Lipid Droplets in Dictyostelium discoideum

Lipid Droplets dienen zur Speicherung von Neutrallipiden wie z. B. Triglyceriden und Sterolestern. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Bildung dieser zellulären Fettspeicher in D. discoideum untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass Lipid Droplets entstehen, wenn die Zellen entweder in einer Suspension von Bakterien oder in Gegenwart von Palmitinsäure kultiviert werden. Die Bildung der Lipidtröpfchen wird dabei von einem schnelleren Zellwachstum, einem Anstieg des Triglyceridgehalts, einer Reduktion der Phagozytoserate und einer Abnahme des Zellvolumens begleitet. Wurde die Lipid Droplet-Bildung durch Kultivierung der Zellen mit Palmitinsäure angeregt, entsteht neben Triglyceriden noch eine weitere Verbindung, bei der es sich entweder um Fettsäureethylester oder Wachsester handelt. Eine weitere Eigenschaft von Zellen, die in Gegenwart der Palmitinsäure inkubiert wurden, ist die Fähigkeit exogene Fettsäuren schneller aufzunehmen, als normal kultivierte Zellen. Aus der vorliegenden Arbeit wurde gefolgert, dass dies durch eine zusätzliche Aufnahme der Fettsäuren über die Plasmamembran hervorgerufen wird. In Zellen, die ohne Fettsäuren inkubiert wurden, findet hingegen der Fettsäureimport über die Endosomen statt. Ein Protein, das nicht direkt am Prozess der Fettsäureaufnahme beteiligt ist, aber importierte Fettsäuren mit CoA aktiviert, ist die LC-FACS1. Aus Versuchen mit der Knockout-Mutante ging hervor, dass die aktivierten Fettsäuren, in Zellen, die zuvor mit Palmitinsäure oder Bakterien inkubiert wurden, in Triglyceride eingebaut werden. Der reduzierte Triglyceridgehalt im Knockout rief eine Erhöhung der Phagozytoserate hervor. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Lipidtröpfchen mit einem Saccharosegradienten aufgereinigt. Mit Hilfe der Massenspektrometrie konnten 281 Proteine in der Lipid Droplet-Fraktion identifiziert werden. Ein Teil dieser Proteine könnte durch die Interaktion der Lipidtröpfchen mit anderen Organellen in die Lipid Droplet-Fraktion gelangt sein und ist ebenso wenig Teil des Lipid Droplet-Proteoms wie die zytoplasmatischen Proteine, die eine Verunreinigung darstellen. Vier der zehn Proteine aus der Lipid Droplet-Fraktion, die in der vorliegenden Arbeit untersucht wurden, konnten nach Kultivierung in palmitinsäurehaltigem Medium tatsächlich auf der Oberfläche der Lipidtröpfchen beobachtet werden. Eines dieser Proteine ist LSD1. Es stellt das einzige PAT-Protein in D. discoideum dar und gehört der Kategorie der CPATs an. Analog zu Perilipin/PLIN1 und Adipophilin/PLIN2 könnte LSD1 eine Schutzfunktion der Lipid Droplets vor zytoplasmatischen Lipasen haben. Neben DdLSD1 konnten auch die Proteine ADH und ALI auf den Lipidtröpfchen lokalisiert werden. Bei beiden handelt es sich um 17beta-Hydroxysteroid-Dehydrogenasen - Proteine, die eine Funktion im Lipid- oder Fettsäuremetabolismus besitzen können. Das Protein SMT katalysiert die C24-Methylierung des Sterolgerüsts in D. discoideum und war nach Inkubation der Zellen mit exogenen Fettsäuren ebenfalls auf den Lipid Droplets zu beobachten.

