Hormone-Sensitive Lipase, new roles for an old enzyme

Abstract

Hormone-sensitive lipase (HSL) has a wide tissue distribution with the highest expression found in white adipose tissue (WAT). HSL also has a unique ability to hydrolyze a large panel of substrates including acylglycerols, cholesteryl esters and retinyl esters. HSL is potentially a new drug target for the treatment of obesity and type II diabetes. However, as HSL is not only expressed in adipose tissue, but also plays significant roles in other tissues it is of importance to better understand the different functions of this enzyme in the body.



In this thesis the aim has been to study the consequences of a targeted disruption of the HSL gene in the mouse with focus on the effects in skeletal muscle and WAT.



Expressional and functional analyses of soleus muscle of HSL null mice supports an important role of HSL in skeletal muscle metabolism as the absence of HSL leads to increased glycogen utilization and an increased amount of lipid droplets, which presumably reflects a metabolic switch from lipid to carbohydrate metabolism. A fibre type transformation from slow twitch oxidative fibres to an enrichment of fast twitch glycolytic fibres in soleus muscle is also suggested.



Using a proteomic approach a local inflammatory response in WAT is demonstrated in the non-obese HSL null mouse model. New methodological aspects of analysing data generated by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis are also presented. Increased energy expenditure and perturbation of adipogenesis are suggested reasons behind the observed protection against diet-induced obesity in HSL null mice. Results presented in this thesis suggest an important role of HSL in lipid signalling and adipogenesis through its action as a retinyl ester hydrolase in WAT.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ur ett evolutionärt perspektiv har förmågan att lagra energi varit fördelaktig när tillgången på föda varit begränsad. I våra dagar i västvärlden råder det ingen brist på mat och vår förmåga att lagra energi har istället blivit en börda i dubbel bemärkelse. Energi lagras i kroppen framförallt i form av fett, s.k. triglycerider. Övervikt och fetma kan idag sägas utgöra en världsomspännande epidemi. Vanliga följdsjukdomar till övervikt inkluderar diabetes, högt blodtryck, åderförkalkning (åderförfettning) och hjärt-kärlsjukdomar. WHO har uppskattat att det globalt idag finns ca 1 miljard människor som är överviktiga. Min avhandling berör ett enzym (protein) som heter hormon-känsligt lipas (HKL), översatt till engelska som hormone-sensitive lipase (HSL). HKL finns i många av kroppens vävnader och dess huvudsakliga funktion tros vara att katalysera frisättningen av den i form av fett upplagrade energin. I arbetet med avhandlingen har jag undersökt en speciell musstam där HKL proteinet helt har tagits bort redan från födelsen med hjälp av genteknik, s.k. HKL null möss. Med tanke på att funktionen för HKL tros vara att frisätta den upplagrade energin i fett, borde de här mössen lagra fett utan förmåga att frisätta densamma, d.v.s. mössen borde bli feta. Mot förmodan blir inte HKL null möss feta, tvärtom om de ges en diet som innehåller en stor andel fett minskar deras fettväv i storlek. Dessutom har det visat sig att HKL null hanarna är infertila. HKL är ett potentiellt mål för nya läkemedel för behandling av övervikt och diabetes. Det är därför viktigt att förstå hur HKL fungerar på en grundläggande nivå och vilka olika funktioner enzymet har i olika vävnader i kroppen. Syftet med arbetet i den här avhandlingen har varit att studera vilka effekterna blir, när man helt tar bort HKL. Vävnader som har studerats mer i detalj är skelettmuskulatur och vit fettväv (energilagrande).



