Fyziologické a patofyziologické úlohy receptorov adiponektínu a adiponektínu v integrovanej regulácii metabolických a kardiovaskulárnych chorôb | medzinárodný denník obezity

Fyziologické a patofyziologické úlohy receptorov adiponektínu a adiponektínu v integrovanej regulácii metabolických a kardiovaskulárnych chorôb | medzinárodný denník obezity

Anonim

abstraktné

Zistilo sa, že receptory adiponektínu a adiponektínu (AdipoRs) zohrávajú významnú úlohu v etiológii chronického ochorenia spojeného s obezitou. Ich objav je dlhá a zložitá cesta s mnohými výzvami. Vývoj metód na odhalenie molekulárnych tajomstiev bol samo o sebe informatívnym procesom. Avšak s funkčnými aj genetickými štúdiami, ktoré potvrdzujú adiponektín ako terapeutický cieľový adipokín, bolo jasne definovaných veľa úloh a interakcií s niektorými ďalšími biomolekulami. Zistili sme, že znížená adiponektín s vysokou molekulovou hmotnosťou (HMW) hrá rozhodujúcu a príčinnú úlohu pri inzulínovej rezistencii a metabolickom syndróme spojenom s obezitou; že AdipoR1 a AdipoR2 slúžia ako hlavné AdipoRs in vivo ; a že AdipoR1 aktivuje dráhu AMP kinázy (AMPK) a AdipoR2, cestu alfa receptora alfa (PPARa) aktivovaného proliferátorom peroxizómu v pečeni, na zvýšenie citlivosti na inzulín a zníženie zápalu. Ďalšími závermi sú, že znížený účinok adiponektínu a zvýšený monocytový chemoatraktantový proteín-1 (MCP-1) tvoria začarovanú adipokínovú sieť, ktorá spôsobuje inzulínovú rezistenciu spojenú s obezitou a metabolický syndróm; PPARy upreguloval HMW adiponektín a PPAR a upreguloval AdipoRs; že diétny osmotín môže slúžiť ako prirodzene sa vyskytujúci agonista adiponektínového receptora; a nakoniec, že ​​za podmienok hladovania MMW adiponektín aktivuje AMPK v hypotalame a podporuje príjem potravy a súčasne HMW adiponektín aktivuje AMPK v periférnych tkanivách, ako je napríklad kostrový sval, a stimuluje spaľovanie mastných kyselín. Dôležité je, že v patofyziologických podmienkach, ako je obezita a diabetes, sa znížil iba HMW adiponektín; preto stratégie na zvýšenie len HMW adiponektínu môžu byť logickým prístupom na poskytnutie novej liečebnej modality pre ochorenia spojené s obezitou, ako je inzulínová rezistencia a diabetes typu 2. Dúfame, že tieto údaje budú užitočné pri vývoji liečby na potlačenie deštruktívnych, drahých a bolestivých účinkov obezity.

úvod

Lodish a kol. 1 uvádza nový sekrečný proteín 30 kDa, Acrp30 (proteín súvisiaci s adipocytovými doplnkami 30 kDa), ktorý sa vyrába výlučne v adipocytoch a ktorého hladina mRNA je indukovaná viac ako 100-násobne počas diferenciácie adipocytov. Matsuzawa a jeho kolegovia 2 opísali klonovanie cDNA a expresiu nového adipózne špecifického kolagénového faktora apM1 (najrozšírenejší génový transkript 1 AdiPose). Spiegelman a jeho kolegovia využívali techniku ​​diferenciálneho zobrazovania mRNA. 3 opísali adipóznu cDNA, adipoQ, ktorej expresia bola vysoko špecifická pre tukové tkanivo a bola významne znížená pri obezite. Tomita a spolupracovníci 4 uviedli nový proteín viažuci želatínu, GBP28, purifikovaný z ľudskej plazmy.

