Role of fatty acid desaturating enzymes in the pathomechanism of diabetes mellitus  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
106060
Type K
Principal investigator Csala, Miklós
Title in Hungarian Zsírsav-deszaturációban résztvevő enzimek szerepe a diabetes mellitus patomechanizmusában
Title in English Role of fatty acid desaturating enzymes in the pathomechanism of diabetes mellitus
Keywords in Hungarian endoplazmás retikulum, ER-stressz, lipotoxicitás, Jun-kináz, béta-sejt, inzulin, redox homeosztázis
Keywords in English endoplasmic reticulum, ER-stress, lipotoxicity, Jun-kinase, beta-cell, insulin, redox homeostasis
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)80 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Ortelius classification: Biochemistry
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent Dept. of Molecular Biology (Semmelweis University)
Participants Kereszturi, Éva
Mészáros, Tamás
Starting date 2013-01-01
Closing date 2016-12-31
Funding (in million HUF) 23.600
FTE (full time equivalent) 4.25
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A diabetes mellitus patomechanizmusa szempontjából kiemelkedő fontosságú az inzulinrezisztencia kialakulása és a pankreász β-sejtek pusztulása. Az utóbbi években mindkét folyamattal kapcsolatban egyre nagyobb figyelem irányul a telített szabad zsírsavak szerepe felé. Az emelkedett szérum-zsírsavszint lipidek kóros felhalmozódásához vezet a különböző sejtekben, és a felerősödő alternatív anyagcsere káros hatásai (lipotoxicitás) akár a sejtek pusztulásához is (lipoapoptózis) vezethetnek.
A zsírsav-deszaturációban résztvevő, endoplazmás retikulumban (ER) elhelyezkedő, enzimek közül a citokróm b5, a citokróm-b5-reduktáz és a sztearil-KoA deszaturáz 1 (Scd1) mellett két újonnan felfedezett oxidoreduktáz (Ncb5or és Scd5) különösen érdekes lehet a diabetes szempontjából. Az NCB5OR -/- egerekben 4-6-hetes korban a zsírszövet atrófiája mellett vércukorszint-emelkedés és inzulinszint-csökkenés, ennek hátterében pedig a hasnyálmirigy béta-sejtjeinek progresszív pusztulása észlelhető. Az Ncb5or-deficiens β-sejtek fokozottan hajlamosak telített zsírsavakkal kiváltott lipotoxicitásra, amely ER stresszt és a sejtek pusztulását eredményezi. Az Scd5 a deszaturáz csak emberszabásúakban megtalálható izoformája, és különösen magas szinten fejeződik ki a hasnyálmirigyben.
A tervezett munka célja az Ncb5or és Scd5 β-sejtekben betöltött metabolikus funkciójának feltárása, valamint annak kiderítése, hogy hiányuk miért teszi érzékenyebbé a sejteket zsírsavak iránt, és milyen mechanizmusok révén okozza a sejtek pusztulását. Mivel a lipoapoptózisban a JNK aktiválódása bizonyítottan szerepet játszik, több új JNK-gátló vegyület protektív hatását is megvizsgáljuk.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Hipotézisünk szerint a deszaturációban résztvevő enzimek fontos meghatározói a β-sejtek életképességének és zsírsav-érzékenységének. Defektusuk nem csupán súlyosbítja, hanem utánozza is a lipotoxicitást, amennyiben a telített zsírsavakat káros alternatív anyagcsereutakra tereli. Feltételezhető tehát, hogy az „unfolded protein response” (UPR) és különösen a JNK-aktiválódás kiemelt szerepet játszik az ezen enzimek defektusa által kiváltott β-sejtpusztulásban. A tervezett kutatás célja a sérült zsírsav-deszaturáció, a lipotoxicitás és a β-sejtek apoptózisa közti összefüggések feltárása.
Vizsgálni kívánt szempontok:
a) A zsírsav-deszaturáló enzimek expressziója és funkciója a β-sejtekben
Az Scd1, Scd5, b5R, b5 és Ncb5or expresszióját vizsgáljuk β-sejtekben. Feltételezzük, hogy az Scd5 és az Ncb5or különleges szerepet játszik a β-sejtekben, míg az Scd1 és a b5R-b5 enzimpáros inkább más szövetekben domináns. Az enzimek közti funkcionális kapcsolatot is megvizsgáljuk.
b) A β-sejtek zsírsav-anyagcseréjében és redox homeosztázisában a vizsgált enzimek megváltozott expressziója által kiváltott változások
A zsírsav-anyagcsere és a redox státusz várható eltolódásait vizsgáljuk β-sejtekben az Scd1, Scd5, b5R, b5 és Ncb5or túltermeltetése vagy elnémítása után.
