Adipocyte dysfunctions linking obesity to insulin resistance and type 2 diabetes
Adilson Guilherme, Joseph V. Virbasius, Vishwajeet Puri & Michael P. Czech Nature Reviews Molecular Cell Biology 9, 367-377 (May 2008) | doi:10.1038/nrm2391
Acquired resistance to the action of insulin to stimulate glucose transport in skeletal muscle is associated with obesity and promotes the development of type 2 diabetes. In skeletal muscle, insulin resistance can result from high levels of circulating fatty acids that disrupt insulin signalling pathways. However, the severity of insulin resistance varies greatly among obese people. Here we postulate that this variability might reflect differences in levels of lipid-droplet proteins that promote the sequestration of fatty acids within adipocytes in the form of triglycerides, thereby lowering exposure of skeletal muscle to the inhibitory effects of fatty acids.
Рис.1. | Chronic inflammation in adipose tissue triggers insulin resistance in skeletal muscle.
Рис.2. | Chronic inflammation impairs triglyceride deposition in adipose tissue.
Рис.3. | PPARγ downregulation by TNFα impairs triglyceride storage in adipose cells.
Рис.4. | TNFα decreases triglyceride deposition and increases lipolysis in adipose cells.
Рис.5. | TNFα downregulates lipid-droplet proteins and enhances lipolysis in adipose cells.
Box 2 | Mitochondrial dysfunction and muscle insulin resistance
DATABASES
FURTHER INFORMATION
Sabio, G. et al. A stress signaling pathway in adipose tissue regulates hepatic insulin resistance. Science 322, 1539–1543 (2008)
Установлено, что воспаление в жировой ткани — запущенное с помощью макрофагов, которые прониздывают эту ткань — вносит вклад в резистентность к инсулину. Roger Davis с коллегами установили, что воспалительная реакция в адипоцитах регулирует чувствительность к инсулину в печени.
Различные стрессы активируют протеин киназу Jun N-terminal kinase 1 (JNK1). Кормление мышей диетой с высоким содержанием жира, которое вызывает ожирение и резистентность к инсулину, активирует JNK1 в различных органах, включая печень, жировую ткань и скелетные мышцы. JNK1-дефицитные мыши не дают устойчивости к инсулину, указывая тем самым на участие энзима в патогенезе резистентности к инсулину. Davis с коллегами получили мышей с JNK1-дефицитными адипоцитами и установили, что их чувствительность к инсулиновой резистентности , вызываемой диетой с высоким содержанием жира, существено снижена.
Затем авт. исследовали различные про- и анти-воспалительные цитокины, а также продуцируемые адипоцитами гормоны, которые, как полагают регулируют чувствительность к инсулину, и установили, что только обилие interleukin 6 (IL-6) существенно затронуто у мышей с адипоцит-специфической недостаточностью JNK1. Увеличение в сыворотке концентрации IL-6 и продукции этого цитокина в жировой ткани, которые индуцируются диетой с высоким содержанием жира, почти полностью устранялось с устранением JNK1 в адипоцитах. Экспрессия SOCS3 — сигнальной молекулы, которая активируется с помощью IL-6 и ингибирует передачу сигналов инсулина — в печени увеличивается, если мыши дикого типа получают диету с высоким содержанием жира; этот эффект предупреждается с помощью устранения JNK1 в адипоцитах. Итак, IL-6-индуцированная экспрессия SOCS3 вносит вклад в развитие печеночной резистентности к инсулину.
Авт. предлагают модель, согласно которой клеточные стрессы, индуцируемые диетой с высоким содержанием жира, активируют JNK1 в адипоцитах, это приводит к увеличению концентрации в кровобращении IL-6. В печени IL-6 ингибирует действие инсулина возможно посредством индукции экспрессии SOCS3. JNK1 в адипоцитах может вносить вклад в активацию макрофагов в жировой ткани. Воспалительные цитокины, секретируемые активированными макрофагами, по-видимому, усиливают стрессовый сигнал в адипоцитах. Было бы интересно изучить источник IL-6; секретируется ли он миэлоидными клетками или адипоцитами?
Озадачивающий побочный продукт современного поведения человека, связанный с питанием и физической активностью, это накопление в теле жира. Показатель ожирения (определяемый как body mass index (BMI) более чем 30 кг на m2) драматически увеличивается практически во всех обществах мира вместе с его важными следствиями в виде type 2 diabetes mellitus и сердечно-сосудистых болезней1. Глобальный показатель type 2 диабета предположительно удвоится до 350 миллионов случаев к 2030 г., с затратами на диабет, которые достигнут $132 биллионов только в США2, 3. очевидно, что необходимы эффективные превентивные и терапевтические меры ожирения и ассоциированного диабета type 2. затруднениями служат множественные осложнения в изучении метаболических болезней, включая сильное социальное влияние на показатель тучности. Это отражается в США поразительной обратной корреляцией между ожирением и заработком. Более того, трудно определить молекулярные механизмы, которые лежат в основе метаболических болезней на основании изучения людей и трудно экстраполировать данные исследований метаболизма на грызунах, который существенно отличается от метаболизма людей.
