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Interplay of Dietary Fatty Acids and Cholesterol Impacts Brain Mitochondria and Insulin Action
(2020)
Overconsumption of high-fat and cholesterol-containing diets is detrimental for metabolism and mitochondrial function, causes inflammatory responses and impairs insulin action in peripheral tissues. Dietary fatty acids can enter the brain to mediate the nutritional status, but also to influence neuronal homeostasis. Yet, it is unclear whether cholesterol-containing high-fat diets (HFDs) with different combinations of fatty acids exert metabolic stress and impact mitochondrial function in the brain. To investigate whether cholesterol in combination with different fatty acids impacts neuronal metabolism and mitochondrial function, C57BL/6J mice received different cholesterol-containing diets with either high concentrations of long-chain saturated fatty acids or soybean oil-derived poly-unsaturated fatty acids. In addition, CLU183 neurons were stimulated with combinations of palmitate, linoleic acid and cholesterol to assess their effects on metabolic stress, mitochondrial function and insulin action. The dietary interventions resulted in a molecular signature of metabolic stress in the hypothalamus with decreased expression of occludin and subunits of mitochondrial electron chain complexes, elevated protein carbonylation, as well as c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. Palmitate caused mitochondrial dysfunction, oxidative stress, insulin and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) resistance, while cholesterol and linoleic acid did not cause functional alterations. Finally, we defined insulin receptor as a novel negative regulator of metabolically stress-induced JNK activation.
Interplay of Dietary Fatty Acids and Cholesterol Impacts Brain Mitochondria and Insulin Action
(2020)
Overconsumption of high-fat and cholesterol-containing diets is detrimental for metabolism and mitochondrial function, causes inflammatory responses and impairs insulin action in peripheral tissues. Dietary fatty acids can enter the brain to mediate the nutritional status, but also to influence neuronal homeostasis. Yet, it is unclear whether cholesterol-containing high-fat diets (HFDs) with different combinations of fatty acids exert metabolic stress and impact mitochondrial function in the brain. To investigate whether cholesterol in combination with different fatty acids impacts neuronal metabolism and mitochondrial function, C57BL/6J mice received different cholesterol-containing diets with either high concentrations of long-chain saturated fatty acids or soybean oil-derived poly-unsaturated fatty acids. In addition, CLU183 neurons were stimulated with combinations of palmitate, linoleic acid and cholesterol to assess their effects on metabolic stress, mitochondrial function and insulin action. The dietary interventions resulted in a molecular signature of metabolic stress in the hypothalamus with decreased expression of occludin and subunits of mitochondrial electron chain complexes, elevated protein carbonylation, as well as c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. Palmitate caused mitochondrial dysfunction, oxidative stress, insulin and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) resistance, while cholesterol and linoleic acid did not cause functional alterations. Finally, we defined insulin receptor as a novel negative regulator of metabolically stress-induced JNK activation.
