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Investigating metabolic consequences of an HSP60 reduction during diet-induced obesity

Metabolische Folgen einer HSP60 Reduktion während des Diät-induzierten Übergewichts

  • The mitochondrial chaperone complex HSP60/HSP10 facilitates mitochondrial protein homeostasis by folding more than 300 mitochondrial matrix proteins. It has been shown previously that HSP60 is downregulated in brains of type 2 diabetic (T2D) mice and patients, causing mitochondrial dysfunction and insulin resistance. As HSP60 is also decreased in peripheral tissues in T2D animals, this thesis investigated the effect of overall reduced HSP60 in the development of obesity and associated co-morbidities. To this end, both female and male C57Bl/6N control (i.e. without further alterations in their genome, Ctrl) and heterozygous whole-body Hsp60 knock-out (Hsp60+/-) mice, which exhibit a 50 % reduction of HSP60 in all tissues, were fed a normal chow diet (NCD) or a highfat diet (HFD, 60 % calories from fat) for 16 weeks and were subjected to extensive metabolic phenotyping including indirect calorimetry, NMR spectroscopy, insulin, glucose and pyruvate tolerance tests, vena cava insulin injections, as well as histological and molecularThe mitochondrial chaperone complex HSP60/HSP10 facilitates mitochondrial protein homeostasis by folding more than 300 mitochondrial matrix proteins. It has been shown previously that HSP60 is downregulated in brains of type 2 diabetic (T2D) mice and patients, causing mitochondrial dysfunction and insulin resistance. As HSP60 is also decreased in peripheral tissues in T2D animals, this thesis investigated the effect of overall reduced HSP60 in the development of obesity and associated co-morbidities. To this end, both female and male C57Bl/6N control (i.e. without further alterations in their genome, Ctrl) and heterozygous whole-body Hsp60 knock-out (Hsp60+/-) mice, which exhibit a 50 % reduction of HSP60 in all tissues, were fed a normal chow diet (NCD) or a highfat diet (HFD, 60 % calories from fat) for 16 weeks and were subjected to extensive metabolic phenotyping including indirect calorimetry, NMR spectroscopy, insulin, glucose and pyruvate tolerance tests, vena cava insulin injections, as well as histological and molecular analysis. Interestingly, NCD feeding did not result in any striking phenotype, only a mild increase in energy expenditure in Hsp60+/- mice. Exposing mice to a HFD however revealed an increased body weight due to higher muscle mass in female Hsp60+/- mice, with a simultaneous decrease in energy expenditure. Additionally, these mice displayed decreased fasting glycemia. Opposingly, male Hsp60+/- compared to control mice showed lower body weight gain due to decreased fat mass and an increased energy expenditure, strikingly independent of lean mass. Further, only male Hsp60+/- mice display improved HOMA-IR and Matsuda insulin sensitivity indices. Despite the opposite phenotype in regards to body weight development, Hsp60+/- mice of both sexes show a significantly higher cell number, as well as a reduction in adipocyte size in the subcutaneous and gonadal white adipose tissue (sc/gWAT). Curiously, this adipocyte hyperplasia – usually associated with positive aspects of WAT function – is disconnected from metabolic improvements, as the gWAT of male Hsp60+/- mice shows mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and insulin resistance. Transcriptomic analysis of gWAT shows an up regulation of genes involved in macroautophagy. Confirmatory, expression of microtubuleassociated protein 1A/1B light chain 3B (LC3), as a protein marker of autophagy, and direct measurement of lysosomal activity is increased in the gWAT of male Hsp60+/- mice. In summary, this thesis revealed a novel gene-nutrient interaction. The reduction of the crucial chaperone HSP60 did not have large effects in mice fed a NCD, but impacted metabolism during DIO in a sex-specific manner, where, despite opposing body weight and body composition phenotypes, both female and male Hsp60+/- mice show signs of protection from high fat diet-induced systemic insulin resistance.show moreshow less