Хотя переход к type 2 диабету происходит более часто у тучных грызунов и людей по сравнению с худыми, но эта ассоциация сильно зависит от генетического фона. Инбредные линии мышей широко варьируют в своих метаболических реакциях на диету с высоким содержанием жира и в отношении влияния ожирения на чувствительность к инсулину и развитие диабета4. Сходным образом, несмотря на повышенный риск многие тучные люди не переходят к диабетическому состоянию, это указывает на то, что генетические и/или средовые факторы также вносят вклад. Тем не менее, в целом принято, что два признака особенно критические для ожирения в смысле перехода к type 2 диабету. Во-первых, нарушенная ответная реакция скелетных мышц на инсулин является первым условием ожирения и предварительным состоянием для начала типа 2 диабета. Ассоциация между тучностью и резистентностью скелетных мышц к инсулину, по-видимому, является причинной, как показывают исследования на животных и людях, что потеря и избыток веса коррелируют с повышенной и пониженной чувствительностью к инсулинру, соотв.5, 6. У резистентных к инсулину людей, которые не имеют диабета, гликемический контроль может поддерживаться за счет компенсаторной повышенной секреции инсулина beta-клетками. Т.о., второй дефект, необходимый для перехода от резистентности к инсулину к диабету типа 2, - это неспособность beta-клеток секретировать необходимые уровни инсулина, чтобы поддержать нормальный уровень глюкозы натощак7-9.
Удивительно, работы последних нескольких лет выявили. что жировая ткань (Box 1) играет важную роль в контроле гомеостаза глюкозы во всем теле как в нормальном, так и болезненном состоянии. Мы сконцентрируемся на клеточных и молекулярных механизмах, с помощью которых метаболизм жировой такни, который нарушается при тучности, вызывает первичную резистентность к инсулину в скелетных мышцах. Вклад липидных перегрузок и липотоксичности в обеспечение ожирения путем нарушения путей передачи сигналов инсулина посредством жирных кислот в скелетных мышцах10, 11 недавно был подтвержден. Мы придаем основную роль жировой ткани в качестве основной регуляторной ткани в контроле липидного притока во всем теле, модулирующей тем самым как глюкозный, так и липидный гомеостаз у людей. Мы сконцентрируемся на молекулах и путях в жировой ткани человека, которые являются ключевыми переключателями, которые способствуют накоплению жира в адипоцитах и избытку жирных кислот, высвобождаемых в кровоток. Эти метаболические пути обеспечивают адипоцитам роль привратников для жирных кислот, которые могут циркулировать в крови и поступать в скелетные мышцы. Высокие уровни циркулирующих жирных кислот, как полагают, и вызывают резистентность к инсулину в скелетных мышцах. Это открытие новых мишеней, которые регулируют жирные кислоты в адипоцитах, может в конечном итоге привести к терапевтическим средствам, которые смогут предупреждать резистентность к инсулину и type 2 diabetes mellitus.
Adipocytes and insulin resistance
Circulating fatty acids mediate insulin resistance. Ключевой вопрос, какой фактор или факторы в действительности обусловливают резистентность к инсулину в скелетных мышцах, труден для решения, но по крайне мере, один медиатор теперь идентифицирован - (FFAs). Гипотеза. что FFAs обусловливают резистентность к инсулину согласуется с данными, которые показывают строгую ассоциацию ожирения и резистентности к инсулину при высоких уровнях FFA в кровотоке12. Эта гипотеза подтверждается и демонстрацией, что повышенные уровни циркулирующих FFAs могут вызывать периферическую резистентность к инсулину как у животных, так и людей13, 14. Напротив, острое снижение FFAs с помощью антилиполитического лекарства усиливает действие инсулина на поглощение глюкозы на периферии15. Помимо эффектов циркулирующих FFAs, отложение жирных кислот не-адипозных хранилищах жира, включая мышцы, может вносить вклад в резистентность к инсулину у тучных; однако, сходное увеличение в мышцах триглицеридов во время упражнений коррелирует с высокой чувствительностью к инсулину16-20. Эти исследования подкрепляют гипотезу, что мобилизация FFAs в кровоток и высокое поглощение скелетными мышцами способствует резистентности к инсулину скорее, чем избыток жира в теле per se.
Важность жировой ткани в контроле метаболизма всего тела путем секвестрации жира подкрепляется наблюдениями, что отсутствие жировой ткани ведет к повышенным концентрациям в кровотоке триглицеридов и жирных кислот и ведет к инсулиновой резистентности у мышей и людей21-24. Присутствие жировой ткани также необходимо для нормальной секреции , таких как leptin и adiponectin, которые повышают чувствительность к инсулину. Человеческие и мышиные вызывают нарушение секреции adipokine25, 26. В целом эти наблюдения согласуются с мнением, что нормальные чувствительность к инсулину и гомеостаз глюкозы нуждаются в функциональной жировой ткани в соотв. пропорции к размеру тела. Две критические роли жировой ткани, по-видимому, вносят вклад в эту функцию: секреция соотв. уровней adipokines, которые влияют на метаболизм всего тела, и нейроэндокринный контроль поведения, которые связаны с питанием27, 28; и секвестрация липидов в жировой ткани в качестве хранилищ триглицеридов, это ослабляет вредные эффекты как циркулирующих FFAs , так и эктопических хранилищ триглицеридов10, 11, 29.
