da hemodinâmica cardíaca, da respiração mitocondrial e da biologia molecular. Os parâmetros hemodinâmicos analisados foram a velocidade de contração (Max dP/dt), a velocidade de relaxamento (Min dP/dt), o tempo de relaxamento cardíaco isovolumétrico (Tau) e os batimentos por minuto (BPM). A respiração mitocondrial foi avaliada por meio da razão do controle respiratório (RCR) na oxidação de carboidratos e ácidos gordos, e finalmente, a biologia molecular, através de proteínas-chave como a proteína quinase B (AKT), a proteína quinase ativada por adenosina monofosfato (AMPK), a carnitina palmitoil transferase 1 (CPT-1), a proteína desacopladora 2 (UCP2), o 4-hidroxinonenal (4-HNE) e a gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH). Os camundongos do GH desenvolveram maior peso corporal (30,95%, P<0,001), gordura epididimal (68,64%, P<0,001), gordura retroperitoneal (109,38%, P<0,01) e glicemia de jejum (19,52%, P<0,05) comparados aos do GC. Os parâmetros Max dP/dt e BPM apresentaram diminuição no GHIR quando comparado ao GHLB (P<0,001 e P<0,05). O parâmetro Min dP/dt apresentou-se reduzido no GCIR e GHIR quando comparado aos grupos GCLB e GCLB (P<0,05; P<0,0001 respectivamente). Camundongos do GHIR apresentaram redução do Tau quando comparado aos grupos GCIR e GHLB (P<0,0001). Estes desequilíbrios na hemodinâmica cardíaca foram associados a função mitocondrial, uma vez que, o GHLB apresenta a RCR reduzida para oxidação de ácidos graxos e carboidratos (P<0,05 e P<0,01, respectivamente) e o GHIR apenas na oxidação dos ácidos graxos (P<0,01). Além disso, o GHIR apresentou diversas alterações nas proteínas-chave do metabolismo energético cardíaco, como diminuição do conteúdo de AKT (P<0,05) e aumento do conteúdo de CPT-1 (P<0,05), 4-HNE (P<0,05) e GAPDH (P<0,05) quando comparado ao CGIR. Finalmente, a expressão do mRNA para CPT1, GAPDH e UCP2 foi aumentada no GHIR quando comparado aos GCIR (P<0,05) e GHLB (P<0,05). A expressão de mRNA para UCP2 e CPT-1 foi reduzida no GCIR quando comparado ao GCLB (P<0,01 e P<0,05, respectivamente). O estudo apresenta resultados consistentes, demonstrando efeitos deletérios sobre o metabolismo cardíaco adulto resultante de alterações nutricionais durante a lactação.

Bioenergética mitocondrial do coração na obesidade induzida por dieta ocidental em camundongos Swiss