Adiponektín ako kľúčový mediátor inzulínovej rezistencie a metabolického syndrómu spojeného s obezitou: hypotéza adiponektínu

Na základe údajov, ktoré sme my a iní už uviedli, navrhujeme hypotézu adiponektínu o inzulínovej rezistencii, metabolickom syndróme a ateroskleróze. Podľa tejto hypotézy môžu byť znížené hladiny adiponektínu spôsobené genetickými faktormi, ako je napríklad jednonukleotidový polymorfizmus 276 v samotnom géne adiponektínu. Znížené hladiny adiponektínu môžu byť tiež spôsobené zmenami životného štýlu spôsobujúcimi obezitu, ako je napríklad diéta s vysokým obsahom tukov. Funkčné 5, 6, 7 a genetické štúdie adiponektínu silne naznačujú, že znížené hladiny adiponektínu hrajú príčinnú úlohu pri vývoji inzulínovej rezistencie, metabolického syndrómu, diabetu typu 2 a aterosklerózy 8, 9, 10, 11 (obrázok 1).

Image

Sieť Adipokine.

Obrázok v plnej veľkosti

Už sme skôr uviedli, že AdipoR1 a R2 slúžia ako receptory pre adiponektín a sprostredkujú zvýšené aktivity AMP kinázy (AMPK), aktivity 12, 13 peroxizómového proliferátora aktivovaného receptora alfa (PPARa), oxidáciu mastných kyselín a absorpciu glukózy adiponektínom v kultivované bunky, ako sú napríklad myocyty a hepatocyty 15 (obrázok 2).

Image

Adiponektín stimuluje aktivitu AMPK v kostrových svaloch a pečeni a stimuluje aktivitu AMPK v hypotalame a stimuluje príjem potravy.

Obrázok v plnej veľkosti

Aby sme určili fyziologickú úlohu AdipoR, vytvorili sme knockoutované myši AdipoR. 16 Potvrdili sme, že myši s knockoutom AdipoR1 alebo R2 vykazovali zrušenie proteínu AdipoR1 alebo R2. U myší divokého typu sa adiponektín viaže špecificky na hepatocyty, zatiaľ čo cielené prerušenie adipoRl a R2 úplne eliminuje adiponektín špecifickú väzbu na hepatocyty. Ako sme už uviedli, adiponektín dokázal významne znížiť hladiny glukózy v plazme u myší divokého typu, 12 zatiaľ čo účinok adiponektínu na zníženie glukózy bol úplne zrušený u myší s dvojitým knockoutom AdipoR1 a R2. Tieto údaje naznačujú, že AdipoR1 a R2 slúžia ako hlavné AdipoRs in vivo . 16

Vyradené myši AdipoR1 a myši s dvojitým vyradením vykazovali inzulínovú rezistenciu a zhoršenú toleranciu voči glukóze, zatiaľ čo myši vyraďujúce AdipoR2 vykazovali inzulínovú rezistenciu bez glukózovej intolerancie. Tieto údaje naznačujú, že AdipoR1 a R2 hrajú fyziologicky dôležité úlohy pri regulácii citlivosti na inzulín a metabolizmu glukózy in vivo . 16

Sieť adiponektínu / MCP-1 pri inzulínovej rezistencii a metabolickom syndróme spojenom s obezitou

Wellen a Hotamisligil navrhli hypotézu s názvom „Zápal a rezistencia na inzulín v tukovom tkanive“. 17 Podľa ich hypotézy môžu hypertrofické adipocyty, preadipocyty a endoteliálne bunky vylučovať chemoatraktantový proteín-1 monocytov (MCP-1), ktorý prijíma makrofágy, čím vyvoláva zápal a rezistenciu na inzulín.

My 18 a Kasuga a jeho kolegovia z univerzity Kobe University 19 sme generovali transgénne myši nadexprimujúce MCP-1 v adipocytoch a uvádzali sme, že nadmerná expresia MCP-1 v adipocytoch indukuje infiltráciu makrofágov a súčasne zvyšuje inzulínovú rezistenciu spôsobujúcu adipokíny, ako je faktor nekrózy nádorov-a, interleukín-6 a voľné mastné kyseliny, čo viedlo k systémovej inzulínovej rezistencii (obrázok 3).

