Nadine Wieneke

• Der Fettsäurestoffwechsel unterliegt vielfältigen Kontrollmechanismen. So wird der Fettsäureabbau über die Induktion und Aktivität spezifischer Enzyme reguliert. Ein zentraler Regulator ist dabei der nukleäre Rezeptor Peroxisomenproliferator-aktivierter-Rezeptor-α (PPARα). PPARα wird durch freie Fettsäuren in der Zelle aktiviert und fördert über die Induktion von Zielgenen den Fettsäuretransport und -abbau sowie die Gluconeogenese und Ketogenese. Der Anstieg an freien Fettsäuren beim Fasten, aber auch im Diabetes aktiviert PPARα. Unabhängig davon wurde in beiden Stoffwechsellagen auch eine erhöhte Expression des nukleären Rezeptors Constitutiver-Androstan-Rezeptor (CAR) und einiger CAR-Zielgene, vorrangig Enzyme des Fremdstoffmetabolismus wie Cytochrom P450 2B (CYP2B), festgestellt. Bei der Adaption an eine Fastensituation scheinen PPARα- und CAR-Signalwege über einen bisher unbekannten Mechanismus miteinander verschaltet zu sein. In der vorliegenden Arbeit sollte der der Verschaltung zugrunde liegende Mechanismus anhand einesDer Fettsäurestoffwechsel unterliegt vielfältigen Kontrollmechanismen. So wird der Fettsäureabbau über die Induktion und Aktivität spezifischer Enzyme reguliert. Ein zentraler Regulator ist dabei der nukleäre Rezeptor Peroxisomenproliferator-aktivierter-Rezeptor-α (PPARα). PPARα wird durch freie Fettsäuren in der Zelle aktiviert und fördert über die Induktion von Zielgenen den Fettsäuretransport und -abbau sowie die Gluconeogenese und Ketogenese. Der Anstieg an freien Fettsäuren beim Fasten, aber auch im Diabetes aktiviert PPARα. Unabhängig davon wurde in beiden Stoffwechsellagen auch eine erhöhte Expression des nukleären Rezeptors Constitutiver-Androstan-Rezeptor (CAR) und einiger CAR-Zielgene, vorrangig Enzyme des Fremdstoffmetabolismus wie Cytochrom P450 2B (CYP2B), festgestellt. Bei der Adaption an eine Fastensituation scheinen PPARα- und CAR-Signalwege über einen bisher unbekannten Mechanismus miteinander verschaltet zu sein. In der vorliegenden Arbeit sollte der der Verschaltung zugrunde liegende Mechanismus anhand eines Modelsystems, der PPARα-Agonisten-vermittelten Verstärkung der Phenobarbital (PB)-abhängigen Induktion des CAR-Zielgens CYP2B, in vitro untersucht werden. Zudem sollte die physiologische Relevanz einer durch PPARα-Agonisten vermittelten Modulierung der CYP2B-Aktivität in einer Ganztierstudie in vivo belegt werden. Die verwendeten synthetischen PPARα-Agonisten steigerten in primären Hepatozyten der Ratte signifikant die Phenobarbital (PB)-abhängige mRNA- und Protein-Expression sowie die Aktivität von CYP2B. Ohne vorherige PB-Behandlung induzierten PPARα-Agonisten CYP2B nicht. In Gegenwart von PB war die Steigerung der CYP2B-Aktivität durch PPARα-Agonisten dosisabhängig. In einem Luciferase-Reportergenassay wurde gezeigt, dass die Induktion durch PB unter der Kontrolle des CYP2B1-Promotors von einem distalen PBREM (PB-responsive-enhancer-module), an welches CAR binden kann, abhängig war. PPARα-Agonisten steigerten diese PB- und PBREM-abhängige Reportergentranskription und induzierten die CAR-mRNA und CAR-Proteinexpression. Sie aktivierten die Transkription eines Reportergens unter der Kontrolle eines Promotorfragments von bis zu 4,4 kb oberhalb des mutmaßlichen CAR-Transkriptionsstarts. Mit Hilfe von Deletionskonstrukten konnte ein potentielles Peroxisomenproliferator-aktivierter-Rezeptor-responsives Element (PPRE) im CAR-Promotorbereich von -942 bp bis -930 bp identifiziert werden, welches essentiell für die Initiation der Transkription durch PPARα-Agonisten ist. In band shift Experimenten akkumulierte verstärkt Kernprotein mit diesem PPRE. Ein Überschuss an unmarkiertem