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The intake of high-fat diets (HFDs) containing large amounts of saturated long-chain fatty acids leads to obesity, oxidative stress, inflammation, and insulin resistance. The trace element selenium, as a crucial part of antioxidative selenoproteins, can protect against the development of diet-induced insulin resistance in white adipose tissue (WAT) by increasing glutathione peroxidase 3 (GPx3) and insulin receptor (IR) expression. Whether selenite (Se) can attenuate insulin resistance in established lipotoxic and obese conditions is unclear. We confirm that GPX3 mRNA expression in adipose tissue correlates with BMI in humans. Cultivating 3T3-L1 pre-adipocytes in palmitate-containing medium followed by Se treatment attenuates insulin resistance with enhanced GPx3 and IR expression and adipocyte differentiation. However, feeding obese mice a selenium-enriched high-fat diet (SRHFD) only resulted in a modest increase in overall selenoprotein gene expression in WAT in mice with unaltered body weight development, glucose tolerance, and insulin resistance. While Se supplementation improved adipocyte morphology, it did not alter WAT insulin sensitivity. However, mice fed a SRHFD exhibited increased insulin content in the pancreas. Overall, while selenite protects against palmitate-induced insulin resistance in vitro, obesity impedes the effect of selenite on insulin action and adipose tissue metabolism in vivo.
Soils in Germany are commonly low in selenium; consequently, a sufficient dietary supply is not always ensured. The extent of such provision adequacy is estimated by the optimal effect range of biomarkers, which often reflects the physiological requirement. Preceding epidemiological studies indicate that low selenium serum concentrations could be related to cardiovascular diseases. Inter alia, risk factors for cardiovascular diseases are physical inactivity, overweight, as well as disadvantageous eating habits. In order to assess whether these risk factors can be modulated, a cardio-protective diet comprising fixed menu plans combined with physical exercise was applied in the German MoKaRi (modulation of cardiovascular risk factors) intervention study. We analyzed serum samples of the MoKaRi cohort (51 participants) for total selenium, GPx activity, and selenoprotein P at different timepoints of the study (0, 10, 20, 40 weeks) to explore the suitability of these selenium-associated markers as indicators of selenium status. Overall, the time-dependent fluctuations in serum selenium concentration suggest a successful change in nutritional and lifestyle behavior. Compared to baseline, a pronounced increase in GPx activity and selenoprotein P was observed, while serum selenium decreased in participants with initially adequate serum selenium content. SELENOP concentration showed a moderate positive monotonic correlation (r = 0.467, p < 0.0001) to total Se concentration, while only a weak linear relationship was observed for GPx activity versus total Se concentration (r = 0.186, p = 0.021). Evidently, other factors apart from the available Se pool must have an impact on the GPx activity, leading to the conclusion that, without having identified these factors, GPx activity should not be used as a status marker for Se
Investigation of processes that contribute to the maintenance of genomic stability is one crucial factor in the attempt to understand mechanisms that facilitate ageing. The DNA damage response (DDR) and DNA repair mechanisms are crucial to safeguard the integrity of DNA and to prevent accumulation of persistent DNA damage. Among them, base excision repair (BER) plays a decisive role. BER is the major repair pathway for small oxidative base modifications and apurinic/apyrimidinic (AP) sites. We established a highly sensitive non-radioactive assay to measure BER incision activity in murine liver samples. Incision activity can be assessed towards the three DNA lesions 8-oxo-2’-deoxyguanosine (8-oxodG), 5-hydroxy-2’-deoxyuracil (5-OHdU), and an AP site analogue. We applied the established assay to murine livers of adult and old mice of both sexes. Furthermore, poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation) was assessed, which is an important determinant in DDR and BER. Additionally, DNA damage levels were measured to examine the overall damage levels. No impact of ageing on the investigated endpoints in liver tissue were found. However, animal sex seems to be a significant impact factor, as evident by sex-dependent alterations in all endpoints investigated. Moreover, our results revealed interrelationships between the investigated endpoints indicative for the synergetic mode of action of the cellular DNA integrity maintaining machinery.
Trace elements, like Cu, Zn, Fe, or Se, are important for the proper functioning of antioxidant enzymes. However, in excessive amounts, they can also act as pro-oxidants. Accordingly, trace elements influence redox-modulated signaling pathways, such as the Nrf2 pathway. Vice versa, Nrf2 target genes belong to the group of transport and metal binding proteins. In order to investigate whether Nrf2 directly regulates the systemic trace element status, we used mice to study the effect of a constitutive, whole-body Nrf2 knockout on the systemic status of Cu, Zn, Fe, and Se. As the loss of selenoproteins under Se-deprived conditions has been described to further enhance Nrf2 activity, we additionally analyzed the combination of Nrf2 knockout with feeding diets that provide either suboptimal, adequate, or supplemented amounts of Se. Experiments revealed that the Nrf2 knockout partially affected the trace element concentrations of Cu, Zn, Fe, or Se in the intestine, liver, and/or plasma. However, aside from Fe, the other three trace elements were only marginally modulated in an Nrf2-dependent manner. Selenium deficiency mainly resulted in increased plasma Zn levels. One putative mediator could be the metal regulatory transcription factor 1, which was up-regulated with an increasing Se supply and downregulated in Se-supplemented Nrf2 knockout mice.
