Control of metabolic flux by nutrient sensors Oosterveer, Maaike

Transcriptie

1 Control of metabolic flux by nutrient sensors Oosterveer, Maaike IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2009 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Oosterveer, M. H. (2009). Control of metabolic flux by nutrient sensors Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting Het lichaam bevat sensoren die het aanbod van voedingsstoffen ( nutriënten ) opmerken. Hierdoor is het mogelijk de stofwisseling (het metabolisme ) af te stemmen op de beschikbaarheid van voedingsstoffen. Zolang er voldoende energie beschikbaar is, worden overtollige voedingstoffen opgeslagen. Deze reserves kunnen worden aangesproken wanneer het aanbod niet kan voorzien in de energiebehoefte. Door deze flexibiliteit van het metabolisme is het lichaam in staat om te blijven functioneren onder wisselende omstandigheden. Aanpassingen in de stofwisseling vinden plaats door het veranderen van metabole fluxen. Een flux is de stroom van moleculen door een aantal opeenvolgende chemische reacties. Deze vormen samen een biochemisch reactiepad. De grootte van een metabole flux wordt bepaald door de beschikbaarheid van voedingsstoffen, en de activiteit van katalysatoren die de chemische reacties versnellen ( enzymen ). Deze activiteit wordt mede bepaald door de aanwezigheid van voedingsstoffen. De voedingsstatus heeft daarom een directe én indirecte invloed op de grootte van metabole fluxen. Zowel de activiteit als de aanwezigheid van metabole enzymen wordt nauwkeurig gereguleerd. De aanmaak van een enzym begint met het aflezen van een specifieke genetische code op het DNA ( transcriptie ). Deze code wordt vertaald, waarna het enzym geproduceerd kan worden. De voortgang van het transcriptieproces wordt onder meer bepaald door de aanwezigheid van zogenaamde transcriptiefactoren op het DNA. Sommige transcriptiefactoren, genaamd nucleaire receptoren, worden geactiveerd door de binding van specifieke moleculen ( liganden ), en verhogen of verlagen vervolgens de transcriptie van bepaalde genen ( target genen ). In de afgelopen jaren is duidelijk geworden dat voedingsstoffen als ligand dienen voor een select aantal nucleaire receptoren. Deze vormen een groep nutriënt sensoren die ervoor zorgen dat de transcriptie van metabole enzymen wordt aangepast wanneer het aanbod van voedingsstoffen verandert. Door het aanpassen van de activiteit van transcriptiefactoren kunnen metabole fluxen dus gestuurd worden. Zoals gezegd maakt de flexibiliteit van het metabolisme korte-termijn aanpassingen aan wisselende omstandigheden mogelijk. Wanneer het aanbod van energie en voedingsstoffen gedurende langere tijd groot is, zullen metabole fluxen blijvend veranderen. Hierdoor zal de kans op het ontstaan van metabole verstoringen zoals overgewicht, leververvetting en suikerziekte toenemen. Het is daarom belangrijk te achterhalen op welke manier de veranderingen in metabole fluxen precies tot stand komen. Bovendien biedt het veranderen van enzymtranscriptie de mogelijkheid om metabole verstoringen bij te sturen. Er is dan ook een groeiende interesse om de activiteit van transcriptiefactoren met medicijnen te beïnvloeden. De kennis over de regulering van metabole fluxen door transcriptiefactoren is op dit moment beperkt. Wanneer deze wordt uitgebreid kan de werking van toekomstige medicijnen verbeterd worden. In dit proefschrift zijn de metabole aanpassingen die optreden als gevolg van veranderingen in de voedingsstatus gedeeltelijk in kaart gebracht. Hierbij is de rol van een aantal transcriptiefactoren nader onderzocht. In Hoofdstuk 2 werd de functie van de Liver X Receptor (LXR) in de lever bestudeerd tijdens de overgang van voeden naar vasten. Er zijn 2 vormen van LXR, α en β. Van beide vormen is bekend dat zij het metabolisme van cholesterol en vetzuren beïnvloeden. De activiteit Samenvatting 149