A obesidade, doença resultante do acúmulo excessivo de gordura corporal, é importante fator de risco para diabetes mellitus tipo 2, dislipidemias e doenças cardiovasculares, doenças de alta prevalência em todo o mundo. O processo de transição nutricional decorrente da globalização contribuiu para o crescente número de indivíduos com obesidade, principalmente pela modificação nos hábitos alimentares da população, com ampla inclusão de produtos industrializados ricos em gordura saturada, sal e açúcar, denominada dieta ocidental. Os mecanismos pelos quais a obesidade induzida por dieta leva ao desenvolvimento de doenças cardiovasculares ainda não estão completamente esclarecidos na literatura, porém sabe-se que a obesidade leva ao comprometimento da função cardíaca e do metabolismo energético, aumentando a morbidade e mortalidade. Em grande parte dos estudos relacionados à obesidade, o metabolismo energético celular comprometido associa-se à disfunção mitocondrial. Neste contexto, torna-se importante avaliar a função mitocondrial na obesidade, visto que as mitocôndrias são organelas com funções-chave no metabolismo energético. No presente estudo, avaliamos inicialmente o efeito obesogênico da dieta ocidental em camundongos Swiss por 16 semanas a partir do desmame. Para tal, analisamos a ingestão alimentar, evolução da massa corporal, Índice de Lee, peso das gorduras epididimal e retroperitoneal, peso e morfologia do fígado, relação entre o peso do fígado/massa corporal, peso do ventrículo esquerdo (VE)/massa corporal, glicemia de jejum e teste intraperitoneal de tolerância à glicose. Avaliamos também o consumo de oxigênio das fibras cardíacas através da respirometria de alta resolução. Além disso, o conteúdo das proteínas envolvidas no metabolismo energético: Carnitina Palmitoil Transferase 1 (CPT1), proteína desacopladora 2 (UCP2), Transportadores de glicose 1 e 4 (GLUT1 e GLUT4), proteína quinase ativada por AMP (AMPK), proteína quinase ativada por AMP fosforilada (pAMPK), receptor de insulina β (IRβ) e substrato do receptor de insulina 1 (IRS-1) foi determinado por western blotting. Nossos resultados confirmaram o caráter obesogênico da dieta ocidental, visto que os camundongos submetidos a esta dieta (GO), apresentaram-se hiperfágicos (P<0,001) e obesos (72,031,82, P<0,001), com aumento progressivo no ganho de massa corporal. Além do aumento significativo dos parâmetros: Índice de Lee (362,902,44, P<0,001), gorduras epididimal e retroperitonial (3,310,15 e 1,610,11, P<0,001), relação entre o peso do fígado/massa corporal (0,060,003, P<0,001) e peso de ventrículo esquerdo (VE)/massa corporal (0,080,002, P<0,01), hiperglicemia de jejum (192,1014,75, P<0,01), intolerância à glicose (P<0,05, P<0,01) e deposição ectópica de gordura no fígado. A respirometria de alta resolução evidenciou disfunção mitocondrial cardíaca no grupo GO, com reduzida capacidade de oxidação de carboidratos e ácidos graxos (P<0,001) e aumento do desacoplamento entre a fosforilação oxidativa e a síntese de ATP (P<0,001). Os resultados de western blotting evidenciaram aumento nos conteúdos de CPT1 (1,160,08, P<0,05) e UCP2 (1,080,06, P<0,05) e redução no conteúdo de IRS-1 (0,600,08, P<0,05). Não houve diferença significativa nos conteúdos de GLUT1, GLUT4, AMPK, pAMPK, pAMPK/AMPK e IRβ. Em conclusão, o consumo da dieta ocidental resultou no desenvolvimento de obesidade com disfunção mitocondrial associada a alterações no metabolismo energético.

Função mitocondrial cardíaca de camundongos filhotes e adultos submetidos à hiperalimentação durante a lactação

