Az endoplazmás retikulum piridin-nukleotid rendszerének redox változásai: összefüggés az elhízással, a 2-es típusú diabetes-szel és a metabolikus szindrómával
Title in English
Pyridine nucleotide redox abnormalities in the endoplasmic reticulum: role in the pathomechanism of obesity, diabetes type 2 and metabolic syndrome
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Biological basis of diseases related to the above (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Dept. of Molecular Biology (Semmelweis University)
Participants
Bánhegyi, Gábor
Starting date
2009-11-01
Closing date
2011-10-31
Funding (in million HUF)
14.822
FTE (full time equivalent)
1.37
state
closed project
Summary in Hungarian
Az endoplazmás retikulum (ER) stressz gyakori oka a redox egyensúly felborulása. A tiol-diszulfid redox státusz jelentőségét kiterjedt kutatások igazolják, míg a lumenben elhelyezkedő másik fontos redox rendszer, a piridin-nukleotidok szerepéről kevés adat áll rendelkezésre. Előzetes megfigyeléseken alapuló hipotézisünk szerint (i) a luminális piridin-nukleotid készlet redox állapota a tápanyagösszetétel vagy a lokális oxidoreduktázok expressziójának változtatásával befolyásolható; (ii) az előidézett változások ER stresszt válthatnak ki; (iii) mindezek a folyamatok végső soron a glukokortikoidok prereceptoriális aktiválódásának megváltozását okozzák, és így (iv) az ER stressz szerepet játszik a preadipociták differenciálódásában. Feltételezésünk szerint a vázolt folyamat az elhízás, a metabolikus szindróma, illetve a 2-es típusú cukorbetegség patomechanizmusának szerves részét képezi. A tervezett munka célja az érintett luminális oxidoreduktázok expressziójának és aktivitásának jellemzése a metabolikus szindróma állatmodelljében, illetve a differenciálódó preadipocitákban. Az ER-ben található piridin-nukleotidok redox státuszának változásait, valamint az ER stressz markereinek megjelenését szintén vizsgálni kívánjuk a fenti modellekben. A várható eredmények egyrészt az adipocitaérés ER-függő jelátviteli folyamatainak és a metabolikus szindróma patomechanizmusának jobb megismerését, másrészt új farmakológiai célpontok azonosítását teszik lehetővé.
Summary
Redox imbalance in the endoplasmic reticulum (ER) lumen is a frequent cause of the ER stress. While the role of the thiol/disulfide redox system in this process has been extensively investigated, little is known about luminal pyridine nucleotides from this aspect. On the basis of preliminary observations we hypothesize that (i) redox state of luminal pyridine nucleotides can be changed upon nutrient addition or altered expression of local oxidoreductases; (ii) redox changes of luminal pyridine nucleotides can trigger ER stress; (iii) these processes finally lead to an altered prereceptorial activation of glucocorticoids, and (iv) ER stress is involved in the differentiation of preadipocytes. We suppose that these alterations are integral parts of the pathomechanism of the metabolic syndrome, obesity and type 2 diabetes. The aim of the project is the examination of the expression and activity of luminal oxidoreductases in animal models of the metabolic syndrome and during preadipocyte differentiation. The redox state of pyridine nucleotide pool in the ER, as well as the appearance of ER stress markers will be monitored in all the above mentioned processes. The expected results will provide an insight into the ER-dependent signaling in adipocyte differentiation and the pathomechanism of metabolic syndrome. The project can possibly identify new targets for the pharmaceutical intervention.
Final report
Results in Hungarian
Az ER tápanyagszenzor-funkciója elsősorban a hexóz-6-foszfát-dehidrogenáz (H6PD) működéséhez köthető. Megvizsgáltuk az enzim expresszióját különböző patkány és humán szövetekben, és mindenütt hasonló mRNS- és fehérjeszinteket, valamint dehidrogenáz és laktonáz aktivitásokat észleltünk, ami az enzim és génje „housekeeping” jellegére utal.
Táplált és éhező patkányok májából izolált mikroszóma luminális [NADP]:[NADPH] aránya az éhezés előre haladtával folyamatosan nő, vagyis az ER lumen egyre oxidáltabbá válik. Ezzel összhangban a mikroszóma kortizoltermelő kapacitása az éhezéssel egyre csökken, míg kortizoloxidáló kapacitása fokozatosan nő. Kimutattuk, hogy a fruktóz-6-foszfát (F6P) képes bejutni a máj- és zsírsejtek ER-jébe, és ezt a transzportot olyan fehérje mediálja, amely nem azonos a glukóz-6-foszfát (G6P)-transzporterrel. A lumenbe került F6P közvetlenül nem szubsztrátja a H6PD-nek, mégis hatékonyan táplálja a kompartment NADPH-termelését, miután egy eddig azonosítatlan enzim átalakítja G6P-vé. A glukózt inzulinfüggő transzporttal felvevő és hexokinázt tartalmazó sejtekben (pl. zsírsejtek), a fruktózmetabolizmus jelentősen fokozhatja a kortizoltermelést, és ez a mechanizmus hozzájárulhat az inzulinrezisztencia kialakulásához.
Eredményeink a fiziológiás szabályozás új mechanizmusait tárják fel, egyúttal potenciális gyógyszer-támadáspontokat is azonosítva. Ezek rendkívüli jelentőséggel bírnak a metabolikus szindróma, illetve a diabetes megelőzésében és terápiájában.
Results in English
Nutrient sensor function of the ER is attributed primarily to hexose-6-phosphate dehydrogenase (H6PD). Its expression was assessed in a variety of rat and human tissues. The mRNA and protein levels as well as dehydrogenase and lactonase activities were found to be similar, which strongly supports the housekeeping function of this enzyme and its gene.
The luminal [NADP]:[NADPH] ratio of microsomes isolated from livers of fed and fasted rats raises continually during starvation, i.e. the ER lumen is getting increasingly oxidizing. In line with this, the cortisol producing capacity of the microsomes gradually decreases while the cortisol oxidizing capacity increases in starvation. We found that fructose-6-phosphate (F6P) can enter the ER of hepatocytes and adipocytes; and this transport is mediated by a protein distinct from glucose-6-phosphate (G6P) transporter. Luminal F6P is not a substrate for H6PD directly, yet it can efficiently drive NADPH production in this compartment, after being converted to G6P. Fructose metabolism can remarkably stimulate cortisol production in the cells taking up glucose in an insulin-dependent manner and containing hexokinase (e.g. adipocytes); and this mechanism may contribute to the development of insulin resistance.
Our results reveal novel mechanisms of physiological regulation and provide potential drug targets. These are of great importance from the aspect of prevention and treatment of the metabolic syndrome and diabetes.
Bánhegyi G., Margittai É., Szarka A., Mandl J., Csala M.: Crosstalk and barriers between the electron carriers of the endoplasmic reticulum, Antioxid. Redox Signal. [in press], 2011
Csala M., Kereszturi É., Mandl J., Bánhegyi G.: The endoplasmic reticulum as the extracellular space inside the cell: role in protein folding and glycosylation, Antioxid. Redox Signal. [in press], 2011
Konta L., Száraz P., Magyar J.É., Révész K., Bánhegyi G., Mandl J., Csala M.: Inhibition of glycoprotein synthesis in the endoplasmic reticulum as a novel anticancer mechanism of (-)-epigallocatechin-3-gallate, BioFactors [in press], 2011
Marcolongo P., Senesi S., Giunti R., Csala M., Fulceri R., Benedetti A., Bánhegyi G.: Expression of hexose-6-phosphate dehydrogenase in rat tissues., Clin. Biochem. 44 (13): S10, 2011