Progression of adipose tissue dysfunction in obesity. Адипоциты обладают особенно значительной способностью синтезировать и хранить триглицериды во время кормления, также как и гидролизовать и высвобождать триглицериды в виде FFAs и glycerol во время голодания30, 31. В состоянии голодания существует динамическое равновесие между высвобождением жирных кислот в кровоток и и их поглощением и окислением с помощью периферических тканей, главным образом скелетными мышцами. Базируясь на исследованиях многих лабораторий на грызунах и людях с потреблением больших количеств калорий, альтерации в адипозной ткани изменяли динамику между высвобождением и использованием жирных кислот (Fig. 1).В состоянии сухощавости, натощак концентрации жирных кислот в кровотоке составляют приблизительно 0.4-0.8 mM. Внутри клеток жирные кислоты этерифицируются coenzyme A, чтобы снизить свои очищающие способности и токсичность. В состоянии сухощавости уровни fatty acyl-CoA внутри мышечных клеток низки благодаря их быстрому окислению в митохондриях (Fig. 1a). У большинства сухощавых индивидов чувствительность к инсулину в скелетных мышцах и поглощение глюкозы нормальны. При вызванном гиперфагией ожирении из-за увеличения потребления калорий адипоциты увеличиваются (Fig. 1b) из-за увеличения отложений триглицеридов внутри этих клеток. На ранних стадиях высокого потребления калорий адипоциты продолжают активно накапливать дополнительные триглицериды и поддерживать почти нормальные скорости расщепления жиров во время поста. Люди и мыши в таких условиях обнаруживают повышенную экспрессию энзимов. которые участвуют в синтезе триглицеридов в адипоцитах, в соответствии с высокой способностью накопления груза триглицеридов32, 33. Уровни жирных кислот могут слекга возрастать, но скелетные мышцы сохраняют высокую чувствительность к инсулину на этих ранних стадиях приема высококалорийной пищи (Fig. 1b).
По мере увеличения тучности затрагивается способность адипоцитов функционировать в качестве эндокринных клеток и секретировать многие биологически активные белки (о adipokines и их роли в контроле аппетита, тучности и чувствительности к инсулину см. Refs 34, 35, 36). В этом разделе мы сфокусируемся на секретируемых адипоцитами пептидах, непосредственно или косвенно регулирующих метаболизм триглицеридов и жирных кислот внутри самих адипоцитов. Примером таких adipokines являются monocyte chemoattractant protein-1/chemokine (C-C motif) ligand-2 (MCP-1/) и tumour-necrosis factor-alpha (α), которые модулируют воспалительную реакцию в жировой ткани. Adipokine-обусловленная воспалительная реакция регулирует метаболизм адипоцитов и способность адипоцитов хранить триглицериды. А именно, гипертрофированные адипоциты, как было установлено, секретируют большие количества MCP-1 (Ref. 37), который действует как хемоаттрактант, который увеличивает инфильтрацию макрофагов в жировую ткань у тучных мышей38 и людей39 (Fig. 1c). В соответствии с этой ролью MCP-1, жировая ткань худощавых субъектов состоит приблизительно на 5-10% из макрофагов, тогда как у тучных пациентов содержание макрофагов в жировой ткани может достигать 50% от общего количества клеток40 (Fig. 1d). Т.о., повышенная продукция MCP-1 с помощью крупных адипоцитов может вносить вклад в про-воспалительное состояние (Fig. 1c). Однако, недавние исследования мышиных MCP-1-нокаутных моделей указывает на то, что др. хемоаттрактивные пептиды также могут способствовать инфильтрации макрофагов41.
Развитие воспалительного состояния в жировой ткани ассоциирует с инсулиновой резистентностью в скелетных мышцах (Fig. 1d). Адипоциты и макрофаги секретируют MCP-1 и др.аттрактанты для воспалительных клеток, также как и большие количества TNFα и др. цитокинов, таких как interleukin-1β (β)42. Действие таких цитокинов оказывает два драматических эффекта на функцию адипоцитов - усиление lipolysis и снижение синтеза триглицеридов. Это действие в свою очередь приводит к повышению уровней циркулирующих FFAs и доступности триглицеридов для прямого потребления скелетными мышцами благодаря действию lipoprotein lipase, энзима, который катализирует гидролиз триглицеридов в циркулирующих липопротеинах, которые переносят жиры через кровь. Избыток в кровотоке FFAs вызывает накопление триглицеридов и активированных липидов в форме длинноцепочечных fatty acyl-CoA эфиров в скелетных мышцах (Fig. 1d), печени и beta-клетках. Длинные цепочки fatty acyl-CoA эфиров и др. производных жирных кислот, по-видимому, нарушают нормальную метаболическую и секреторную функции этих тканей10, 11. Итак, сценарий, который представлен на Fig. 1, показывает, что функция адипоцитов во время продолжительной калорической повышенной нагрузки вызывает воспалительную реакцию, которая в свою очередь вызывает дисфункцию алипоцитов посредством действия цитокинов. такиех как TNFα на метаболизм адипоцитов. Гиперфагия также ведет к повышению синтеза жирных кислот, синтезу липопротеинов очень низкой плотности в печени и к повышению активности lipoprotein lipase в скелетных мышцах. Это также вносит вклад в сверхнагрузку липидами и поток жирных кислот в мышцы.
По сравнению со схемой, представленной на Fig. 1, высокие уровни MCP-1 и TNFα наблюдаются во время ожирения и их генетическое нарушение повышает уровень резистентности к инсулину у мышей, которых кормят диетой с высоким содержанием жира43, 44. TNFα, продуцируемый макрофагами внутри жировой ткани тучных субъектов, по-видимому, нуждается как в β-NF-&kappa:B (inhibitor of nuclear factor (NF)-κB () kinase-β-NF-κB) , так и в JNK-MAP4K4-AP1 (Jun N-terminal kinase-mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase-4-activator protein-1) сигнальных путях (Fig. 2). Делеция JNK1 из макрофагов и др. гематопоэтических клеток обеспечивает защиту против индуцируемой высоким содержанием жира в диете резистентности к инсулину путем снижения ожирения, индуцируемого воспалением45. Более того, JNK1 необходима для FFA-обусловленной индукции провоспалительных цитокинов в макрофагах45. Эти исследования и проведенные на людской от тучных пациентов, показывают экстенсивную инфильтрацию макрофагов46-48, подтверждая гипотезу, что воспалительная реакция вносит вклад в метаболическую дисфункцию при тучности.
