The role of adipocyte Nfe2l1 in cholesterol homeostasis and atherogenesis

Jethwa, Carolin (2025): The role of adipocyte Nfe2l1 in cholesterol homeostasis and atherogenesis. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Adipositas und damit verbundene kardiometabolische Erkrankungen stellen eine große Bedrohung für unsere moderne Gesellschaft und das Gesundheitssystem dar. Bei Patienten mit Adipositas sind Adipozyten chronischem metabolischem Stress ausgesetzt, was die Gesundheit und Plastizität dieser Zellen stark beeinträchtigt. Dies steht mit ektoper Lipidakkumulation, Entzündungen und Insulinresistenz in Verbindung. Das endoplasmatische Retikulum (ER) steuert metabolische Anpassungsmechanismen, die im Falle einer chronischen Überernährung versagen, was letztlich zu einer Dysfunktion der Adipozyten führt. Mechanismen, die die Gesundheit der Adipozyten und die Insulinsensitivität unter solchen Bedingungen fördern, werden jedoch nicht gut verstanden. Der im ER ansässige Transkriptionsfaktor Nfe2l1 (nuclear factor, erythroid derived 2,-like 1) ist ein Regulator der adaptiven Proteinhomöostase. Hier untersuchte ich die Rolle von Nfe2l1 bei der Anpassung von Adipozyten an die metabolischen Herausforderungen der Adipositas und deren Auswirkungen auf kardiometabolische Erkrankungen. Mit einem Cre-loxP-Mausmodell mit Adipozyten-spezifischer Nfe2l1-Deletion (Adipoq-Cre), sowohl auf einem regulären B6-Hintergrund als auch auf einem ApoE-defizienten (ApoE-/-) Hintergrund für Atherosklerose-Studien, etablierte ich Nfe2l1 als einen Schlüsselregulator der Gesundheit und Insulinsensitivität von Adipozyten in diätinduzierter Adipositas (diet-induced obesity, DIO) und Atherosklerose. Mäuse ohne Adipozyten-Nfe2l1 zeigten während der DIO eine schwere Adipozytendysfunktion mit niedrigeren Adipo-kinspiegel, Steatose und Insulinresistenz. Auf einer westlichen Diät (WD) entwickelten ApoE-/- Adipoq-Cre Nfe2l1-Mäuse ein lipoatrophie-ähnliches Syndrom, was zu Dyslipidämie, systemischer Entzündung und Atherosklerose führte. Auf Gewebeebene verursachte der Verlust von Adipozyten-Nfe2l1 eine ausgeprägte Entzündungsreaktion mit Infiltration von Makrophagen und T-Zellen, vermittelt durch den stress-induzierten Transkriptionsfaktor Atf3 in den Adipozyten. Die Behandlung primärer oder 3T3-L1-Adipozyten mit Cholesterin und Proteasominhibitoren replizierte teilweise diese kom-plexe Entzündung. Überraschenderweise führte der Knockdown von Nfe2l1 nicht zu einer Verstärkung der cholesterininduzierten Entzündung. Knockdown von Atf3 linderte jedoch die entzündliche Komponente. Zuletzt zeigte ich eine inverse Korrelation zwischen dem gesamten Nfe2l1-Proteasomweg und dem Body-Mass-Index (BMI) bei der menschlichen Adipositas auf. Meine Ergebnisse verknüpfen zelluläre Protein- und Cholesterinhomöostase in weißen Adipozyten mit kardiometabolischer Gesundheit. Nfe2l1 schützt Adipozyten vor lipidinduzierter Entzündung, was die Insulinsensitivität bewahrt. Atf3 trat dabei als Schlüsselmediator der Entzündung des Fettgewebes in Reaktion auf Cholesterin hervor. Die Förderung der Proteinhomöostase in Adipozyten könnte daher die Adipozytendysfunktion bei Adipositas lindern und potenziell kardiometabolische Komplikationen abwenden.

Abstract

Obesity and its associated cardiometabolic diseases pose significant threats to our modern society and public health. During obesity, adipocytes are subjected to chronic metabolic stress, compromising their health and plasticity, which has been linked to ectopic lipid accumulation, inflammation, and insulin resistance. The endoplasmic reticulum (ER) governs metabolic adaptation mechanisms that fail in the event of chronic over-nutrition, which ultimately leads to adipocyte dysfunction. However, the mechanisms preserving adipocyte health and insulin sensitivity under such conditions are not well understood. The ER-resident transcription factor Nfe2l1 (nuclear factor, erythroid derived 2,-like 1) is a regulator of adaptive proteostasis under increased proteasomal activity demand. Here, I investigated the role of Nfe2l1 in the adaptation of adipocytes to the metabolic challenges of obesity and its impact on cardiometabolic diseases. Using a Cre-loxP mouse model with adipocyte-specific Nfe2l1 deletion (Adipoq-Cre), both on a regular B6 background and an ApoE-deficient (ApoE-/-) background for atheroscle-rosis studies, this research established adipocyte Nfe2l1 as a key regulator of adipocyte health and insulin sensitivity in diet-induced obesity (DIO) and atherosclerosis. Mice lacking adipocyte Nfe2l1 displayed severe adipocyte dysfunction during DIO, characterized by lower adipokine levels, steatosis, and insulin resistance. On a Western Diet (WD), ApoE-/- Adipoq-Cre Nfe2l1 mice developed a lipoatrophy-like syndrome and exhibited a more unfavorable metabolic phenotype compared to Adipoq-Cre Nfe2l1 on DIO, resulting in enhanced dyslipidemia, systemic inflammation, and atherosclerosis. On the tissue level, loss of adipocyte Nfe2l1 caused a complex inflammatory response with a pronounced infiltration of macrophages and T cells mediated by the stress-induced transcription factor Atf3 in the adipocytes. Treating primary or 3T3-L1 adipo-cytes with cholesterol and proteasome inhibitors partially replicated this complex inflammation. Surprisingly, knockdown of Nfe2l1, which led to downregulation of the proteasome-pathway, did not enhance cholesterol-induced inflammation. However, silencing Atf3 alleviated the inflammatory component. Finally, this study revealed an inverse correlation between the entire Nfe2l1-proteasome-pathway and body mass index (BMI) in humans, emphasizing the relevance of Nfe2l1 in human obesity. My findings link cellular proteostasis and cholesterol homeostasis in white adipocytes to cardiometabolic health. Nfe2l1 protected adipocyte health from lipid-induced inflammation, which preserved insulin sensitivity in vivo. Importantly, Atf3 emerged as a key mediator of adi-pose tissue inflammation in response to lipids, most notably cholesterol. Promoting proteostasis in adipocytes may thus alleviate adipocyte dysfunction in obesity, potentially averting adverse cardiometabolic outcomes.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. Februar 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Bartelt, Alexander