Image

Nadmerná expresia MCP-1 v tukovom tkanive vedie k systémovej inzulínovej rezistencii prostredníctvom parakrinných aj endokrinných ciest.

Obrázok v plnej veľkosti

Ďalej sme skúmali vzťah medzi inzulín senzibilizujúcim adipokín adiponektínom a inzulínovou rezistenciou spôsobujúcou chemokín MCP-1. Súčasné prerušenie AdipoR1 a R2 viedlo k zvýšeným hladinám expresie MCP-1 a makrofágovému markeru Mac-1 v bielych tukových tkanivách (WAT). Tieto údaje naznačujú, že znížená signalizácia adiponektínu môže slúžiť ako upstream dráha zvýšenej expresie MCP-1 a zápalu pri WAT. 16

Prerušenie AdipoR1 a R2 malo za následok zníženie hladín enzýmov odstraňujúcich oxidačný stres, ako je kataláza a superoxiddismutáza, čo malo za následok zvýšenie oxidačného stresu pri WAT. Tieto údaje naznačujú, že znížená signalizácia adiponektínu môže slúžiť ako upstream dráha so zvýšeným oxidačným stresom pri WAT. 16

U hypertrofických adipocytov pozorovaných pri obezite znížený účinok adiponektínu a zvýšený MCP-1 tvoria začarovanú adipokínovú sieť, ktorá spôsobuje inzulínovú rezistenciu spojenú s obezitou a metabolický syndróm. Stratégie aktivácie dráhy adiponektínu / AdipoRs môžu poskytnúť nový spôsob liečby inzulínovej rezistencie, metabolického syndrómu a aterosklerózy 16 (obrázok 1).

Adiponektín s vysokou molekulovou hmotnosťou (HMW) ako nový biomarker inzulínovej rezistencie a metabolického syndrómu

Uviedli sme, že SDS-polyakrylamidová gélová elektroforéza v podmienkach neredukcie a denaturácie nie je veľmi užitočnou metódou, pomocou ktorej sa hodnotí tvorba multiméru adiponektínu. Adiponektín migruje ako 28 kDa monomér za štandardných Laemmliho podmienok, to znamená, že znižuje denaturačné podmienky. Na rozdiel od toho, keď sme nezahrnuli redukčné činidlo a vzorku sme neuvarili, adiponektín bežal zhruba ako tri skupiny MW označené ako multiméry HMW, stredná MW a nízka MW. Veľkosť multimérov HMW presahuje 250 kDa. Ďalšia analýza ukázala, že tieto pásy predstavovali rôzne homomultiméry adiponektínu v natívnom stave a druh s nízkou molekulovou hmotnosťou bol trimér. 20

Pacienti s mutáciou v géne adiponektínu (G90S), ktorá znižuje HMW adiponektín, vykazujú diabetes, čo zvyšuje pravdepodobnosť, že adiponektín HMW môže slúžiť ako najaktívnejšia multimérna forma adiponektínu.

HMW adiponektín z ľudskej plazmy mal skutočne najvyššiu väzbovú aktivitu k membránovej frakcii myocytov C2C12 a najúčinnejšie aktivoval AMPK 21 (obrázok 4).

Image

Výskum cukrovky spôsobený interakciou medzi environmentálnymi a zdedenými genetickými faktormi.

Obrázok v plnej veľkosti

Obézne myši KKAy vykazujú znížený adiponektín HMW v porovnaní s chudými myšami KK. Potom sme vyvinuli enzýmovo-imunoadsorbčný test na špecifické meranie ľudského HMW adiponektínu. 23 Pomer HMW adiponektín / celkový adiponektín úzko koreluje s inzulínovou rezistenciou ako celkový adiponektín. Pomer HMW adiponektín / celkový adiponektín je pri diagnostike metabolického syndrómu 24 užitočnejší ako celkový adiponektín (obrázok 4).