Воспаление может также вызывать резистентность к инсулину путем прямого действия TNFα на передачу инсулиновых сигналов в мышцах. Подобно FFA, экзогенно вводимый TNFα у людей ослабляет как передачу сигналов инсулина, так и транспорт глюкозы в скелетные мышцы, по крайней мере, частично запуская фосфорилирование Ser/Thr белков insulin receptor substrate (IRS) 49, ключевых медиаторов метаболического действия инсулина (Fig. 2). Этот эффект TNFα нуждается в протеин киназе JNK1 и , чтобы вызывать инсулиновую резистентность в мышцах49. Обусловленное small interfering (si)RNA молчание MAP4K4 полностью восстанавливает чувствительность к инсулину в изолированных скелетных мышцах от диабетиков49,частично за сяет подавления TNFα- обусловленной активацией JNK1/2 и extracellular signal-regulated kinase (ERK)1/2. Базируясь на результатах нашей группы50, 51 и др.49, MAP4K4, по-видимому, действует в сигнальных путях, которые обеспечивают некоторые ингибирующие эффекты TNFα на регулируемый инсулином транспорт глюкозы в жировую ткань и скелетные мышцы. Резистентность к инсулину при type 2 диабете, следовательно, может возникать частично посредством этого прямого действия TNFα52, 53. Однако, эта гипотеза шаткая из-за использования анти-TNFα антител у людей, для лечения артритов54 или лечения с помощью TNFα антагонистов55, что оказывает незначительный или отсутствие эффекта на резистентность к инсулину. Т.о., у людей неясно, оказывает ли TNFα существенное действие непосредственно на скелетные мышцы, чтобы ингибировать передачу сигналов инсулина.
Impaired insulin signalling in muscle
Активности некоторых протеин Ser/Thr киназ участвуют в качестве медиаторов индуцируемой жирными кислотами нечувствительности к инсулину в скелетных мышцах. FFAs ингибируют проксимальные ступени передачи сигналов инсулина, такие как фосфорилирование Tyr инсулинового рецептора и IRS белков56. Некоторые протеин киназы, включая JNK, IKKβ, протеин киназа Cθ (θ), mammalian target of rapamycin complex-1 (mTORC1) и p70 ribosomal S6 kinase (), фосфорилируют различные Ser остатки IRS белков57-60 и в целом фосфорилирование Ser негативно регулирует функцию IRS.
Согласуется с этой гипотезой то, что эти Ser/Thr киназы опосредуют вредные эффекты жирных кислот, увеличивая внутриклеточные липидные метаболиты, такие как fatty acyl-CoA и , активируя PKC, которая в свою очередь фосфорилирует и ингибирует переджачу сигналов IRS sв скелетные мышцы грызунов и людей60-63. Напротив, резистентность к инсулину, индуцируемая с помощью кормления диетой с высоким содержанием ослабляется фармакологическими ингибиторами этих протеин киназ. Напр., высокие дозы, которые ингибируют активность IKKβ, способствует чувствительности к инсулину и улучшает толерантность к глюкозе у тучных мышей64 и пациентов с диабетом65. Более того, мышиные нокаутные модели по PKCθ, JNK, IKKβ и p70S6K1 обнаруживают резистентность к дефектам передачи сигналов инсулина, индуцируемым высоким содержанием жира в диете58, 62, 64, 66. Избыток в кровоток жирных кислот может также вносить вклад в резистентность к инсулину посредством активации (TLRs). Как , так и необходимы для FFA-индуцируемой резистентности к инсулину в мышечных трубках и в адипоцитах67-69. Было предположено, что FFAs действуют посредствомTLR4 в жировых клетках и макрофагах, индуцируя передачу воспалительных сигналов и супрессируя передачу сигналов инсулина70. Точковая мутация потери функции в TLR4 предупреждает индуцируемое диетой ожирение и резистентность к инсулину у мышей с диетой с высоким содержанием жира, также как и индуцированную насыщенными жирными кислотами инсулиновую резистентность в мышцах изолированных от мышей71. Всё это указывает на то, что активация TLRs с помощью FFAs и стимуляция белков Ser/Thr протеин киназного каскада с помощью производных, таких как fatty acyl-CoA и diacylglycerol, ведет к ослаблению передачи сигналов инсулина и транспорта глюкозы в скелетных мышцах (Fig. 2). Несколько исследований посвящено дефектам митохондрий скелетных мышц как потенциальной причины резистентности к инсулину, вообще-то посредством снижения элиминации внутриклеточных жирных кислот или их производных (Box 2).
