Гиперэкспрессия глицеролкиназы подавляет синтез липидов, но повышает мембранный потенциал митохондрий и активность термогенеза в адипоцитах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Ожирение и сахарный диабет 2-го типа – одни из основных факторов, способствующих росту смертности и инвалидизации в современном мире. В связи с этим приоритетной задачей является разработка новых методов, включая генную и клеточную инженерию, для создания эктопических термогенных жировых депо, способных рассеивать избыток энергии. В данной работе мы изучали гиперэкспрессию глицеролкиназы (ГК) – ключевого фермента футильного триацилглицеридного цикла (ТАГ-цикла) для формирования термогенных адипоцитов. Белок-кодирующую последовательность ГК амплифицировали на основе мРНК печени мыши и доставляли в адипоциты путем лентивирусной трансдукции. Метаболизм адипоцитов анализировали с помощью радиоизотопного мониторинга [3H]- и [14С]-меченых аналогов глюкозы. Мембранный потенциал митохондрий, термогенез и морфологию липидных капель оценивали с использованием флуоресцентных зондов JC-1, ERthermAC и BODIPY493/503 соответственно. Лентивирусная доставка гена ГК увеличивает в адипоцитах экспрессию мРНК в 130 раз и уровень белка – на 30%. Гиперэкспрессия ГК усиливает захват глюкозы адипоцитами, а также подавляет синтез и реэтерификацию жирных кислот, не изменяя морфологию липидных капель. Рост поглощения глюкозы при гиперэкспрессии ГК ассоциирован с ростом митохондриального потенциала и стимуляцией термогенеза. Гиперэкспрессия ГК улучшает метаболический профиль адипоцитов, что может способствовать устранению метаболических нарушений, связанных с ожирением, за счет повышения утилизации избыточной глюкозы в ходе термогенеза. Тем не менее детальные механизмы, лежащие в основе стимуляции этих процессов, требуют дальнейшего изучения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. С. Мичурина

ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии имени академика Е.И. Чазова Минздрава России

Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 121500 Москва

И. Б. Белоглазова

ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии имени академика Е.И. Чазова Минздрава России

Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 121500 Москва

М. Ю. Агарёва

ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии имени академика Е.И. Чазова Минздрава России; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины

Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 121500 Москва; 119991 Москва

Р. Мохаммад

Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет)

Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 117303, Долгопрудный, Московская обл.

Н. В. Алексеева

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 119991 Москва

Е. В. Парфёнова

ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии имени академика Е.И. Чазова Минздрава России; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины

Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 121500 Москва; 119991 Москва

Ю. С. Стафеев

ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии имени академика Е.И. Чазова Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: yuristafeev@gmail.com
Россия, 121500 Москва