Vývoj novej terapeutickej stratégie zameranej na adiponektín

PPARy reguluje HMW adiponektín

Vysoká molekulová hmotnosť bola u myší KKAy znížená v porovnaní s myšami KK. Ďalej sme hľadali stratégie, ktoré by mohli zvýšiť adiponektín HMW, a zistili sme, že agonista PPAR y a energetické obmedzenia upregulovali redukovaný adiponektín HMW. 22

Ďalej sme sa pokúsili objasniť relatívny príspevok adiponektínu k účinkom agonistu PPAR y , ako sú antidiabetické účinky. 25 Celkovo 10 mg kg -1 pioglitazónu významne zlepšilo diabetes u ob / ob myší, ale nie u adiponektín-deficientných ob / ob myší. Tieto údaje naznačujú, že PPARy agonista zlepšil diabetes, aspoň čiastočne, cestou závislou od adiponektínu. Celkovo 30 mg kg- 1 pioglitazónu významne zlepšilo diabetes u zdanlivo ob / ob a myší ob / ob s nedostatkom adiponektínu. Tieto údaje naznačujú, že PPARy agonisty by tiež mohli zlepšovať cukrovku cestou adiponektínu nezávislou cestou. Ďalej sme sa pokúsili objasniť mechanizmy, ktorými tiazolidíndióny zlepšujú inzulínovú rezistenciu a cukrovku prostredníctvom adiponektín-dependentných aj nezávislých dráh. Nízka dávka tiazolidíndiónov zvýšila adiponektín stimuláciou transkripcie, zatiaľ čo vysoká dávka vyvolala diferenciáciu adipocytov, čím sa znížila veľkosť adipocytov a súčasne znížila inzulínová rezistencia spôsobujúca adipokíny, ako sú napríklad voľné mastné kyseliny, faktor nekrózy nádorov a a MCP-1., ktoré zlepšili rezistenciu na inzulín a diabetes 25 (obrázok 1).

Vývoj novej terapeutickej stratégie, ktorá by mohla zvýšiť AdipoR

PPARa reguluje AdipoRs

Ukázali sme, že úrovne expresie adiponektínu a AdipoR1 / R2 sú znížené v obezite. 26 Znížené adipoR v obezite znižujú citlivosť adiponektínu, čo nakoniec vedie k inzulínovej rezistencii. Naše údaje zvýšili možnosť, že nielen agonizmus AdipoR1 / R2, ale aj stratégie na zvýšenie AdipoR1 / R2 môžu byť logickým prístupom, ktorý poskytuje nový spôsob liečby inzulínovej rezistencie a diabetu typu 2. Hladiny expresie AdipoR1 a R2 sa znížili v pečeni db / db myší. 16

Na objasnenie patofyziologických úloh AdipoRs in vivo sme ďalej študovali účinky adenovírusom sprostredkovanej zvýšenej regulácie AdipoRs u db / db myší. 16 Trojnásobná nadmerná expresia AdipoR1 alebo päťnásobná nadmerná expresia AdipoR2 v pečeni db / db myší významne zlepšila diabetes. Dôležité je, že tieto prospešné účinky zvýšeného AdipoRl / R2 sa nepozorovali u adiponektín-deficientných db / db myší, čo naznačuje, že účinky AdipoRl / R2 závisia od adiponektínu. 16

Predpokladali sme, že AdipoR1 môže vykonávať svoje biologické účinky prostredníctvom AMPK, zatiaľ čo AdipoR2 ich môže vykonávať prostredníctvom PPAR a . Okrem toho sa zdá, že AdipoR2 je tiež spojený so znížením zápalu a oxidačného stresu, čím sa zvyšuje citlivosť na inzulín 16 (obrázok 5).

Image

Adiponectin-AdipoR1 / R2 v integrovanej regulácii metabolických a fyziologických funkcií. AMPK, AMP kináza.

