Hormonal regulation of neuronal mitochondrial unfolded protein response and its impact on metabolism

  • The hypothalamus is the main brain area of central regulation of whole body metabolism through impacting food intake and energy expenditure. For the complex regulation, high amounts of energy are needed and mainly provided by mitochondria. Hence, mitochondrial function is crucial for cell homeostasis and modulates central insulin sensitivity. Thus, mitochondrial dysfunction is associated with insulin resistance in the brain and therefore is involved in the pathogenesis of type-2 diabetes (T2D). Mitochondrial health and protein homeostasis is propagated by mitochondrial stress responses like e.g. mitochondrial unfolded protein response (UPRmt). Therefore, studies regarding the regulation of mitochondrial homeostasis are crucial for understanding its effects on the central nervous system (CNS) for the progression of metabolic and nutrition-dependent disorders. One main aim of this thesis was to investigate the metabolic regulation of mitochondrial stress responsiveness in the hypothalamus. The observed results showed that functionalThe hypothalamus is the main brain area of central regulation of whole body metabolism through impacting food intake and energy expenditure. For the complex regulation, high amounts of energy are needed and mainly provided by mitochondria. Hence, mitochondrial function is crucial for cell homeostasis and modulates central insulin sensitivity. Thus, mitochondrial dysfunction is associated with insulin resistance in the brain and therefore is involved in the pathogenesis of type-2 diabetes (T2D). Mitochondrial health and protein homeostasis is propagated by mitochondrial stress responses like e.g. mitochondrial unfolded protein response (UPRmt). Therefore, studies regarding the regulation of mitochondrial homeostasis are crucial for understanding its effects on the central nervous system (CNS) for the progression of metabolic and nutrition-dependent disorders. One main aim of this thesis was to investigate the metabolic regulation of mitochondrial stress responsiveness in the hypothalamus. The observed results showed that functional ERK-dependent insulin signaling is needed for regulation of mitochondrial stress response (MSR) genes and positively impacted the metabolism by controlling mitochondrial proteostasis without affecting mitochondrial biogenesis. To further explore the role of MSR genes for brain cell homeostasis and its consequences for the metabolism, one of the key players - the mitochondrial chaperone heat shock protein 10 (Hsp10) – was studied in detail. Hsp10 expression was decreased in insulin-resistant, hyperglycemic db/db mice brains along with increased protein oxidation. Leptin, another key hormone in regulating metabolism, was able to induce Hsp10 in neurons. Appropriately, lentiviral-mediated knock down (KD) of Hsp10 introduced into hypothalamic CLU-183 cells induced mitochondrial dysfunction, altered mitochondrial dynamics and increased contact sites between mitochondria and endoplasmic reticulum (ER). In addition, Hsp10 KD caused cellular insulin resistance along with increasing oxidative stress specifically in mitochondrial fraction. Interestingly, acute Hsp10 KD in the arcuate nucleus of the hypothalamus in C57BL/6N male mice did not change body weight or food intake, but it increased plasma leptin concentrations suggesting an effect on global leptin signaling. It increased hepatic markers of gluconeogenesis and hepatic insulin resistance along with features of low-grade inflammation. Long-term studies of hypothalamic Hsp10 KD mice revealed unaltered systemic insulin sensitivity. The demonstrated increase in markers of hepatic gluconeogenesis of acute Hsp10 KD was still exhibited after 13 weeks, but insulin resistance in the liver was no longer observed. In conclusion, hypothalamic insulin action regulates MSR and ensures proper mitochondrial function which positively affects metabolism. In addition, hypothalamic Hsp10 acts as a modulator of both insulin and leptin signaling and is identified as pivotal for the regulation of central mitochondrial function as well as insulin sensitivity in the brain and it impacts liver function. It may present a regulator of brain-liver crosstalk influencing hepatic gluconeogenesis and insulin sensitivity through a novel regulatory signaling mechanism.show moreshow less