Др. класс липидных метаболитов, которые могут усиливать резистентность к инсулину, наблюдаемую при тучности и type 2 диабете - это ceramide. Биосинтез ceramide зависит от доступности длинноцепочечных насыщеных жиров, которые участвуют в инициальной и скорость-ограничивающей реакции, которая использует конденсацию palmitoyl-CoA и serine72, 73. Усление биосинтеза ceramide , вызываемое с помощью TNFα, или насыщенных FFAs (Fig. 2), по-видимому, нарушает действие инсулина на потребление глюкозы и синтез глюкагона посредством ингибирования стимулируемой инсулином активации AKT/protein kinase B ()74-76. Фармакологические и ингибиторы и генетические изменения, которые ингибируют биосинтез ceramide у грызунов, показывают, что пониженные уровни керамидов усиливают резистентность к инсулину, ирндуцированную с помощью glucocorticoids, насыщенные жиры и тучность77. Однако, увеличение уровней ceramide, наблюдаемое у тучных грызунов и людей, довольно мало, это ставит вопрос, является ли внутриклеточное накопление этого sphingolipid существенным вкладом в инсулиновую резистентность, которая ассоциирует с ожирением78, 79.
Inflammation and adipocyte function
PPARγ downregulation by TNFα at multiple levels. Что может быть главной мишенью воспалительного процесса, наблюдаемого в жировой ткани, который управляет жировой дисфункцией? Хроническое воспалительное состояние в жировой ткани сопровождается избыточной продукцией цитокинов, таких как TNFα, в основном макрофагами, но также и адипоцитами (Fig. 1). Во множестве исследований было установлено, что TNFα существенно влияет на адипоциты и приводит к ослаблению передачи сигналов инсулина и ингибированию адипогенеза. Т.о.,, TNFα действует, чтобы нарушить нормальную функцию адипоцитов, включая оптимальное хранение триглицеридов. Мы подчеркиваем здесь негативную регуляцию ядерного гормонального рецептора peroxisome proliferator-activated receptor-gamma (γ) как ключевого элемента в обеспечении этого эффекта воспалительных цитокинов. Принимая во внимание, что PPARγ является важным транскрипционным регулятором адипогенеза и необходим для поддержания функции зрелых адипоцитов80, 81, включая синтез и хранение триглицеридов, мы полагаем, что подавление PPARγ может вносить серьезный вклад в эффекты воспалительных цитокинов на адипоциты.
Появляются доказательства, указывающие, что TNFα может затрагивать PPARγ на множественных уровнях, включая транскрипцию, трансляцию и оборот мРНК и белка PPARγ (see sites of TNFα action in Fig. 3). На транскрипционном уровне, TNFα влияет на клеточные реакции путем изменения генной экспрессии посредством активации транскрипционных факторов NF-κB и AP1; обработка адипоцитов TNFα активирует эти транскрипционные факторы посредством стимуляции каскадов IKKβ (lkz NF-κB) и MAP4K4 (for AP1) (Fig. 3). Ранние исследования показали, что TNFα сильно снижает экспрессию многочисленных специфичных для адипоцитов генов и адипогенных транскрипционных факторов, включая α и PPARγ82, 83. Доказательства на культивируемых адипоцитах указывают на то, что передача сигналов NF-κB необходима для подавления транскрипции PPARγ84.Хотя детали транскрипционного контроля PPARγ ещё полностью не разработаны, поразительно быстрое снижение мРНК PPARγ после добавления TNFα к адипоцитам.
Недавние исследования показали, что TNFα также обеспечивает пост-транскрипционную регуляцию PPARγ. Мы установили, что мРНК PPARγ быстро деградирует в адипоцитах32 и что величина этого оборота может в дальнейшем усиливаться с помощью воздействия TNFα . TNFα-обусловленные сигнальные пути также могут влиять на уровни PPARγ на уровне трансляции белка. Наша группа недавно установила. что MAP4K4 является негативным регулятором экспрессии белка PPARγ и адипогенеза50. RNA interference (RNAi)-обусловленное молчание MAP4K4 приводит к трехкратному увеличению уровней белков как PPARγ1, так и PPARγ2 в 3T3-L1 адипоцитах, не влияя на уровни мРНК85, это указывает на то, что MAP4K4 регулирует PPARγ на посттранскрипционной стадии85. Хотя скорости деградации PPARγ довольно высокие (t1/2 = 2 hours)32, 86, устранение MAP4K4 не оказывает эффекта на деградацию белка PPARγ 85. Экспрессия MAP4K4 сама по себе позитивно регулируется с помощью воздействия TNFα на адипоциты, посредством TNFα receptor-1 ()50, 51. Базируясь на этих предварительных результатах, мы полагаем. что TNFα передает сигналов посредством MAP4K4 , чтобы подавлять функцию PPARγ путем ингибирования трансляции белка PPARγ в культивируемых адипоцитах (Fig. 3). Т.о., предполагается сочетанное действие TNFα на транскрипцию, стабильность мРНК и трансляцию, которые контролируют PPARγ на уровне белка (Fig. 3).
Примечательно, что активация каспазного каскада с помощью TNFα может снижать уровни белка PPARγ в адипозных клетках (Fig. 3, dashed arrow 4), т.к. TNFα запускает caspase-зависимое расщепление сигнального белка в культивируемых адипоцитах87. Подтверждение этого каспаза-зависимого пути в адипоцитах необходимо при физиологических условиях, чтобы определить, оперирует ли этот механизм in vivo. PPARγ контролирует гены, которые кодируют энзимы, участвующие в этерификации жирных кислот и синтезе и секвестрации триглицеридов, (Fig. 3), и, следовательно, его нарушение снижает хранение триглицеридов в липоцитах и увеличивает распределение липидов в скелетных мышцах и печени, что в свою очередь ведет к резистентности к инсулину и диабету типа 2.