Obrázok v plnej veľkosti

Ďalej sme sa pokúsili identifikovať stratégie, ktoré by mohli zvýšiť AdipoRs, a zistili sme, že agonista PPARa upreguloval expresiu AdipoR1 a R2 vo WAT myší KKAy, ktorých expresia bola znížená obezitou. Ukázalo sa, že 26 agonistov PPAR znižuje hladiny expresie MCP-1, Mac-1 a nádorovej nekrózy- a u WAT myší KKAy. 22

Naše údaje naznačujú, že duálna aktivácia PPARy a PPARa zvyšuje aktivitu adiponektínu zvýšením celkového aj HMW adiponektínu a adipoR, čo môže viesť k zlepšeniu zápalu vyvolaného obezitou a inzulínovej rezistencie 22 (obrázok 6).

Image

Stratégia na zvýšenie účinku adiponektínu a potlačenie zápalu v bielkom tukovom tkanive (hypotéza).

Obrázok v plnej veľkosti

Vývoj novej terapeutickej stratégie zameranej na AdipoR

Osmotín môže slúžiť ako agonista AdipoR

Osmotín je všadeprítomný v ovocí a zelenine. Skupina na Purdue University zistila, že receptorom pre osmotín bol kvasinkový homológ AdipoR1 (PHO36). 27 Rôntgenové kryštalografické štúdie odhalili, že doména I osmotínu sa môže prekrývať s guľovým adiponektínom. Tieto údaje nás viedli k preskúmaniu, či osmotín môže aktivovať AdipoR v bunkách cicavcov. Zistili sme, že osmotín môže aktivovať AMPK v myocytoch C2C12. Ešte dôležitejšie je, že potlačenie expresie AdipoRs siRNA výrazne znížilo fosforyláciu AMPK indukovanú osmotínom. Tieto údaje naznačujú, že sa zdá, že osmotín aktivuje AMPK prostredníctvom AdipoR v cicavčích C2C12 myocytoch 27 (obrázok 4).

Osmotín je členom veľkej bielkovinovej rodiny príbuznej s patogenézou rastlín, ktorá je všadeprítomná v ovocí a zelenine. Iní členovia môžu tiež aktivovať AdipoR cicavcov. Pretože proteíny súvisiace s patogenézou sú mimoriadne stabilné a môžu zostať aktívne aj pri kontakte s tráviacim systémom človeka, môžu sa podieľať na potlačení metabolického syndrómu. Tieto zistenia tiež zvyšujú možnosť, že ďalší výskum skúmajúci podobnosti proteínov súvisiacich s adiponektínom a patogenézou, ako je napríklad osmotín, môže uľahčiť vývoj potenciálnych agonistov AdipoR (obrázok 4).

Účinky adiponektínu v mozgu

Nakoniec sme skúmali účinky adiponektínu v mozgu. 28 Po podaní potravy sa hladiny leptínu v sére zvyšujú, čo môže viesť k zníženiu aktivity AMPK v hypotalame a k potlačeniu príjmu potravy. Na rozdiel od toho sa počas hladovania zvyšujú hladiny adiponektínu v sére a expresie AdipoR1 pri oblúkovom hypotalame, čo môže viesť k zvýšenej aktivite hypotalamu AMPK a podporovať príjem potravy. Z týchto údajov sme predpokladali, že adiponektín slúži ako gén pre hladovanie. Za podmienok hladovania adiponektín, najmä adiponektín so strednou molekulovou hmotnosťou, inhibuje energetický výdaj a centrálne podporuje príjem potravy a súčasne HMW adiponektín stimuluje najmä využitie voľných mastných kyselín v periférnych tkanivách 28 (obrázky 2 a 5).

