Ρύθμιση του μεταβολισμού από το υδρόθειο

Abstract

Obesity is a multifactorial, chronic disease, resulting from excessive fat accumulation. It is directly related to multiple diseases and considered as one of the leading causes of death. Therefore, it’s prevention and treatment are of great importance in modern western societies. Hydrogen sulfide (H2S) is an endogenously produced signaling molecule with multiple roles in homeostasis and disease. H2S is synthesized by cystathionine γ-lyase (CSE), cystathionine β-synthase (CBS) and 3-mercaptopyruvate sulfutransferase (MPST). Herein, we investigated the role of H2S in the development and treatment of obesity using genetic and pharmacological approaches. Tο determine the expression of H2S-producing enzymes in adipose tissues of obese subjects, wild-type (WT) mice fed a chow (CD) οr a high fat diet (HFD) for 16 weeks and subcutaneous white adipose tissue (iWAT), epididymal white adipose tissue (gWAT) and interscaptular brown adipose tissue (iBAT) were isolated and used for western blot analysis. Although no differences were observed in CBS and CSE expression, MPST protein levels were reduced in all three adipose tissues of HFD mice. In line with this, H2S concentration was lower in white adipose tissue of obese mice. To further investigate the role of the MPST enzyme in weight gain, mice with global deletion of Mpst (Mpst-/-) were used. Young Mpst-/- mice fed a high fat diet gained more weight than WT animals. Moreover, they exhibited decreased O2 consumption, CO2 production and metabolic rate, as well as impaired glucose/insulin tolerance. The weight of gWAT and iBAT remained unaltered after the deletion of Mpst, however increased mass and adipocyte size was observed in iWAT of Mpst-/- HFD mice. Interestingly, aged normal chow-fed Mpst-/- also presented an overweight phenotype besides with hypertrophic adipocytes and increased mass of inguinal white fat. Whole transcriptome analysis, performed in iWAT of WT and Mpst-/- HFD mice, provided evidence for upregulation of inflammatory mediators and downregulation of mitochondrial respiratory chain subunits and translocase of outer/inner membrane (ΤΙΜ/ΤΟΜ) components in adipose tissue of deficient mice. Attenuated expression of several TIM/TOM subunits, hampered the translocation of nucleus-encoded mitochondrial proteins and was associated with suppressed levels of TCA and β-oxidation metabolites, indicating the reduced function of the mitochondrial translocase in iWAT of Μpst-/- HFD mice. Genetic and pharmacological inhibition of adipocyte TIM/TOM complex enhanced lipid accumulation, underlining its crucial role in fatty acids degradation and weight gain. Hypoxia conditions inhibited the gene expression of several TIM/TOM components in adipocytes. Similar results observed by HIF1α activation. Nuclear HIF1α was more abundant in inguinal white fat of Mpst-/- HFD mice. Chromatin immunoprecipitation in iWAT of deficient mice, demonstrated that several of the differentially expressed genes between two genotypes, including TIM/TOM and respiratory chain subunits, are HIF1α targets. HIF1α binding to the Tomm6 and Tomm7 promoter was confirmed. Therapeutic administration of the polysulfide donor SG1002 reversed the changes in weight gain, adipocyte size, metabolic rate and glucose tolerance in obese mice. Furthermore, reduced body weight of obese mice was also detected in the presence of the donor Na2S3. Taken together the above data provide evidence that MPST controls mitochondrial metabolic functions and has profound effects on adipose tissue biology. MPST-regulated pathways offer novel drug targets for obesity.

Η παχυσαρκία αποτελεί χρόνια, πολυπαραγοντική ασθένεια, η ανάπτυξη της οποίας σχετίζεται με αυξημένη εναπόθεση λίπους. Θεωρείται μία από τις κυριότερες αιτίες θανάτου και συνδέεται άμεσα με την εκδήλωση πολλαπλών νοσημάτων. Το συνεχώς αυξανόμενο ποσοστό υπέρβαρων ασθενών που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια, καθιστά την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων έναντι της παχυσαρκίας, πεδίο εντατικής έρευνας. Το υδρόθειο (H2S) ένα αέριο ευρέως γνωστό για την τοξικότητα του, αναγνωρίζεται πλέον ως σηματοδοτικό μόριο του οργανισμού. Συντίθεται ενδογενώς από τη δράση των ενζύμων: γ-λυάση της κυσταθειονίνης (CSE), β-συνθάση της κυσταθειονίνης (CBS) και σουλφοτρανσφεράση του 3-μερκαπτοπυροσταφυλικού (MPST) και η εμπλοκή του σε πολλές φυσιολογικές λειτουργίες και παθολογικές καταστάσεις, έχει αποδειχθεί. Η διερεύνηση του ρόλου του ενδογενώς παραγόμενου και εξωγενώς χορηγούμενου H2S στη φυσιολογία του λιπώδους ιστού και την παθογένεια της παχυσαρκίας αποτέλεσε το αντικείμενο της συγκεκριμένης μελέτης.Προκειμένου να ελεγχθεί η πιθανότητα ύπαρξης συσχέτισης μεταξύ της έκφρασης των ενζύμων CBS, CSE και MPST στον λιπώδη ιστό και της παχυσαρκίας, ποντίκια άγριου τύπου (WT) έλαβαν φυσιολογική (CD) ή δίαιτα υψηλής περιεκτικότητας λίπους (HFD) για διάστημα 16 εβδομάδων. Οι λιπώδης ιστοί: υποδόριος λευκός (iWAT), σπλαχνικός λευκός (gWAT) και φαιός (iBAT), απομονώθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ακολούθως, για western blot ανάλυση. Αν και καμία διαφορά δεν παρατηρήθηκε στην έκφραση των CBS και CSE μεταξύ των CD και HFD ποντικιών, μειωμένα επίπεδα πρωτεΐνης του MPST ανιχνεύθηκαν και στους τρεις υπό μελέτη ιστούς λίπους των παχύσαρκων μυών. Σε συμφωνία με τα παραπάνω, η συγκέντρωση του H2S βρέθηκε ελαττωμένη στον λευκό λιπώδη ιστό των ποντικιών που έλαβαν υπερθερμιδική δίαιτα. Ο ρόλος του MPST στην αύξηση σωματικού βάρους διερευνήθηκε περαιτέρω. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν γενετικά τροποποιημένοι μύες με απαλοιφή του γονιδίου Mpst (Μpst-/-). Τα νεαρά Μpst-/- ποντίκια που έλαβαν υπερθερμιδική δίαιτα εκδήλωσαν πρόωρο φαινότυπο παχυσαρκίας. Επιπροσθέτως, εμφάνισαν μειωμένη κατανάλωση Ο2, παραγωγή CO2 και μεταβολικό ρυθμό, καθώς επίσης και αυξημένη αντίσταση στη γλυκόζη και την ινσουλίνη. Το βάρος των gWAT και iBAT παρέμεινε αμετάβλητο μετά την απαλοιφή του Mpst, ωστόσο αυξημένη βρέθηκε η μάζα και το μέγεθος των λιποκυττάρων του iWAT των Μpst-/- HFD μυών. Τα ηλικιωμένα Μpst-/- ποντίκια που έλαβαν φυσιολογική δίαιτα παρουσίασαν επίσης φαινότυπο αυξημένου σωματικού βάρους και μάζας του υποδόριου λευκού λιπώδους ιστού. Ανάλυση RNA-αλληλούχισης που πραγματοποιήθηκε στον iWAT WT και Μpst-/- HFD μυών, αποκάλυψε ότι η έλλειψη του ενζύμου συνδέεται με αυξημένη έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με την ανάπτυξη φλεγμονής και ελαττωμένη έκφραση γονιδίων που συμμετέχουν στη συγκρότηση της αναπνευστικής αλυσίδας και του μιτοχονδριακού μεταφορέα πρωτεϊνών (translocase of outer/inner membrane, TIM/TOM). Όπως αποδείχθηκε, τα χαμηλότερα επίπεδα έκφρασης ΤΙΜ/ΤΟΜ υπομοναδών, σχετίζονται με μειωμένη μεταφορά πρωτεϊνών εντός των μιτοχονδρίων και ελαττωμένα επίπεδα των προϊόντων της β-οξείδωσης και του κύκλου του κιτρικού οξέος στον ιστό. Τα ευρήματα αυτά υποδεικνύουν την υπολειτουργία του ΤΙΜ/ΤΟΜ στον iWAT των Μpst-/- HFD μυών. Αναστολή του μιτοχονδριακού μεταφορέα με τη χρήση γενετικών ή φαρμακολογικών προσεγγίσεων σε λιποκύτταρα, οδήγησε σε επαγωγή της συσσώρευσης λιπιδίων, υπογραμμίζοντας τη σημαντικότητα της ορθής λειτουργίας του συμπλόκου για τον μεταβολισμό των λιπαρών οξέων και την αύξηση σωματικού βάρους. Συνθήκες υποξίας αποδείχθηκε ότι συνδέονται με ελαττωμένα επίπεδα γονιδιακής έκφρασης ΤΙΜ/ΤΟΜ υπομονάδων στα λιποκύτταρα. Η ενεργοποίηση του HIF1α οδήγησε επίσης σε παρόμοια αποτελέσματα. Τα επίπεδα του HIF1α βρέθηκαν αυξημένα στους πυρήνες των κυττάρων του υποδόριου λευκού λιπώδους ιστού των Μpst-/- HFD μυών. Ανοσοκατακρήμνιση χρωματίνης στο iWAT των γενετικά τροποποιημένων μυών, αποκάλυψε την εμπλοκή του HIF1α στη μεταγραφή πολλών διαφορικά εκφραζόμενων, μεταξύ των δύο γονότυπων, γονίδιων, συμπεριλαμβανομένων υπομονάδων του TIM/TOM και της αναπνευστικής αλυσίδας. H πρόσδεση του HIF1α στους υποκινητές των γονιδίων Tomm6 και Tomm7 επιβεβαιώθηκε.Η θεραπευτική χορήγηση του δότη πολυσουλφιδίων, SG1002, ανέστρεψε τις αλλαγές στην αύξηση σωματικού βάρους, στο μέγεθος των λιποκυττάρων, στο μεταβολικό ρυθμό και στην αντίσταση στη γλυκόζη που παρατηρούνται στους παχύσαρκους ποντικούς. Επιπλέον, μειωμένο σωματικό βάρος μυών που έλαβαν υπερθερμιδική δίαιτα παρατηρήθηκε παρουσία του δότη Na2S3. Συγκεντρωτικά, τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης αποδεικνύουν την ύπαρξη συσχέτισης μεταξύ των επιπέδων του MPST/Η2S και της αύξησης σωματικού βάρους και υποδεικνύουν το σημαντικό ρόλο του ενζύμου στη φυσιολογία του λιπώδους ιστού και στη διατήρηση της ενεργειακής ομοιόστασης. Σηματοδοτικά μονοπάτια που ρυθμίζονται από το MPST θα μπορούσαν να αποτελέσουν υποψήφιους στόχους για την ανάπτυξη νέων φαρμακευτικών προσεγγίσεων έναντι της παχυσαρκίας.