Estudos demostram que a hiperalimentação no período pós-natal causa obesidade, alterações cardiometabólicas e resistência à insulina em longo prazo. O objetivo do estudo foi investigar as consequências da hiperalimentação na lactação nos corações de camundongos filhotes e adultos ao longo do desenvolvimento. Para induzir a hiperalimentação na lactação, o tamanho da ninhada foi reduzida a 3 filhotes machos no terceiro dia, grupo hiperalimentado (GH). O grupo controle (GC) permaneceu com 9 filhotes da lactação ao desmame. Avaliamos a massa corporal, gordura epididimária e retroperitoneal, morfologia hepática e cardíaca, ultraestrutura dos cardiomiócitos, peso do PVE/CT, glicemia de jejum, triglicerídeos, colesterol total, insulina plasmática e HOMA-IR. Analisamos o consumo de oxigênio das fibras cardíacas através da respirometria de alta resolução, atividade enzimática da PDH, CS e LDH no coração e glicogênio hepático. Biologia molecular, através das proteínas: IRβ, IRS1, pIRS1, PTP1B, PI3K, Akt, pAkt, GLUT1, GLUT4, AMPKα, pAMPKα, HKII, CPT1, UCP2, FABPm, CD36, PGC-1α, PPARα, 4HNE, complexos da CTE (I, II, III, IV e V), α-tubulina, GP91 e VADC. Diferenças entre os grupos analisadas por Two-Way ANOVA, com significância p<0,05. O GH apresentou aumento da massa corporal, gordura epididimária, retroperitoneal e colesterol total em todas as idades; glicemia de jejum, insulina, índice de HOMA-IR e triglicerídeos aos 21 e 90 dias. Aumento do índice de Lee aos 60 e 90 dias. GH apresentou diminuição: do IRβ e GLUT4 aos 21 e 60 dias; aumento do IRβ aos 90 dias; aumento do IRS1, PTP1B, aos 21 e 90 dias e da AKT, pAMPK/AMPK e GLUT1 aos 21 dias; diminuição da pIRS1/IRS1, PI3K, pAKT/AKT aos 21 e 90 dias; diminuição da HKII aos 21 dias e aumento aos 60 e 90 dias; aumento da PDH aos 90 dias; aumento da LDH aos 21 dias e redução aos 60 dias; aumento da CS aos 21 dias e diminuição aos 60 e 90 dias; aumento da oxidação de carboidratos aos 21 dias e redução aos 90 dias; diminuição na oxidação de ácidos graxos aos 60 e 90 dias. Adicionalmente, aumento do desacoplamento mitocondrial entre a fosforilação oxidativa e a síntese de ATP aos 60 e 90 dias. Diminuição da CPT1 e aumento da UCP2 aos 21 e 90 dias. Diminuição da PGC-1α aos 60 e 90 dias; da FABPm e CD36 em todas idades. Aumento da 4HNE aos 21 e diminuição aos 90 dias. Diminuição na expressão do mRNA para CPT1 aos 21, 60 dias. Diminuição na expressão do mRNA para PPARα e aumento na expressão do mRNA para UCP2 aos 21 dias; diminuição na expressão do mRNA para UCP2 ao 60 dias. Alterações morfológicas cardíacas e hepáticas, assim como na ultraestrutura dos cardiomiócitos, em todas as idades, maior conteúdo de glicogênio hepático aos 21 e 90 dias. Concluímos que a hiperalimentação na lactação levou à obesidade, com aumento da oxidação de glicose, alterações no metabolismo energético associadas à diminuição da sensibilidade à insulina, redução da capacidade oxidativa mitocondrial, levando ao desacoplamento e alteração da morfologia e ultraestrutura dos cardiomiócitos do desmame até a idade adulta.

Muscle signaling in exercise intolerance: Insights from the McArdle mouse model

We recently generated a knock-in mouse model (PYGM p.R50X/p.R50X) of McArdle disease (myophosphorylase deficiency). One mechanistic approach to unveil the molecular alterations caused by myophosphorylase deficiency, which is arguably the paradigm of 'exercise intolerance', is to compare the skeletal-muscle tissue of McArdle, heterozygous, and healthy (wild type (wt)) mice. We analyzed in quadriceps muscle of p.R50X/p.R50X (n=4), p.R50X/wt (n=6) and wt/wt mice (n=5) (all male, 8 wk-old) molecular markers of energy-sensing pathways, oxidative phosphorylation (OXPHOS) and autophagy/proteasome systems, oxidative damage and sarcoplamic reticulum (SR) Ca handling. We found a significant group effect for total AMPK (tAMPK) and ratio of phosphorylated (pAMPK)/tAMPK (P=0.012 and 0.033), with higher mean values in p.R50X/p.R50X mice vs. the other two groups. The absence of massive accumulation of ubiquitinated proteins, autophagosomes or lysosomes in p.R50X/p.R50X mice suggested no major alterations in autophagy/proteasome systems. Citrate synthase activity was lower in p.R50X/p.R50X mice vs. the other two groups (P=0.036) but no statistical effect existed for respiratory chain complexes. We found higher levels of 4-hydroxy-2-nonenal-modified proteins in p.R50X/p.R50X and p.R50X/wt mice compared with the wt/wt group (P=0.011). Sarco(endo)plasmic reticulum ATPase 1 (SERCA1) levels detected at 110kDa tended to be higher in p.R50X/p.R50X and p.R50X/wt mice compared with wt/wt animals (P=0.076), but their enzyme activity was normal. We also found an accumulation of phosphorylated SERCA1 in p.R50X/p.R50X animals. Myophosphorylase deficiency causes alterations in sensory energetic pathways together with some evidence of oxidative damage and alterations in Ca handling but with no major alterations in OXPHOS capacity or autophagy/ubiquitination pathways, which suggests that the muscle tissue of patients is likely to adapt overall favorably to exercise training interventions.