diskusia

Adiponektín sme identifikovali ako terapeutický cieľový adipokín pre inzulínovú rezistenciu, metabolický syndróm, cukrovku a aterosklerózu pomocou kombinácie skenovania celého genómu a DNA čipov. Genetické štúdie mononukleotidových polymorfizmov génu adiponektínu, ako aj funkčné analýzy vrátane transgénnych alebo knockoutovaných myší naznačujú, že znížené hladiny adiponektínu hrajú príčinnú úlohu pri vývoji inzulínovej rezistencie, metabolického syndrómu, diabetu a aterosklerózy. 8, 9, 10, 11 Analýza mutácií ľudského adiponektínu 20 navyše viedla k identifikácii HMW adiponektínu ako najaktívnejšej formy. Potom sme vyvinuli enzýmový imunosorbentový testovací systém a ukázali sme, že meranie HMW je užitočné na predikciu inzulínovej rezistencie a metabolického syndrómu. 24 Nedávno sme ukázali, že adiponektín tiež centrálne reguluje energetický výdaj a príjem potravy. 28

Identifikovali sme tiež AdipoRs (AdipoR1 a R2) klonovaním expresie, 15 a zistili sme, že AdipoRs sa tiež znižujú pri obezite. 26 Nadmerná expresia adenovírusmi naznačovala, že stratégie na zvýšenie hladiny AdipoR by mali slúžiť ako stratégie liečby inzulínovej rezistencie, metabolického syndrómu, cukrovky a aterosklerózy. Okrem toho sieťové analýzy odhalili, že AdipoR1 môže byť úzko spojený s aktiváciou dráhy AMPK, zatiaľ čo AdipoR2 môže byť pevne spojený s aktiváciou dráhy PPARa v pečeni. Súčasné prerušenie AdipoR1 a R2 odhalilo, že slúžia ako prevládajúce receptory adiponektínu in vivo a zohrávajú dôležitú úlohu pri regulácii metabolizmu glukózy a lipidov. 16 Vo WAT viedlo súčasné narušenie AdipoR1 a R2 k zníženiu oxidačných detoxikačných enzýmov, ako je kataláza a superoxiddismutáza, a súčasne k zvýšeniu oxidačného stresu. Deficit AdipoR navyše vyústil do zvýšenej expresie MCP-1 a infiltrácie makrofágov. Tieto údaje naznačujú, že AdipoR1 a R2 tiež hrajú dôležitú úlohu pri regulácii oxidačného stresu a zápalu in vivo . 16

Nakoniec sme ukázali, že agonista PPARy nadreguluje celkovo HMW a adiponektín HMW, zatiaľ čo agonista PPARa nadreguluje AdipoRs. 22 Navyše sme dokázali, že osmotín, ktorý sa nachádza v ovocí a zelenine, aktivoval AMPK prostredníctvom AdipoR v myocytoch. 27

V súčasnosti skúmame nízkomolekulárne zlúčeniny a potvrdzujeme klinickú účinnosť a užitočnosť merania HMW (obrázok 4).

závery

  1. Znížený adiponektín HMW hrá rozhodujúcu a príčinnú úlohu pri inzulínovej rezistencii a metabolickom syndróme spojenom s obezitou.

  2. AdipoR1 a R2 slúžia ako hlavné AdipoRs in vivo.

  3. AdipoR1 aktivuje dráhu AMPK a AdipoR2 aktivuje dráhu PPARa, čím spôsobuje zvýšenú citlivosť na inzulín a znižuje zápal.

  4. Znížený účinok adiponektínu a zvýšený MCP-1 tvoria začarovanú sieť adipokínov, ktorá spôsobuje inzulínovú rezistenciu a metabolický syndróm spojený s obezitou.

  5. PPARy upreguloval HMW adiponektín a PPARa upreguloval AdipoRs.

  6. Osmotín v ovocí a zelenine môže slúžiť ako prírodne sa vyskytujúci agonista AdipoR.

  7. Počas hladovania sa zvyšujú hladiny adiponektínu v sére a expresie AdipoR1 v artuátnom hypotalame, čo môže zase viesť k zvýšenej aktivite AMPK v hypotalame a podporovať príjem potravy.

Konflikt záujmov

Autori nevyhlásili žiadne finančné záujmy.