  • Die zentrale Regulation des Metabolismus wird vom Hypothalamus gesteuert, indem diese Hirnregion die Nahrungsaufnahme sowie den Energieverbrauch reguliert. Dieser komplexe Regulations-Mechanismus benötigt eine enorme Menge an Energie, die hauptsächlich von Mitochondrien produziert wird. Somit ist die mitochondriale Funktion existenziell für die Zell-Homöostase und in einigen Studien konnte gezeigt werden, dass diese Funktion ebenfalls mit der zentralen Insulin-Sensitivität zusammenhängt. Mitochondriale Dysfunktion hingegen ist mit Insulin-Resistenz im Gehirn assoziiert und damit an der Pathogenese und Progression von Diabetes Typ 2 beteiligt. Mitochondriale Stressantworten wie zum Beispiel die mitochondriale ungefaltete Proteinantwort (mitochondrial unfolded stress response) ermöglichen die Protein-Homöostase und einwandfreie Funktion der Mitochondrien. Folglich sind Untersuchungen der Regulation der mitochondrialen Funktion von großer Bedeutung für das Verständnis der zentralnervösen Auswirkungen auf die EntwicklungDie zentrale Regulation des Metabolismus wird vom Hypothalamus gesteuert, indem diese Hirnregion die Nahrungsaufnahme sowie den Energieverbrauch reguliert. Dieser komplexe Regulations-Mechanismus benötigt eine enorme Menge an Energie, die hauptsächlich von Mitochondrien produziert wird. Somit ist die mitochondriale Funktion existenziell für die Zell-Homöostase und in einigen Studien konnte gezeigt werden, dass diese Funktion ebenfalls mit der zentralen Insulin-Sensitivität zusammenhängt. Mitochondriale Dysfunktion hingegen ist mit Insulin-Resistenz im Gehirn assoziiert und damit an der Pathogenese und Progression von Diabetes Typ 2 beteiligt. Mitochondriale Stressantworten wie zum Beispiel die mitochondriale ungefaltete Proteinantwort (mitochondrial unfolded stress response) ermöglichen die Protein-Homöostase und einwandfreie Funktion der Mitochondrien. Folglich sind Untersuchungen der Regulation der mitochondrialen Funktion von großer Bedeutung für das Verständnis der zentralnervösen Auswirkungen auf die Entwicklung ernährungsbedingter Störungen des Metabolismus. Eine der Zielstellungen dieser Doktorarbeit war die Untersuchung der metabolischen Regulation der hypothalamische Stressantwort der Mitochondrien. Die hier durchgeführten Studien zeigten, dass die funktionelle Insulin Signalkaskade für die Regulierung der mitochondrialen Stressantwort (MSR) benötigt wird und dies durch die Kontrolle der Proteostase der Mitochondrien positive Effekte auf den Metabolismus hat. Zur genaueren Klärung der Aufgabe der mitochondrialen Stressantwort für die Homöostase der Gehirnzelle und dessen Auswirkungen für den Metabolismus wurde eines der Mitglieder dieser Stressantwort, das mitochondriale Chaperon Hitzeschock-Protein 10 (Hsp10), näher untersucht. Zunächst konnte dargelegt werden, dass die Expression von Hsp10 in Gehirnen von Insulin-resistenten, hyperglykämischen db/db Mäusen verringert ist. Diese Mäuse zeigen zusätzlich eine Erhöhung der Oxidation von Proteinen im Gehirn, ein weiteres Merkmal des Krankheitsbildes von Diabetes Typ 2. Darüber hinaus zeigten die vorliegenden Studien, dass Leptin, ein weiteres für die Regulation des Metabolismus wichtiges Hormon, die Expression von Hsp10 in Neuronen induzieren konnte. Der lentiviral-vermittelte knockdown von Hsp10 in der hypothalamischen, neuronalen Zelllinie CLU 183 hingegen verursacht mitochondriale Dysfunktion, sowie eine veränderte mitochondriale Dynamik einhergehend mit erhöhtem Kontakt von Mitochondrien mit dem endoplasmatischen Retikulum. Zusätzlich wurde Mitochondrien-spezifischer oxidativer Stress von der Reduzierung von Hsp10 verursacht und eine Insulin-Resistenz ausgelöst. Interessanterweise beeinflusste der akute knockdown der Hsp10 Expression im Nucleus Arcuatus des Hypothalamus in männlichen C57BL/6N Mäusen weder das Körpergewicht noch die Futteraufnahme, jedoch war die Plasma-Konzentration von Leptin erhöht. Dies deutet auf einen Effekt von zentralem Hsp10 auf die systemische Leptin-Signalwirkung hin. Außerdem wurde durch die akute Verringerung von hypothalamischen Hsp10 PEPCK in der Leber induziert, ein wichtiges Protein der Gluconeogenese, sowie eine hepatische Insulin-Resistenz ausgelöst, verbunden mit Anzeichen einer schwachen Inflammation dieses Gewebes. Bei verlängerter Reduktion der Expression von Hsp10 im Hypothalamus wurde die systemische Insulin-Sensitivität der Mäuse nicht verändert. Die hepatische Insulin-Resistenz war nach 13 Wochen des hypothalamischen knockdown von Hsp10 in C57BL/6N Mäusen nicht mehr zu beobachten, aber die Induktion des Gluconeogenese-Gens PEPCK in der Leber war weiterhin existent. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die hypothalamische Insulin-Signalwirkung die mitochondriale Stressantwort reguliert und somit die Funktion der Mitochondrien gewährleistet, was den Metabolismus positiv beeinflusst. Des Weiteren deuten die diskutierten Ergebnisse darauf hin, dass Hsp10 im Hypothalamus ein Modulator der Insulin- sowie Leptinsignalwirkung des Körpers ist. Hsp10 ist entscheidend für die Regulierung der zentralen Funktion der Mitochondrien sowie der Insulin-Sensitivität in Gehirn und beeinflusst die Leberfunktion. Die Konsequenzen der Verringerung von Hsp10 im Hypothalamus modulieren die hepatische Gluconeogenese und Insulin-Sensitivität. Daraus folgend wird Hsp10 als neuer Regulator der Kommunikation zwischen Gehirn und Leber identifiziert, mit einem in diesem Falle noch unbekannten Mechanismus der Signalweiterleitung zwischen den beiden Organen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kristina Wardelmann
Referee:Annette SchürmannGND, Tilman GruneGND, Kai KappertORCiD
Advisor:André Kleinridders
Document Type:Article
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/12/06
Release Date:2020/01/14
Pagenumber:108
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Ernährungswissenschaft
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie