The role of skeletal muscle PLIN proteins at rest and following lipolytic stimulation

This thesis investigated the subcellular location of skeletal muscle PLIN proteins (PLIN2, PLIN3, and PLIN5) as well as protein interactions with ATGL and HSL at rest and following lipolytic stimulation. In addition, the serine phosphorylation state of PLIN2, PLIN3, and PLIN5 was determined at rest and following lipolytic stimulation. An isolated whole muscle technique was used to study the effects of contraction and epinephrine-induced lipolysis. This method allowed for the examination of the effects of contraction and epinephrine alone and in combination. Further, the soleus was chosen for investigating the role of PLIN proteins in skeletal muscle lipolysis due to its suitability for isolated incubation, and the fact that it is primarily oxidative in nature (~80% type I fibres). It has also been previously shown to have the greatest reliance on lipid metabolism and for this reason is ideal for investigating the role of PLIN proteins in lipolysis. Immunofluorescence microscopy revealed that skeletal muscle lipid droplets are partially co-localized to both PLIN2 and PLIN5 and that contraction does not affect the amount of colocalization, indicating that PLIN5 is not recruited to lipid droplets with contraction (PLIN2 ~65%; PLIN5 ~56%). Results from the immunoprecipitation studies revealed that with lipolysis in skeletal muscle the interaction between ATGL and CGI-58 is increased (study 2: 128% with contraction, p<0.05; study 3: 50% with contraction, 25% epinephrine, 80% contraction + epinephrine, p>0.05). Further PLIN2, PLIN3, and PLIN5 all interact with ATGL and HSL, while only PLIN3 and PLIN5 interact with CGI-58. Among these interactions, the association between PLIN2 and ATGL decreases with lipolytic stimulation (study 2: 21% with contraction, p<0.05). Finally our results demonstrate that PLIN3 and PLIN5 are serine phosphorylated at rest and that the level of phosphorylation remains unchanged in the face of either contractile or adrenergic stimulation. In summary, the regulation of skeletal muscle lipolysis is a complex process involving multiple proteins and enzymes. The skeletal muscle PLIN proteins likely play a role in skeletal muscle lipid droplet dynamics, and the data from this thesis indicate that these proteins may work together in regulating lipolysis by interaction with both ATGL and HSL.

Skeletal muscle protein content of lipolytic inhibitor G(0)/G(1) switch gene-2 protein: the effect of endurance training

The first and rate-limiting step of lipolysis is the removal of the first fatty acid from a triglyceride molecule; it is catalyzed by adipose triglyceride lipase (ATGL). ATGL is co-activated by comparative gene identification-58 (CGI-58) and inhibited by the G(0)/G(1) switch gene-2 protein (G0S2). G0S2 has also recently been identified as a positive regulator of oxidative phosphorylation within the mitochondria. Previous research has demonstrated in cell culture, a dose dependent mechanism for inhibition by G0S2 on ATGL. However our data is not consistent with this hypothesis. There was no change in G0S2 protein content during an acute lipolytic inducing set of contractions in both whole muscle, and isolated mitochondria yet both ATGL and G0S2 increase following endurance training, in spite of the fact that there should be increased reliance on intramuscular lipolysis. Therefore, inhibition of ATGL by G0S2 appears to be regulated through more complicated intracellular or post-translation regulation.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Preventive Effects of Chitosan Coacervate Whey Protein on Body Composition and Immunometabolic Aspect in Obese Mice

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Palmitoleic acid (n-7) increases white adipocyte lipolysis and lipase content in a PPARα-dependent manner

We investigated whether palmitoleic acid, a fatty acid that enhances whole body glucose disposal and suppresses hepatic steatosis, modulates triacylglycerol (TAG) metabolism in adipocytes. For this, both differentiated 3T3-L1 cells treated with either palmitoleic acid (16:1n7, 200 μM) or palmitic acid (16:0, 200 μM) for 24 h and primary adipocytes from wild-type or PPARα-deficient mice treated with 16:1n7 (300 mg•kg(-1)•day(-1)) or oleic acid (18:1n9, 300 mg•kg(-1)•day(-1)) by gavage for 10 days were evaluated for lipolysis, TAG, and glycerol 3-phosphate synthesis and gene and protein expression profile. Treatment of differentiated 3T3-L1 cells with 16:1n7, but not 16:0, increased basal and isoproterenol-stimulated lipolysis, mRNA levels of adipose triglyceride lipase (ATGL) and hormone-sensitive lipase (HSL) and protein content of ATGL and pSer(660)-HSL. Such increase in lipolysis induced by 16:1n7, which can be prevented by pharmacological inhibition of PPARα, was associated with higher rates of PPARα binding to DNA. In contrast to lipolysis, both 16:1n7 and 16:0 increased fatty acid incorporation into TAG and glycerol 3-phosphate synthesis from glucose without affecting glyceroneogenesis and glycerokinase expression. Corroborating in vitro findings, treatment of wild-type but not PPARα-deficient mice with 16:1n7 increased primary adipocyte basal and stimulated lipolysis and ATGL and HSL mRNA levels. In contrast to lipolysis, however, 16:1n7 treatment increased fatty acid incorporation into TAG and glycerol 3-phosphate synthesis from glucose in both wild-type and PPARα-deficient mice. In conclusion, palmitoleic acid increases adipocyte lipolysis and lipases by a mechanism that requires a functional PPARα

Studies on the antiobesity effect of zinc-α2-glycoprotein in the ob/ob mouse

OBJECTIVE: To investigate the mechanism of the lipid depletion by zinc-a(2)-glycoprotein (ZAG). DESIGN: Studies were conducted in the ob/ob mouse, or on isolated adipocytes from these animals or their lean counterparts. RESULTS: Treatment of these animals for 15 days with ZAG (100? µg, intravenously, daily) resulted in a reduction of body weight of 6.55? g compared with phosphate-buffered saline-treated controls, without a change in food or water intake, but with a 0.4?°C rise in rectal temperature. ZAG-treated mice had a 30% reduction in carcass fat mass and a twofold increase in weight of brown adipose tissue. Epididymal adipocytes from ZAG-treated mice showed an increased expression of ZAG and hormone-sensitive lipase (HSL), and this was maintained for a further 3 days in the absence of ZAG. There was an increased lipolytic response to isoproterenol, which was retained for 3 days in vitro in the absence of ZAG. Expression of HSL was also increased in subcutaneous and visceral adipose tissue, as was also adipose triglyceride lipase (ATGL). There was a rapid loss of labelled lipid from epididymal adipose tissue of ZAG-treated mice, but not from the other depots, reflecting the difference in sensitivity to lipolytic stimuli. The increased expression of HSL and ATGL may involve the extracellular signal-regulated kinase (ERK) pathway, as the active (phospho) form was upregulated in all adipose depots after ZAG administration, whereas in vitro studies showed induction of HSL and ATGL by ZAG to be attenuated by PD98059, an inhibitor of the ERK pathway. CONCLUSION: These results suggest that ZAG not only induces direct lipolysis, but also sensitizes adipose tissue to other lipolytic stimuli.