Multi-parametric metabolic assessment of cells under stress conditions

Glycolysis, glutaminolysis, the Krebs cycle and oxidative phosphorylation are the main metabolic pathways. Exposing cells to key metabolic substrates (glucose, glutamine and pyruvate); investigation of the contribution of substrates in stress conditions such as uncoupling and hypoxia was conducted. Glycolysis, O2 consumption, O2 and ATP levels and hypoxia inducible factor (HIF) signalling in PC12 cells were investigated. Upon uncoupling with FCCP mitochondria were depolarised similarly in all cases, but a strong increase in respiration was only seen in the cells fed on glutamine with either glucose or pyruvate. Inhibition of glutaminolysis reversed the glutamine dependant effect. Differential regulation of the respiratory response to FCCP by metabolic environment suggests mitochondrial uncoupling has a potential for substrate-specific inhibition of cell function. At reduced O2 availability (4 % and 0 % O2), cell bioenergetics and local oxygenation varied depending on the substrate composition. Results indicate that both supply and utilisation of key metabolic substrates can affect the pattern of HIF-1/2α accumulation by differentially regulating iO2¬, ATP levels and Akt/Erk/AMPK pathways. Inhibition of key metabolic pathways can modulate HIF regulatory pathways, metabolic responses and survival of cancer cells in hypoxia. Hypoxia leads to transcriptional activation, by HIF, of pyruvate dehydrogenase (PDH) kinase which phosphorylates and inhibits PDH, a mitochondrial enzyme that converts pyruvate into acetyl-CoA. The levels of PDH (total and phosphorylated), PDH kinase and HIF-1α were analysed in HCT116 and HCT116 SCO2-/- (deficient in complex IV of the respiratory chain) grown under 20.9 % and 3 % O2. Data indicate that regulation of PDH can occur in a manner independent of the HIF-1/PDH kinase 1 axis, mitochondrial respiration and the demand for acetyl-CoA. Collectively these results can be applied to many diseases; reduced nutrient supply and O2 during ischemia/stroke, hypoglycaemia in diabetes mellitus and cancer associated changes in uncoupling protein expression levels.

The liver kinase B1 is a central regulator of T cell development, activation, and metabolism.

T cell activation leads to engagement of cellular metabolic pathways necessary to support cell proliferation and function. However, our understanding of the signal transduction pathways that regulate metabolism and their impact on T cell function remains limited. The liver kinase B1 (LKB1) is a serine/threonine kinase that links cellular metabolism with cell growth and proliferation. In this study, we demonstrate that LKB1 is a critical regulator of T cell development, viability, activation, and metabolism. T cell-specific ablation of the gene that encodes LKB1 resulted in blocked thymocyte development and a reduction in peripheral T cells. LKB1-deficient T cells exhibited defects in cell proliferation and viability and altered glycolytic and lipid metabolism. Interestingly, loss of LKB1 promoted increased T cell activation and inflammatory cytokine production by both CD4(+) and CD8(+) T cells. Activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK) was decreased in LKB1-deficient T cells. AMPK was found to mediate a subset of LKB1 functions in T lymphocytes, as mice lacking the α1 subunit of AMPK displayed similar defects in T cell activation, metabolism, and inflammatory cytokine production, but normal T cell development and peripheral T cell homeostasis. LKB1- and AMPKα1-deficient T cells each displayed elevated mammalian target of rapamycin complex 1 signaling and IFN-γ production that could be reversed by rapamycin treatment. Our data highlight a central role for LKB1 in T cell activation, viability, and metabolism and suggest that LKB1-AMPK signaling negatively regulates T cell effector function through regulation of mammalian target of rapamycin activity.

