Hormonal regulation of phosphodiesterase 3B in adipocytes

Abstract

Insulin induced activation of the cAMP degrading enzyme phosphodiesterase (PDE) 3B in adipocytes is important for insulin mediated inhibition of lipolysis. The aim of this thesis was to contribute with knowledge on the acute activation of PDE3B in response to insulin and catecholamines in adipocytes. The activation of PDE3B was investigated from three different perspectives namely; phosphorylation of PDE3B, localization of PDE3B and PDE3B interactions with other proteins. As models to study activation of PDE3B we used primary rat and mouse adipocytes, 3T3-L1 adipocytes and caveolin-1 knock out mouse adipocytes.



The study on PDE3B phosphorylation shows that PDE3B is multisite phosphorylated in response to both insulin and catecholamines. We were able to identify six phosphorylation sites on PDE3B namely; 273, S296, S421, S424/5, S474 and S536. From the studies on PDE3B localization we conclude that PDE3B is localized to caveolae and endoplasmic reticulum (ER) in adipocytes and that caveolae localized PDE3B is specifically activated by catecholamines while PDE3B in ER is specifically activated by insulin. Finally, the studies on PDE3B interactions demonstrate that insulin and catecholamines stimulate the recruitment of PDE3B into large macromolecular complexes in adipocytes. The recruitment is dependent on caveolin-1 especially in response to insulin and the constituents of the PDE3B macromolecular complexes are dependent on the stimuli used. After insulin stimulation insulin signaling molecules such as protein kinase B (PKB) are associated with PDE3B in the large complex while after catecholamine stimulation adrenergic signaling molecules such as protein kinase A (PKA) are associated with PDE3B.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I min avhandling har jag undersökt hur fosfodiesteras 3B (PDE3B) i fettväven styrs vid svar på två typer av hormoner nämligen, insulin och katekolaminer. Det senare innefattar hormoner så som adrenalin och nor-adrenalin. Varför är då detta intressant att veta? I Sverige och världen har mängden människor med fetma under de senaste åren ökat lavinartat, vilket är en stor hälsofara. En av anledningarna till att det är en stor hälsofara är att risken för att utveckla diabetes är mycket stor hos människor med fetma, ca 10 % av alla människor som lider av fetma har diabetes. En viktig koppling mellan fetma och diabetes ligger till stor del i att fettväven som främst består av fettceller inte kan lagra allt fett i kroppen och att det därmed till viss del istället cirkulerar i blodet i form av fria fettsyror som hamnar i lever och muskler. För att kunna förhindra att fettsyror hamnar i blodet och att fett lagras i muskler och i lever är det viktigt att förstå hur fettcellerna styrs till att bygga upp och bryta ned sitt lager av fett. Det skulle ju vara bra att kunna öka fettcellernas kapacitet att lagra fettet så att det inte hamnar på fel ställe i kroppen där det kan ha ohälsosamma effekter. Det enzym som jag har studerat, nämligen PDE3B är med och styr denna lagring av fett genom att stoppa nedbrytningen av fett i fettcellen till fettsyror i blodcirkulationen. Detta betyder att då PDE3B är aktiverat minskar mängden fett som hamnar i vårt blodomlopp. Två typer av hormon som är särskilt viktiga för att styra aktiviteten av PDE3B är insulin och katekolaminer. Katekolaminer binder till dess receptorer på fettcellens yta vilket leder till aktivering av signalvägar som består av olika proteiner och signalmolekyler som aktiveras eller bildas genom att påverka varandra och slutligen leda stimulering av fettlagrets nedbrytning. För att inte nedbrytningen av fettlagret skall bli allt för stor och hållas i schakt aktiveras även PDE3B av en parallell signalväg igångsatt av samma hormon. Insulin som frisätts till blodomloppet efter en måltid har motsatt effekt jämfört med katekolaminer vad gäller fettinlagring. När insulin binder dess receptor på fettcellens yta aktiveras andra signalvägar som leder till att PDE3B aktiveras och stoppar fettlagrets nedbrytning och minskar därmed de fria fettsyrorna i blodomloppet.