  • Der mitochondriale Chaperonkomplex HSP60/10 ist für die korrekte Faltung von über 300 mitochondrialen Matrixproteinen verantwortlich. Es wurde bereits gezeigt, dass HSP60 in Gehirnen von Patienten sowie Mäusen mit Typ 2 Diabetes (T2D) reduziert ist, was zu mitochondrialer Dysfunktion und Insulinresistenz führt. HSP60 ist darüber hinaus auch in peripheren Organen von T2D Mäusen reduziert. Die hier vorliegende Arbeit hat daher den Einfluss einer generellen Reduktion von HSP60 auf die Entwicklung von Übergewicht und die damit assoziierten Komorbiditäten untersucht. Hierfür wurden weibliche und männliche C57Bl/6N Kontroll Mäuse (d.h. ohne wietere Veränderung ihres Genoms, Ctrl), sowie C57Bl/6N Mäuse mit einer heterozygoten Deletion von HSP60 (Hsp60+/-) genutzt. Die Hsp60+/- Maus zeigt eine 50 % Reduktion von HSP60 in allen Geweben. Allen Tieren wurde in der Folge entweder eine normale Haltungsdiät (NCD) oder eine 60 % Hochfettdiät (HFD) gefüttert und einer intensiven metabolischen Charakterisierung unterzogen. Dies beinhalteteDer mitochondriale Chaperonkomplex HSP60/10 ist für die korrekte Faltung von über 300 mitochondrialen Matrixproteinen verantwortlich. Es wurde bereits gezeigt, dass HSP60 in Gehirnen von Patienten sowie Mäusen mit Typ 2 Diabetes (T2D) reduziert ist, was zu mitochondrialer Dysfunktion und Insulinresistenz führt. HSP60 ist darüber hinaus auch in peripheren Organen von T2D Mäusen reduziert. Die hier vorliegende Arbeit hat daher den Einfluss einer generellen Reduktion von HSP60 auf die Entwicklung von Übergewicht und die damit assoziierten Komorbiditäten untersucht. Hierfür wurden weibliche und männliche C57Bl/6N Kontroll Mäuse (d.h. ohne wietere Veränderung ihres Genoms, Ctrl), sowie C57Bl/6N Mäuse mit einer heterozygoten Deletion von HSP60 (Hsp60+/-) genutzt. Die Hsp60+/- Maus zeigt eine 50 % Reduktion von HSP60 in allen Geweben. Allen Tieren wurde in der Folge entweder eine normale Haltungsdiät (NCD) oder eine 60 % Hochfettdiät (HFD) gefüttert und einer intensiven metabolischen Charakterisierung unterzogen. Dies beinhaltete indirekte Kalorimetrie, NMR Spektroskopie, Insulin, Glukose und Pyruvat Toleranztests, direkte vena cava Insulinapplikation, sowie eingehende histologische und molekulare Untersuchungen. Interessanterweise zeigte die Fütterung mit der NCD keine stark ausgeprägten Phänotypen, lediglich ein leichter Anstieg im Energieverbrauch war zu beobachten. Die Fütterung mit der HFD dagegen führte auf Grund von größerer Muskelmasse zu einem erhöhten Körpergewicht in weiblichen Hsp60+/- Mäusen, was mit gleichzeitig verringertem Energieverbrauch einherging. Zusätzlich war bei diesen Mäusen der gefastete Bluzuckerspiegel verringert. Im Gegensatz dazu zeigten männliche Hsp60+/- Mäuse ein verringertes Körpergewicht, bedingt durch eine geringere Fettmasse sowie erhöhtem Energieverbrauch. Darüber hinaus war bei männlichen Hsp60+/- Mäusen eine Verbesserung der Insulin Sensitivitätsindizes HOMA-IR und Matsuda Index zu verzeichnen. Trotz dieses gegenteiligen Phänotyps zeigten beide Geschlechter eine erhöhte Zellzahl, sowie eine verringerte Zellgröße der Adipozyten im subkutanen und gonadalen weißen Fettgewebe (sc/gWAT (engl: white adipose tissue)). Überraschenderweise ist diese Adipozytenhyperplasie – normalerweise assoziiert mit verbesserter Fettgewebsfunktion – losgelöst von verbesserter WAT Funktion, da das gWAT männlicher Hsp60+/- Mäuse mitochondriale Dysfunktion, oxidativen Stress und Insulinresistenz zeigt. Eine folgende Transkriptomanalyse gab Hinweise auf eine Induktion der Makroautophagie. Bestätigend hierfür ist im gWAT der heterozygoten Mäuse die Expression des Autophagie Markers microtubule-associated protein 1A/1B light chain 3B (LC3), sowie die direkt gemessene lysosomale Aktivität erhöht. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit eine neuartige Gen-Nährstoff Interaktion gezeigt werden. So zeigte die Reduktion des wichtigen Chaperons HSP60 unter NCD Fütterung nur schwache Effekte, während unter Hochfettdiätfütterung der Stoffwechsel geschlechtsspezifisch beinflusst wurde. Obwohl die beiden Geschlechter der Hsp60+/- Mäuse gegenteilige Phänotypen im Bezug auf Körpergewicht und Körperzusammensetzung aufwiesen, zeigen beide Anzeichen eines Schutzes vor Hochfettdiät-induzierter Insulinresistenz.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Robert HauffeORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509294
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-50929
Reviewer(s):André KleinriddersORCiDGND, Annette SchürmannORCiDGND
Supervisor(s):André Kleinridders, Annette Schürmann
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first publication:2021/06/15
Publication year:2021
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2021/05/26
Release date:2021/06/15
Tag:Adipositas; Fettgewebe; Insulinresistenz; Mitochondrien
Adipose tissue; Insulin resistance; Mitochondria; Obesity
Number of pages:xxi, 116
RVK - Regensburg classification:WW 1541, YC 8104
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Ernährungswissenschaft
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
MSC classification:92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
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