Characterization of Lipid Droplets and Functional Analysis of Lipid Droplet-Associated Proteins in Dictyostelium discoideum

Lipid droplets (LDs) are the universal storage form of fat as a reservoir of metabolic energy in animals, plants, bacteria and single celled eukaryotes. Dictyostelium LD formation was investigated in response to the addition of different nutrients to the growth medium. LDs were induced by adding exogenous cholesterol, palmitic acid (PA) as well as growth in bacterial suspension, while glucose addition fails to form LDs. Among these nutrients, PA addition is most effective to stimulate LD formation, and depletion of PA from the medium caused LD degradation. The neutral lipids incorporated into the LD-core are composed of triacylglycerol (TAG), steryl esters, and an unknown neutral lipid (UKL) species when the cells were loaded simultaneously with cholesterol and PA. In order to avoid the contamination with other cellular organelles, the LD-purification method was modified. The isolated LD fraction was analysed by mass spectrometry and 100 proteins were identified. Nineteen of these appear to be directly involved in lipid metabolism or function in regulating LD morphology. Together with a previous study, a total of 13 proteins from the LD-proteome were confirmed to localize to LDs after the induction with PA. Among the identified LD-proteins, the localization of Ldp (lipid droplet membrane protein), GPAT3 (glycerol-3-phosphate acyltransferase 3) and AGPAT3 (1-acylglycerol-3-phosphate-acyltransferase 3) were further verified by GFP-tagging at the N-termini or C-termini of the respective proteins. Fluorescence microscopy demonstrated that PA-treatment stimulated the translocation of the three proteins from the ER to LDs. In order to clarify DGAT (diacylglycerol acyltransferase) function in Dictyostelium, the localization of DGAT1, that is not present in LD-proteome, was also investigated. GFP-tagged DGAT1 localized to the ER both, in the presence and absence of PA, which is different from the previously observed localization of GFP-tagged DGAT2, which almost exclusively binds to LDs. The investigation of the cellular neutral lipid level helps to elucidate the mechanism responsible for LD-formation in Dictyostelium cells. Ldp and two short-chain dehydrogenases, ADH (alcohol dehydrogenase) and Ali (ADH-like protein), are not involved in neutral lipid biosynthesis. GPAT, AGPAT and DGAT are three transferases responsible for the three acylation steps of de novo TAG synthesis. Knock-out (KO) of AGPAT3 and DGAT2 did not affect storage-fat formation significantly, whereas cells lacking GPAT3 or DGAT1 decreased TAG and LD accumulation dramatically. Furthermore, DGAT1 is responsible for the accumulation of the unknown lipid UKL. Overexpression of DGAT2 can rescue the reduced TAG content of the DGAT1-KO mutant, but fails to restore UKL content in these cells, indicating that of DGAT1 and DGAT2 have overlapping functions in TAG synthesis, but the role in UKL formation is unique to DGAT1. Both GPAT3 and DGAT1 affect phagocytic activity. Mutation of GPAT3 increases it but a DGAT1-KO decreases phagocytosis. The double knockout of DGAT1 and 2 also impairs the ability to grow on a bacterial lawn, which again can be rescued by overexpression of DGAT2. These and other results are incorporated into a new model, which proposes that up-regulation of phagocytosis serves to replenish precursor molecules of membrane lipid synthesis, whereas phagocytosis is down-regulated when excess fatty acids are used for storage-fat formation.  

The origin of lipid droplets in the post-pharyngeal gland of Dinoponera australis (Formicidae: Ponerinae)

The post-pharyngeal gland of normal and starvation ants was studied under TEM. This study showed an orgin of lipids droplets from mitochondria (named derivate mitochondria) in the normal ants and the lipids absence or reduction, in fasting ants.