I alla experiment som har utförts på skelettmuskulatur har en muskel som heter soleus, som sitter i underbenet, använts. Jag har utnyttjat en ny typ av analysmetoder där man har möjlighet att samtidigt mäta och jämföra expressionsnivåer av tusentals olika mRNA och proteiner. Med de här nya s.k. proteomik- och transkriptomik-metoderna har vi observerat att det i skelettmuskel finns högre koncentration av enzymer som är involverade i ämnesomsättningen av kolhydrater och lägre koncentration av enzymer som är involverade i ämnesomsättningen av fett i HKL null möss jämfört med kontrollmöss. De här resultaten motiverade oss att närmare undersöka ämnesomsättningen i skelettmuskulaturen hos HKL null möss. Vi upptäckte att HKL null möss lagrar mer glykogen och använder glykogen i större utsträckning än kontrollmöss. Genom att använda oss av elektronmikroskopi observerade vi att de även har större lager av fett inuti sina muskelceller jämfört med kontrollmöss.



En skelettmuskel består inte bara av en typ av celler, s.k. muskelfibrer, utan en blandning av olika typer. Människan har i princip tre huvudtyper: långsamma/uthålliga (typ I), snabba/uthålliga (typ IIa) och snabba/uttröttbara (typ IIb). Våra resultat från HKL möss tyder på att en förändring i sammansättningen har skett med en anrikning av typ IIb fibrer på bekostnad av typ I fibrer. De här resultaten stämmer väl överens med det ökade beroendet av ämnesomsättningen av kolhydrater, eftersom typ IIb fibrer normalt föredrar kolhydrater för sin energiförsörjning. De här resultaten på skelettmuskel finns presenterade i arbete I.



När man går upp i vikt, d.v.s ökar sin fettmassa, kan det ske på två sätt, antingen genom att man får fler fettceller och/eller att de befintliga fettcellerna blir större, d.v.s. lagrar en större mängd fett. En effekt av övervikt är att signalmolekyler, som befrämjar inflammation utsöndras från fettväven, s.k. cytokiner/adipokiner. Vi jämförde koncentrationen av olika proteiner i HKL null möss med koncentrationen i kontrollmöss med hjälp av proteomik-analys. Ökade nivåer av ett antal proteiner, som induceras vid inflammatoriska svar observerades, som t.ex. ferritin H och galektin-3. Genom att använda immunohistokemi sågs även en ökning av en sorts vita blodkroppar, s.k. makrofager, i vit fettväv från HKL null möss jämfört med kontroll möss. Vidare uppmätte vi höga halter av en viktig cytokin, som heter tumörnekrotisk faktor alfa (TNF?) samt ökad aktivering av en transkriptionsfaktor, som styr hur mycket TNF? som ska produceras. Sammanfattningsvis tyder resultaten på att HKL null mössen uppvisar ett inflammationstillstånd lokalt i sin vita fettväv liknande det, som har observerats hos överviktiga människor. Det intressanta med HKL null mössen i det här sammanhanget är att de inte är feta men trots det har ett inflammatoriskt svar i sin vita fettväv. De här resultaten på vit fettväv och inflammation finns presenterade framförallt i arbete II.



