Molecular Dynamics in Brown Adipocyte Biology - ETH E

DISS. ETH. NO. 23517
Molecular Dynamics in Brown Adipocyte Biology
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
SEBASTIAN MÜLLER
Dipl.-Mol.Med., Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i.Br.
born on 20.04.1986
citizen of
Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Christian Wolfrum (examiner)
Prof. Dr. Bernd Wollscheid (co-examiner)
Prof. Dr. Ruedi Aebersold (co-examiner)
Prof. Dr. Stephan Herzig (co-examiner)
2016
Summary
Summary
White adipocytes store energy to release it back to the body when needed,
while brown adipocytes convert chemical energy to heat to maintain body
temperature. In rodents, brown adipocytes are located predominantly in
the interscapular region as distinct fat pad, but are also found in other
anatomical locations interspersed between white adipocytes where they
are termed brite (brown-in-white) adipocytes. When exposed to cool
ambient temperatures, the body preserves its core temperature by
increasing the number of brown and brite adipocytes. This is achieved
through the direct conversion of energy storing mature adipocytes into
heat-producing brite adipocytes. This process involves a complex
remodeling at the cellular level, most notably by increasing mitochondrial
capacity and expression of mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1),
which facilitates the efficient conversion of chemical energy into heat.
Many stimuli are known to expedite the formation of brite adipocytes, but
our understanding of the transcriptional network underlying this conversion
is still sparse. Through analyzing whole transcriptome profiles of
adipocytes during cold exposure, I discovered that ESRRG (estrogenrelated receptor gamma) as well as PERM1 (PPARGC1 and ESRR
induced regulator in muscle 1) are promising novel mediators of brite
adipocyte formation. While ESRRG is involved in the induction of UCP1,
PERM1 positively regulates mitochondrial proteins involved in the
respiratory chain. These findings improve our understanding of how
conversion to a brite adipocyte occurs on the molecular level.
In humans, a distinct brown adipose tissue fat pad only exists in infants.
However, it has been recently shown that, similar to mice, brown
adipocytes also reside in patches in white adipose tissue depots in adults.
Furthermore, the amount of brown adipocytes present in adults has been
shown to inversely correlate with obesity and its associated co-morbidities.
Based upon this, a better understanding of brown adipose tissue formation
and function, and its potential enhancement, has become an attractive
study target. Up until now, however, the human brown adipocyte steadyP a g e | iv
Summary
state protein abundance profile, termed the proteotype, has not been
directly analyzed in humans, but was only inferred from rodent studies. I
employed state-of-the-art mass-spectrometry based proteome profiling
techniques to characterize patient biopsies of both brown and white
adipose tissue. In doing so, I was able to show, that human brown adipose
tissue possesses a high mitochondrial capacity and UCP1 abundance. I
further discovered that additionally ATP-synthase coupled respiration
considerably contributes to human brown adipose tissue function, contrary
to studies in rodents. These findings indicate the versatile role of brown
adipose tissue in human physiology.
Analysis of the transcriptome and proteotype of brite and brown
adipocytes provided important novel insights into their formation and
function in rodents and humans. These findings lay important groundwork
for future research on how an increase in non-shivering thermogenesis
could be utilized to counteract the current epidemical spread of obesity.
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Weisse Adipozyten speichern Energie, um sie bei Bedarf an den Körper
abzugeben, während braune Adipozyten chemische Energie in Wärme
umwandeln um die Körpertemperatur konstant zu halten. In Nagetieren
findet man braune Adipozyten in einem abgegrenzten Fettpolster
zwischen den Schulterblättern, aber auch in anderen Körperregionen
eingestreut zwischen weissen Adipozyten, welche dann brite (brown-inwhite;
braun-in-weiss)
Adipozyten
genannt
werden.
Bei
kühlen
Umgebungstemperaturen erhält der Körper seine Kerntemperatur, indem
er die Anzahl an braunen und brite Adipozyten vergrössert. Dies geschieht
durch die direkte Umwandlung von Energie
speichernden reifen
Adipozyten in Wärme produzierende brite Adipozyten. Dieser Vorgang
geht einher mit komplexen Umbauprozessen auf zellulärer Ebene,
insbesondere die Erhöhung der mitochondrialen Kapazität und die
Expression von UCP1 (mitochondriales Entkopplungs-Protein 1), was die
Umwandlung von chemischer Energie in Wärme begünstigt. Viele Wege
um die Bildung von brite Adipozyten anzuregen sind bekannt, allerdings ist
das zugrunde liegende transkriptionelle Netzwerk noch wenig verstanden.
Durch das Untersuchen des kompletten Transkriptoms von Adipozyten
während diese Kälte ausgesetzt waren, habe ich entdeckt, dass ESRRG
(Östrogen-Rezeptor ähnliches Protein gamma) und PERM1 (PPARGC1
und ESRR induzierter Regulator im Muskel 1) vielversprechende neue
Regulatoren bei der Bildung von brite Adipozyten sind. Während ESRRG
bei der Induktion von UCP1 beteiligt ist, beeinflusst PERM1 die Erzeugung
mitochondrialer Proteine, die an der Atmungskette beteiligt sind. Diese
Ergebnisse vertiefen unser Verständnis, wie die Umwandlung zu einem
brite Adipozyten auf molekularer Ebene funktioniert.
Im Menschen existiert ein abgegrenztes braunes Fettpolster nur in
Neugeborenen. Allerdings wurde vor kurzem gezeigt, dass ähnlich wie in
Mäusen, braune Adipozyten als Inseln in weissen Fettpolstern auch in
Erwachsenen existieren. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Menge
an braunen Adipozyten mit Fettleibigkeit und dessen Folgeerkrankungen
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Zusammenfassung
invers korreliert. Deshalb ist die Bildung und Funktion von braunem
Fettgewebe, und wie man beides verstärken könnte, ein begehrtes
Forschungsfeld geworden. Nichtsdestotrotz wurde der Proteotyp, was als
die quantitative Menge der Proteine im Gleichgewichtszustand einer Zelle
definiert ist, im Menschen noch nicht direkt untersucht, sondern nur von
Studien in Nagetieren abgeleitet. Braunes und weisses Fettgewebe aus
Patienten Biopsien habe ich mithilfe hochmoderner, auf MassenSpektrometrie basierender, Protein-Analyse Techniken charakterisiert.
Dabei konnte ich zeigen, dass menschliches braunes Fettgewebe eine
hohe mitochondriale Kapazität und grosse Mengen an UCP1 aufweist.
Weiterhin habe ich entdeckt, dass ATP-Synthase gekoppelte zelluläre
Atmung erheblich zur Funktionalität von humanem braunem Fettgewebe
beiträgt, was gegenteilig zu den Forschungsergebnissen in Nagetieren ist.
Diese Ergebnisse verdeutlichen die vielseitige Rolle von braunem
Fettgewebe in der menschlichen Physiologie.
Die Untersuchung des Transkriptoms und des Proteotyps von brite und
braunen Adipozyten hat zu wichtigen neuen Erkenntnissen bezüglich
deren Bildung und Funktionen in Nagetieren und Menschen geführt. Diese
Ergebnisse beeinflussen die zukünftige Forschung wie man die zitterfreie
Thermogenese nutzen könnte um gegen die momentane epidemische
Ausbreitung von Fettleibigkeit vorgehen zu können.
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