The Effect of Diet-Induced Obesity and Subsequent Weight Loss on Body Composition, Glucose Clearance, Metabolite Profile and Liver Amp-Activated Protein Kinase in Mice

Obesity, currently an epidemic, is a difficult disease to combat because it is marked by both a change in body weight and an underlying dysregulation in metabolism, making consistent weight loss challenging. We sought to elucidate this metabolic dysregulation resulting from diet-induced obesity (DIO) that persists through subsequent weight loss. We hypothesized that weight gain imparts a change in “metabolic set point” persisting through subsequent weight loss and that this modification may involve a persistent change in hepatic AMP-activated protein kinase (AMPK), a key energy-sensing enzyme in the body. To test these hypotheses, we tracked metabolic perturbations through this period, measuring changes in hepatic AMPK. To further understand the role of AMPK we used AICAR, an AMPK activator, following DIO. Our findings established a more dynamic metabolic model of DIO and subsequent weight loss. We observed hepatic AMPK elevation following weight loss, but AICAR administration without similar dieting was unsuccessful in improving metabolic dysregulation. Our findings provide an approach to modeling DIO and subsequent dieting that can be built upon in future studies and hopefully contribute to more effective long-term treatments of obesity.

Mechanisms underlying the metabolic actions of galegine that contribute to weight loss in mice

Background and purpose: Galegine and guanidine, originally isolated from Galega officinalis, led to the development of the biguanides. The weight-reducing effects of galegine have not previously been studied and the present investigation was undertaken to determine its mechanism(s) of action.

Experimental approach: Body weight and food intake were examined in mice. Glucose uptake and acetyl-CoA carboxylase activity were studied in 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes and AMP activated protein kinase (AMPK) activity was examined in cell lines. The gene expression of some enzymes involved in fat metabolism was examined in 3T3-L1 adipocytes.

Key results: Galegine administered in the diet reduced body weight in mice. Pair-feeding indicated that at least part of this effect was independent of reduced food intake. In 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes, galegine (50 µm-3 mm) stimulated glucose uptake. Galegine (1–300 µm) also reduced isoprenaline-mediated lipolysis in 3T3-L1 adipocytes and inhibited acetyl-CoA carboxylase activity in 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes. Galegine (500 µm) down-regulated genes concerned with fatty acid synthesis, including fatty acid synthase and its upstream regulator SREBP. Galegine (10 µm and above) produced a concentration-dependent activation of AMP activated protein kinase (AMPK) in H4IIE rat hepatoma, HEK293 human kidney cells, 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes.

Conclusions and implications: Activation of AMPK can explain many of the effects of galegine, including enhanced glucose uptake and inhibition of acetyl-CoA carboxylase. Inhibition of acetyl-CoA carboxylase both inhibits fatty acid synthesis and stimulates fatty acid oxidation, and this may to contribute to the in vivo effect of galegine on body weight.