c) A zsírsav-deszaturáló enzimek defektusa által okozott β-sejtpusztulás
A sejtek életképességét és apoptózisát vizsgáljuk az említett gének csendesítése után zsírsav-kezeléssel vagy a nélkül. Szintén vizsgáljuk az ER stresszt és az UPR aktiválódását.
d) Új JNK-gátló vegyületek β-sejtprotektív hatása a zsírsav-deszaturáció defektusa vagy lipotoxicitás esetén

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett munka a zsírsav-deszaturáció, a redox homeosztázis, az ER stressz, a lipotoxicitás és a diabetes mellitus közti összeköttetések vizsgálatára irányul. A várható eredmények az alapkutatás (biokémia és molekuláris biológia) és az alkalmazott orvosi kutatás (gyógyszerfejlesztés) szempontjából egyaránt fontosas. Megfigyeléseink hozzájárulnak a diabetes mellitus patomechanizmusának megértéséhez, különösen, ami a zsírsavak által kiváltott β-sejtpusztulás kérdését illet. Ez jó alapot biztosít a cukorbetegség új, hatékony megelőző és terápiás stratégiáinak kialakításához. Ráadásul a vizsgált rendszer komponensei mind potenciális gyógyszercélpontok, a vizsgált kinázgátlók, beleértve a szelektív JNK-gátlókat, ígéretes β-sejtvédőknek bizonyulhatnak, és így gyógyszerfejlesztés kiinduló vegyületei lehetnek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A cukorbetegség világszerte egyre gyakoribb, így növekvő kihívást jelent az orvostudomány és az egészségügy számára. Kialakulásának és okainak megismerése, valamint hatásos megelőző és terápiás módszerek kifejlesztése ezért rendkívül fontos. Az utóbbi évek intenzív kutatása kiderítette, hogy a vérben található zsírsavak kulcsszerepet játszanak az inzulint termelő sejtek fokozatos pusztulásában, ami a folyamatot végül visszafordíthatatlanná teszi. A tervezett kutatás azon enzimek szerepének megismerésére irányul, amelyek résztvesznek a zsírsavak anyagcseréjében, és kapcsolatba hozhatók a cukorbetegséggel. Célunk az inzulintermelő sejtek pusztulása mögött álló folyamatok jobb megismerése, és a sejtpusztulás megakadályozására alkalmas gyógyszerjelölt vegyületek azonosítása. A várt eredmények a cukorbetegség megelőzésében és gyógyításában is felhasználható ismeretekkel szolgálhatnak.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Development of insulin resistance and pancreatic β-cell death are of major importance regarding the pathomechanism of diabetes mellitus. A growing scientific interest has been focused recently on the role of saturated fatty acids. Elevated serum fatty acid levels lead to pathological lipid accumulation in various cell types and the deleterious effects of enhanced alternative metabolic pathways (lipotoxicity) can cause even cell death (lipoapoptosis).
Besides cytochrome b5, cytochrome b5 reductase and stearyl-CoA desaturase 1 (Scd1), two newly discovered oxidoreductases (Ncb5or and Scd5) participating also in fatty acid desaturation and located in the endoplasmic reticulum (ER) are especially intriguing from the aspect of diabetes mellitus. NCB5OR -/- mice have adipoatrophy and develop hyperglycemia and insulin deficiency at age 4-6 weeks due to progressive loss of pancreatic β-cell mass. Ncb5or-deficient β-cells are particularly susceptible to saturated-fatty-acid-induced lipotoxicity, which causes ER stress and cell death. Scd5 is primate-specific desaturase isoform, which has remarkably high expression level in the pancreas.
The aim of the planned work is to elucidate the metabolic functions of Ncb5or and Scd5 in β-cells, as well as to reveal why their deficiency sensitizes the cells to fatty acids and through which mechanisms it leads to cell death. Since JNK activation evidently plays a role in lipoapoptosis, the assumed protective effect of several new JNK inhibitors will be assessed.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
JNK activation in particular, play a central role in β-cell death caused by deficiency of these enzymes. The aim of the planned work is to elucidate the connection between defective fatty acid desaturation, lipotoxicity and β-cell apoptosis.
Specific points:
a) Expression and function of fatty acid desaturating enzymes in β-cells
The expression level of Scd1, Scd5, b5R, b5 and Ncb5or will be studied in insulin producing β-cells. We hypothesize that Scd5 and Ncb5or play a special role in β-cells while Scd1 and the b5R-b5 enzyme couple are more represented in other tissues. The functional cooperation between Scd5 and Ncb5or will be also investigated.
b) Changes in fatty acid metabolism and redox homeostasis in β-cells due to altered expression of the investigated oxidoreductases
The expected diversion of FA metabolism and shift in redox / antioxidant status will be assessed in β-cells upon silencing or overexpression of Scd1, Scd5, b5R, b5 and Ncb5or.