TNFα-активированные протеин киназы могут также непосредственно влиять на белок PPARγ меняя активность PPARγ и/или стабильность фосфорилирования (reviewed in Ref. 88). Было предположено, что фосфорилирование PPARγ способствует его деградации посредством ubiquitin/proteasome зависимого пути89 (Fig. 3, arrow 5). Фосфорилирование PPARγ , как было предположено, снижает сродство связывания лиганда у PPARγ, контролируя его взаимодействие с его ко-регуляторами90. Факторы роста, такие как epidermal growth factor (EGF) и platelet-derived growth factor (PDGF), снижают лиганд-зависимую транскрипционную активность PPARγ посредством увеличения фосфорилирования посредством передачи сигналов MAPK в адипоцитах91, 92. Регуляция функции PPARγ с помощью фосфорилирования может иметь отношение и к человеческим субъектам. Полиморфизм. наблюдаемый у болезненно тучных людей (Gln115-Pro115) предупреждает фосфорилирование Ser112 в PPARγ и увеличивает его активность93. Эти субъекты, по-видимому, имеют более значительную, чем ожидалось, чувствительность к инсулину, это согласуется с гипотезой, что PPARγ-обусловленное увеличение адипогенеза или функции адипоцитов секвестрировать жирные кислоты вне скелетных мышц. Мыши, гомозиготные по не фосфорилированному белку PPARγ с мутацией в Ser112 сохраняют чувствительность к инсулину при кормлении высококалорийной диетой. Это связано с уменьшением размеров адипоцитов, редукцией FFAs в плазме и повышенной секрецией adiponectins94. Всё это демонстрирует, что пост-трансляционные модификации активности PPARγ посредством киназами-обусловленного фосфорилирования являются физиологически активными в регуляции метаболизма и у людей.
Coregulators of PPARbold italic gamma and other nuclear receptors. Теперь др. способ, с помощью которого функция PPARγ может быть модулирована с помощью передачи воспалительных сигналов - это посредством взаимодействий с ко-активаторами и ко-репрессорами. Многочисленные такие активности были обнаружены в связи с PPARγ и др. ядерными рецепторами (reviewed in Ref. 95). Ряд эффектов PPARγ на хранение энергии (в качестве триглицеридов), сравнимый с используемой энергией (посредством оксидативных путей) , зависимт частично от баланса между ко-регуляторами, которые действуют в пользу разных путей. Ко-активаторы PPARγ включают steroid receptor co-activator-2 (SRC-2) и C-terminal-binding protein (CBP), которые способствуют адипогенезу и хранению энергии95. Ко-репрессор ядерного гормона receptor-interacting protein-140 (RIP140), однако, негативно регулирует оксидативные пути в адипоцитах, по крайней мере, частично посредством взаимодействия с PPARγ96, 97. Важность таких ко-регуляторов в регуляции энергетического баланса иллюстрируется наблюдениями, что нокаут у мышей ко-репрессора RIP140 характеризуется резистентностью к диетой-индуцированному ожирению и диабету96. Напротив, активность PPARγ может быть усилена за счет PPARγ co-activator-1alpha (PGC-1alpha), идентифицированного первоначально благодаря его взаимодействию с PPARγ в коричневом жире98, 99. Продемонстрирована важная роль членов семейства PGC-1в регуляции биогенеза митохондрий и окислении жирных кислот в адаптивном термогенезе в коричневом жире, но их роль в белом жире менее ясна95.
Adipocyte lipolysis is enhanced by TNFα. Гормональная регуляция липолиза в адипоцитах предоставляет основное переключение между хранением липидов и мобилизацией липидов в ответ на пищевые потребности. В состоянии упитанности стимуляция инсулиновых рецепторов в адипозных клетках приводит к активации phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)-AKT/PKB-phosphodiesterase-3 (PDE3) пути, приводящего в результате к снижению внутриклеточных cyclic AMP (cAMP) (Fig. 4a).Напротив, в условиях поста активация с помощью активирует adenyl cyclase, увеличивая тем самым уровни cAMP. Увеличение cAMP регулирует protein kinase A (PKA)-зависимое фосфорилирование hormone-sensitive lipase ()100- 103. Фосфорилированная, активная HSL гидролизует триглицериды в жировых капель ках адипоцитов, это ведет к высвобождению жирных кислот и glycerol. Второй энзим, adipose triglyceride lipase (), также участвует в мобилизации жира104. Однако, недавние исследования на адипоцитах людей показали, что ATGL является важной для базового, но не для стимулированного catecholamine липолиза, который происходит в условиях голодания105. Белки семейства белков из жировых капель участвуют в упаковке жировых капель и в контроле липолиза106, 107.
Среди факторов, которые вносят вклад в усиленный липолиз, ассоциированный с тучностью, TNFα и размер адипоцитов, по-видимому, наиболее существенны. Секретируемый макрофагами и адипоцитами TNFα в жировой ткани тучных людей и животных108 хроничевки стимулирует липолиз109. TNFα участвует также в обеспечении резистентности к инсулину в адипоцитах посредством супрессии передачи сигналов инсулина110. Было предположено, что механизмы. с помощью которых TNFα стимулирует расщепление жиров в адипоцитах, использует ослабление антилиполитического действия инсулина путем снижения передачи сигналов инсулина; увеличение уровней cAMP путем подавления ингибирующих G-protein-coupled рецепторов; и подавление функции и экспрессии perilipin (Fig. 4a) (rev. Ref. 109). Супрессия функции perilipin с помощью TNFα может облегчать ассоциацию HSL с триглицеридами в липидных капельках, увеличивая тем самымбазовую скорость липолиза и увеличивая концентрацию жирных кислот в кровотоке.
