Dokument: THE ROLE AND FUNCTION OF ADIPOSE TISSUE-DERIVED DPP4 IN INTRA- AND INTERORGAN CROSSTALK

Titel:	THE ROLE AND FUNCTION OF ADIPOSE TISSUE-DERIVED DPP4 IN INTRA- AND INTERORGAN CROSSTALK
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=41172
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20170321-140232-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Röhrborn, Diana [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,32 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2017 / geändert 12.02.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Eckel, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Rüther, Ulrich [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Weißes Fettgewebe galt lange Zeit als reines Energiespeicher-Depot. Heutzutage ist weithin anerkannt, dass weißes Fettgewebe ein endokrines Organ darstellt, das eine Vielzahl an Proteinen freisetzt, die sogenannten Adipokine. Das Fettgewebe ist ein heterogenes Organ, das sich aus veschiedenen Zelltypen zusammensetzt, zu denen sowohl Präadipozyten, Fibroblasten, Immunzellen als auch reife Adipozyten zählen. Bei positiver Energiebilanz kommt es zu einer dysfunktionellen Ausdehnung des Fettgewebes, welches durch chronische niedriggradige Inflammation, Insulinresistenz und Veränderung des sekretorischen Profils charakterisiert ist. Durch die Kommunikation mit anderen insulin-sensitiven Geweben, wie Leber und Skelettmuskel sind übergewichtige Individuen besonders prädestiniert, chronische metabolische Erkrankungen zu entwickeln. Zu diesen gehören Typ 2 Diabetes mellitus (T2DM), Herz-Kreislauf Erkrankungen und nicht-alkoholische Fettleber. In unserer westlichen Gesellschaft hat sich Fettleibigkeit zu einer der größten Gesundheitsbelastungen entwickelt, die mittlerweile epidemische Ausmaße annimmt. Um dieses komplexe Krankheitsbild zu bekämpfen, ist es nötig, die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen, die Fettleibigkeit mit metabolischen Erkrankungen verbinden, zu verstehen. In diesem Zusammenhang entwickelten sich Adipokine, die vom Fettgewebe freigesetzt werden, zu einem Forschungsschwerpunkt in den letzten Jahrzehnten. Durch Proteomanalyse des humanen Adipozytensekretoms wurde Dipeptidylpeptidase 4 (DPP4) als neues Adipopkin identifiziert. DPP4 ist eine ubiquitär exprimierte Zelloberflächen-Protease. Aufgrund ihrer katabolen Eigenschaft gegenüber den Inkretin-Hormonen, welche maßgeblich für die postprandiale Insulinfreisetzung verantwortlich sind, wurde DPP4 zu einem wichtigen therapeutischen Ziel für die Behandlung von T2DM. DPP4 wird nicht nur auf der Zelloberfläche exprimiert, sondern auch in die Zirkulation freigesetzt, wo es sowohl para- als auch endokrine Funktionen in Zielorganen erfüllt. Frühere Studien weisen außerdem darauf hin, dass DPP4 ein neuer Faktor sein könnte, der Fettleibigkeit mit Parametern von metabolischen Erkrankungen, wie BMI, Taillenumfang und Insulinsensitivität verbindet. Dennoch sind der Mechanismus und die Regulation der Freisetzung von DPP4 weitestgehend unbekannt. Aus diesem Grund war der Ausgangspunkt dieser Arbeit, den Freisetzungsmechanismus und dessen Regulation in vitro aufzuklären. Die Ergebnisse legen nahe, dass konstitutive Freisetzung von löslichem DPP4 (sDPP4) über hydrolytische Spaltung von der Zelloberfläche erfolgt, welche auch „shedding“ genannt wird. Ich konnte zeigen, dass dieser Prozess verschiedene Proteasen involviert, wie beispielsweise Matrixmetalloproteasen oder Cathepsine, und Zelltyp-spezifisch ist. Außerdem deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass die beteiligten Enzyme über eine katalytische Kette aktiviert werden. Ein identifizierter regulatorischer Faktor der DPP4 Freisetzung in vaskulären Zellen ist Hypoxie. Diese führt zu einer gesteigerten Expression von Metalloproteasen, was zu einer erhöhten DPP4 Freisetzung beiträgt. Obwohl frühere Studien bereits belegen konnten, dass das Fettgewebe eines der wichtigen Quellen für sDPP4 darstellt, blieb die Rolle von DPP4 innerhalb des Fettgewebes weitestgehend unbekannt. Ein weiteres Untersuchungsziel dieser Thesis war die Charakterisierung der Rolle von DPP4 im Fett in vitro durch siRNA-vermittelte Reduktion von DPP4 in Präadipozyten. Um klarzustellen, ob die beobachteten Effekte durch die enzymatische Aktivität von DPP4 vermittelt werden, wurden Schlüsselxperimente unter Verwendung von etablierten DPP4 Inhibitoren wiederholt. Die erhobenen Daten zeigen, dass DPP4 keine zentrale Rolle in der Adipozyten-Differenzierung zu spielen scheint. Weiterhin konnten keine Effekte einer DPP4 Reduktion auf Ebene der TNFα-induzierten Inflammation hinsichtlich NFκB Aktivierung oder Expression von NFκB Zielgenen beobachtet werden. Effekte einer siRNA-induziertem Reduktion von