Das seit 1957 als essentiell klassifizierte Spurenelement Selen vermittelt seine Funktion hauptsächlich durch seinen Einbau in Selenoproteine in Form der 21. proteinogenen Aminosäure Selenocystein. Insgesamt wurden 25 humane Gene für Selenoproteine identifiziert, deren genaue Funktion häufig noch nicht bekannt ist. Selen ist das einzige Mitglied aus der Gruppe der Mikronährstoffe, für das nach wie vor eine antikanzerogene Funktion vor allem in Bezug auf Darmkrebs postuliert wird. Die Grundlage dafür liefert eine Interventionsstudie, bei der 1.312 Probanden für 4,5 Jahre mit 200 μg Selen/Tag supplementiert wurden. Dies resultierte in einer Senkung der Gesamtkrebsmortalität um 50 %. Die Fragen einer optimalen Selenzufuhr, die nicht nur den Bedarf deckt, sondern auch die Entfaltung der antikanzerogenen Wirkung von Selen gewährleistet und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind noch ungeklärt. Zudem liegt die Selenzufuhr bei einem Großteil der europäischen Bevölkerung unter den Empfehlungen. Deshalb wurden in der vorliegenden Arbeit vier Wochen alte Mäuse für sechs Wochen marginal defizient (0,086 mg/kg Futter) bzw. selenadäquat (0,15 mg/kg Futter) gefüttert. Dieser geringe Unterschied im Selengehalt resultierte in einer Senkung des Plasmaselenspiegels der selenarmen Tiere auf 13 % und der GPx-Aktivität in der Leber auf 35 %. Zunächst wurde der Einfluss von Selen auf die globale Genexpression im murinen Colon mittels Microarray untersucht. Von den im Colon exprimierten Selenoproteinen reagierte die mRNA von SelW, SelH, GPx1 und SelM im Selenmangel besonders deutlich mit Expressionsverlust. Da diese Selenoproteine nicht nur im Colon, sondern auch in Leukozyten reguliert waren, sind sie auch als humane Biomarker für die in dieser Studie gewählte Schwankung des Selengehalts geeignet. Des Weiteren wurde auf Basis der Microarraydaten eine Signalweganalyse durchgeführt, die der Identifizierung krebsrelevanter Signalwege diente, um mögliche molekularbiologische Erklärungsansätze für die Rolle von Selen im Krebsgeschehen zu finden. Es zeigte sich, dass die mRNA von Schlüsselgenen des Wnt-Signalwegs wie β-Catenin, Gsk3β, Dvl2, Tle2, Lef1 und c-Myc auf Schwankungen des Selengehalts reagiert. Vor allem die Induktion von c-Myc, einem Zielgen des Wnt-Signalwegs, deutet darauf hin, dass dieser im Selenmangel tatsächlich aktiver ist als bei selenadäquater Versorgung. Ein weiterer möglicher Erklärungsansatz für die postulierte präventive Funktion von Selen gegenüber Darmkrebs ist die gastrointestinale Glutathionperoxidase (GPx2), die physiologisch in den proliferierenden Zellen des Kryptengrunds exprimiert wird. Die Regulation dieses Enzyms durch den Wnt-Signalweg, der ebenfalls in proliferierenden Zellen aktiv ist, konnte mittels Reportergenanalyse und endogen auf mRNA- und Proteinebene in Zellkultur gezeigt werden. Die Aktivierung verkürzter Promotorkonstrukte und die Mutation eines potentiellen Bindeelements identifizierten den für die Bindung von TCF und β-Catenin verantwortlichen Bereich. Als Zielgen des Wnt-Signalwegs scheint GPx2 zu den an Proliferationsprozessen beteiligten Genen zu gehören, was unter physiologischen Bedingungen die Aufrechterhaltung des intestinalen Epithels gewährleistet. Bei der Entstehung intestinaler Tumore, die in der Initiationsphase zu über 90 % mit einer konstitutiven Aktivierung des Wnt-Signalwegs einhergeht, wirkt GPx2 möglicherweise prokanzerogen. Die genaue Funktion von GPx2 während der Kanzerogenese bleibt weiter zu untersuchen.