Weltweit sind fast 40 % der Bevölkerung übergewichtig und die Prävalenz von Adipositas, Insulinresistenz und den resultierenden Folgeerkrankungen wie dem Metabolischen Syndrom und Typ-2-Diabetes steigt rapide an. Als häufigste Ursachen werden diätetisches Fehlverhalten und mangelnde Bewegung angesehen. Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD), deren Hauptcharakteristikum die exzessive Akkumulation von Lipiden in der Leber ist, korreliert mit dem Body Mass Index (BMI). NAFLD wird als hepatische Manifestation des Metabolischen Syndroms angesehen und ist inzwischen die häufigste Ursache für Leberfunktionsstörungen. Die Erkrankung umfasst sowohl die benigne hepatische Steatose (Fettleber) als auch die progressive Form der nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH), bei der die Steatose von Entzündung und Fibrose begleitet ist. Die Ausbildung einer NASH erhöht das Risiko, ein hepatozelluläres Karzinom (HCC) zu entwickeln und kann zu irreversibler Leberzirrhose und terminalem Organversagen führen. Nahrungsbestandteile wie Cholesterol und Fett-reiche Diäten werden als mögliche Faktoren diskutiert, die den Übergang einer einfachen Fettleber zur schweren Verlaufsform der Steatohepatitis / NASH begünstigen. Eine Ausdehnung des Fettgewebes wird von Insulinresistenz und einer niedrig-gradigen chronischen Entzündung des Fettgewebes begleitet. Neben Endotoxinen aus dem Darm gelangen Entzündungsmediatoren aus dem Fettgewebe zur Leber. Als Folge werden residente Makrophagen der Leber, die Kupfferzellen, aktiviert, die eine Entzündungsantwort initiieren und weitere pro-inflammatorische Mediatoren freisetzen, zu denen Chemokine, Cytokine und Prostanoide wie Prostaglandin E2 (PGE2) gehören. In dieser Arbeit soll aufgeklärt werden, welchen Beitrag PGE2 an der Ausbildung von Insulinresistenz, hepatischer Steatose und Entzündung im Rahmen von Diät-induzierter NASH im komplexen Zusammenspiel mit der Regulation der Cytokin-Produktion und anderen Co-Faktoren wie Hyperinsulinämie und Hyperlipidämie hat. In murinen und humanen Makrophagen-Populationen wurde untersucht, welche Faktoren die Bildung von PGE2 fördern und wie PGE2 die Entzündungsantwort aktivierter Makrophagen reguliert. In primären Hepatozyten der Ratte sowie in isolierten humanen Hepatozyten und Zelllinien wurde der Einfluss von PGE2 allein und in Kombination mit Cytokinen, deren Bildung durch PGE2 beeinflusst werden kann, auf die Insulin-abhängige Regulation des Glucose- und Lipid-stoffwechsels untersucht. Um den Einfluss von PGE2 im komplexen Zusammenspiel der Zelltypen in der Leber und im Gesamtorganismus zu erfassen, wurden Mäuse, in denen die PGE2-Synthese durch die Deletion der mikrosomalen PGE-Synthase 1 (mPGES1) vermindert war, mit einer NASH-induzierenden Diät gefüttert. In Lebern von Patienten mit NASH oder in Mäusen mit Diät-induzierter NASH war die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme Cyclooxygenase 2 (COX2) und mPGES1 sowie die Bildung von PGE2 im Vergleich zu gesunden Kontrollen gesteigert und korrelierte mit dem Schweregrad der Lebererkrankung. In primären Makrophagen aus den Spezies Mensch, Maus und Ratte sowie in humanen Makrophagen-Zelllinien war die Bildung pro-inflammatorischer Mediatoren wie Chemokinen, Cytokinen und Prostaglandinen wie PGE2 verstärkt, wenn die Zellen mit Endotoxinen wie Lipopolysaccharid (LPS), Fettsäuren wie Palmitinsäure, Cholesterol und Cholesterol-Kristallen oder Insulin, das als Folge der kompensatorischen Hyperinsulinämie bei Insulinresistenz verstärkt freigesetzt wird, inkubiert wurden. Insulin steigerte dabei synergistisch mit LPS oder Palmitinsäure die Synthese von PGE2 sowie der anderen Entzündungsmediatoren wie Interleukin (IL) 8 und IL-1β. PGE2 reguliert die Entzündungsantwort: Neben der Induktion der eigenen Synthese-Enzyme verstärkte PGE2 die Expression der Immunzell-rekrutierenden Chemokine IL-8 und (C-C-Motiv)-Ligand 2 (CCL2) sowie die der pro-inflammatorischen Cytokine IL-1β und IL-6 in Makrophagen und kann so zur Verstärkung der Entzündungsreaktion beitragen. Außerdem förderte PGE2 die Bildung von Oncostatin M (OSM) und OSM induzierte in einer positiven Rückkopplungsschleife die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme. Andererseits