Role of peroxisome in white adipose tissue homeostasis

Abstract

Increased oxidative stress in dysfunctional adipose tissue contributes to the development of insulin resistance and metabolic syndrome in obesity. Peroxisomes are single membrane bounded ubiquitous organelles that are involved in fatty acid oxidation and removal of reactive oxygen species. However, the importance of peroxisome homeostasis in adipocyte function is poorly understood. At first part, I observed that peroxisome-related gene expressions were strongly increased during adipocyte differentiation. Furthermore, these genes were significantly down-regulated in white adipose tissue (WAT) from diabetic obese mice, suggesting the close correlation between peroxisomes and the development of obesity. Fenofibrate (FF), a peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) agonist, has been reported to induce peroxisomal biogenesis and fatty acid oxidation. To explore whether FF has a protective effect on high-fat diet (HFD)-induced adipose tissue dysfunction through maintenance of peroxisomal fitness, the second part of the thesis determined the effect of FF on WAT under metabolic stress. 8-week-old C57BL/6J mice were fed with normal diet (ND) or HFD for 12 weeks, and FF (50 mg/kg, oral gavage) was daily administered with the initiation of HFD. Adipocyte hypertrophy, oxidative stress, fibrosis, and adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) suppression were evident in HFD-fed mice. Interestingly, HFD caused defect in peroxisomal biogenesis associated with reduction of fatty acid oxidation in WAT. FF treatment led to the activation of AMPK in WAT and attenuated the development of HFD phenotype. FF as well as metformin (an AMPK activator) activated AMPK in a concentration-dependent manner in differentiated 3T3-L1 adipocytes. Compound C, an AMPK inhibitor, inhibited FF-induced PPARa activation. Furthermore, compound C and GW6471, a PPARα inhibitor, effectively inhibited the action of FF in promoting peroxisomal fitness. Catalase is a major peroxisomal antioxidant and plays an important role in peroxisomal redox homeostasis. To date, the role of endogenous catalase in WAT function has not been elucidated. The last part of the thesis was focused on the role of endogenous catalase in WAT fitness through employing catalase knock-out mice (CKO). CKO and age-matched wild type (WT) C57BL/6J male mice were fed with a ND or a HFD for 12 weeks. Body weight was significantly higher in HFD-fed CKO mice than in HFD-fed WT mice. Absolute subcutaneous and epididymal fat from HFD-fed CKO mice weighed more than those of HFD-fed WT mice. This change was consistent after the correction by body weight. Furthermore, plasma triglyceride (TG) level, WAT inflammation, fibrosis, and oxidative stress were accelerated in obese CKO mice than in obese WT mice. CKO mice showed decreased peroxisomal biogenesis and functional gene expression. These results suggest that FF has a protective effect on HFD-induced adipocyte dysfunction through the activation of AMPK-PPARα leading to maintenance of peroxisomal fitness. Furthermore, endogenous catalase plays an important role in protecting the adipose tissue from obese induced stress through maintain peroxisomal homeostasis.;비만은 전세계적으로 급격히 증가하고 있는 추세이며, 비만으로 인한 대사증후군은 심혈관질환 발생과 진행의 위험인자이다. 비만의 가장 뚜렷한 변화는 체내 지방축적이다. 특히 복부지방을 구성하는 백색 지방조직에서의 산화성 스트레스 증가, 아디포카인 조절이상과 지방 섬유화가 진행되면서 전신의 대사장애를 일으킨다. 백색지방조직의 기능이상에 관여하는 기전으로서 미토콘드리아의 역할이 많이 진행해왔으나 페록시좀도 지방산 산화, 인지질 합성, 플라스마로젠 합성 등 다양한 지방대사 및 레독스 조절에 관여하기 때문에 페록시좀의 역할에 대한 연구가 필요하다고 본다. 본 논문에서는 3T3-L1의 지방세포 분화과정에서 페록시좀 생성과 지방산산화 관여하는 페록시좀 단백질의 mRNA 발현양이 현저히 증가함을 관찰하였고 비만한 db/db 마우스의 백색지방조직에서는 이들 단백질의 mRNA 발현이 db/m 대조군에 비해 감소한 것을 관찰하였다. 이는 페록시좀이 백색지방조직의 기능 유지에 관여함을 시사하였다. 따라서, 페록시좀 생성을 증가시키는 약물로 잘 알려진 지질대사이상 치료제인 fenofibrate와 페록시좀내 주된 항산화 효소인 catalase가 결핍된 마우스를 이용하여 페록시좀이 백색지방조직의 산화성 스트레스, 섬유화, 아디포카인 관여하는 조절에 페록시좀의 역할을 검색하였다. 고지방식이와 함께 fenofibrate를 투여한 군에서 생쥐 몸무게, 백색지방조직의 무게 및 크기가 현저히 감소하였고 산화성 스트레스도 완화 되었다. 또한, fenofibrate 투여는 고지방식이로 인해 감소된 페록시좀 생성과 기능 관련된 단백질의 mRNA 발현을 현저히 증가시켰으며 fenofibrate에 의한 PPARα 활성화뿐만 아니라 AMPK의 활성화가 관여함을 알 수 있었다. fenofibrate가 고지방식이로 인한 백색지방조직 기능이상에 어떤 영향을 미치는 알아보기 위해 대표적인 아디포카인인 adiponectin과 plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1)의 발현을 측정한 결과 fenofibratre가 고지방식이로 유도된 adiponectin 감소와 PAI-1 증가, 염증와 섬유화를 완화함을 관찰하였다. 나아가 fenofibrate가 고지방식이로 인한 당불내성과 인슐린 저항성을 개선한 것을 보아 전반적인 대사의 문제를 완화됨을 알 수 있었다. Catalase가 결핍된 생쥐 (catalase knock out, CKO)에서 대조군에 비해 고지방식이에 의한 몸무게 증가와 백색 복부 지방 축적이 현저하게 증가하였다. 고지방 식이에 의한 백색지방조직의 산화성 스트레스, adiponectin 감소와 PAI-1 증가, 염증와 섬유화 및 페록시좀 기능이상 역시 CKO 생쥐에서 WT 생쥐보다 증가하였다. 종합할 때, 본 논문에서는 페록시좀이 백색지방조직의 항상성 유지에 관여함과 fenofibrate가 AMPK-PPARα를 통하여 경로 활성화 페록시좀의 생성과 기능을 향상시킴을 제시하였다. 또한 페록시좀내 catalase는 백색 지방조직의 페록시좀 항상성 유지 및 백색지방조직 기능 유지에 중요한 역할을 함을 제시하였다.