Wildtyp-CAR-Reportergenvektor, nicht aber an CAR-Reportergenvektor mit PPRE-Deletion, konnte mit dem markierten PPRE um die Bindung von Kernprotein konkurrieren. Nach Chromatin-Immunpräzipitation mit einem PPARα-Antikörper wiederum wurde das betreffende PPRE amplifiziert. Bei in vivo Experimenten an männlichen Ratten resultierte die Behandlung mit PPARα-Agonisten in einer signifikanten Induktion der CAR-mRNA-Expression und signifikant erhöhter PB-abhängiger CYP2B-Aktivität. Die physiologisch Relevanz wurde durch weiterführenden Experimente unterstrichen, in denen gezeigt wurde, dass die Fasten-abhängige Induktion von CAR in PPARα-defizienten Mäusen unterdrückt war. Diese Experimente legen nahe, dass durch PPARα-Agonisten aktiviertes PPARα an das PPRE im CAR-Promotorbereich von -942 bp bis -930 bp bindet und dadurch die CAR-Transkription induziert. Somit kann CAR als PPARα-Zielgen betrachtet werden, was die Schlussfolgerung zulässt, dass die PPARα- und CAR-Signalwege über die direkte Bindung von PPARα an den CAR-Promotor unmittelbar miteinander verknüpft sind. Allerdings ist davon unabhängig eine Aktivierung von CAR, etwa durch PB, für die vermehrte Induktion von CAR-Zielgenen notwendig . Die physiologische Relevanz der PPARα-abhängige CAR-Expression zeigt sich in den Ganztierexperimenten, bei denen die Wirksamkeit der PPARα-Agonisten bestätigt werden konnte. CAR-abhängig induzierte Enzyme sind nicht nur in großem Umfang am Fremdstoffmetabolismus beteiligt, sondern auch am Abbau von Schilddrüsenhormonen und Glucocorticoiden. Sie können damit direkt Einfluss auf den Kohlenhydrat- und Energiestoffwechsel sowie die Regulation der Nahrungsaufnahme nehmen. Über eine PPARα-abhängige Induktion von CAR im Rahmen der Fastenadaption könnten die CAR-Zielgene UDP-Glucuronyltransferase 1A1 und Sulfotransferase N beispielsweise verstärkt Schilddrüsenhormone abbauen und in der Folge den Grundumsatz senken. Der in dieser Arbeit erstmals beschriebene Mechanismus ist dafür von zentraler Bedeutung.…
• Fatty acid metabolism is tightly regulated. Thus the activity and expression level of specific enzymes involved in fatty acid turnover are controlling fatty acid catabolism. The nuclear receptor peroxisome proliferator activated receptor α (PPARα) acts as the key regulator of these pathways. PPARα is activated by intracellular free fatty acids and promotes the fatty acid transport and break down, as well as gluconeogenesis and ketogenesis, via induction of target genes. An increase in free fatty acids as seen in fasting and diabetes activates PPARα. Under these conditions, an elevated expression of another nuclear receptor, the constitutive androstane receptor (CAR) and its target genes, mainly enzymes catalysing biotransformation such as cytochrome P450 2B (CYP2B1), was also observed. It is therefore likely that as yet unidentified modes of interaction between PPARα and CAR signalling exist. The object of the present work was to discover these underlying mechanisms utilising an in vitro model, the PPARα-agonist induced increase ofFatty acid metabolism is tightly regulated. Thus the activity and expression level of specific enzymes involved in fatty acid turnover are controlling fatty acid catabolism. The nuclear receptor peroxisome proliferator activated receptor α (PPARα) acts as the key regulator of these pathways. PPARα is activated by intracellular free fatty acids and promotes the fatty acid transport and break down, as well as gluconeogenesis and ketogenesis, via induction of target genes. An increase in free fatty acids as seen in fasting and diabetes activates PPARα. Under these conditions, an elevated expression of another nuclear receptor, the