hemmte PGE2 die basale und LPS-vermittelte Bildung des potenten pro-inflammatorischen Cytokins Tumornekrosefaktor α (TNFα) und kann so die Entzündungsreaktion abschwächen. In primären Hepatozyten der Ratte und humanen Hepatozyten beeinträchtigte PGE2 direkt die Insulin-abhängige Aktivierung der Insulinrezeptor-Signalkette zur Steigerung der Glucose-Verwertung, in dem es durch Signalketten, die den verschiedenen PGE2-Rezeptoren nachgeschaltet sind, Kinasen wie ERK1/2 und IKKβ aktivierte und eine inhibierende Serin-Phosphorylierung der Insulinrezeptorsubstrate bewirkte. PGE2 verstärkte außerdem die IL-6- oder OSM-vermittelte Insulinresistenz und Steatose in primären Hepatozyten der Ratte. Die Wirkung von PGE2 im Gesamtorganismus sollte in Mäusen mit Diät-induzierter NASH untersucht werden. Die Fütterung einer Hochfett-Diät mit Schmalz als Fettquelle, das vor allem gesättigte Fettsäuren enthält, verursachte Fettleibigkeit, Insulinresistenz und eine hepatische Steatose in Wildtyp-Mäusen. In Tieren, die eine Hochfett-Diät mit Sojaöl als Fettquelle, das vor allem (ω-6)-mehrfach-ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) enthält, oder eine Niedrigfett-Diät mit Cholesterol erhielten, war lediglich eine hepatische Steatose nachweisbar, jedoch keine verstärkte Gewichtszunahme im Vergleich zu Geschwistertieren, die eine Standard-Diät bekamen. Im Gegensatz dazu verursachte die Fütterung einer Hochfett-Diät mit PUFA-reichem Sojaöl als Fettquelle in Kombination mit Cholesterol sowohl Fettleibigkeit und Insulinresistenz als auch hepatische Steatose mit Hepatozyten-Hypertrophie, lobulärer Entzündung und beginnender Fibrose in Wildtyp-Mäusen. Diese Tiere spiegelten alle klinischen und histologischen Parameter der humanen NASH im Metabolischen Syndrom wider. Nur die Kombination von hohen Mengen ungesättigter Fettsäuren aus Sojaöl und Cholesterol in der Nahrung führte zu einer exzessiven Akkumulation des Cholesterols und der Bildung von Cholesterol-Kristallen in den Hepatozyten, die zur Schädigung der Mitochondrien, schwerem oxidativem Stress und schließlich zum Absterben der Zellen führten. Als Konsequenz phagozytieren Kupfferzellen die Zelltrümmer der Cholesterol-überladenen Hepatozyten, werden dadurch aktiviert, setzen Chemokine, Cytokine und PGE2 frei, die die Entzündungsreaktion verstärken und die Infiltration von weiteren Immunzellen initiieren können und verursachen so eine Progression zur Steatohepatitis (NASH). Die Deletion der mikrosomalen PGE-Synthase 1 (mPGES1), dem induzierbaren Enzym der PGE2-Synthese aus Cyclooxygenase-abhängigen Vorstufen, reduzierte die Diät-abhängige Bildung von PGE2 in der Leber. Die Fütterung der NASH-induzierenden Diät verursachte in Wildtyp- und mPGES1-defizienten Mäusen eine ähnliche Fettleibigkeit und Zunahme der Fettmasse sowie die Ausbildung von hepatischer Steatose mit Entzündung und Fibrose (NASH) im histologischen Bild. In mPGES1-defizienten Mäusen waren jedoch Parameter für die Infiltration von Entzündungszellen und die Diät-abhängige Schädigung der Leber im Vergleich zu Wildtyp-Tieren erhöht, was sich auch in einer stärkeren Diät-induzierten systemischen Insulinresistenz widerspiegelte. Die Bildung des pro-inflammatorischen und pro-apoptotischen Cytokins TNFα war in mPGES1-defizienten Mäusen durch die Aufhebung der negativen Rückkopplungshemmung verstärkt, was einen gesteigerten Diät-induzierten Zelluntergang gestresster Lipid-überladener Hepatozyten und eine nach-geschaltete Entzündungsantwort zur Folge hatte. Zusammenfassend wurde unter den gewählten Versuchsbedingungen in vivo eine anti-inflammatorische Rolle von PGE2 verifiziert, da das Prostanoid vor allem indirekt durch die Hemmung der TNFα-vermittelten Entzündungsreaktion die Schädigung der Leber, die Verstärkung der Entzündung und die Ausbildung von Insulinresistenz im Rahmen der Diät-abhängigen Fettlebererkrankung abschwächte.
