Die Funktion von CGI-58 im Fett- und Energiestoffwechsel

Die Spaltung der in den Fettzellen gespeicherten Triglyzeride (TG) und die darauffolgende Freisetzung der Fettsäuren in den Blutkreislauf ist die wichtigste Energiequelle im Hungerzustand sowie in Zeiten von erhöhtem Energiebedarf. Ein Gleichgewicht der Energiebilanz ist dann erreicht, wenn sich Fettspeicherung und Fettabbau die Waage halten. Störungen dieses Gleichgewichts können mit der Entstehung von Stoffwechselerkrankungen wie Fettleibigkeit, Typ 2 Diabetes und Kachexie verbunden sein. Die Hydrolyse der TG zu Glyzerin und freien Fettsäuren wird durch zelluläre Lipasen katalysiert. Lange Zeit galt die hormon-sensitive Lipase (HSL) als limitierendes Enzym im Abbau der TG. Die Verfügbarkeit von HSL-knock out (ko) Mäusen zeigte jedoch, dass diese Tiere in der Lage waren, ihre Fettspeicher zu mobilisieren. Die Entdeckung und biochemische Charakterisierung der Adipose Triglyzerid Lipase (ATGL) sowie die Herstellung und Analyse ATGL-defizienter Mäuse (Haemmerle et al., Science Vol. 312, 2006) zeigte, dass die ATGL eine zentrale Rolle im Fettabbau und Energiestoffwechsel spielt. Dementsprechend hatte der Verlust der ATGL-Aktivität eine massive Akkumulierung von TG in den verschiedensten Geweben zur Folge. In einer aktuellen Studie konnten wir zeigen, dass die ATGL-Enzymaktivität durch die Verfügbarkeit von CGI-58 bestimmt wird. Mutationen im humanen CGI-58 Gen sind mit der Entstehung des Chanarin-Dorfman Syndroms (CDS) assoziiert. CDS ist eine sehr seltene, genetisch bedingte Erkrankung des Fettstoffwechsels, die mit einer TG Akkumulierung in multiplen Geweben verbunden ist. Die Verfügbarkeit von CGI-58 beschleunigt die ATGL vermittelte TG-Spaltung um ein Vielfaches, und CGI-58 Mutationen, wie sie bei CDS-Patienten auftreten, sind nicht in der Lage, die ATGL Aktivität zu stimulieren. Die essentielle Rolle der ATGL im Fettabbau und der Einfluss von CGI-58 auf die ATGL-Aktivität sprechen für eine bedeutende Funktion von CGI-58 in der Regulation der Fettspaltung und des Energiestoffwechsel. Divergenzen im Phänotyp der ATGL-ko Mäuse und CDS implizieren eine zusätzliche ATGL-unabhängige Funktion von CGI-58 im Fettstoffwechsel. Die Herstellung und Charakterisierung von CGI-58-defizienten Mäusen wird einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der molekularen Prozesse des Fettabbaus und der Regulation des Energiestoffwechsels leisten. Zudem ermöglicht uns dieses Mausmodell die Bedeutung von CGI-58 bei der Entstehung von CDS und möglicherweise anderer Erkrankungen des Fettstoffwechsels zu untersuchen.

Das Fettgewebe ist ein zentrales Organ im Energiestoffwechsel von Säugetieren. Störungen in der Fettspeicherung oder im Fettabbau spielen eine Rolle bei der Entstehung von metabolischen Erkrankungen wie der Adipositas mit ihren Folgeerkrankungen. Bei Energiebedarf werden die im Fettgewebe gespeicherten Triglyzeride (TG) hydrolytisch gespalten. In diesem auch als Lipolyse bezeichneten Prozess werden Fettsäuren vom Fettgewebe ins Blut freigesetzt und dienen als Energiesubstrat für periphere Organe. Der erste und limitierende Schritt in der TG-Spaltung wird von der Adipose Triglyceride Lipase (ATGL) katalysiert und dementsprechend zeigen Mäuse mit ATGL-Defizienz stark verminderte Fettsäurespiegel in der Blutzirkulation. Studien aus unserem Labor zeigen, dass die Gegenwart eines als Comparative gene identification-58 (CGI-58) bezeichneten Proteins den ATGL-vermittelten TG-Abbau um ein Vielfaches im in vitro Experiment erhöht.Das vorliegende Projekt beinhaltete die Untersuchung der in vivo Funktion von CGI-58 im Fett- und Energiestoffwechsel von Säugetieren bzw. im Mausmodell. I) Die Herstellung von Mäusen mit globaler CGI-58 Defizienz (CGI-58ko) zeigte eindrücklich die wichtige Funktion von CGI-58 im Lipidstoffwechsel der Haut. CGI-58ko Mäuse sterben innerhalb weniger Stunden nach der Geburt durch einen Defekt im Aufbau der Hautlipidbarriere welcher einen rapiden Flüssigkeitsverlust zur Folge hat. Die verminderte TG Spaltung verursacht eine markante TG Akkumulierung in der Epidermis von CGI-58ko Mäusen. Die verminderte Verfügbarkeit von Fettsäuren verhindert wiederum die Synthese von Acylceramiden, einer für den Aufbau der Hautflüssigkeitsbarriere entscheidenden Lipidklasse. Durch die kurze Lebensspanne von CGI-58ko Mäusen konnten keine Aussagen über die Bedeutung von CGI-58 im Fettstoffwechsel von adulten Tieren getroffen werden. Daher wurden Mäuse hergestellt, denen CGI-58 in der Leber, im Muskel sowie im Fettgewebe fehlt. II) Die Leber-spezifische Defizienz von CGI-58 verursacht eine schwere Lebersteatose durch einen Defekt im TG-Abbau gekoppelt an eine verminderte Aktivierung der Expression von Genen die eine wichtige Rolle in der mitochondrialen Fettsäureoxidation spielen. III) Mäuse mit Muskel-spezifischer CGI-58 Defizienz zeigen eine markante Herzverfettung sowie eine Herzdysfunktion trotz erhöhter ATGL Proteinexpression und dementsprechend erfordert der Fettabbau im Herzen beide Proteine, CGI-58 und ATGL. IV) CGI-58 ist limitierend im TG-Abbau des Fettgewebes und Mäuse mit Fettgewebs-spezifischer CGI-58 Defizienz sind adipös und zeigen Veränderungen im Energiestoffwechsel der Leber.