Adiponectin is produced by lymphocytes and is a negative regulator of granulopoiesis

Lymphocytes have long been established to play an important role in the regulation of hematopoiesis and produce many cytokines that act on hematopoietic progenitor cells. Previous studies by our group have shown that normal, unstimulated lymphocytes produce a protein that inhibits normal bone marrow GM colony formation. Adiponectin is an adipokine that has been demonstrated to act as a negative regulator of hematopoiesis and immune function. This study aimed to determine if the inhibitory molecule that we described previously was adiponectin. Here, we show transcription, translation, and secretion of adiponectin from lymphocytes and demonstrate that its receptors, AdipoR1 and AdipoR2, are expressed by bone marrow MNCs. We show that although the adiponectin expression is low in lymphocytes, it is sufficient to induce a significant inhibitory effect on GM precursors (CFU-GM) and activate the AMPK pathway in these cells. The regulation of adiponectin production by lymphocytes and its detailed function in suppressing GM colony formation need to be elucidated now. Our findings suggest a functional role for adiponectin as a negative regulator of granulopoiesis. J. Leukoc. Biol. 88: 807-811; 2010.

Translation suppression promotes stress granule formation and cell survival in response to cold shock

Cells respond to different types of stress by inhibition of protein synthesis and subsequent assembly of stress granules (SGs), cytoplasmic aggregates that contain stalled translation preinitiation complexes. Global translation is regulated through the translation initiation factor eukaryotic initiation factor 2a (eIF2a) and the mTOR pathway. Here we identify cold shock as a novel trigger of SG assembly in yeast and mammals. Whereas cold shock-induced SGs take hours to form, they dissolve within minutes when cells are returned to optimal growth temperatures. Cold shock causes eIF2a phosphorylation through the kinase PERK in mammalian cells, yet this pathway is not alone responsible for translation arrest and SG formation. In addition, cold shock leads to reduced mitochondrial function, energy depletion, concomitant activation of AMP-activated protein kinase (AMPK), and inhibition of mTOR signaling. Compound C, a pharmacological inhibitor of AMPK, prevents the formation of SGs and strongly reduces cellular survival in a translation-dependent manner. Our results demonstrate that cells actively suppress protein synthesis by parallel pathways, which induce SG formation and ensure cellular survival during hypothermia.

Activation of AMP-activated protein kinase inhibits oxidized LDL-triggered endoplasmic reticulum stress in vivo

The oxidation of LDLs is considered a key step in the development of atherosclerosis. How LDL oxidation contributes to atherosclerosis remains poorly defined. Here we report that oxidized and glycated LDL (HOG-LDL) causes aberrant endoplasmic reticulum (ER) stress and that the AMP-activated protein kinase (AMPK) suppressed HOG-LDL-triggered ER stress in vivo.

β-Lapachone alleviates alcoholic fatty liver disease in rats

Alcohol-induced liver injury is the most common liver disease in which fatty acid metabolism is altered. It is thought that altered NAD+/NADH redox potential by alcohol in the liver causes fatty liver by inhibiting fatty acid oxidation and the activity of tricarboxylic acid cycle reactions. β-Lapachone (βL), a naturally occurring quinone, has been shown to stimulate fatty acid oxidation in an obese mouse model by activating adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK). In this report, we clearly show that βL reduced alcohol-induced hepatic steatosis and induced fatty acid oxidizing capacity in ethanol-fed rats. βL treatment markedly decreased hepatic lipids while serum levels of lipids and lipoproteins were increased in rats fed ethanol-containing liquid diets with βL administration. Furthermore, inhibition of lipolysis, enhancement of lipid mobilization to mitochondria and upregulation of mitochondrial β-oxidation activity in the soleus muscle were observed in ethanol/βL-treated animals compared to the ethanol-fed rats. In addition, the activity of alcohol dehydrogenase, but not aldehyde dehydrogenase, was significantly increased in rats fed βL diets. βL-mediated modulation of NAD+/NADH ratio led to the activation of AMPK signaling in these animals. Conclusion: Our results suggest that improvement of fatty liver by βL administration is mediated by the upregulation of apoB100 synthesis and lipid mobilization from the liver as well as the direct involvement of βL on NAD+/NADH ratio changes, resulting in the activation of AMPK signaling and PPARα-mediated β-oxidation. Therefore, βL-mediated alteration of NAD+/NADH redox potential may be of potential therapeutic benefit in the clinical setting.