Aggravation by prostaglandin e-2 of interleukin-6-dependent insulin resistance in hepatocytes
(2009)
Hepatic insulin resistance is a major contributor to fasting hyperglycemia in patients with metabolic syndrome and type 2 diabetes. Circumstantial evidence suggests that cyclooxygenase products in addition to cytokines might contribute to insulin resistance. However, direct evidence for a role of prostaglandins in the development of hepatic insulin resistance is lacking. Therefore, the impact of prostaglandin E-2 (PGE(2)) alone and in combination with interleukin-6 (IL-6) on insulin signaling was studied in primary hepatocyte cultures. Rat hepatocytes were incubated with IL-6 and/or PGE(2) and subsequently with insulin. Glycogen synthesis was monitored by radiochemical analysis; the activation state of proteins of the insulin receptor signal chain was analyzed by western blot with phosphospecific antibodies. In hepatocytes, insulin-stimulated glycogen synthesis and insulin-dependent phosphorylation of Akt-kinase were attenuated synergistically by prior incubation with IL-6 and/or PGE(2) while insulin receptor autophosphorylation was barely affected. IL-6 but not PGE(2) induced suppressors of cytokine signaling (SOCS3). PGE(2) but not IL-6 activated extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) persistently. Inhibition of ERK1/2 activation by PD98059 abolished the PGE(2)-dependent but not the IL-6-dependent attenuation of insulin signaling. In HepG2 cells expressing a recombinant EP3-receptor, PGE(2) pre-incubation activated ERK1/2, caused a serine phosphorylation of insulin receptor substrate 1 (IRS1), and reduced the insulin-dependent Akt-phosphorylation. Conclusion: PGE(2) might contribute to hepatic insulin resistance via an EP3-receptor-dependent ERK1/2 activation resulting in a serine phosphorylation of insulin receptor substrate, thereby preventing an insulin-dependent activation of Akt and glycogen synthesis. Since different molecular mechanisms appear to be employed, PGE(2) may synergize with IL-6, which interrupted the insulin receptor signal chain, principally by an induction of SOCS, namely SOCS3.
Hepatic steatosis is recognized as hepatic presentation of the metabolic syndrome. Hyperinsulinaemia, which shifts fatty acid oxidation to de novo lipogenesis and lipid storage in the liver, appears to be a principal elicitor particularly in the early stages of disease development. The impact of PGE(2), which has previously been shown to attenuate insulin signaling and hence might reduce insulin-dependent lipid accumulation, on insulin-induced steatosis of hepatocytes was studied. The PGE(2)-generating capacity was enhanced in various obese mouse models by the induction of cyclooxygenase 2 and microsomal prostaglandin E-synthases (mPGES1, mPGES2). PGE(2) attenuated the insulin-dependent induction of SREBP-1c and its target genes glucokinase and fatty acid synthase. Nevertheless, PGE(2) enhanced incorporation of glucose into hepatic triglycerides synergistically with insulin. This was most likely due to a combination of a PGE(2)-dependent repression of (1) the key lipolytic enzyme adipose triglyceride lipase, (2) carnitine-palmitoyltransferase 1, a key regulator of mitochondrial beta-oxidation, and (3) microsomal transfer protein, as well as (4) apolipoprotein B, key components of the VLDL synthesis. Repression of PGC1 alpha, a common upstream regulator of these genes, was identified as a possible cause. In support of this hypothesis, overexpression of PGC1 alpha completely blunted the PGE(2)-dependent fat accumulation. PGE(2) enhanced lipid accumulation synergistically with insulin, despite attenuating insulin signaling and might thus contribute to the development of hepatic steatosis. Induction of enzymes involved in PGE(2) synthesis in in vivo models of obesity imply a potential role of prostanoids in the development of NAFLD and NASH. Laboratory Investigation (2012) 92, 1597-1606; doi:10.1038/labinvest.2012.128; published online 10 September 2012