constitutive androstane receptor (CAR) and its target genes, mainly enzymes catalysing biotransformation such as cytochrome P450 2B (CYP2B1), was also observed. It is therefore likely that as yet unidentified modes of interaction between PPARα and CAR signalling exist. The object of the present work was to discover these underlying mechanisms utilising an in vitro model, the PPARα-agonist induced increase of the phenobarbital (PB)-dependent induction of the CAR target gene CYP2B1. Furthermore, an in vivo study would serve to demonstrate the physiological relevance of a PPARα-agonist induced modulation of the CYP2B activity. The synthetic PPARα agonists under investigation significantly enhanced the PB-dependent mRNA and protein expression as well as activity of CYP2B in primary rat hepatocytes. Without prior treatment with PB, PPARα agonists did not induce CYP2B activity. In the presence of PB, PPARα agonists increased the CYP2B activity dose-dependently. Luciferase reporter gene assays showed that the PB-dependent induction of the CY2B1 promoter relied on a distal PBREM (PB-responsive enhancer module), a well-known CAR binding site. PPARα agonists enhanced this PB- and PBREM-dependent reporter gene transcription and induced the upregulation of CAR mRNA and CAR protein expression. The PPARα agonists also activated the transcription of a reporter gene controlled by up to 4.4 kb upstream of the putative CAR-transcription start site. A potential peroxisome proliferator activated receptor responsive element (PPRE), essential for the initiation of transcription by PPARα agonists, could be identified between -942 bp to -930 bp upstream of the transcription start site using CAR promoter deletion constructs. In subsequent band shift experiments, enhanced nuclear protein accumulation with this specific promoter region was observed. In contrast to unlabelled wild-type CAR reporter gene vector, an excess of unlabelled CAR reporter gene vector with PPRE deletion did not compete with the binding of nuclear protein. Furthermore, this PPRE could be amplified with specific primers after chromatin immunoprecipitation with a PPARα antibody. Treatment of rats with a PPARα agonist resulted in a significant induction of CAR mRNA expression and significantly increased PB-dependent CYP2B activity. A physiological relevance of this newly-discovered mechanism is confirmed by the observation that PPARα-deficient mice, unlike wild-type mice, do not respond to fasting with an increase of CAR mRNA expression. The results of these experiments suggest that activated PPARα binds to the PPRE of the CAR promoter to initiate transcription of the CAR gene. CAR therefore could be regarded as a PPARα target gene, which implicates that PPARα- and CAR-signalling are directly linked through binding of PPARα to the CAR promoter. For subsequent enhanced induction of CAR target genes, activation of CAR, for instance using PB, is required. In vivo studies with PPARα agonists in rats support the relevance of the PPARα-dependent CAR expression. CAR target genes code for enzymes that metabolise not only a wide range of xenobiotics, but also thyroid hormones and glucocorticoids. CAR target genes could therefore directly interfere with carbohydrate and energy metabolism, as well as with food intake. PPARα-dependent induction of CAR upon fasting could lead to an increased expression of the CAR target genes UDP-glucuronyl transferase 1A1 and sulfotransferase N, resulting in an enhanced degradation of thyroid hormones, and decreased resting energy expenditure. The findings of this present study are of primary importance since it is the first time that this mechanism has been described.…