c) β-Cell death induced by deficient fatty acid desaturating enzymes
Viability and intensity of apoptosis will be assessed in β-cells after silencing of each of our candidate genes with or without fatty acid challenge. The role of ER stress and the UPR with special emphasis on JNK activation and CHOP induction in cell death will also be investigated.
d) β-Cell protection by novel JNK inhibitors in fatty-acid-desaturation-deficiency or lipotoxicity

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned work is focused on the links between fatty acid desaturation, redox homeostasis, ER stress, lipotoxicity and diabetes mellitus. The expected findings are equally important from the aspects of basic research (biochemistry and molecular biology) and applied medical research (drug development). Our results would contribute to the understanding of the pathomechanism of diabetes mellitus, particularly as far as the fatty acid induced β-cell death is concerned. This can serve grounds for the elaboration of efficient new preventive and therapeutic strategies in diabetes mellitus. Moreover, the components of the investigated system are all potential drug-targets and the tested kinase inhibitors, including selective JNK inhibitors, may turn out to be promising β-cell-protective agents and drug candidates.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The incidence of diabetes mellitus is continually increasing worldwide; therefore, the disease is an ever growing challenge for the medical science and health care. Understanding of its background and causes, and the development of efficient preventive and therapeutic methods are of great importance. Intensive research of the latest years revealed that serum free fatty acids play a key role in the progressive death of insulin producing cells, which eventually makes the process irreversible. The planned work aims to elucidate the role of those enzymes that participate in fatty acid metabolism and can be associated with diabetes mellitus. Our goal is to understand the mechanisms underlying the decay of insulin producing cells, and to identify drug candidates of the capability to prevent or stop this cell death. The expected results can provide us with a knowledge useful in prevention and treatment of diabetes mellitus.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az emelkedett szabad zsírsavszint különböző sejtek működését károsítja (lipotoxicitás), illetve programozott halálát okozza (lipoapoptózis). A jelenség fontos szerepet játszik a 2-es típusú diabétesz kialakulásában és progressziójában, mivel inzulinrezisztenciához, β-sejtdiszfunkcóhoz és β-sejtpusztuláshoz vezet. Az acil-KoA-deszaturázok védenek a telített zsírsavak által kiváltott lipotoxicitással szemben. Feltételezik, hogy működésükben részt vesz a nemrég felfedezett Ncb5or enzim, amely NAD(P)H elektronjait juttathatja az enzimhez. Különböző módszerekkel bizonyítottuk az overexpresszált, illetve endogén humán Ncb5or citoplazmai lokalizációját, egyben kizártuk a zsírsav-deszaturáció és az ER luminális kortizolképződés funkcionális kapcsolatát. A humán Ncb5or több természetes misszensz mutációját vizsgálva találtunk két aminosavcserét, amelyek a fehérje csökkent expressziójához vezetnek, és kimutattuk, hogy ezek a fehérje destabilizációját és gyorsult proteaszomális lebomlását eredményezik. Patkány inzulinóma sejteken beállított lipotoxicitás-modellünket alkalmazva kimutattuk, az ismert inzulin-szenzitizáló antidiabetikum, a metformin β-sejtvédő hatását a palmitát által kiváltott ER-stresszel és apoptózissal szemben. Ugyanezt a lipotoxicitás-modellt használtuk új kinázgátló hatóanyagok kiválasztására és fejlesztésére, amelyek a palmitát által előidézett JNK- és IRS-1-szerinfoszforilációk csökkentése révén hasznosak lehetnek az antidiabetikus terápiában.
