Hormonale Regulation der Lipolyse

Lipasen, das sind Fett spaltende Enzyme, spielen eine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel. Beeinträchtigungen ihrer Funktion verursachen Störungen in der Aufnahme, in der Mobilisierung und im Transport von Fetten, sog. Lipiden, und führen zu Lipid-assoziierten Krankheiten, z.B. Typ 2 Diabetes, Atherosklerose und Leberkrankheiten, aber auch Krebs. Die Kontrolle der Lipolyse ist wichtig für das Gleichgewicht des Energiehaushalts und die Verteilung der Fettdepots im Körper. Die Freisetzung von Fettsäuren ist abhängig von der Lipolyse von Triacylglyzeriden und wird neural und hormonal reguliert, um den Energiebedarf zu stillen. Die molekularen Mechanismen dieser Regulation sind noch nicht vollständig erforscht, aber posttranslationelle Proteinmodifikationen, Proteininteraktionen, Proteinlokalisierung und Zugang der Lipasen zu ihrem Substraten, den Lipiden, scheinen eine große Rolle zu spielen. Phosphorylierung der Hormonsensitiven Lipase, des Perilipins und der Adipose Triglyzerid Lipase wurde an verschiedenen Stellen durch verschiedene Kinasen beschrieben. Die Regulation und Funktion der Phosphorylierungsstellen wird aber ungenügend verstanden. Auch ist nichts über die Regulation anderer wichtiger Lipasen und Regulatoren, wie der Monoglyzerid Lipase, CGI-58 und G0/G1 Switch Gen 2, bekannt. Wir haben eine analytische Plattform zur Detektion, vergleichenden Analyse und Visualisierung von Lipasen in lebenden Zellen und Geweben etabliert. In unseren Studien haben wir wiederholt Proteinisoformen der Lipasen detektiert. Außerdem haben wir kürzlich entdeckt, dass CGI-58 phosphoryliert wird. Zusammenfassend weisen unsere Studien, sowie die Studien anderer, auf die Existenz von Lipolyseproteinkomplexen hin, die über Phosphorylierung reguliert werden. Ziel des Projekts ist es daher, die Regulation des Lipidgleichgewichts besser zu verstehen. Dazu werden wir untersuchen, ob Lipasen und ihre Regulatoren phosphoryliert werden, ob und wie Lipolyseproteinkomplexe im Fettgewebe hormonell reguliert werden, und welche Funktionen neue Phosphorylierungsstellen und Proteininteraktionspartner von Lipasen und Regulatoren haben. Dadurch wird auch zum ersten Mal das lipolytische Proteom in humanen Fettgewebe direkt auf der Enzymaktivitätsebene erschlossen, was zum besseren Verständnis der Lipid-Mobilisierung in gesundem Gewebe führen wird, und so neue Therapieansätze für Lipid-assoziierte Krankheiten eröffnen wird.

Dieses Projekt hat einen wichtigen Beitrag zur Beantwortung der Frage, wie der menschliche Körper seinen Energiehaushalt reguliert, geleistet. Fett spaltende Enzyme (Lipasen) spielen eine Schlüsselrolle im Energiestoffwechsel. Beeinträchtigungen ihrer Funktion verursachen Störungen in der Aufnahme, in der Mobilisierung und im Transport von Fetten (Lipiden), und führen zu Lipid-assoziierten Krankheiten, z.B. Typ 2 Diabetes, Atherosklerose und Leberkrankheiten, aber auch Krebs. Die Freisetzung von Fettsäuren aus Fett (das sind Triacylglyceride) durch Lipasen (Lipolyse) ist wichtig für das Gleichgewicht des Energiehaushalts und die Verteilung der Fettdepots im Körper. Ein besseres Verständnis der molekularen Kontrolle der Lipid-Mobilisierung wird neue Möglichkeiten zur Vermeidung von Lipid-assoziierten Krankheiten und für neue Therapieansätze eröffnen. Triacylglyceride werden in Lipidtröpfchen im Fettgewebe und kurzzeitig auch in der Leber gespeichert. Auf den Lipidtröpfchen sind zahlreiche Proteine zu finden, die eine Rolle im Lipidstoffwechsel, im Membrantransport und der Organisation des Zytoskeletts spielen. Schlüsselproteine in der Lipidmobilisierung sind Lipasen (Adipose Triglyceride Lipase (ATGL), Hormon sensitive Lipase (HSL) und Monoacylglycerol Lipase (MGL)) und ihre Regulatoren (Perilipine, G0/G1 Switch Gen 2 (G0S2) und Comparative Gene Identification 58 (CGI-58/ABHD5)). ATGL katalysiert den ersten und geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Lipolyse. Mutationen im ATGL Aktivator CGI-58 wurden mit dem Chanarin- Dorfman Syndrom, einer Lipidspeicherkrankheit, bei der Triacylglyceride in den meisten Zellen akkumulieren, in direkten kausalen Zusammenhang gebracht. Die Lipid-Mobilisierung wird hormonell streng reguliert, um den Energiebedarf zu stillen, aber gleichzeitig schädliche Auswirkungen (Lipotoxizität) zu vermeiden. Die molekularen Mechanismen dieser Regulation sind nur teilweise erforscht; posttranslationelle Proteinmodifikationen (wie Proteinphosphorylierung), Proteininteraktionen, Proteinlokalisierung und Zugang der Lipasen zu ihrem Substraten, den Lipiden, spielen eine Rolle. In unseren aktivitätsbasierten Proteom-Studien haben wir Proteinisoformen der Lipasen und CGI-58 detektiert. Wir haben mittels der gleichen Methode eine Position, Tyrosin-330, im Protein identifiziert, die eine Rolle in die Regulation der Lipolyse spielt. Außerdem haben wir kürzlich entdeckt, dass CGI-58 an der Position Serin- 239 phosphoryliert wird, und phosphoryliertes CGI-58 im Fettgewebe nachgewiesen. Der Mechanismus, wie die Phosphorylierung von CGI-58, die Aktivierung von ATGL beeinflusst, scheint über die Regulation von Proteinkomplexen zu geschehen. Wir konnten nachweisen, dass die Verhinderung der Phosphorylierung die subzelluläre Lokalisation des Proteins beeinflusst, und dadurch der direkte Kontakt mit ATGL verhindert wird, der zur Aktivierung der Lipase notwendig ist. Insgesamt legen die Daten den Schluss nahe, dass CGI-58 als Energiesensor und wichtiges Ziel der hormonellen Regulation der Lipidmobilisierung dient.