Повышенные размеры адипоцитов, ассоциированные с тучностью, также могут вносить вклад в повышенную липолитическую активность101, базируясь на корреляции между скоростью расщепления жиров и размерами адипоцитов111. Уровни cAMP повышены в крупных адипоцитах, что ведет к повышению активации PKA-HSL и липолизу101. Крупные адипоциты, как известно, менее чувствительны к инсулину112, увеличение скорости расщепления жиров, как полагают, нарушает антилиполитическое действие инсулина. Имеется также более значительная корреляция между избытком висцерального жира и резистентностью к инсулину по сравнению с избытком подкожного жира. В соответствии с этим липолитический эффект catecholamines увеличивается в висцеральном жире101. Мобилизация висцерального жира увеличивает транспорт FFAs в печень посредством портальной вены и ингибирует передачу сигналов инсулина. Т.о., дисфункция этого отложения жира может быть особенно строгой причиной резистентности печеночного инсулина и повышения продукции глюкозы печенью, а также резистентности инсулина в скелетных мышцах. Итак, TNFα-стимулированы липолиз в комбинации с TNFα-обусловленным ингибированием этерификации FFA в триглицериды, вызываемый с помощью подавления PPARγ , еще больше увеличивает уровни FFA в кровотоке(Fig. 4b).
Lipid droplets: targets in dysfunction?
Помимо синтеза triglyceride с помощью PPARγ-обеспечиваемой регуляции белков (таких как lipoprotein lipase (), энзимы phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) и fatty acid synthase (FAS) способствуют синтезу и отложению в алмпроцтах triglyceride80, 84, 113. PPARγ регулирует субнабор белков липидных капель, специализированных органелл адипоцитов. Perilipin, наиболее изученный член PAT (perilipin, ADRP и TIP47-related protein)-доменового семейства хорошо охарактеризован в отношении его роли в формирвании липидных капель и регулируемого липидными каплями липолиза106. Избыточная экспрессия и нокаут подтвердили, что perilipin стабилизирует липидные капли и защищает triglyceride активных lipases. Подобно perilipin, белок липидных капель S3-12 является адипоцит-специфичным и регулируется с помощью PPARγ114, хотя его функция пока не установлена. Др. член семейства PAT, myocardial lipid-droplet protein (MLDP; известный также как OXPAT или ), который экспрессируется в высоко oxidative тканях, является мишенью PPARγ у мышей и людей в белой жировой ткани115. Fat-inducing transcript-1 (FIT1) и FIT2, члены эволюционно законсервированного семейства, которое отличается от PAT-доменовой группы, также необходимы для образования липидных капелек116.
CIDE-domain-containing proteins. Мы недавно идентифицировали два члена вновь охарактеризованного семейства белков. ассоциированных с липидными каплями, которые способствуют увеличению липидных капель в адипоцитах. Используя siRNA скрининг, сопровождаемый функциональным анализом, мы нашли, что высоко экспрессируемый белок в адипоцитах, FSP27 (also known as ), локализуется в каплях липидных хранилищ в культивируемых адипоцитах117. FSP27 относится к семейству белков, которые содержат домен CIDE , ранее был ассоциирован с регуляцией апоптоза118, 119. Три белка семейства CIDE известны у млекопитающих (CIDEA, CIDEB и FSP27 у мышей и , и CIDEC у людей)118.Анализ CIDEA aи FSP27 белковых последовательностей выявил регионы низкого, но достаточного сходства с доменами нахождения липидных капель и закрепления у perilipin120. В предыдущем исследовании было отмечено присутствие FSP27 среди многих белков, которые ко-изолируются с липидными каплями из адипоцитов121. Всё это указывает на новую роль CIDEA и FSP27 в структуре и функции липидных капель. В самом деле, мы нашли, что эти белки существенно увеличивают размеры липидных капель, когда экспрессируются в не жировых клетках117, 120. Напротив, siRNA-обусловленная деплеция FSP27 вызывает фрагментацию липидных капель и увеличивает липолиз в адипоцитах117, 120, сходно с тем. что наблюдается после потери perilipin122. Роль CIDEA в сдерживании липолиза в адипоцитах мышей и людей уже отмечалась123. Т.о., эти CIDE-домен содержащие белки присоединяются к всё увеличивающемуся списку белков. ассоциированных с липидными каплями, которые участвуют в биогенезе, созревании или регуляции хранилищ triglyceride и влияют на способность адипоцитов секвестрировать липиды124.
Важно, что экспрессия CIDEA и FSP27 в адипоцитах находится под влиянием PPARγ. Экспрессия FSP27 увеличивается более 50 раз во время адипогенеза в культивируемых линиях клеток 3T3-L1 мышей и экспрессируется на высоком уровне в первичных адипоцитах из белой жировой ткани117. Хотя уровни мРНК Cidea низки в белых адипоцитах мышей, они увеличиваются почти на порядок величин в ответ на в этих клетках. Более того, Fsp27 мРНК снижается более чем в 4 раза вслествие RNAi-обусловленного истощения PPARγ в дифференцированных 3T3-L1 адипоцитах32. Т.о., базируясь на их способности заметно увеличивать содержание triglyceride и размеры липидных капель во время избыточной экспрессии в адипоцитах, CIDEA и FSP27 являются потенциально важными медиаторами PPARγ , способствующими отложению триглицеридов.
