Promotie: Gene regulation in human metabolic homeostasis: PPARg perturbation and Cold exposure as models of intrinsic and extrinsic metabolic regulation

Metabolisme verwijst naar de som van alle biochemische reacties die de
lichaamsfuncties in stand houden. Metabolisme ligt ten grondslag aan het in stand
houden van homeostase: het vermogen van een organisme om het inwendige milieu
constant te houden, ondanks interne en externe veranderende condities. Bij mensen
en andere zoogdieren wordt homeostase gehandhaafd door de wisselwerking
tussen meerdere organen die circulerende metabolieten uitwisselen en gebruiken.
Twee cruciale metabole organen bij de mens zijn vetweefsel en de skeletspieren.
Vetweefsel bestaat uit wit vetweefsel dat overtollige energie opslaat en weer
mobiliseert wanneer dat nodig is, en bruin vetweefsel, dat gespecialiseerd is in
de verbranding van vetten om warmte te produceren in koude omstandigheden.
Dit laatste proces wordt thermogenese genoemd. Skeletspieren zijn niet alleen
verantwoordelijk voor de voortbeweging, maar dienen ook als primaire plaats voor
de verbranding van glucose en vetten en dragen daardoor bij aan het metabolisme
en de thermogenese van het gehele lichaam. Hoewel de homeostase van het gehele
lichaam wordt gereguleerd door de samenwerking van organen, wordt het vermogen
van elk orgaan om zich aan te passen aan de dynamische energiebehoeften
uiteindelijk bepaald door het metabolisme op cellulair niveau. De metabole
toestand van een cel hangt nauw samen met de regulatie van gen-expressie. Gen-
expressie is het proces waarbij de informatie van het genoom wordt gebruikt om
de vereiste eiwitten te produceren. Het genoom codeert voor de eiwitten die de
metabole capaciteit van de cel bepalen, terwijl de intracellulaire metabolieten ook
de genexpressie kunnen reguleren. Regulatie van genexpressie en metabolisme zijn
dus onderling verbonden.
Hoofdstuk 1 introduceert het overkoepelende thema van dit proefschrift: genregulatie
van metabolisme in humane fysiologie, en hoe verstoringen (intrinsiek of extrinsiek)
in deze mechanismen het algehele metabole evenwicht kunnen verstoren of
aanpassen. Twee perspectieven worden behandeld in dit proefschrift: (1) intrinsieke
verstoring van de homeostase, geïllustreerd door Peroxisome proliferator-activated
receptor gamma (PPARγ) mutaties die lipodystrofie veroorzaken (hoofdstukken 2 en
3), en (2) extrinsieke modulatie van de homeostase, geïllustreerd door aanpassing
van skeletspieren door de blootstelling aan kou (hoofdstukken 4 – 6).
In Hoofdstuk 2 wordt de essentiele rol van de nucleaire receptor (NR) PPARγ in
het vetweefsel geintroduceerd als een directe koppeling tussen metabolisme en
genexpressie. NRs zijn eiwitten die genexpressie reguleren als reactie op specifieke
signaalmoleculen. Mutaties in PPARγ die verlies van eiwitfunctie veroorzaken
veroorzakenen familiale partiële lipodystrofie type 3 (FPLD3), een zeldzaam
syndroom dat wordt gekenmerkt door ernstige metabole consequenties zoals
insuline-resistentie, diabetes mellitus type 2 (T2DM) en dyslipidemie. In dit hoofdstuk
presenteren we een robuuste en toegankelijke methode om te onderzoeken hoe
ziekte-gerelateerde PPARγ mutaties de structurele functie van het eiwit verstoren.
Hoofdstuk 3 richt zich op een specifieke PPARγ mutatie K184N, en onderzoekt
de structurele impicaties van deze mutatie. PPARγ bestaat, net als alle andere
NRs, uit meerdere domeinen waaronder een DNA-bindend domain (DBD) en een
ligandbindend domein (LBD), die meerderen rollen integreren in een specifieke
genexpressie output. Dit hoofdstuk onderzoekt de betrokkenheid van K184N bij de
interactie tussen de DBD en LBD domeinen, en toont aan dat het gedrag van deze
mutant zeer afhankelijk is van de DNA sequentie waar PPARγ aan kan binden.
Vanwege de dominante rol van skeletspieren bij thermogenese en metabole regulatie,
onderzoekt Hoofdstuk 4 het effect van rillingen door blootstelling aan kou op de
metabole gezondheid bij volwassen mensen met overgewicht of obesitas. Herhaalde
blootstelling aan kou met rillingen verbeterde glucose-tolerantie, vetgehalte in het
bloed, en bloeddruk. Deze bevindingen benadrukken blootstelling aan kou als een
veelbelovende strategie om de metabole gezondheid te verbeteren.
In Hoofdstuk 5 hebben we een bio-informatica aanpak gebruikt om de adaptatie
in genexpressie van rillende skeletspieren te karakteriseren. Ten slotte wordt in
Hoofdstuk 6 onderzocht hoe de intensiteit van herhaalde blootstelling aan kou,
en daarmee de mate van rillen, zich vertaalt in de metabole verbeteringen. We
tonen aan dat de intensiteit van het rillen bepalend is voor de effectiviteit van de
koude blootstelling op de verbetering van het metabolisme. Aanvullend diepgaand
onderzoek naar het effect van rillen toonde een gunstige vershuiving aan in het
plasma-lipidenprofiel bij volwassenen met een verstoord metabolisme.
Ten slotte worden in Hoofdstuk 7 de bevindingen van dit proefschrift besproken
en in een breder perspectief binnen de literatuur van het huidige onderzoeksveld
geplaatst.
Het werk dat in dit proefschrift wordt gepresenteerd, bestrijkt meerdere niveaus
van biologische organisatie, van moleculaire eiwitstructuur inzichten in PPARγ-
disfunctie bij FPLD3, tot fysiologische reacties van het lichaam ten gevolge van
rillen door koude blootstelling. De studie van zeldzame en extreme fenotypes zoals
FPLD3 biedt een uniek inzicht in de essentiële moleculaire routes die metabole
homeostase in stand houden. Anderzijds laat de studie van koude blootstelling
zien hoe moleculaire routes dynamisch kunnen worden aangepast om metabole
homeostase in stand te houden.