Regulated localization of rab18 to lipid droplets - Effects of lipolytic stimulation and inhibition of lipid droplet catabolism

Rab GTPases are crucial regulators of membrane traffic. Here we have examined a possible association of Rab proteins with lipid droplets (LDs), neutral lipid-containing organelles surrounded by a phospholipid monolayer, also known as lipid bodies, which have been traditionally considered relatively inert storage organelles. Although we found close apposition between LDs and endosomal compartments labeled by expressed Rab5, Rab7, or Rab11 constructs, there was no detectable labeling of the LD surface itself by these Rab proteins. In contrast, GFP-Rab18 localized to LDs and immunoelectron microscopy showed direct association with the monolayer surface. Green fluorescent protein (GFP)-Rab18-labeled LDs underwent oscillatory movements in a localized area as well as sporadic, rapid, saltatory movements both in the periphery of the cell and toward the perinuclear region. In both adipocytes and non-adipocyte cell lines Rab18 localized to a subset of LDs. To gain insights into this specific localization, Rab18 was co-expressed with Cav3(DGV), a truncation mutant of caveolin-3 shown to inhibit the catabolism and motility of lipid droplets. GFP-Rab18 and mRFP-Cav3(DGV) labeled mutually exclusive subpopulations of LDs. Moreover, in 3T3-L1 adipocytes, stimulation of lipolysis increased the localization of Rab18 to LDs, an effect reversed by beta-adrenergic antagonists. These results show that a Rab protein localizes directly to the monolayer surface of LDs. In addition, association with the LD surface was increased following stimulation of lipolysis and inhibited by a caveolin mutant suggesting that recruitment of Rab18 is regulated by the metabolic state of individual LDs.

Cholesterol-induced caveolin targeting to lipid droplets in adipocytes: A role for caveolar endocytosis

We have investigated the targeting of caveolin to lipid bodies in adipocytes that express high levels of caveolins and contain well-developed lipid droplets. We observed that the lipid droplets isolated from adipocytes of caveolin-1 knock out mice contained dramatically reduced levels of cholesterol, indicating that caveolin is required for maintaining the cholesterol content of this organelle. Analysis of caveolin distribution by cell fractionation and fluorescent light microscopy in 3T3-L1 adipocytes indicated that addition of cholesterol rapidly stimulated translocation of caveolin to lipid droplets. The cholesterol-induced trafficking of caveolins to lipid droplets was shown to be dynamin- and protein kinase C (PKC)-dependent and modulated by src tyrosine kinase activation, suggesting a role for caveolar endocytosis in this novel trafficking pathway. Consistent with this, caveolae budding was stimulated by cholesterol addition. The present data identify lipid droplets as potential target organelles for caveolar endocytosis and demonstrate a role for caveolin-1 in the maintenance of free cholesterol levels in adipocyte lipid droplets.

Lipid droplets: a unified view of a dynamic organelle

Lipid droplets form the main lipid store in eukaryotic cells. Although all cells seem to be able to generate lipid droplets, their biogenesis, regulatory mechanisms and interactions with other organelles remain largely elusive. In this article, we outline some of the recent developments in lipid droplet cell biology. We show the mobile and dynamic nature of this organelle, and advocate the adoption of a unified nomenclature to consolidate terminology in this emerging field.