Список литературы

  1. Lingvay, I., Cohen, R. V., le Roux, C. W., and Sumithran, P. (2024) Obesity in adults, Lancet, 404, 972-987, https://doi.org/10.1016/S0140-6736(24)01210-8.
  2. Strati, M., Moustaki, M., Psaltopoulou, T., Vryonidou, A., and Paschou, S. A. (2024) Early onset type 2 diabetes mellitus: an update, Endocrine, 85, 965-978, https://doi.org/10.1007/s12020-024-03772-w.
  3. Nunn, E. R., Shinde, A. B., and Zaganjor, E. (2022) Weighing in on adipogenesis, Front. Physiol., 13, 821278, https://doi.org/10.3389/fphys.2022.821278.
  4. Smith, U., and Kahn, B. B. (2016) Adipose tissue regulates insulin sensitivity: role of adipogenesis, de novo lipogenesis and novel lipids, J. Intern. Med., 280, 465-475, https://doi.org/10.1111/joim.12540.
  5. Šiklová, M., Šrámková, V., Koc, M., Krauzová, E., Čížková, T., Ondrůjová, B., Wilhelm, M., Varaliová, Z., Kuda, O., Neubert, J., Lambert, L., Elkalaf, M., Gojda, J., and Rossmeislová, L. (2024) The role of adipogenic capacity and dysfunctional subcutaneous adipose tissue in the inheritance of type 2 diabetes mellitus: cross-sectional study, Obesity, 32, 547-559, https://doi.org/10.1002/oby.23969.
  6. Shao, M., Wang, Q. A., Song, A., Vishvanath, L., Busbuso, N. C., Scherer, P. E., and Gupta, R. K. (2019) Cellular origins of beige fat cells revisited, Diabetes, 68, 1874-1885, https://doi.org/10.2337/db19-0308.
  7. Maurer, S., Harms, M., and Boucher, J. (2021) The colorful versatility of adipocytes: white-to-brown transdifferentiation and its therapeutic potential in humans, FEBS J., 288, 3628-3646, https://doi.org/10.1111/febs.15470.
  8. Wu, R., Park, J., Qian, Y., Shi, Z., Hu, R., Yuan, Y., Xiong, S., Wang, Z., Yan, G., Ong, S. G., Song, Q., Song, Z, Mahmoud, A.M., Xu, P., He, C., Arpke, R. W., Kyba, M., Shu, G., Jiang, Q., and Jiang, Y. (2023) Genetically prolonged beige fat in male mice confers long-lasting metabolic health, Nat. Commun., 14, 2731, https://doi.org/ 10.1038/s41467-023-38471-z.
  9. Nedergaard, J., Golozoubova, V., Matthias, A., Asadi, A., Jacobsson, A., and Cannon, B. (2001) UCP1: the only protein able to mediate adaptive non-shivering thermogenesis and metabolic inefficiency, Biochem. Biophys. Acta, 1504, 82-106, https://doi.org/10.1016/s0005-2728(00)00247-4.
  10. Michurina, S., Stafeev, I., Boldyreva, M., Truong, V. A., Ratner, E., Menshikov, M., Hu, Y. C., and Parfyonova, Ye. (2023) Transplantation of adipose-tissue-engineered constructs with CRISPR-mediated UCP1 activation, Int. J. Mol. Sci., 24, 3844, https://doi.org/10.3390/ijms24043844.
  11. Ikeda, K., Kang, Q., Yoneshiro T., Camporez, J. P., Maki, H., Homma, M., Shinoda, K., Chen, Y., Lu, X., Maretich, P., Tajima, K., Ajuwon, K. M., Soga, T., and Kajimura, S. (2017) UCP1-independent signaling involving SERCA2b-mediated calcium cycling regulates beige fat thermogenesis and systemic glucose homeostasis, Nat. Med., 23, 1454-1465, https://doi.org/10.1038/nm.4429.
  12. Brownstein, A. J., Veliova, M., Acin-Perez, R., Liesa, M., and Shirihai, O. S. (2022) ATP-consuming futile cycles as energy dissipating mechanisms to counteract obesity, Rev. Endocr. Metab. Disord., 23, 121-131, https://doi.org/10.1007/s11154-021-09690-w.
  13. Roesler, A., and Kazak, L. (2020) UCP1-independent thermogenesis, Biochem. J., 477, 709-725, https://doi.org/10.1042/BCJ20190463.
  14. Steinberg, D., Vaughan, M., Margolis, S., Price, H., and Pittman, R. (1961) Studies of triglyceride biosynthesis in homogenates of adipose tissue, J. Biol. Chem., 236, 1631-1637, https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)63276-X.
  15. Jéquier, E., and Tappy, L. (1998) Regulation of body weight in humans, Physiol. Rev., 79, 451-480, https://doi.org/10.1152/physrev.1999.79.2.451.
  16. Chakrabarty, K., Chaudhuri, B., and Jeffay, H. (1983) Glycerokinase activity in human brown adipose tissue, J. Lipid. Res., 24, P381-390, https://doi.org/10.1016/S0022-2275(20)37978-5.
  17. Festuccia, W. T. L., Guerra-Sá, R., Kawashita, N. H., Garófalo, M. A. R., Evangelista, E. A., Rodrigues, V., Kettelhut, I. C., and Migliorini, R. H. (2003) Expression of glycerokinase in brown adipose tissue is stimulated by the sympathetic nervous system, Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol., 284, R1536-R1541, https://doi.org/10.1152/ajpregu.00764.2002.
  18. Iwase, M., Tokiwa, S., Seno, S., Mukai, T., Yeh, Y. S., Takahashi, H., Nomura, W., Jheng, H. F., Matsumura, S., Kusudo, T., Osato, N., Matsuda, H., Inoue, K., Kawada, T., and Goto, T. (2020) Glycerol kinase stimulates uncoupling protein 1 expression by regulating fatty acid metabolism in beige adipocytes, J. Biol. Chem., 295, P7033-P7045, https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.011658.
  19. Sharma, A. K., Khandelwal, R., and Wolfrum, C. (2024) Futile lipid cycling: from biochemistry to physiology, Nat. Metab., 6, 808-824, https://doi.org/10.1038/s42255-024-01003-0.
  20. Guan, H. P., Li, Y., Jensen, M. V., Newgard, C. B., Steppan, C. M., and Lazar, M. A. (2002) A futile metabolic cycle activated in adipocytes by antidiabetic agents, Nat. Med., 8, 1122-1128, https://doi.org/10.1038/nm780.
  21. Leroyer, S.N., Tordjman, J., Chauvet, G., Quette, J., Chapron, C., Forest, C., and Antoine, B. (2006) Rosiglitazone controls fatty acid cycling in human adipose tissue by means of glyceroneogenesis and glycerol phosphorylation, J. Biol. Chem., 281, 13141-13149, https://doi.org/10.1074/jbc.M512943200.