The role of lipid-droplet proteins in diabetes. Новые результаты выявили потенциальную ключевую роль белков липидных капель в формировании резистентности к инсулину и диабета у людей. В этих исследованиях белки липидных капель в адипозной ткани тучных людей анализировались как функция чувствительности к инсулину независимо от BMI. Недавние исследования показали, что пациенты с высокими значениями BMI, подвергшиеся gastric bypass операциям, подразделяются на высокую и низкую чувствиетльность к инсулину, базируясь на гомеостатической модели подсчетов резистентности к инсулину (HOMA-IR)125. Неожиданно, значительная популяция таких пациентов обладала значениями, которые находились в ранге инсулин-чувствительных худых пациентов. Это позволяет нам сравнивать уровни экспрессии CIDEA, FSP27 и perilipin у людей в подкожной и сальниковой жировой ткани от тучных субъектов, которые соответствуют BMI, но отличаются по HOMA-IR занчениям. Эти эксперименты показывают. что уровни мРНК, которые кодируют эти белки. ассоциированные с липидными каплями, обратным образом коррелируют с чувствительностью к инсулину у BMI-matched субъектов120.
CIDEA в частности обнаруживают высоко достоверное шестикратное увеличение своей экспрессии в сальниковой и подкожной жироваой ткани у тучных пациентов с низким индексом HOMA-IR (менее 2.3; high insulin sensitivity) по сравнению с группой, резистентной к инсулину. Экспрессия perilipin также увеличивается в сальниковой и подкожной жировой ткани из группы с низким HOMA-IR, тогда как FSP27 увеличен в сальниковой жировой ткани из этой группы120. В согласии с этими находками и обратнай корреляция между экспрессией CIDEA в выборках жировой ткани и резистентностью к инсулину во всем теле, наблюдаемой у худых чувствительных к инсулину по сравнению с тучными резистентными к инсулину пациентами123. Хотя необходимы дальнейшие исследования для точного тестирования, влияют ли эти белки непосредственно на чувствительность к инсулину у людей, имеющиеся данные подтверждают важную роль CIDEA, FSP27 и потенциально др. белков липидных капель в поддержании хранилищ триглицеридов у худых и тучных индивидов.
Исходя из выше приведенных соображений, мы предлагаем гипотезу, что повышенная экспрессия CIDEA и др. белков липидных капель в жировых клетках у ряда тучных индивидов улучшает их способность секвестрировать триглицериды и др. липиды и снижать высвобождение ими жирных кислот в кровоток (Fig. 5). Это в свою очередь гипотетически ослабляет вредные последствия избытка циркулирующих в крови FFAs, сохраняя чувствительность к инсулину в скелетных мышцах. Более того, в качестве мишеней для PPARγ в жировой ткани. пониженная экспрессия белков липидных капель может отражать подавление функции PPARγ за счет воспалительных цитокинов, таких как TNFα, вызывая избыток мобилизации жирных кислот из хранилищ в адипоцитах. Позитивная регуляция экспрессии FSP27 и perilipin с помощью rosiglitazone такж может ассоциировать с секвестрацией жира и эффектами сенсибилизации инсулина лекарствами у людей. В самом деле, недавние исследования показали, что повышенная экспрессия perilipin в подкожном жире обработанных rosiglitazone жирных крыс126, согласуются с этой гипотезой и нашими данными на мышах.
Concluding remarks
Work over the past decade has provided a framework for our understanding of the functions of adipose tissue in metabolic disease. The role of adipose tissue as a dominant regulator of whole-body lipid and glucose homeostasis is now well established, based on extensive experimental evidence, which shows that dysfunctions in adipose tissue metabolism have a direct impact on lipid and glucose homeostasis. Indeed, the combination of hyperphagia and adipose dysfunction seems to underlie important metabolic pathologies, such as insulin resistance, type 2 diabetes and cardiovascular diseases. Many observations reinforce the concept that normal lipid and glucose homeostasis as well as normal insulin sensitivity requires fully functional adipose tissue. Adipose dysfunctions in obesity include secretions of abnormal levels of cytokines linked to insulin resistance, impairments in triglyceride storage and increases in lipolysis. These abnormalities in turn can contribute to increased fatty acids in the circulation and lead to an overload of fatty acids in the skeletal muscle and the liver. Such increases in fatty acids in these compartments are likely to cause decreased responsiveness to insulin in these tissues in obesity.
Research in the field has also established the important concept that obesity can lead to a chronic inflammatory state within adipose tissue depots, which at least in part causes the adipocyte dysfunctions described above. Hypertrophied adipocytes in obese subjects secrete large amounts of the macrophage chemoattractant MCP-1, perhaps contributing to macrophage infiltration into adipose tissue. Other inflammatory cytokines probably have important roles and others remain to be discovered. Importantly, significant progress in understanding the mechanisms whereby cytokines act on adipose tissue to disrupt triglyceride storage and increase lipolysis has been made. These studies highlight the negative regulation by cytokines like TNFα of gene products that are crucial for lipid storage, such as the transcriptional factor PPARγ and its downstream target genes that control fatty acid synthesis, esterification and sequestration as triglyceride in lipid droplets. Intriguingly, recent data implicate perilipin and the novel lipid-droplet-associated proteins FSP27 and CIDEA as key regulated proteins in human obesity. Expression levels of these proteins seem to inversely correlate with insulin resistance in multiple studies. These new data lead us to present the hypothesis that lipid-droplet proteins function to strongly sequester triglyceride within lipid droplets of adipocytes, which might represent a contributing factor in the varying degrees of insulin resistance observed among obese human subjects.
