Mechanisms of browning and cell death in thermogenic adipocytes

Kotschi, Stefan (2025): Mechanisms of browning and cell death in thermogenic adipocytes. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Obesity is a major risk factor for cardiovascular diseases, the most common cause of death in Germany. Studies in rodents have shown that the activation of BAT is a promising way to fight obesity and cardiovascular disease utilizing the inborn mechanism of NST. Among the many unanswered questions about BAT biology are the mechanisms of involution of the tissue during infancy and how to translate findings in rodents to humans. In the first publication I investigated the role of the recently discovered cell death mechanism “ferroptosis” in brown adipose tissue. I discovered that ferroptosis compromises the UPS in brown adipocytes, a pathway that has been shown to be essential for brown adipose tissue homeostasis. NFE2L1 acts as a master regulator of the UPS and can restore proteasomal activity during proteotoxic stress. Surprisingly, NFE2L1 is strongly activated by inducers of ferroptosis. Genetic depletion of NFE2L1 lead to increased sensitivity towards ferroptosis in brown adipocytes and tumor cell lines. On top of that patient-derived fibroblasts carrying a mutation in the anti-ferroptotic enzyme GPX4 replicated this phenotype, proving the relevance of NFE2L1 in ferroptosis protection in multiple models. Mice lacking Nfe2l1 in BAT present whitening of the tissue with a loss of thermogenic capacity. Signatures of ferroptosis were also observed in brown adipose tissue of mice lacking Nfe2l1, hinting at a possible role of ferroptosis in BAT involution. In summary, we discovered a novel anti-ferroptotic mechanism in brown adipocytes, in which NFE2L1 promotes proteasomal activity to prevent ferroptosis. Adipose tissue research is usually performed using the mouse as a model organism. Due to the vastly reduced prevalence of BAT in humans it is necessary to find mechanisms in thermogenic adipose tissue that are functional in humans. In the second study we found the human specific long non-coding RNA AATBC to be a modulator of thermogenesis. Using transcriptomic analysis from human adipose tissue and cell lines we found AATBC to be enriched in thermogenic conditions. Modulating the expression levels of AATBC revealed a positive correlation with markers of thermogenesis and mitochondrial activity. As mitochondrial abundance was unaltered, we observed changes in mitochondrial dynamics with AATBC promoting mitochondrial fission, which is associated with thermogenesis. Since AATBC is only expressed in humans, we used virus-mediated overexpression in mouse adipose tissue to study the effects of the lncRNA in vivo. We found leptin levels to be suppressed in animals expressing AATBC, which could also be observed in independent human cohorts. In humans, AATBC expression is furthermore negatively correlated with bodyweight and body mass index, and positively correlated with markers of adipose tissue browning. In conclusion, we describe a novel human-specific lncRNA that promotes adipose tissue browning my shifting mitochondrial dynamics to fission-like phenotype.

Abstract

Adipositas ist ein Risikofaktor für kardiovaskuläre Erkrankungen, die häufigste Todesursache in Deutschland. Studien im Tiermodell haben gezeigt, dass die Aktivierung von braunem Fettgewebe (BAT) eine vielversprechende Methode zur Bekämpfung von Adipositas und kardiovaskulären Erkrankungen darstellt, indem sie den angeborenen Mechanismus der zitterfreien Thermogenese nutzt. Zu den vielen unbeantworteten Fragen gehören die Mechanismen der BAT-Involution des Gewebes im Säuglingsalter und wie sich Erkenntnisse aus dem Tiermodell auf den Menschen übertragen lassen. In der ersten Publikation untersuchte ich die Rolle des kürzlich entdeckten Zelltodmechanismus "Ferroptose" im braunen Fettgewebe. Ich stellte fest, dass Ferroptose das UPS in braunen Adipozyten beeinträchtigt, welches für die Homöostase des braunen Fettgewebes als wesentlich gilt. NFE2L1 fungiert als Hauptregulator des UPS und kann die proteasomale Aktivität während proteotoxischem Stress wiederherstellen. Überraschenderweise lässt sich bei Induktion von Ferroptose eine substanzielle Aktivierung von NFFE2L1 feststellen. Die genetische Depletion von NFE2L1 führte zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber Ferroptose in braunen Adipozyten und Tumorzelllinien. Dieses Phänomen konnte in Fibroblasten eines Patienten mit einer Mutation im anti-ferroptotischen Enzym GPX4 repliziert werden, was die Relevanz von NFE2L1 im Schutz vor Ferroptose in mehreren Modellen beweist. Mäuse ohne Nfe2l1 im BAT zeigen eine Aufhellung des Gewebes und einen Verlust der thermogenen Kapazität. In diesen lassen sich ebenfalls Anzeichen von Ferroptose beobachten, was auf eine mögliche Rolle der Ferroptose bei der Involution von BAT hindeutet. Zusammenfassend haben wir einen neuartigen anti-ferroptotischen Mechanismus in braunen Adipozyten entdeckt, bei dem NFE2L1 durch Aufrechterhaltung der proteasomalen Aktivität Ferroptose verhindert. Die Forschung an Fettgewebe wird üblicherweise am Mausmodell durchgeführt. Aufgrund der stark reduzierten Prävalenz von BAT beim Menschen ist es notwendig, Mechanismen im thermogenen Fettgewebe zu finden, die beim Menschen funktional sind. In der zweiten Studie fanden wir, dass die, spezifisch im Menschen exprimierte, long non-coding RNA AATBC ein Modulator der Thermogenese ist. Mittels Transkriptomanalyse von menschlichem Fettgewebe und Zelllinien stellten wir fest, dass AATBC vermehrt unter thermogenen Bedingungen vorliegt. Durch Modulation der Expression von AATBC zeigte eine positive Korrelation mit Markern der Thermogenese und mitochondrialer Aktivität. Da die Anzahl an Mitochondrien unverändert war, untersuchten wir Veränderungen in der mitochondrialen Dynamik. AATBC förderte die mitochondriale fission, die mit Thermogenese assoziiert ist. Da AATBC nur im Menschen exprimiert ist, nutzten wir virusvermittelte Überexpression im Mausfettgewebe, um die Effekte der lncRNA in vivo zu untersuchen. Wir stellten fest, dass die Leptin-Spiegel in Tieren mit AATBC verringert waren, was wir auch in unabhängigen Patientenkohorten beobachten konnten. In klinischen Studien korreliert die AATBC-Expression negativ mit dem Körpergewicht und Body-Mass-Index und positiv mit Markern der Thermogenese des Fettgewebes. Zusammenfassend beschreiben wir eine neuartige, menschenspezifische lncRNA, die die Thermogenese fördert, indem sie die mitochondriale Dynamik hin zu einem fission-ähnlichen Phänotyp verschiebt.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: metabolism, adipocyte, thermogenesis, cell death, proteasome
• 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: 16. Mai 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Bartelt, Alexander