  22. Song, N. J., Chang, S. H., Li, D. Y., Villanueva, C. J., and Park, K. W. (2017) Induction of thermogenic adipocytes: molecular targets and thermogenic small molecules, Exp. Mol. Med., 49, e353, https://doi.org/10.1038/emm.2017.70.
  23. Deis, J. A., Guo, H., Wu, Y., Liu, C., Bernlohr, D. A., and Chen, X. (2019) Adipose Lipocalin 2 overexpression protects against age-related decline in thermogenic function of adipose tissue and metabolic deterioration, Mol. Metab., 24, 18-29, https://doi.org/10.1016/j.molmet.2019.03.007.
  24. Díez-Sainz, E., Milagro, F. I., Aranaz, P., Riezu-Boj, J. I., Batrow, P. L., Contu, L., Gautier, N., Amri, E. Z., Mothe-Satney, I., and Lorente-Cebrián, S. (2024) Human miR-1 stimulates metabolic and thermogenic-related genes in adipocytes, Int. J. Mol. Sci., 26, 276, https://doi.org/10.3390/ijms26010276.
  25. Zebisch, K., Voigt, V., Wabitsch, M., and Brandsch, M. (2012) Protocol for effective differentiation of 3T3-L1 cells to adipocytes, Anal. Biochem., 425, 88-90, https://doi.org/10.1016/j.ab.2012.03.005.
  26. Schmittgen, T. D., and Livak, K. J. (2008) Analyzing real-time PCR data by the comparative C(T) method, Nat. Protoc., 3, 1101-1108, https://doi.org/10.1038/nprot.2008.73.
  27. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685, https://doi.org/10.1038/227680a0.
  28. Michurina, S., Goltseva, Y., Ratner, E., Dergilev, K., Shestakova, E., Minniakhmetov, I., Rumyantsev, S., Stafeev, I., Shestakova, M., and Parfyonova, Ye. (2025) Artificial intelligence – enabled lipid droplets quantification: comparative analysis of NIS-Elements Segment.ai and ZeroCostDL4Mic StarDist networks for confocal images, Methods, 237, 9-18, https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2025.02.013.
  29. Kriszt, R., Arai, S., Itoh, H., Lee, M. H., Goralczyk, A. G., Ang, X. M., Cypess, A. M., White, A. P., Shamsi, F., Xue, R., Lee, J. Y., Lee, S. C., Hou, Y., Kitaguchi, T., Sudhaharan, T., Ishiwata, S., Lane, E. B., Chang, Y. T., Tseng, Y. H., Suzuki, M., and Raghunath, M. (2017) Optical visualisation of thermogenesis in stimulated single-cell brown adipocytes, Sci. Rep., 7, 1383, https://doi.org/10.1038/s41598-017-00291-9.
  30. Michurina, S., Agareva, M., Ratner, E., Menshikov, M., Stafeev, I., and Parfyonova, Ye. (2024) The simple method of lipolysis/lipogenesis balance assessment based on 14C isotope: advances and importance of pH control, J. Radioanal. Nucl. Chem., 333, 125-134, https://doi.org/10.1007/s10967-023-09198-4.
  31. Stern, J. S., Hirsch, J., Drewnowski, A., Sullivan, A. C., Johnson, P. R., and Cohn, C. K. (1983) Glycerol kinase activity in adipose tissue of obese rats and mice: effects of diet composition, J. Nutr., 113, 714-720, https://doi.org/10.1093/jn/113.3.714.
  32. Iena, F. M., Jul, J. B., Vegger, J. B., Lodberg, A., Thomsen, J. S., Brüel, A., and Lebeck, J. (2020) Sex-specific effect of high-fat diet on glycerol metabolism in murine adipose tissue and liver, Front. Endocrinol., 11, 577650, https://doi.org/10.3389/fendo.2020.577650.
  33. Talley, J. T., and Mohiuddin, S. (2023) Biochemistry, Fatty Acid Oxidation, StatPearls.
  34. Alves-Bezerra, M., and Cohen, D.E. (2017) Triglyceride metabolism in the liver, Compr. Physiol., 8, 1-8, https://doi.org/10.1002/cphy.c170012.
  35. Rotondo, F., Ho-Palma, A. C., Remesar, X., Fernández-López, J. A., Romero, M. D. M., and Alemany, M. (2017) Glycerol is synthesized and secreted by adipocytes to dispose of excess glucose, via glycerogenesis and increased acyl-glycerol turnover, Sci. Rep., 7, 8983, https://doi.org/10.1038/s41598-017-09450-4.
  36. Mottillo, E. P., Balasubramanian, P., Lee, Y. H., Weng, C., Kershaw, E. E., and Granneman, J. G. (2014) Coupling of lipolysis and de novo lipogenesis in brown, beige, and white adipose tissues during chronic β3-adrenergic receptor activation, J. Lipid. Res., 55, 2276-2286, https://doi.org/10.1194/jlr.M050005.
  37. Guilherme, A., Rowland, L. A., Wang, H., and Czech, M. P. (2023) The adipocyte supersystem of insulin and cAMP signaling, Trends Cell. Biol., 33, 340-354, https://doi.org/10.1016/j.tcb.2022.07.009.
  38. Mathiowetz, A. J., and Olzmann, J. A. (2024) Lipid droplets and cellular lipid flux, Nat. Cell. Biol., 26, 331-345, https://doi.org/10.1038/s41556-024-01364-4.
  39. Lin, M. H., Romsos, D. L., and Leveille, G. A. (1976) Effect of glycerol on lipogenic enzyme activities and on fatty acid synthesis in the rat and chicken, J. Nutr., 106, 1668-1677, https://doi.org/10.1093/jn/ 106.11.1668.
  40. Ouyang, S., Zhuo, S., Yang, M., Zhu, T., Yu, S., Li, Y., Ying, H., and Le, Y. (2024) Glycerol kinase drives hepatic de novo lipogenesis and triglyceride synthesis in nonalcoholic fatty liver by activating SREBP-1c transcription, upregulating DGAT1/2 expression, and promoting glycerol metabolism, Adv. Sci. (Weinh)., 11, e2401311, https://doi.org/10.1002/advs.202401311.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Конструкция для гиперэкспрессии ГК усиливает продукцию мРНК глицеролкиназы, а также соответствующего белка. а – Уровень экспрессии мРНК глицеролкиназы; б – уровень экспрессии белка глицеролкиназы; в – репрезентативный иммуноблоттинг. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, критерий Стьюдента. Сокращения: ЛВ – пустой лентивирус, GyK – лентивирус с геном глицеролкиназы