Jag har studerat hur PDE3B aktiveras i fettceller vid svar på insulin och katekolaminer utifrån tre olika infallsvinklar som alla är viltiga för att få en helhetsbild. Dessa infallsvinklar är; 1) fosforylering av PDE3B, 2) lokalisationen av PDE3B och 3) PDE3Bs interaktioner med olika proteiner och kolesterol. När det gäller fosforylering hade det tidigare visats att insulin och katekolaminer kan aktivera PDE3Bs enzymatiska kapacitet genom att sätta fart på andra proteiner att sätta fosfor på PDE3B. I frågan om PDE3Bs lokalisation hade det då jag initierade mina studier visats att PDE3B var stationerat vid det endoplasmatiska retikelet (ER) som är en struktur inne i fettcellen. I princip fanns det dock ingen kunskap om rollen för denna lokalisation vid aktivering av PDE3B. Slutligen beträffande PDE3Bs interaktioner med molekyler fanns det indikationer på att PDE3B befann sig i ett komplex tillsammans andra proteiner. Vilka proteiner det kunde vara och vilken roll interaktionerna med PDE3B i komplexet kunde ha för aktiveringen av PDE3B var dock inte känt. I mina studier har jag genererat ytterliggare kunskap för att få en bild av hur PDE3B aktiveras vid svar på insulin och katekolaminer. Främst har jag kommit fram till följande med utgångspunkt i de tre olika infallsvinklarna.



1. PDE3B i fettceller blir fosforylerat på många olika ställen vid svar på både insulin och katekolaminer. Dessutom har jag identifierat 6 olika fosforyleringssäten på PDE3B i fettceller.



2. PDE3B finns på två olika ställen i fettcellen nämligen i en speciell struktur i ytskiktet runt cellen som kallas caveolae och på ett ställe längre in i cellen som kallas endoplasmatiskt retikulum (ER). PDE3B i caveolae stimuleras endast av katekolaminer medan PDE3B i ER endast stimuleras av insulin.



3. PDE3B interagerar med andra proteiner i ett stort komplex vid svar på insulin och katekolaminer i fettcellen. Många av dessa proteiner har identifierats och ett protein, caveolin-1 har visats vara särskilt viktigt.



I mina studier har jag därmed tillfört stor kunskap till styrningen av PDE3B och fettcellernas fettlagring. I diabetessammanhang skulle det vara bra att förstärka inlagringen av fett dvs. förstärka insulinsignalen och aktiveringen av PDE3B i fettcellerna. Ett läkemedel med en fettcellsspecifik PDE3B aktivator skulle antagligen ha gynnsamma effekter eftersom det skulle leda till minskad mängd fettsyror i blodcirkulation och därmed minskad fettlagring i lever och muskler. I mina studier finns det en del nya perspektiv till hur en sådan PDE3B aktivator skulle kunna se ut.

• author: Lindh, Rebecka
• supervisor: Eva Degerman
• opponent: professor Welsh, Michael, Uppsala University, BMC, Box 571, 751 23 UPPSALA
• organization: Insulin Signal Transduction (research group)
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: secreting systems, diabetology, Endokrinologi, Endocrinology, 'caveolae' 'localization', 'phosphorylation' 'interactions', 'PDE3B' 'adipocyte' 'adipose tissue' 'diabetes' 'cAMP' 'insulin', 'lipolysis' 'caveolin-1', sekretion, diabetologi
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2007:120
• pages: 146 pages
• defense location: Wallenberg neurocentrum, Sölvegatan 17, Lund, Segerfalksalen
• defense date: 2007-09-28 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-85559-98-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Rebecka Lindh, Faiyaz Ahmad, Svante Resjö, Peter James, Jeong S Yang, Henry M Fales, Vincent Manganiello and Eva Degerman. 2007. Multisite phosphorylation of adipocyte and hepatocyte phosphodiesterase 3B. Biochimica et Biophysica Acta, vol 1773 pp 584-92.; Rebecka Nilsson, Faiyaz Ahmad, Karl Swärd, Ulrika Andersson, Vincent Manganiello and Eva Degerman. 2006. Plasma membrane cyclic nucleotide phosphodiesterase 3B (PDE3B) is associated with caveolae in primary adipocytes. Cellular Signaling, vol 18 pp 1713-2.; Faiyaz Ahmad, Rebecka Lindh, Marie Weston, Yan Tang, Eva Degerman and Vincent Manganiello. 2007. Insulin-induced formation of macromolecular complexes involved in activation of cyclic nucleotide phosphodiesterase 3B (PDE3B) and its interaction with PKB Biochemical Journal, vol 404 pp 257-68.; Faiyaz Ahmad, Rebecka Lindh, Yan Tang, Iida Ruishalme, Anita Öst, Peter Strålfors, Eva Degerman and Vincent C Manganiello. . Differential regulation of PDE3B in distinct membrane compartments of adipocytes in response to insulin and a beta3-adrenergic receptor agonist. (manuscript)
• id: 2435480c-0d86-45b5-82ee-9d1a0c1b5856 (old id 598864)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:15:37
• date last changed: 2019-05-22 06:05:33