Results in English
Elevated free fatty acid levels cause derangement in the functions of various cells (lipotoxicity) or even programmed cell death (lipoapoptosis). The phenomenon plays an important role in the development and progression of type 2 diabetes, as it leads to insulin resistance, β-cell dysfunction and β-cell death. Acyl-CoA desaturases protect against saturated fatty acid induced lipotoxicity. The recently discovered Ncb5or enzyme is supposed to participate in their activity by furthering the electrons of NAD(P)H to the enzymes. We proved the cytosolic localization of overexpressed and endogenous human Ncb5or by using various approaches. We also ruled out any functional link between fatty acid desaturation and ER luminal cortisol production. We studied a number of natural missense mutations in human Ncb5or and found two amino acid replacements that result in reduced protein expression. We demonstrated that these mutations destabilize the protein and cause its accelerated proteasomal degradation. We established a lipotoxicity model in a rat insulinoma cell line, and we applied this model to reveal the β-cell protective effect of the known insulin sensitizer antidiabetic metformin against palmitate-induced ER-stress and apoptosis. We used the same lipotoxicity model to select and develop novel kinase inhibitor molecules, which might become useful in antidiabetic therapy through reducing palmitate-induced JNK phosphorylation and IRS-1 serine phosphorylation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=106060
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zámbó V, Tóth M, Schlachter K, Szelényi P, Sarnyai F, Lotz G, Csala M, Kereszturi É: Cytosolic localization of NADH cytochrome b5 oxidoreductase (Ncb5or), FEBS LETT 590: (5) 661-671, 2016
Szelényi P, Révész K, Konta L, Tüttő A, Mandl J, Kereszturi É, Csala M: Inhibition of microsomal cortisol production by (–)-epigallocatechin-3-gallate through a redox shift in the endoplasmic reticulum — A potential new target for treating obesity-related diseases, BIOFACTORS 39: (5) 534-541, 2013
Csala M, Kardon T, Legeza B, Lizák B, Mandl J, Margittai É, Puskás F, Száraz P, Szelényi P, Bánhegyi G: On the role of 4-hydroxynonenal in health and disease, BBA-MOL BASIS DIS 1852: (5) 826-838, 2015
Margittai É, Enyedi B, Csala M, Geiszt M, Bánhegyi G: Composition of the redox environment of the endoplasmic reticulum and sources of hydrogen peroxide, FREE RADICAL BIO MED 83: 331-340, 2015
Somogyi A, Horvai G, Csala M, Tóth B: Analytical Approaches for the Quantitation of Redox-active Pyridine Dinucleotides in Biological Matrices, PERIOD POLYTECH CHEM ENG 60: (4) 218-230, 2016
Csala M: Zsírsavtúltengés - inzulinrezisztencia és béta-sejt-halál [Hyper-free fatty acidemia - insulin resistance and β-cell death], ORV HETIL 157: (19) 733-739, 2016
Mandl J, Mészáros T, Bánhegyi G, Csala M: Minireview: Endoplasmic reticulum stress: Control in protein, lipid, and signal homeostasis, MOL ENDOCRINOL 27: (3) 384-393, 2013
Zambo V, Simon-Szabo L, Szelenyi P, Kereszturi E, Banhegyi G, Csala M: Lipotoxicity in the liver, WORLD J HEP 5: (10) 550-557, 2013
Kalman SF, Lizak B, Nagy SZK, Meszaros T, Zambo V, Mandl J, Csala M, Kereszturi E: Natural mutations lead to enhanced proteasomal degradation of human Ncb5or, a novel flavoheme reductase, BIOCHIMIE 95: (7) 1403-1410, 2013
Mandl J, Mészáros T, Bánhegyi G, Csala M: Minireview: Endoplasmic reticulum stress: Control in protein, lipid, and signal homeostasis, MOL ENDOCRINOL 27: (3) 384-393, 2013
Szelényi P, Révész K, Konta L, Tüttő A, Mandl J, Kereszturi É, Csala M: Inhibition of microsomal cortisol production by (–)-epigallocatechin-3-gallate through a redox shift in the endoplasmic reticulum — A potential new target for treating obesity-related diseases, BIOFACTORS 39: (5) 534-541, 2013
Zambo V, Simon-Szabo L, Szelenyi P, Kereszturi E, Banhegyi G, Csala M: Lipotoxicity in the liver, WORLD J HEP 5: (10) 550-557, 2013
Simon-Szabó L, Kokas M, Mandl J, Kéri G, Csala M: Metformin Attenuates Palmitate-Induced Endoplasmic Reticulum Stress, Serine Phosphorylation of IRS-1 and Apoptosis in Rat Insulinoma Cells, PLOS ONE 9: (6) , 2014
Csala Miklós: A túltáplált sejttől a cukorbetegségig, ÉLET ÉS TUDOMÁNY 68: (8) 243-245, 2013
Simon-Szabó L, Kokas M, Greff Z, Boros S, Bánhegyi P, Zsákai L, Szántai-Kis C, Vantus T, Mandl J, Bánhegyi G, Vályi-Nagy I, Őrfi L, Ullrich A, Csala M, Kéri G: Novel compounds reducing IRS-1 serine phosphorylation for treatment of diabetes, BIOORG MED CHEM LETT 26: (2) 424-428, 2016
Csala M: Entrance of electrons to acyl-CoA desaturation, AUSTIN JOURNAL OF MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY 2: (1) , 2015
Simon-Szabó L, Kokas M, Mandl J, Kéri G, Csala M: Metformin Attenuates Palmitate-Induced Endoplasmic Reticulum Stress, Serine Phosphorylation of IRS-1 and Apoptosis in Rat Insulinoma Cells, PLOS ONE 9: (6) , 2014
Kalman SF, Lizak B, Nagy SZK, Meszaros T, Zambo V, Mandl J, Csala M, Kereszturi E: Natural mutations lead to enhanced proteasomal degradation of human Ncb5or, a novel flavoheme reductase, BIOCHIMIE 95: (7) 1403-1410, 2013



Back »