DPP4 hinsichtlich der Änderung des Adipozyten Sekretoms können auf Grundlage meiner Ergebnisse derzeit nicht ausgeschlossen werden. Interessanterweise führt die Verminderung von DPP4 zu einer verbesserten Insulin Signalweiterleitung, welche zumindest teilweise über die enzymatische Aktivität vermittelt wird. Zusammen mit unseren bereits publizierten Ergebnissen zu direkten Effekten von sDPP4 auf den Insulinsignalweg postuliere ich, dass die vorhandene Menge an DPP4 speziell in fettleibigen insulin-resistenten Patienten einen Mediator der Insulinresistenz darstellt. Mäuse mit einem kompletten DPP4 Knockout (KO) sind vor diät-induzierter Fettleibigkeit geschützt, indem metabolische Parameter wie Glukosetoleranz und hepatische Fettakkumulation verbessert werden. Die Interpretation der Ergebnisse mit diesem Mausmodel gestaltet sich allerdings schwierig, da auch Nahrungsaufnahme, Körpergröße und Immunzellen vom KO beeinflusst werden. Zusätzlich kann keine Aussage zu organspezifischen Effekten eines DPP4 KO getroffen werden. Aufgrunddessen war ein weiteres Ziel die lokale und systemische Rolle von fettgewebs-spezifischem DPP4 unter Generierung eines gewebe-spezifischen KO zu untersuchen. Um weiterhin die Rolle von fettgewebs-spezifischem DPP4 in der Fettleibigkeit zu untersuchen, wurden die Mäuse für 24 Wochen einer Hoch-Fett-Diät (HFD) ausgesetzt. In diesem Zusammenhang konnte trotz erhöhtem Körpergewicht eine verbesserte orale Glukosetoleranz in den KO Tieren unter HFD beobachtet werden. Interessanterweise scheint das gewebs-spezifisches Modell speziell die hepatische Insulinsensitivität in Hinsicht auf endogene Glukoseproduktion zu verbessern. Ich postuliere, dass dies über eine verminderte Freisetzung von Insulin-like Growth Factor Binding Protein 3 (IGFBP-3) aus dem Fettgewebe mediiert wird, welche zu erhöhtem Level von freiem Insulin-like Growth Factor 1 (IGF1) führt. Daraus resultiert eine Verbesserung der Glucose Toleranz und der hepatischen Insulinresistenz. Die Beobachtungen deuten außerdem darauf hin, dass es zu einer vorteilhaften Fettgewebsmodellierung unter HFD kommt. Diese zeichnet sich durch ein optimiertes Verhältnis von M1 zu M2 Makrophagen, verminderter Fibrose und einer reduzierten Adipozytengröße aus. Besonders hervor zu heben ist diesbezüglich, dass die beobachteten Effekte unabhängig von der Inkretin-Achse zu sein scheinen und eher direkt über die Wirkung von DPP4 oder über alternative Substrate erfolgen. Zusammengefasst verdeutlichen die erzielten Erkenntnisse die negative Rolle von DPP4 in der Entwicklung der Fettleibigkeit. Diese Arbeit zeigt, dass DPP4 vor allem in der Fettleibigkeit lokal den Metabolismus und die Struktur des Fettgewebes beeinflusst. Außerdem konnten meine Ergebnisse maßgeblich zu einem besseren Verständnis der DPP4 Freisetzung beitragen, was besonders im Hinblick auf die Kommunikation mit anderen Geweben von großem Interesse ist. Beispielhaft wurde dies in dieser Arbeit hinsichtlich der Wirkung von DPP4 auf die hepatische Insulinsensitivität im fettgewebs-spezifischen KO Mausmodell gezeigt. Diese Thesis bekräftigt weiterhin die Rolle von DPP4 als therapeutisches Mittel für die Behandlung von metabolischen Erkrankungen wie T2DM, welche auch über die Inkretin-vermittelte Wirkung hinausgeht. White adipose tissue (AT) has long been considered as a mere energy storage organ. Nowadays, it is widely accepted that AT is a real endocrine organ releasing various metabolically active proteins, the so-called adipokines. AT is a heterogeneous organ comprising different cell types such as preadipocytes, fibroblasts, immune cells and mature adipocytes. Due to positive energy balance AT mass is expanding during obesity, leading to a dysfunctional tissue, which is characterized by a chronic low-grade inflammation, insulin resistance and an altered secretory profile. Via crosstalk to other insulin sensitive tissues like liver and skeletal muscle, obese individuals are predisposed to the development of chronic metabolic diseases like type 2 diabetes mellitus (T2DM), cardiovascular disease (CVD) or non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). In our western society obesity became one of the greatest health burdens reaching epidemic dimensions now. To combat this complex disease scenario it is necessary to understand the underlying molecular mechanisms linking obesity to metabolic diseases. In this context, adipokines released by AT became a major research topic in the last decades. By proteomic profiling of the human adipocyte secretome, dipeptidylpeptidase 4 (DPP4) has been identified as a novel adipokine. DPP4 is a ubiquitously expressed cell-surface protease. Due to its catabolism of the incretin hormones, which are important for post-prandial insulin