As significant differences between sexes were found in the susceptibility to alcoholic liver disease in human and animal models, it was the aim of the present study to investigate whether female mice also are more susceptible to the development of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD). Male and female C57BL/6J mice were fed either water or 30% fructose solution ad libitum for 16 wks. Liver damage was evaluated by histological scoring. Portal endotoxin levels and markers of Kupffer cell activation and insulin resistance, plasminogen activator inhibitor 1 (PAI-1) and phosphorylated adenosine monophosphate-activated protein kinase (pAMPK) were measured in the liver. Adiponectin mRNA expression was determined in adipose tissue. Hepatic steatosis was almost similar between male and female mice; however, inflammation was markedly more pronounced in livers of female mice. Portal endotoxin levels, hepatic levels of myeloid differentiation primary response gene (88) (MyD88) protein and of 4-hydroxynonenal protein adducts were elevated in animals with NAFLD regardless of sex. Expression of insulin receptor substrate 1 and 2 was decreased to a similar extent in livers of male and female mice with NAFLD. The less pronounced susceptibility to liver damage in male mice was associated with a superinduction of hepatic pAMPK in these mice whereas, in livers of female mice with NAFLD, PAI-1 was markedly induced. Expression of adiponectin in visceral fat was significantly lower in female mice with NAFLD but unchanged in male mice compared with respective controls. In conclusion, our data suggest that the sex-specific differences in the susceptibility to NAFLD are associated with differences in the regulation of the adiponectin-AMPK-PAI-1 signaling cascade. Online address: http://www.molmed.Org doi: 10.2119/molmed.2012.00223
Hepatic insulin resistance is a major contributor to hyperglycemia in metabolic syndrome and type II diabetes. It is caused in part by the low-grade inflammation that accompanies both diseases, leading to elevated local and circulating levels of cytokines and cyclooxygenase (COX) products such as prostaglandin E-2 (PGE(2)). In a recent study, PGE(2) produced in Kupffer cells attenuated insulin-dependent glucose utilization by interrupting the intracellular signal chain downstream of the insulin receptor in hepatocytes. In addition to directly affecting insulin signaling in hepatocytes, PGE(2) in the liver might affect insulin resistance by modulating cytokine production in non-parenchymal cells. In accordance with this hypothesis, PGE(2) stimulated oncostatin M (OSM) production by Kupffer cells. OSM in turn attenuated insulin-dependent Akt activation and, as a downstream target, glucokinase induction in hepatocytes, most likely by inducing suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3). In addition, it inhibited the expression of key enzymes of hepatic lipid metabolism. COX-2 and OSM mRNA were induced early in the course of the development of non-alcoholic steatohepatitis (NASH) in mice. Thus, induction of OSM production in Kupffer cells by an autocrine PGE(2)-dependent feed-forward loop may be an additional, thus far unrecognized, mechanism contributing to hepatic insulin resistance and the development of NASH.
In a subset of patients, non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is complicated by cell death and inflammation resulting in non-alcoholic steatohepatitis (NASH), which may progress to fibrosis and subsequent organ failure. Apart from cytokines, prostaglandins, in particular prostaglandin E-2 (PGE(2)), play a pivotal role during inflammatory processes. Expression of the key enzymes of PGE(2) synthesis, cyclooxygenase 2 and microsomal PGE synthase 1 (mPGES-1), was increased in human NASH livers in comparison to controls and correlated with the NASH activity score. Both enzymes were also induced in NASH-diet-fed wild-type mice, resulting in an increase in hepatic PGE(2) concentration that was completely abrogated in mPGES-1-deficient mice. PGE(2) is known to inhibit TNF-alpha synthesis in macrophages. A strong infiltration of monocyte-derived macrophages was observed in NASH-diet-fed mice, which was accompanied with an increase in hepatic TNF-alpha expression. Due to the impaired PGE(2) production, TNF-alpha expression increased much more in livers of mPGES-1-deficient mice or in the peritoneal macrophages of these mice. The increased levels of TNF-alpha resulted in an enhanced IL-1 beta production, primarily in hepatocytes, and augmented hepatocyte apoptosis. In conclusion, attenuation of PGE(2) production by mPGES-1 ablation enhanced the TNF-alpha-triggered inflammatory response and hepatocyte apoptosis in diet-induced NASH.