Universität zu Köln

Pal, Martin (2012). Stress Signaling Pathways in Metabolic Disorders. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Obesity affects more than 30 percent of the worldwide population reaching pandemic dimensions. Furthermore, obesity is associated with the development of metabolic disorders, such as insulin resistance that is at least partly caused by an increased inflammatory state. The chronic low-grade inflammation under obese conditions induces stress signaling pathways such as c-Jun N-terminal kinase (JNK) and endoplasmic reticulum stress leading to the activation of the X-box binding protein 1 (XBP1), both might contribute to the development of obesity-associated insulin resistance. While recent studies using whole body JNK-1 knockout mice have implicated a crucial role for stress signaling induced JNK-1 in the development of obesity-associated insulin resistance, neither the metabolic tissue in which JNK-1 ablation sensitizes for insulin action nor the cell typespecific function of the other JNK isoform JNK-2 could be identified in these studies. To this end, mouse models carrying skeletal muscle specific inactivation or constant activation of JNK-1 were analysed for alterations in energy and glucose homeostasis. While mice with a skeletal muscle specific JNK-1 deficiency or constitutive activation of JNK-1 demonstrated largely unaltered body weight gain, glucose tolerance and insulin sensitivity, JNK-1 was responsible to induce exercise-dependent increases of the myokine IL-6 in skeletal muscle. These data reveal a novel role for stress-induced JNK-1 in skeletal muscle in the context of physical activity, controlling the beneficial effects of IL-6 in response to exercise. Moreover, a conditional JNK-2 mouse line was created in this study allowing for the cell type-specific inactivation of JNK-2 in tissues that express the Cre recombinase. Furthermore, mice were generated that carry a conditional allele of the spliced and transcriptionally active form of the murine XBP1 (mXBP1s) to mimic ER stress that is associated with obesity. These mice were crossed with CAMKII-Cre and ALFP-Cre mice that resulted in mXBP1s expression and the induction of ER stress in hippocampus and liver, respectively. Surprisingly, however, qPCR analysis indicated that the central expression of mXBP1s resulted not only in the neuron-specific induction of ER stress, but also revealed upregulated CHOP and GRP78 expression in liver, implicating a crosstalk between brain and liver in the transmission of ER stress. Also, the novel FABP4-2A-Cre mouse line was characterized using ROSA26-FOXODN and IL-6RaFL mice as reporter alleles. While FABP4-2A-Cre excised the loxP-flanked STOP sequence of ROSA26-FOXODN mice exclusively inWAT, BAT and myeloid lineage cell types, the loxP-flanked exons of the IL-6Ra gene were completely excised indicating the occurence of a transient FABP4 expression early during embryonic development. Collectively, the herein generated mouse lines will be valuable tools for further studies addressing the cell type-specific role of stress signaling pathways in metabolic disorders.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Stress-Signal-Wege bei Stoffwechselkrankheiten German
Translated abstract:	Abstract Language Adipositas breitet sich weltweit aus und betrifft mittlerweile 30 Prozent der globalen Bevölkerung. Zudem ist Fettleibigkeit mit einem erhöhten Risiko verbunden, Stoffwechselkrankheiten zu begünstigen wie die Entstehung einer Insulin-Resistenz. Die Insulin-Resistenz wird teils durch verstärkt auftretende Entzündungsprozesse bei Adipositas verursacht, die zur Aktivierung von Stress-Signal-Wegen führen, z.B. dem c-Jun N- terminalen Kinase (JNK) Signalweg oder erhöhtem Stress im endoplasmatischen Reticulum (ER), welcher in der Aktivierung des X-box bindenden Protein 1 (XBP1) resultiert. Jüngste Studien, in denen JNK-1 im ganzen Körper inaktiviert wurde, weisen daraufhin, dass JNK-1 eine zentrale Rolle bei der Entstehung der Adipositas-assoziierten Insulin-Resistenz einnimmt. Allerdings konnten diese Studien weder das Gewebe identifizieren, in welchem eine JNK-1 Inaktivierung die Insulin Wirkung sensibilisiert, noch konnte die Zelltyp-spezifische Rolle von JNK-2 aufgeklärt werden. Daher wurden in dieser Arbeit Maus-Modelle generiert, in denen JNK-1 spezifisch im Skelettmuskel inaktiviert oder konstant aktiviert wurde. Während diese Mausmutanten im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen eine unveränderte Gewichtszunahme, sowie eine mit Wildtyp-Mäusen vergleichbare Glukosetoleranz und Insulinsensitivität zeigten, so konnte nachgewiesen werden, dass JNK-1 für die Sekretion des Myokins Interleukin 6 (IL-6) im Skelettmuskel während körperlicher Aktivität verantwortlich ist. Diese Erkenntnis belegt eine neue Rolle des Stress-induzierbaren JNK-1 Proteins während körperlicher Anstrengung, da es die vorteilhaften Effekte von IL-6 als Antwort auf diese Aktivität kontrolliert. Zusätzlich wurde eine konditionale JNK-2 Maus-Linie generiert, die es erlaubt JNK-2 in Organen zu inaktivieren, in denen die Cre-Rekombinase exprimiert wird. Weiterhin wurden Mäuse erzeugt, die ein induzierbares Allel des gespleißten und transkriptionell aktiven murinen XBP1 Proteins (mXBP1s) in ihrem Genom tragen. Das Kreuzen dieser mit Mäusen, welche die CAMKII-Cre oder die ALFP-Cre exprimieren, resultierte in der Expression von mXBP1s und der Induktion von ER Stress im Hippocampus bzw. der Leber. Überraschenderweise deutete eine Analyse mittels qPCR daraufhin, dass die zentrale Expression von mXBP1s nicht nur in neuronalen ER Stress resultiert, sondern es wurden auch erhöhte Expressionswerte von CHOP und GRP78 in der Leber dieser Tiere festgestellt. Dies deutet auf eine Verbindung zwischen Gehirn und Leber in Bezug auf die Weiterleitung des ER Stresses hin. Ferner wurde die neu-entwickelte FABP4-2A-Cre Maus-Linie charakterisiert. Mit ROSA26-FOXODN und IL-6RaFL Mäusen als Reporter, konnte gezeigt werden, dass die loxP-flankierte STOP-Sequenz der ROSA26-FOXODN Mäuse exklusiv im weißen und braunen Fettgewebe und in Makrophagen durch die Aktivität der FABP4-2A-Cre herausgeschnitten wurde. Allerdings wurden die loxP-flankierten Exons des IL-6Ra Gens komplett deletiert. Dies legt nahe, dass FABP4 bereits früh während der Embryonalentwicklung transient exprimiert wird. Insgesamt stellen die hier präsentierten Maus-Linien ein verlässliches und nützlichesWerkzeug dar, um in zukünftigen Studien die Zelltyp-spezifische Rolle von Stress-Signalwegen bei Stoffwechselkrankheiten zu untersuchen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pal, Martin mpal@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-48961
Date:	February 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language JNK, muscle, insulin resistance, metabolic disease, exercise English
Date of oral exam:	12 April 2012
Referee:	Name Academic Title Brüning, Jens C. Prof. Dr. Wunderlich, F. Thomas PD Dr. Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4896