secretion, it became a therapeutic target for the treatment of T2DM. DPP4 is not only expressed as a cell-surface molecule, but is also released into the circulation, thus exerting para- and endocrine functions on target tissues. Previous studies also revealed that DPP4 might be a novel factor linking obesity to parameters of metabolic diseases like BMI, waist circumference and insulin sensitivity. However, the mechanism and regulation of DPP4 release were largely unknown. Therefore the starting point of this thesis was to elucidate the mechanism and regulation of DPP4 release in vitro. Our findings suggest that constitutive sDPP4 release occurs via hydrolytic cleavage from the cell surface, in a process which is termed shedding. I postulate that this process involves different types of proteases like matrix metalloproteases and cathepsins in a cell-type specific manner. Furthermore, I propose a catalytic cascade being involved in the activation of the responsible sheddases. One regulating factor of sDPP4 release in vascular cells seems to be hypoxia, which leads to an upregulation of MMP gene expression, thereby increasing DPP4 shedding. Although previous studies support the notion that AT is an important source of circulating DPP4, its functional role within AT remained elusive. A second topic of this thesis was to study the effects of DPP4 ablation on AT in vitro by siRNA-mediated silencing of DPP4 in preadipocytes. To verify if the observed effects are mediated through DPP4 enzymatic activity selected experiments were repeated with established DPP4 inhibitors. The present thesis reveals that DPP4 seems to play no role in adipocyte differentiation in vitro. There have also been observed no effects of DPP4 silencing on TNFα-induced inflammation in respect to NFκB activation or gene expression of NFκB target genes. Effects of DPP4 on the adipocyte secretome can not be excluded with the obtained data. Interestingly, DPP4 knock-down improves insulin signaling in mature adipocytes which seems to be at least partly mediated through its enzymatic activity. Together with previously published results on direct effects of sDPP4 on insulin signaling, I postulate that the amount of DPP4 is potentially a regulating factor in insulin sensitivity especially in obese insulin-resistant patients. Whole body knock-out (KO) animals revealed that DPP4 ablation protects from diet-induced obesity and improves metabolic parameters like glucose tolerance and hepatic lipid accumulation. However, the interpretation of these findings is difficult because of an effect of the KO on food intake, body size and immune cells. Furthermore, these studies fail to ascribe the observed effects to a particular DPP4 releasing tissue. Therefore, another aim of the thesis was to elucidate local and systemic effects of AT-derived DPP4 with a tissue-specific KO approach. To further reveal the importance of AT-derived DPP4 in the development of obesity, adipose-specific DPP4 KO mice were challenged with 24 weeks of high-fat diet (HFD) feeding. In this context improved oral glucose tolerance was observed despite increased body weight in the KO animals under HFD. Most interestingly, the AT-specific KO model seems to selectively improve hepatic insulin sensitivity via improving endogenous glucose production. I propose that this might be mediated by a downregulated insulin-like growth factor binding protein 3 (IGFBP-3) release from AT into the circulation. In this respect the findings further indicate that AT-specific DPP4 KO leads to a beneficial AT remodeling under HFD with improved M1 vs M2 macrophage ratio, less fibrosis and a significant reduction of adipocyte diameter. Of note is, that the observed effects seem to be independent of incretin hormones and might rather be mediated via direct effects of DPP4 or via alternative DPP4 substrates. Taken together, the findings highlight the importance of DPP4 as a negative modulator during the development of obesity. This thesis indicates that DPP4 acts locally on the metabolism and structure of AT especially in obesity. Furthermore, my results contributed significantly to a better understanding of DPP4 release which is important in understanding the underlying effects of DPP4 in the cross-talk to other tissues. As an example of this cross-talk DPP4 was identified as a mediator of hepatic insulin resistance via cross-talk mechanisms in the AT specific KO mouse model. This thesis further strengthens the role of DPP4 as a therapeutic target for the treatment of metabolic disease like T2DM also beyond its incretin-mediating action.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	21.03.2017
Dateien geändert am:	21.03.2017
Promotionsantrag am:	12.12.2016
Datum der Promotion:	09.02.2017