3 van LXR wordt bepaald door de cholesterolconcentratie in de cel. Er is daarnaast beperkt bewijs dat glucose als LXR ligand kan dienen. Om dit verder te bestuderen, boden we muizen een glucose rijk dieet aan. De transcriptie van directe LXR target genen werd hierdoor echter niet verhoogd. Ook was er geen verschil waarneembaar in deze transcriptie wanneer normale muizen werden vergeleken met dieren waarin de werking van LXRα uitgeschakeld is ( LXRα knockouts ). Wanneer beide soorten muizen werden gevast, bleek dat de afbraak van glycogeen (de opslagvorm van glucose) vertraagd was in de levers van LXRα knockouts. Bovendien waren de fluxen die van belang zijn voor de omzetting van zowel glucose als glycogeen verlaagd in deze dieren. Ook vonden we dat er minder leververvetting optrad in gevaste LXRα knockouts. Het lijkt er daarom op dat LXRα activiteit van belang is voor de regulatie van metabole fluxen wanneer het aanbod van voedingsstoffen afneemt, en het lichaam zijn reserves gaat aanspreken. De Farnesoid X Receptor (FXR) is een transcriptiefactor die geactiveerd wordt door galzouten. Ook is aangetoond dat FXR knockouts in mindere mate in staat zijn het glucose metabolisme in de lever op peil te houden wanneer zij gevast worden. De resultaten van de studies die in Hoofdstuk 3 zijn beschreven duiden op een rol voor FXR in de regulatie van het glucose metabolisme in de dunne darm. De toename in de bloedsuikerspiegel door een orale glucose belasting bleek verminderd te zijn in FXR knockouts. Vervolgexperimenten wezen uit dat de glucose opname in deze dieren vertraagd was. Dit is te verklaren doordat de passage van glucose door darmcellen in FXR knockouts gedeeltelijk via een alternatieve route plaatsvindt. Uit deze studies valt te concluderen dat de inactivatie van FXR leidt tot een verandering van de glucose fluxen in de darm. Peroxisome Proliferator Activated Receptors (PPARs) zijn transcriptiefactoren die worden geactiveerd door vetzuren. PPARα is een belangrijke regulator van het vetmetabolisme in de lever. Zo is aangetoond dat deze transcriptiefactor een sleutelrol speelt bij de metabole aanpassingen die plaatsvinden tijdens de overgang van voeden naar vasten. Dit houdt in dat de verbranding van vetzuren toeneemt, terwijl het glucoseverbruik beperkt wordt. Daarnaast activeert PPARα een aantal systemen die beschermen tegen schade door eindproducten van vetverbranding. De studies in Hoofdstuk 4 werpen een nieuw licht op de aanpassingen die optreden als gevolg van een verhoogde PPARα activiteit in de lever. Muizen werden behandeld met een geneesmiddel dat PPARα activeert. Als gevolg hiervan was de transcriptie van enzymen die betrokken zijn bij de vetverbranding in de lever verhoogd. Verrassend genoeg zagen we ook een toename in de transcriptie van enzymen benodigd voor vetzuuraanmaak ( vetzuursynthese ). Voor deze verhoging bleek de aanwezigheid van de transcriptiefactor Sterol Regulatory Element Binding Protein 1c (SREBP-1c) noodzakelijk. Deze transcriptionele regulatie vertaalde zich in een toename van de vetzuursynthese-flux en een ophoping van vet in de lever. Ook traden er veranderingen op in de glucose fluxen. Al met al laten deze resultaten zien dat de verbranding en aanmaak van vetzuren gelijktijdig kunnen plaatsvinden in de lever. De toegenomen aanmaak van vetzuren en de ophoping van vet maken waarschijnlijk onderdeel uit van een mechanisme waarmee de lever zichzelf beschermt tegen schade door vetzuren en hun afbraak producten. Hoofdstuk 5 en 6 beschrijven de gevolgen van een verhoogde inname van vet via de voeding. Hiervoor werden twee verschillende soorten vetrijke diëten gebruikt. Het ene dieet bestond uit rundvet, en had hierdoor een hoog gehalte aan verzadigde vetzuren. Deze verzadigde vetzuren waren in het andere dieet gedeeltelijk vervangen door visolie, wat rijk is aan meervoudig onverza- 150 Samenvatting