Adipocyte size fluctuation, mechano-active lipid droplets and caveolae

International audience

ORP2 is a sterol receptor that regulates cellular lipid metabolism

ORP2 is a member of mammalian oxysterol binding protein (OSBP)-related protein/gene family (ORPs), which is found in almost every eukaryotic organism. ORPs have been suggested to participate in the regulation of cellular lipid metabolism, vesicle trafficking and cellular signaling. ORP2 is a cytosolic protein that is ubiquitously expressed and most abundant in the brain. In previous studies employing stable cell lines with constitutive ORP2 overexpression ORP2 was shown to affect cellular cholesterol metabolism. The aim of this study was to characterize the properties and function of ORP2 further. ORP2 ligands were searched for among sterols and phosphoinositides using purified ORP2 and in vitro binding assays. As expected, ORP2 bound several oxysterols and cholesterol, the highest affinity ligand being 22(R)hydroxycholesterol. In addition, affinity for anionic membrane phospholipids, phosphoinositides was observed, which may assist in the membrane targeting of ORP2. Intracellular localization of ORP2 was also investigated. ORP2 was observed on the surface of cytoplasmic lipid droplets, which are storage organelles for neutral lipids. Lipid droplet targeting of ORP2 was inhibited when 22(R)hydroxycholesterol was added to the cells or when the N-terminal FFAT-motif of ORP2 was mutated, suggesting that oxysterols and the N-terminus of ORP2 regulate the localization and the function of ORP2. The role of ORP2 in cellular lipid metabolism was studied using HeLa cell lines that can be induced to overexpress ORP2. Overexpression of ORP2 was shown to enhance cholesterol efflux from the cells resulting in a decreased amount of cellular free cholesterol. ORP2 overexpressing cells responded to the loss of cholesterol by upregulating cholesterol synthesis and uptake. Intriguingly, also cholesterol esterification was increased in ORP2 overexpressing cells. These results may be explained by the ability of ORP2 to bind and thus transport cholesterol, which most likely leads to changes in cholesterol metabolism when ORP2 is overexpressed. ORP2 function was further investigated by silencing the endogenous ORP2 expression with short interfering RNAs (siRNA) in A431 cells. Silencing of ORP2 led to a delayed break-down of triglycerides under lipolytic conditions and an increased amount of cholesteryl esters in the presence of excess triglycerides. Together these results suggest that ORP2 is a sterol-regulated protein that functions on the surface of cytoplasmic lipid droplets to regulate the metabolism of triglycerides and cholesteryl esters. Although the exact mode of ORP2 action still remains unclear, this study serves as a good basis to investigate the molecular mechanisms and possible cell type specific functions of ORP2.

Chlamydia trachomatis Infection Leads to Defined Alterations to the Lipid Droplet Proteome in Epithelial Cells.

The obligate intracellular bacterium Chlamydia trachomatis is a major human pathogen and a main cause of genital and ocular diseases. During its intracellular cycle, C. trachomatis replicates inside a membrane-bound vacuole termed an "inclusion". Acquisition of lipids (and other nutrients) from the host cell is a critical step in chlamydial replication. Lipid droplets (LD) are ubiquitous, ER-derived neutral lipid-rich storage organelles surrounded by a phospholipids monolayer and associated proteins. Previous studies have shown that LDs accumulate at the periphery of, and eventually translocate into, the chlamydial inclusion. These observations point out to Chlamydia-mediated manipulation of LDs in infected cells, which may impact the function and thereby the protein composition of these organelles. By means of a label-free quantitative mass spectrometry approach we found that the LD proteome is modified in the context of C. trachomatis infection. We determined that LDs isolated from C. trachomatis-infected cells were enriched in proteins related to lipid metabolism, biosynthesis and LD-specific functions. Interestingly, consistent with the observation that LDs intimately associate with the inclusion, a subset of inclusion membrane proteins co-purified with LD protein extracts. Finally, genetic ablation of LDs negatively affected generation of C. trachomatis infectious progeny, consistent with a role for LD biogenesis in optimal chlamydial growth.

