Universität zu Köln

Oliverio, Matteo ORCID: 0000-0002-7969-2796 (2018). A novel miR-328-Bace1 axis ensures brown adipose tissue homeostasis and energy metabolism in mice. PhD thesis, Universität zu Köln.

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PDF A novel miR-328-Bace1 axis ensures brown adipose tissue homeostasis and energy metabolism in mice - PhD thesis by Matteo Oliverio.pdf - Published Version Download (17MB) | Preview

Abstract

In the last decades brown adipose tissue (BAT) rose to attention as therapeutic target to counteract obesity and its related diseases. In both rodents and humans, activated BAT protects from diet-induced obesity and the associated deterioration of glucose metabolism via enhancing energy expenditure. Interestingly, BAT-related features can also be promoted in skeletal muscle (SM) progenitor cells due to the common cell lineage that these tissue share. Differentiation and function of BAT has been shown to be under control of noncoding RNA networks. In particular, various microRNAs (miRNAs) are able to drive both brown fat homeostasis and BAT/SM cell fate regulation. Here we show a novel miR-328–Bace1 axis involved in metabolic homeostasis through a mechanism that promotes brown adipocyte differentiation and activation. We found miR-328 expression to correlate to BAT activity and to promote brown adipogenesis to the detriment of myogenesis in vitro. This process is dependent on the inhibition by the miRNA of the β-secretase BACE1, a protease known for its detrimental role in Alzheimer’s disease (AD). We could show this protein to act antagonistically to miR-328. Indeed, both knock-down and knock-out of Bace1 resulted in a pro-adipogenic phenotype in both brown adipogenic and even myogenic cell lines. Moreover, conditioned medium from Bace1 knock-out myoblasts revealed paracrine effects by stimulating the adipogenic potential of wild-type myoblasts. Complementary proteomic analyses determined potential substrates of BACE1 involved in this process. In particular, AOC3, a pro-inflammatory, type 2 diabetes-related transmembrane protein, was identified as a putative BACE1 target, with potential paracrine and endocrine functions due to its soluble form sAOC3. This mechanism could be responsible for the beneficial metabolic effects of BACE1 inhibition observed in obese mice. In fact, we showed that diminished BACE1 activity, known to reduce the pathophysiology of AD, enhanced whole-body homeostasis, leading to decreased body weight gain and ameliorated glucose metabolism. BACE1 inhibition was furthermore associated with increased BAT marker expression in the adipose tissue and a global decrease in SM-associated differentiation pathways. Taken together, BACE1 and its substrates, potentially including AOC3, are promising therapeutic targets against obesity, AD and their sequelae. This warrants the broadening of the scientific scope for BACE1 investigation beyond AD and towards BAT and metabolism regulation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Braunes Fettgewebe (BAT) hat in den letzten Jahrzehnten zur Bekämpfung von Fettleibigkeit und ihrer Folgeerkrankungen als therapeutisches Mittel stark an Aufmerksamkeit gewonnen. Sowohl in Nagern als auch in Menschen schützt aktiviertes BAT mittels Steigerung des Energieumsatzes vor Diät-induzierter Fettleibigkeit und der zugehörigen Beeinträchtigung des Glukose-Metabolismus. Interessanterweise können BAT-ähnliche Eigenschaften auch in Vorläuferzellen der quergestreiften Muskulatur hervorgerufen werden, da diese beiden Gewebe einer gemeinsamen Zelllinie entstammen. Es konnte nachgewiesen werden, dass Differenzierung und Funktion von BAT durch nicht-kodierende RNA-Netzwerke kontrolliert wird. Insbesondere sind verschiedenste microRNAs (miRNAs) dazu in der Lage, sowohl BAT-Homöostase als auch die Zelllinien-Entscheidung zwischen BAT und quergestreifter Muskulatur zu beeinflussen. In dieser Studie zeigen wir eine neue miR-328-Bace1 Achse auf, welche an metabolischer Homöostase beteiligt ist, indem sie die Differenzierung und Aktivierung brauner Fettzellen fördert. Wir konnten nachweisen, dass die Expression von miR-328 mit BAT-Aktivität korreliert und zudem in vitro die Differenzierung brauner Fettzellen - unter Benachteiligung von Muskelzell-Entwicklung - begünstigt. Dieser Vorgang wird veranlasst mittels der Inhibition durch die miRNA von der β-Sekretase BACE1, einer Protease, welche für ihre schädliche Rolle in Alzheimer-Entwicklung bekannt ist. In der Tat konnten wir nachweisen, dass sich BACE1 antagonistisch zu miR-328 verhält. Sowohl Bace1 Knock-Down als auch Knock-Out führten zu einem pro-adipogenen Phänotyp in braunen Fettzellen und sogar Muskelzellen. Darüber hinaus konnte dem konditionierten Medium von Bace1 Knock-Out- Myoblasten eine parakrine Wirkung zugewiesen werden, da es das adipogene Potenzial von Wildtyp-Myoblasten steigerte. Komplementäre Proteom-Analysen ermittelten anschließend potenzielle BACE1-Substrate, welche in diesen Vorgang verwickelt sein könnten. Von besonderem Interesse wurde hierbei AOC3 als vermeintliches BACE1-Substrat identifiziert, ein entzündungsförderndes Transmembran-Protein, welches im Zusammenhang mit Typ-2-Diabetes steht. Die lösliche Form des Proteins, sAOC3, ermöglicht diesem parakrine und endokrine Funktionen. Dieser Mechanismus könnte für die vorteilhaften metabolischen Effekte durch BACE1-Inhibition verantwortlich sein, welche wir in fettleibigen Mäusen beobachten konnten. Tatsächlich konnten wir zeigen, dass reduzierte BACE1-Aktivität, welche bekanntermaßen die Pathophysiologie der Alzheimer-Krankheit mindert, auch die Energie-Homöostase des gesamten Körpers verbesserte, indem sie verminderte Gewichtszunahme und einen günstigeren Glukose-Stoffwechsel hervorrief. Des Weiteren führte BACE1-Inhibition zu einer erhöhten BAT-Marker-Expression in braunem Fett und gleichzeitig zu einer globalen Verminderung von Differenzierungs-Markern der quergestreiften Muskulatur. Zusammengefasst stellen BACE1 und dessen Substrate, eventuell einschließlich AOC3, vielversprechende Ansätze zur Bekämpfung von Fettleibigkeit, der Alzheimer-Krankheit und deren Folgeerkrankungen dar. Somit erweitert diese Arbeit das Anwendungsgebiet von BACE1 - über Alzheimer-Krankheit hinaus - zu BAT und Stoffwechselregulation. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Oliverio, Matteo matteoliverio@gmail.com orcid.org/0000-0002-7969-2796 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-84791
Date:	2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Metabolism Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Brown adipose tissue English Micro RNA English Bace1 English
Date of oral exam:	21 December 2017
Referee:	Name Academic Title Kornfeld, Jan-Wilhelm Prof. Dr. Langer, Thomas Prof. Dr. Hammerschmidt, Matthias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8479