Μελέτη της συμβολής της απολιποπρωτεΐνης Ε στην ανάπτυξη της παχυσαρκίας και των σχετιζόμενων με αυτήν δυσλειτουργιών

Abstract

Apolipoprotein E (Apoe) is a central protein of both peripheral and brain lipoprotein transport systems. During the last thirty years there has been accumulating evidence for its contribution to maintenance of lipid homeostasis in peripheral circulation and in particular its contribution to the metabolism of dietary lipids and the removal of atherogenic lipoproteins from circulation. Apoe is a component of VLDL, IDL, HDL, chylomicrons and chylomicron remnants of peripheral circulation. During the clearance of cholesterol and triglyceride-rich lipoprotein remnants, lipidated Apoe is recognized by Ldlr and Lrp1 receptors and promotes the removal of atherogenic lipoproteins from circulation. Recent studies also reported that Apoe plays an important role in the biogenesis of HDL. In humans it is found in three natural isoforms, APOE2, APOE3 and APOE4, with APOE3 being the most common. APOE3 and APOE4 bind to LDLr with greater affinity than APOE2, while all three isoforms have the same affinity for LRP1. Several studies showed that peripherally expressed APOE2 is associated with the development and progression of coronary heart disease, while brain APOE4 has been associated with Alzheimer’s disease. Interestingly, there is a link between APOE and obesity. Studies in Apoe deficient mice (apoe-/- mice) have shown that they are resistant to body weight and adipose tissue gain when fed a high fat diet. Along the same line, data from our laboratory showed that mice expressing human APOE3 in place of mouse Apoe (Apoe3knock-in mice) increased their body weight when fed Western type diet for 24 weeks, while apoe-/- mice fed Western type diet for the same time were resistant to body weight gain. However, the precise role of APOE in the development of obesity was not investigated. Adipose tissue is made of white adipose tissue (WAT) which is responsible for lipid storage and brown adipose tissue (BAT) which is responsible for energy production (heat and ATP). Under certain circumstances WAT can turn into BRITE adipose tissue which produces heat via non-shivering thermogenesis. Metabolic activation of WAT into BRITE is considered a promising and innovative method for the treatment of obesity.In the present study we investigated the effects of both brain and peripherally expressed APOE3 in diet-induced obesity and mitochondrial metabolic activity of WAT and BAT. We focused our study on APOE3 as it is the most common of the three human isoforms. Thus, we studied Apoe-deficient (apoe-/-), APOE3 knock-in (apoe3knock-in), and brain-specific expressing APOE3 (apoe3brain) mice along with apoe-/- mice infected with an APOE3-expressing adenoassociated virus (AAV-E3). Since APOE cannot cross blood-brain barrier or cerebrospinal fluid, the last model was used to study the role of peripheral APOE3 against brain APOE3 (Apoe3brain mice). Taken together, the results of our study suggest a bimodal role of APOE3 with visceral WAT mitochondrial metabolic activation that is highly dependent on its site of expression and independent of postprandial dietary lipid deposition. Specifically, brain APOE3 is associated with inhibition of visceral WAT mitochondrial oxidative phosphorylation, leading to reduced substrate oxidation, increased fat accumulation and obesity. To the contrary, peripherally expressed APOE3 is associated with a notable shift of substrate oxidation towards non-shivering thermogenesis in visceral WAT mitochondria, leading to resistance to obesity.