Untersuchungen zur Dynamik des Lipid-Metabolismus von Dictyostelium discoideum

Die soziale Waldamöbe Dictystelium discoideum ist ein etablierter Modellorganismus zur Erforschung grundlegender zellbiologischer Prozesse. Innerhalb der letzten Jahre konnte dabei insbesondere das Wissen zum Lipidmetabolismus umfassend erweitert werden. In diesem Zusammenhang spielt besonders eine Enzymgruppe eine wichtige Rolle: die LC/VLC-Acyl-CoA-Synthetasen. Diese übernehmen dabei die Aufgabe Fettsäuren zu aktivieren, um sie so dem Zellmetabolismus überhaupt erst zugänglich zu machen. D. discoideum verfügt über insgesamt vier dieser Enzyme: FcsA, FcsB, FcsC und das Bubblegum-Enzym Acsbg1. Während die FcsA und FcsB bereits in vorangegangenen Arbeiten untersucht wurden, werden die FcsC und die Acsbg1 in dieser Arbeit erstmals biologisch charakterisiert. Untersuchungen zur subzellulären Lokalisation der Proteine zeigen, dass die meisten LC/VLC-Acyl-CoA-Synthetase auf Endosomen und im Cytoplasma gefunden werden können (FcsA, FcsC und Acsbg1), während die FcsB als Transmembranprotein über das ER zu den Peroxisomen transportiert wird. Die Acsbg1 akkumuliert dabei zusätzlich an der Plasmamembran. Funktionell konnte gezeigt werden, dass neben der FcsA auch die Acsbg1 an der Bereitstellung von Acyl-CoA für Triacylglyceridsynthese beteiligt ist. Dabei besitzt die FcsA die Hauptenzymaktivität und kompensiert den Verlust der Acsbg1 in acsbg1- Zellen. In fcsA-/acsbg1- Zellen dagegen kommt der Verlust der Acsbg1 durch eine zusätzliche Verringerung des TAG-Gehaltes der Doppel-KOs im Vergleich zu fcsA- Zellen zum tragen. Alle vier Enzyme beeinflussen die Phagozytose. Dabei zeigen fcsA- und fcsC- Zellen eine gesteigerte Phagozytose in Gegenwart von der gesättigten Fettsäure Palmitinsäure im Kulturmedium. Auch der knockout der Acsbg1 wirkt sich positiv auf die Phagozytoserate aus, jedoch kommt auch nur dieser zum tragen, wenn neben der Acsbg1 auch die FcsA ausgeschaltet wird. Die FcsB dagegen zeigt eine dramatische Reduktion der Partikelaufnahme in nicht Fettsäure gefütterten Zellen. Durch die Zugabe einer exogenen Fettsäure kann dieser Effekt nicht kompensiert werden. Auch der zusätzliche Verlust der FcsA-Enzymaktivität verändert dieses Verhalten in Palmitinsäure inkubierten Zellen nicht. In fcsA-/fcsB- konnte zudem ein Defekt beim Abbau von Triacylglyceriden gefunden werden. Dieser Defekt liefert erste Hinweise für ein Modell, das den Abbau von LD gespeicherten Lipiden durch Autophagozytose in D. discoideum beschreibt. Peroxisomen sind wichtige Organellen für die Detoxifikation und die Oxidation von Fettsäuren. Durch das Ausschalten der Acaa1, der Thiolase, die den letzten Schritt der β-Oxidation in Peroxisomen katalysiert, zeigte sich ein verlangsamter Triacylglycerol-Abbau sowie eine verringerte Degradation des Etherlipids UKL und von Sterolestern, was auf eine Beteiligung der Peroxisomen beim Abbau von langkettigen Fettsäuren schließen lässt. Bei dem Versuch durch das Ausschalten des pex19-Gens eine Zelllinie zu generieren, die keine Peroxisomen besitzt, wurde die Organelle überraschender Weise, wenn auch mit einer vom Wildtyp abweichenden Morphologie, weiterhin vorgefunden. Dieser Befund korrelierte mit dem Resultat, dass trotzdem das pex19-Gen erfolgreich unterbrochen wurde, dennoch eine intakte Kopie des Gens nachgewiesen werden konnte. Dementsprechend sollte die erschaffene pex19- Zelllinie als knockdown und nicht als knockout gewertet werden. Der pex19 knockdown zeigte beim Abbau von Triacylglyceriden eine ähnliche Verlangsamung wie acaa1- Zellen. Zusätzlich wurde eine Verringerung der Synthese des Etherlipids UKL beobachtet, was darauf hindeutet, dass dieses Lipid im Peroxisom gebildet wird. Auch die Phagozytose und das Wachstum auf Bakterienrasen waren im pex19 knockdown dramatisch reduziert. Durch die Überexpression von Pex19-GFP im knockdown Hintergrund konnten die physiologischen Defekte in den meisten so generierten Zelllinien ausgeglichen werden. Lipid Droplets sind Organellen, die in Eukaryoten und Prokaryoten als Speicher für Neutralfette dienen und ebenfalls als Ort der Lipidsynthese fungieren. Um diese Aufgaben erfüllen zu können, besitzen sie auf ihrer Oberfläche Proteine, die für die Regulierung dieser Prozesse notwendig sind. Durch die weiterführende Analyse von Kandidatenproteinen, die durch eine proteomische Analyse von aufgereinigten LDs identifiziert wurden, konnte für vier weitere Proteine (Plsc1, Net4, Lip5 und Nsdhl) die LD-Assoziation durch GFP-Fusionsproteine bestätigt werden. Bei der Charakterisierung von plsc1 knockouts zeigte sich eine verminderte Fähigkeit beim Wachstum auf Bakterienrasen sowie eine erhöhte Phagozytoserate in Gegenwart einer exogenen Fettsäure, was auf eine Involvierung des Proteins in die Phospholipidsynthese hindeutet. Die bisher einzige identifizierte LD-assoziierte Lipase Lip5 nimmt nur eine untergeordnete Rolle bei der Hydrolyse von Triacylglycerolen und Sterolestern ein, da in KO-Mutanten nur ein milder Defekt beim Abbau beider Substanzen beobachtet werden konnte. Die LD-Lokalisation von Net4 ist evolutionär konserviert und kann nicht nur in D. discoideum beobachtet werden, sondern auch in humanen Zellen. Welche Funktion das Protein auf der LD-Oberfläche ausübt, konnte nicht geklärt werden. Allerdings kann ein direkter Einfluss auf den TAG- und Sterolaufbau ausgeschlossen werden. LDs stehen in engem Kontakt mit anderen Organellen, die in den Lipidmetabolismus involviert sind, wie mit den Mitochondrien oder dem ER. Durch Perilipin-Hybridproteine können künstliche, stabile Verbindungen zwischen LDs und diesen Organellen hergestellt werden. Dabei zeigte Perilipin ein sehr starkes Targeting-Potenzial, durch welches es notwendig war, als zweite Hybridhälfte ein Transmembranprotein zu wählen. Die Analyse eines Hybrids, das eine dauerhafte Verbindung von LDs und dem ER herstellt, wies dabeieine Reduktion der LD-Größe auf, wobei der Gesamt-TAG-Gehalt der Zellen unbeeinflusst blieb. Durch die starke Affinität von Perilipin für die Assoziation an LDs konnten durch die Generierung von Hybriden andere Proteine an die LD-Oberfläche dirigiert werden. Auf diese Weise konnte erfolgreich die LC-Acyl-CoA-Synthetase FcsA auf das LD transplantiert werden.