4 digde vetzuren. De inname van deze vetzuren verlaagt de kans op aderverkalking en hartinfarcten. De diëten werden gedurende zes weken aan verschillende groepen muizen aangeboden. De verhoogde vetinname leidde in beide gevallen tot een toename van de vetverbranding in vergelijking tot muizen die een standaard (laag vet) dieet kregen. Dit effect was het meest uitgesproken in de dieren die het met visolie verrijkte dieet aten (Hoofdstuk 5). Toch veroorzaakten beide hoog vet diëten een toename van de vetmassa, omdat door het hoge vetgehalte de energie-inhoud van de voeding ook steeg, terwijl het energieverbruik gelijk bleef (Hoofdstuk 5). Dieren die het rundvet dieet kregen, hadden een verhoogde vetzuursynthese flux in hun lever. Dit was mogelijk het gevolg van een verhoogde transcriptie van vetzuursynthese enzymen (Hoofdstuk 6). Aan de andere kant was de hoeveelheid vet die de lever verliet gelijk aan dat van muizen die een standaard dieet aten. Hierdoor was de netto opslag van vet verhoogd in de levers van de met rundvet gevoede muizen. Gedeeltelijke vervanging van het verzadigd vet door visolie leidde tot een onderdrukking van zowel de transcriptie van vetzuursynthese enzymen als de werkelijke flux door deze route. Hierdoor werd de ophoping van vet voorkomen. Visolie heeft dus gunstige effecten op het vetmetabolisme, die bijdragen aan het voorkomen van leververvetting en hartinfarcten. Tenslotte werden de consequenties van de verhoogde vetinname voor glucose fluxen bestudeerd. Inname van het rundvetdieet beïnvloedde het glucose metabolisme op negatieve wijze: de gevoeligheid voor insuline nam af. Hierdoor neemt op de lange termijn het risico op suikerziekte toe. De langdurige overbelasting met voedingsvet leidde tot een permanente vetverbranding, met als gevolg een daling van de glucoseopname en glucoseverbranding. In tegenstelling tot de eerder genoemde verbeteringen in het vetmetabolisme, resulteerde de visolie verrijking niet tot een verbetering van het glucose metabolisme. Dit verslechterde zelfs ten opzichte van de met rundvet gevoerde dieren (Hoofdstuk 5). Andere studies laten wel een beschermend effect zien van visolie op het ontwikkelen van insuline resistentie van het glucose metabolisme. Daarom is het van belang de effecten van visolie onder verschillende omstandigheden te bestuderen. Hiervoor is vervolgonderzoek nodig. Deze studies vergroten het inzicht in de werking van transcriptiefactoren die metabole fluxen reguleren. Zo lijkt een verhoogde activiteit van bepaalde factoren noodzakelijk voor een adequate verwerking van vetzuren. Hierdoor wordt de kans op leverschade verkleind. In vele gevallen veroorzaakt dit echter een ophoping van vet in de lever. Hoewel deze vetstapeling op zichzelf redelijk onschuldig is, wordt hierdoor het risico op leveraandoeningen vergroot, in het bijzonder wanneer er gelijktijdig een ontstekingreactie plaatsvindt. Verder laten de studies zien dat een blokkade van de werking van transcriptiefactoren leidt tot een reorganisatie van metabole fluxen. Deze reorganisatie is vaak veel ingrijpender dan wat verwacht kan worden op basis van de directe regulatie door target genen van een bepaalde transcriptiefactor. Bovendien kan het metabolisme door het samenspel van enzymen op verschillende manieren beïnvloed worden onder wisselende metabole omstandigheden. Het is daarom van groot belang om de effecten van transcriptiefactoren binnen de juiste context te bestuderen. Tenslotte kan een verandering van de ene metabole flux gevolgen hebben voor een andere flux. Het toepassen van fluxomics in intacte organismen is daarom nodig om de effecten van medicijnen die aangrijpen op transcriptiefactoren volledig in beeld te krijgen. Wanneer de globale metabole gevolgen in kaart worden gebracht zullen uiteindelijk betere medicijnen ontwikkeld kunnen worden. Samenvatting 151

5