Скачать (295KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Гиперэкспрессия глицеролкиназы в зрелых адипоцитах снижает число ЛК малого и среднего размера относительно контроля. а – Репрезентативные микрофотографии адипоцитов, окрашенных BODIPY493/503 (размерный отрезок – 50 мкм); б – количественная оценка распределения ЛК по размеру. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, ANOVA. Сокращения: ЛВ – контрольный лентивирусный вектор, GyK – вектор, несущий последовательность ГК

Скачать (668KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Гиперэкспрессия ГК в зрелых адипоцитах снижает включение ЖК в состав мелких ЛК. а – Репрезентативные микрофотографии адипоцитов после инкубации с BODIPY-C16 (размерный отрезок – 100 мкм); б – количественная оценка распределения меченых ЛК по размеру. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, ANOVA. Сокращения: ИЗО – изопротеренол; ЛВ – контрольный лентивирусный вектор; GyK – вектор, несущий последовательность ГК; ns – не значимо

Скачать (676KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Гиперэкспрессия ГК вызывает рост захвата глюкозы, а также подавление синтеза ЖК в зрелых адипоцитах. а – Анализ захвата [3H]2-дезоксиглюкозы адипоцитами; б – включение 14С-атомов из [14С]глюкозы в остатки глицерина в ТАГ; в – включение 14С-атомов из [14С]глюкозы в состав ЖК. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, ANOVA. Сокращения: ИЗО – изопротеренол; ИНС – инсулин; ЛВ – контрольный лентивирусный вектор; GyK – вектор, несущий последовательность ГК; ns – не значимо

Скачать (298KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Гиперэкспрессия ГК в зрелых адипоцитах увеличивает количество митохондрий с высоким мембранным потенциалом. а – Репрезентативные микрофотографии адипоцитов, окрашенных JC-1 (размерный отрезок – 25 мкм); б – количество низкопотенциальных митохондрий; в – количество высокопотенциальных митохондрий; г – соотношение между высоко- и низкопотенциальными митохондриями. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, критерий Стьюдента. Сокращения: ЛВ – контрольный лентивирусный вектор, GyK – вектор, несущий последовательность ГК; ns – не значимо

Скачать (924KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Гиперэкспрессия ГК в зрелых адипоцитах усиливает термогенез в базальных условиях и при стимуляции изопротеренолом. а – Репрезентативные микрофотографии адипоцитов, окрашенных ERthermAC (размерный отрезок – 50 мкм); б – расчет активности термогенеза в базальных условиях; в – расчет активности термогенеза при стимуляции изопротеренолом. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, ANOVA. Сокращения: ИЗО – изопротеренол; ЛВ – контрольный лентивирусный вектор; GyK – вектор, несущий последовательность ГК

Скачать (711KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025