Syftet i arbete III var att undersöka vilken mekanism, som ligger bakom att HKL null möss inte blir feta och varför de tappar fettvävsmassa, om de ges en fettrik diet. Vi undersökte om HKL null möss åt mindre, rörde sig mer eller om de tog upp mindre fett i tarmen jämfört med kontroll möss, men ingen av de här parametrarna gav någon förklaring. När vi använde en metod som kallas för indirekt kalorimetri observerade vi att HKL null möss har en högre ämnesomsättning än kontrollmöss. Vi mätte även hur mycket syre som fettväven konsumerar och observerade då att HKL null möss konsumerar mer än kontrollmöss. Vidare observerade vi att en cellorganell som heter mitokondrie var förstorad i HKL null möss jämfört med i kontrollmöss. I mitokondrierna omvandlas energin i födoämnen till kroppens egen ?energivaluta?, ATP, en process som kallas för cellandning och där syre förbrukas. Precis som vid alla andra energiomvandlingar uppstår det förluster, t.ex. i form av värmeutveckling. Kroppen kan styra hur effektivt cellandningen ska fungera genom att reglera hur mycket det finns av ett protein som heter urkopplande protein 1 (UCP-1). Det här är en funktion som utnyttjas av djur som går i dvala och av spädbarn för att bibehålla kroppstemperaturen. Vi observerade att det finns ca 7 gånger högre koncentration av UCP-1 i HKL null möss jämfört med kontrollmöss. Detta är en trolig förklaring till varför HKL null möss inte blir feta. En annan anledning tros vara att utvecklingen av nya fettceller är blockerad. I arbete III undersökte vi även den här möjligheten. Vi började med att fastställa att det förelåg en blockering i utvecklingen av nya fettceller. Det gjordes genom att mäta mRNA- och proteinnivåerna av olika markörer för fullt utvecklade fettceller, s.k. adipocyter, och föregångsceller, s.k. preadipocyter. Vi observerade att det finns mindre mängd av adipocytmarkörer och större mängd av preadipocytmarkörer i HKL null möss än i kontrollmöss. Vi kunde även observera i vilket steg som fettcellsutvecklingen troligen var blockerad. Frågan vi ställde oss då var: hur kan ett enzym som HKL, involverat i ämnesomsättningen, påverka cellutveckling och inflammationssvar? Vår hypotes är att HKL påverkar omsättningen av vitamin A i vit fettväv och dess funktion är att frisätta det lager av vitamin A som finns i vävnaden i form av retinylestrar. Det är känt sedan tidigare att derivat av vitamin A, d.v.s. retinsyra, kan påverka fettcellsutveckling och inflammatoriska svar. Detta sker genom att retinsyra fungerar som ligand till, och därigenom styr, faktorer som reglerar genuttrycket, alltså vilka protein som ska produceras i fettceller. En observation som är till stöd för vår hypotes är att aktiviteten för frisättningen av retinylester är minskad i HKL null möss jämfört med kontrollmöss. Vidare observerade vi att mängden av retinylestrar i vit fettväv är större i HKL null möss jämfört med i kontrollmöss. Det här är en ny funktion för HKL som ännu inte har verifierats och mycket arbete återstår. Vi vet t.ex. inte den fysiologiska relevansen av de här nya fynden eller om samma mekanismer förekommer hos människor. De här resultaten är framförallt presenterade i arbete III.

• author: Hansson, Ola
• supervisor: Cecilia Holm
• opponent: unknown], [unknown
• organization: Translational Muscle Research (research group)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Diabetes, Vitamin A, Inflammation, Medicine (human and vertebrates), Medicin (människa och djur), Metabolism, Hormone-Sensitive Lipase, Proteomics, Obesity, White adipose tissue, Skeletal muscle
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• pages: 147 pages
• defense location: N/A
• defense date: 2005-03-31 10:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85439-76-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: O Hansson, M Donsmark, C Ling, P Nevsten, M Danfelter, J.L Andersen, H Galbo and C Holm. 2005. Transcriptome and proteome analysis of soleus muscle of hormone-sensitive lipasenull mice (submitted); Ola Hansson, K Ström, N Güner, N Wierup, F Sundler, P Höglund and C Holm. 2005. Inflammatory response in white adipose tissue in the non-obese hormone-sensitive lipase-null mouse model Mol Cell Proteomics, (submitted); K Ström, Ola Hansson, S Lucas, P Nevsten, T.E Gundersen, C Fernandez, S Moverare, C Ohlsson, F Sundler, R Blomhoff and C Holm. 2005. Hormone-sensitive lipase plays an important role in adipogenesis and adipocyte function through its action as a retinyl ester hydrolase (manuscript)
• id: 9a267e20-15e4-4cdc-ae65-d4f4f453ca4f (old id 545232)
• date added to LUP: 2016-04-01 17:01:45
• date last changed: 2023-04-18 19:20:14