Universität zu Köln

Kaul, Harshita ORCID: 0000-0002-3420-2693 (2025). Regulation of adipose tissue biology by mitochondrial protease CLPP. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Mitochondrien sind für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase und die Orchestrierung von Signal-, Stoffwechsel- und Energieströmen von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere im Zusammenhang mit Fettgewebe führt eine Fehlfunktion der Mitochondrien zu einer veränderten Differenzierung der Fettzellen, einem veränderten Fettstoffwechsel, einer veränderten Insulinempfindlichkeit, einer veränderten Redoxkapazität und einer veränderten Thermogenese. Als Reaktion auf eine mitochondriale OXPHOS-Dysfunktion oder eine veränderte Proteostase werden in der Zelle Stressreaktionen ausgelöst, die zu globalen zellulären Veränderungen führen. CLPP, eine ATP-abhängige, in der mitochondrialen Matrix lokalisierte Protease, hält die mitochondriale Physiologie aufrecht. In dieser Doktorandenstudie werden die Auswirkungen des CLPP-Verlusts und der daraus resultierenden mitochondrialen Dysfunktion auf die Biologie des Fettgewebes (sowohl des weißen als auch des braunen Fettgewebes) und den systemischen Stoffwechsel untersucht. Durch die Anwendung von Multi-omics-Ansätzen in globalen und gewebespezifischen Knockout-Mausmodellen haben wir die Auswirkungen des CLPP-Verlusts untersucht. Die fettspezifische (AKO) und die gewebespezifische (BKO) Deletion von CLPP führte im Gegensatz zu den globalen CLPP-Knockout-Mäusen nicht zu einer Verbesserung des systemischen Stoffwechsels. Bei BKO-Mäusen führte eine fettreiche Diät zu einer leichten Verbesserung der Glukose-Clearance, nicht aber bei AKO-Mäusen. Darüber hinaus führte die CLPP-Depletion zu weitreichenden Veränderungen im Transkriptom, Proteom und Metabolom sowohl im iWAT als auch in der BAT. Interessanterweise führte der CLPP-Mangel zur Bildung größerer Lipidtröpfchen, die mit der Bildung hohler Mitochondrien und einer Desorganisation der Cristae einhergingen. Dies spiegelte sich in allen drei CLPP-defizienten Mäusemodellen auch in einer gestörten Funktion der mitochondrialen Superkomplexe und der oxidativen Kapazitäten wider. Darüber hinaus traten bei diesen Mäusen vermehrt Entzündungen und damit verbundene Immunveränderungen auf. Die Metabolomics-Studie zeigte eine Anhäufung von 2-Hydroxyglutarat in allen drei Mäusemodellen, das durch die "Moonlighting"-Funktion eines Enzyms des Serinsyntheseweges, PHGDH, produziert wurde. Interessanterweise fanden wir in den braunen KO-Adipozyten ein erhöhtes Auftreten von Mitochondrien-Kern-Kontakten und eine Erweichung des Kerns. Die Erweichung des Kerns wurde durch die Hemmung von PHGDH rückgängig gemacht und korrelierte mit der Umkehrung der Weißfärbung der braunen KO-Adipozyten. Schließlich wurde in der Studie festgestellt, dass 2-Hydroxyglutarat für die Erweichung des Zellkerns und größerer Lipidtröpfchen verantwortlich ist. Die Erweichung des Zellkerns war mit einer Abnahme der Heterochromatin-Markierungen H3K9me3 und H3K27me3 verbunden, die wiederum für die Veränderungen der Genexpression verantwortlich sein könnten, die in der umgebauten BAT nach dem Verlust von CLPP beobachtet wurden. Insgesamt zeigt diese Studie einen neuen Weg auf, wie dysfunktionale Mitochondrien über einen Signalstoff, 2-Hydroxyglutarat, mit dem Zellkern kommunizieren und folglich zum Umbau der BAT führen.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Mitochondria are essential for maintaining cellular homeostasis and orchestrating signaling, metabolism, and energetic pathways. Especially in the context of adipose tissue, dysfunction of mitochondria leads to altered adipocyte differentiation, lipid metabolism, insulin sensitivity, redox capacity, and thermogenesis. In response to mitochondrial OXPHOS dysfunction or altered proteostasis, stress responses are initiated in the cell inducing global cellular changes. CLPP, an ATP-dependent mitochondrial matrix localized protease, maintains mitochondrial physiology. This doctoral study investigates the effects of loss of CLPP and consequent mitochondrial dysfunction in adipose tissue biology (both white and brown adipose tissues) and systemic metabolism. Adapting multi-omics approaches in global and tissue-specific knockout mice models we have investigated the impact of CLPP depletion. Adiposespecific (AKO) and brown adipose (BKO) specific depletion of CLPP did not confer any systemic metabolic benefits, unlike the global CLPP knockout mice model. High-fat diet-induced dietary stress showed mild improved glucose clearance in BKO mice but not in AKO mice. Additionally, CLPP depletion led to widespread changes of transcriptome, proteome, and metabolome in both iWAT and BAT. Interestingly CLPP depletion led to the formation of larger lipid droplets that were coupled with the formation of hollow mitochondria and cristae disorganization. This was further reflected in the defective functioning of mitochondrial supercomplexes and oxidative capacities in all the three CLPP deficient mice models. Furthermore, there was increased inflammation and associated immune changes in these mice. Metabolomics study showed accumulation of 2-hydroxyglutarate across all three mice models that were produced by the moonlighting function of a serine synthesis pathway enzyme, PHGDH. Interestingly, we found increased incidences of mitochondrianucleus contacts and nuclear softening in KO brown adipocytes. The nuclear softening was reversed upon PHGDH inhibition and was correlated with the reversal of whitening of KO brown adipocytes. Finally, the study established that 2-hydroxyglutarate was responsible for the softening of the nucleus and larger lipid droplets. The nuclear softening was associated with a decrease in levels of heterochromatin marks, H3K9me3 and H3K27me3, which in turn might be responsible for the gene expression changes observed in the remodeled BAT upon CLPP loss. Taken together, this study identifies a novel pathway of how dysfunctional mitochondria communicate to the nucleus via a signaling metabolite, 2 hydroxyglutarate, and consequently lead to remodeling of BAT. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kaul, Harshita hkaul@smail.uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-3420-2693 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-748522
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language mitochondria, 2-hydroxyglutarate UNSPECIFIED adipose tissue, CLPP protease UNSPECIFIED metabolism, lipid metabolism UNSPECIFIED
Date of oral exam:	13 December 2023
Referee:	Name Academic Title Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74852