Порушення біосинтезу кардіоліпіну запобігає стеатозу печінки та діабету, спричиненому ожирінням

Ця стаття має виправлення. Дивіться:

Анотація

Мітохондрії є зв'язком енергетичного обміну, і, отже, їх дисфункція пов'язана з розвитком метаболічних ускладнень та прогресуванням до інсулінорезистентності та діабету 2 типу. Унікальний тетраацилфосфоліпідний кардіоліпін (CL) знаходиться у внутрішній мітохондріальній мембрані, де підтримує цілісність мітохондрій. Тут ми показуємо, що нокдаун тафазізину (TAZ kd), CL-трансацилази, у мишей призводить до захисту від розвитку ожиріння, резистентності до інсуліну та стеатозу печінки. Ми визначили, що гіперметаболізм захищав мишей TAZ kd від збільшення ваги. Несподівано велике зменшення CL в серці та скелетних м’язах мишей TAZ kd не відображалося в печінці. Як результат, у мишей TAZ kd спостерігалося нормальне утворення печінкового мітохондріального суперкомплексу та підвищене окислення печінкової жирної кислоти. У сукупності ці дослідження визначають ключову роль ремоделювання ХЛ у печінці у регулюванні сприйнятливості до інсулінорезистентності та як нову терапевтичну мішень для ожиріння, спричиненого дієтою.

Вступ

Ожиріння зараз є пандемією, прогнозується, що до 2030 року понад 1 мільярд дорослих у всьому світі страждають ожирінням (1), а прямі витрати перевищують 100 мільярдів доларів на рік лише в США (2). Ожиріння особливо руйнівне, оскільки надлишок ліпідів накопичується в нежирних тканинах, сприяючи системній резистентності до інсуліну та підвищеному ризику розвитку діабету 2 типу (3). Прогресуюча дисфункція мітохондрій пов’язана з опосередкованим ліпотоксиком порушенням передачі сигналів інсуліну, включаючи зниження функції дихальних ланцюгів, зменшення або неповне окислення жирних кислот (FAO) та перевиробництво активних форм кисню (АФК) (3).

Кардіоліпін (CL) регулює численні мітохондріальні білки та процеси в результаті своєї унікальної тетраацильної структури та локалізації у внутрішній мітохондріальній мембрані (4,5). У тканинах із високим рівнем метаболізму, таких як серце та скелетні м’язи, переважна форма ХЛ складається з чотирьох бічних ланцюгів лінолевої ацильної групи (L4CL) (4,5). Втрата CL та/або L4CL сприяє дисфункції мітохондрій. Це підкреслюється розвитком синдрому Барта (BTHS), генетичного захворювання, що характеризується дефіцитом L4CL, порушенням дихання мітохондрій, дилатаційною кардіоміопатією та скелетною міопатією (5). Пацієнти з BTHS несуть мутації в гені Tafazzin (TAZ), який кодує мітохондріальну трансацилазу, необхідну для включення лінолевої кислоти в CL (5).

Втрата CL та/або L4CL широко продемонстрована на моделях серцевої недостатності у людей та тварин (4,6–8). Одним із способів регулювання вмісту ХЛ мітохондріальної дисфункції є безпосередня участь у складанні та функціонуванні дихальних суперкомплексів (4). Вони включають головним чином комплекс I (NADH-кофермент Q-редуктаза), комплекс III (убихінол-цитохром c-редуктаза) та комплекс IV (цитохром-оксидаза) і функціонують для сприяння ефективному потоку електронів для оптимізації використання доступних субстратів та контролю виробництва АФК (9). Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини, розроблені у пацієнтів з BTHS, мають знижене утворення суперкомплексу, що збігається зі зменшенням споживання кисню та збільшенням генерування АФК (10). Дійсно, втрата вмісту ХЛ при серцевій недостатності пов'язана зі зниженням активності окремих дихальних комплексів та порушенням функції дихання мітохондрій (6,8).

Незважаючи на роль CL в регуляції функції мітохондрій, зв'язок з метаболічним синдромом широко не вивчався. Нечисленні дослідження, що існують, вказують на те, що ожиріння, спричинене дієтою, сприяє патологічному перебудові ХЛ (11–13). Однак залишається незрозумілим, чи достатньо зниженого рівня мітохондріального L4CL для ініціювання атипового накопичення ліпідів у нежирних тканинах та порушення інсулінової сигналізації. Ми досліджували роль рівнів CL та L4CL у розвитку ожиріння, спричиненого дієтою, та резистентності до інсуліну за допомогою моделі миші TAZ knockdown (kd) (14). Наші результати показують, що TAZ kd запобігає розвитку стеатозу печінки та ожиріння, що призводить до інсулінорезистентності. Крім того, незважаючи на дефіцит ТАЗ, рівні ХЛ в печінці були нормальними, а суперкомплекси підтримувались, забезпечуючи середовище, здатне сприяти підвищенню рівня ФАО та гіперметаболізму, що відповідає за худий фенотип.

Дизайн та методи дослідження

Тварини

Мітохондріальний аналіз

Мітохондріальний перекис водню (H2O2) визначали кількісно, використовуючи реагент Amplex UltraRed. Мітохондріальні суперкомплекси (25 мкг білка) розділяли Blue Native PAGE, а окремі комплекси візуалізували за допомогою аналізів активності в гелі (4). Швидкість споживання кисню (OCR) вимірювали з гепатоцитів миші (2 × 10 4/лунка) та волокон скелетних м’язів (10 мкг білка/лунка), виділених із згинача пальців пальців за допомогою інструменту Seahorse Bioscience. Середовище містило або 1 ммоль/л пірувату, і 25 ммоль/л глюкози для метаболізму глюкози, або 1 ммоль/л пірувату, 2,5 ммоль/л глюкози, 0,5 мкмоль/л карнітину та 0,175 ммоль/л пальмітату-BSA для жирних кислот (FA) обмін речовин. Базальним споживанням кисню вважалося базальне дихання, чутливе до гальмування 1 мкмоль/л антиміцину А плюс 1 мкмоль/л ротенону. АТФ-чутливе споживання кисню пригнічувалось 1 мкмоль/л олігоміцину, а АТФ-нечутливе дихання (тепло) було рештою часткою базального споживання кисню. Максимальне споживання кисню було досягнуто за допомогою 1 мкмоль/л карбонілціаніду 4- (трифторметокси) фенілгідразону (FCCP) для гепатоцитів або 0,4 мкмоль/л FCCP для волокон скелетних м’язів. FA-залежне дихання - це різниця у споживанні кисню, виміряна у присутності 40 мкмоль/л етомоксиру та транспортного засобу (води).