Histochemical and ultrastructural evidence of lipid secretion by the silk gland of the sugarcane borer Diatraea saccharalis (Fabricius) (Lepidoptera: Crambidae)

The silk gland in Lepidoptera larvae is responsible for the silk production used for shelter or cocoon construction. The secretion of fibroin and sericin by the different silk gland regions are well established. There are few attempts to detect lipid components in the insect silk secretion, although the presence of such element may contribute to the resistance of the shelter to wet environment. This study characterizes the glandular region and detects the presence of lipid components in the secretion of the silk gland of Diatraea saccharalis (Fabricius). The silk gland was submitted to histochemical procedure for lipid detection or conventionally prepared for ultrastructural analyses. Lipid droplets were histochemically detected in both the apical cytoplasm of cell of the anterior region and in the lumen among the microvilli. Ultrastructural analyses of the anterior region showed lipid material, visualized as myelin-like structures within the vesicular Golgi complex and in the apical secretory globules, mixed up with the sericin; similar material was observed into the lumen, adjacent to the microvilli. Lipids were not detected in the cells neither in the lumen of the posterior region. Our results suggest that the silk produced by D. saccharalis has a minor lipid content that is secreted by the anterior region together with the sericin.

Mitochondrial and peroxisomal population in post-pharyngeal glands of leaf-cutting ants after lipid supplementation

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