Η απολιποπρωτεΐνη Ε (Apoe) είναι μία πρωτεΐνη με κεντρικό ρόλο τόσο στα περιφερικά όσο και στα εγκεφαλικά συστήματα μεταφοράς των λιποπρωτεϊνών. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων τριάντα ετών υπάρχει σημαντικός όγκος δημοσιευμένων εργασιών σχετικών με τη συμβολή της στην περιφέρεια και συγκεκριμένα στο μεταβολισμό των διατροφικών λιπιδίων και την απομάκρυνση των αθηρογόνων λιποπρωτεϊνών από την κυκλοφορία. Η Apoe αποτελεί συστατικό των VLDL, IDL, HDL, των χυλομικρών και των υπολειμμάτων των χυλομικρών της περιφέρειας. Κατά την κάθαρση των πλούσιων σε χοληστερόλη και τριγλυκερίδια λιποπρωτεϊνικών υπολειμμάτων, η λιπιδιωμένη Apoe αναγνωρίζεται από τους υποδοχείς Ldlr και Lrp1 και έτσι πραγματοποιείται τελικά η απομάκρυνση των αθηρογόνων λιποπρωτεϊνών από την κυκλοφορία. Επίσης, πρόσφατες μελέτες αναφέρουν ότι η Apoe παίζει σημαντικό ρόλο στη βιογένεση της HDL. Στον άνθρωπο έχουν βρεθεί τρεις ισομορφές της APOE, η APOE2, η APOE3 και η APOE4, με την APOE3 να είναι η πιο συχνή. Η APOE3 και η APOE4 προσδένονται στον LDLr με μεγαλύτερη συγγένεια από την APOE2, ενώ και οι τρεις ισομορφές έχουν την ίδια συγγένεια για τον LRP1. Αρκετές μελέτες αναφέρουν ότι η περιφερική έκφραση της APOE2 σχετίζεται με την ανάπτυξη και την εξέλιξη της στεφανιαίας νόσου, ενώ η εγκεφαλική APOE4 σχετίζεται με την εμφάνιση της νόσου Alzheimer. Ενδιαφέρον προκαλεί το γεγονός ότι η APOE εμπλέκεται στην ανάπτυξη της επαγόμενης από τη διατροφή παχυσαρκίας. Μελέτες έδειξαν ότι ποντίκια με έλλειψη στην Apoe (apoe-/- ποντίκια) είναι ανθεκτικά στην ανάπτυξη της διατροφικά επαγόμενης παχυσαρκίας και στην εναπόθεση σωματικού λίπους όταν τρέφονται με τροφή πλούσια σε λιπαρά. Ομοίως, προηγούμενη μελέτη του εργαστηρίου μας έδειξε ότι ποντίκια που εκφράζουν την ανθρώπινη APOE3, αντί για την Apoe των ποντικών (Apoe3knock-in ποντίκια) αύξησαν σημαντικά το σωματικό τους βάρος όταν τράφηκαν με τροφή δυτικού τύπου για 24 εβδομάδες, ενώ, αντίθετα, τα apoe-/- ποντίκια δεν αύξησαν το βάρος τους. Ωστόσο, ο ακριβής ρόλος της APOE στην ανάπτυξη της παχυσαρκίας παραμένει άγνωστος. Ο λιπώδης ιστός, ο οποίος αποτελεί το κύριο όργανο για την αποθήκευση λίπους, αποτελείται από τον λευκό λιπώδη ιστό (White adipose tissue, WAT) που είναι υπεύθυνος για την αποθήκευση λιπιδίων και τον φαιό λιπώδη ιστό (Brown adipose tissue, ΒΑΤ), ο οποίος είναι υπεύθυνος για την παραγωγή ενέργειας (θερμότητα και ΑΤΡ). Υπό ορισμένες συνθήκες, ο WAT μπορεί να ενεργοποιηθεί μεταβολικά και να μετατραπεί στον μπεζ λιπώδη ιστό (BRITE) που είναι ικανός να παράγει θερμότητα μέσω θερμογένεσης. Η μεταβολική ενεργοποίηση του WAT σε BRITE αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη καινοτόμο μέθοδο για τη θεραπεία της νοσογόνου παχυσαρκίας. Στην παρούσα μελέτη ερευνήσαμε τη συμβολή τόσο της εγκεφαλικής όσο και της περιφερικής έκφρασης της ανθρώπινης APOE3 στην ανάπτυξη της επαγόμενης από τη διατροφή παχυσαρκίας και στη μιτοχονδριακή μεταβολική δραστηριότητα των ιστών WAT και BAT. Επικεντρωθήκαμε στη μελέτη της APOE3 καθώς είναι η πιο κοινή από τις τρεις ανθρώπινες ισομορφές. Έτσι, μελετήθηκαν Apoe3brain, apoe-/-, Apoe3knock-in και apoe-/- τα οποία ενέθηκαν με τον αδενο-εξαρτώμενο ιό ο οποίος εκφράζει την APOE3 (AAV-E3). Καθώς η APOE δεν μπορεί να διαπεράσει τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό ή το φραγμό του αιματο-εγκεφαλονωτιαίου υγρού το τελευταίο μοντέλο πειραματόζωων χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της περιφερικής έκφρασης της APOE3, έναντι της εγκεφαλικής έκφρασης της APOE3 (στην περίπτωση των Apoe3brain ποντικών). Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης υποδεικνύουν έναν διττό ρόλο της APOE3 στη μιτοχονδριακή μεταβολική ενεργοποίηση του σπλαχνικού WAT, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θέση έκφρασής της και είναι ανεξάρτητη από τη μεταγευματική εναπόθεση των διατροφικών λιπιδίων. Συγκεκριμένα, η εγκεφαλική έκφραση της APOE3 σχετίζεται με ισχυρή αναστολή της μιτοχονδριακής οξειδωτικής φωσφορυλίωσης στο σπλαχνικό WAT, οδηγώντας σε μειωμένη οξείδωση υποστρώματος, αυξημένη συσσώρευση λίπους και παχυσαρκία. Αντιθέτως, η περιφερική έκφραση της ΑΡΟΕ3 σχετίζεται με μία αξιοσημείωτη μετατόπιση της οξείδωσης του υποστρώματος προς τη θερμογένεση στα μιτοχόνδρια του σπλαχνικού WAT, οδηγώντας σε αντίσταση στην παχυσαρκία.