Lipotoxic endoplasmic reticulum stress-associated inflammation: Molecular mechanisms and modification by a bioactive lipokine
Lipotoksik endoplazmik retikulum stresine bağlı inflamasyon: Bir biyoaktif lipokine tarafından gerçekleştirilen moleküler mekanizmalar ve modifikasyonlar
- Tez No: 313520
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. EBRU ERBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoloji, Genetik, Biology, Genetics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Endoplazmik retikulumdaki (ER) protein katlanmasını bozan fizyolojik ya da patolojik süreçler katlanmamış protein yanıtı (KPY) adı verilen bir sinyal yolağını aktifleştirir. KPY yanlış katlanmış protein seviyelerini düşürerek hücre kurtuluşunu sağlar. KPY'nin 3 yakınsal sensörü PKR'yi anımsatan ER kinazı (PERK), inositol-gerektiren enzim-1 (IRE1) ve aktifleştiren transkripsiyon faktör 6'dır. Bunlar ER zarındaki protein katlanmasının kalitesini gözlemler ve bu bilgiyi hücrenin geri kalanına yayar. Eğer ER dengesi yeniden sağlanamazsa, uzun süre devam eden KPY hücre ölümüne neden olabilir.Son zamanlarda yapılan çalışmalar göstermiştir ki metabolik aşırı yüklenme, özellikle yüksek seviyede bulunan yağ asitleri ve kolesterol, ER stresi tetikleyebilir ve KPY sinyal yolağını aktifleştirebilir. Bu çalışmalar aynı zamanda ER stresinin obezite, tip 2 diyabet, insülin direnci, aterozkleroz ve karaciğer yağlanması da dâhil olmak üzere metabolik hastalıkların patolojilerinin temelinde yatan merkezi bir mekanizma olduğunu da göstermiştir. Besin maddelerinin fazlasının KPY'yi nasıl aktifleştirdiğini ve buna bağlı özgün stres mekanizmalarının metabolik stres sürecinde nasıl çalıştığını anlamak, gelecekte ER dengesini yeniden sağlamaya yönelik özgün ve etkili tedavi yöntemlerinin gelişimini kolaylaştıracaktır. Yağ fazlasının, bu stres sensörlerini nasıl aktive ettiği ve özellikle de yağ metabolizması ve inflamasyon olmak üzere değişmiş hücresel yanıtlarla nasıl ilişkilendirileceği konusu halen araştırılmayı gerektirmektedir.KPY'nin yağlarla aktifleştirilen moleküler mekanizması, ve KPY'nin üç yakınsal sensörünün yağ metabolizması ve inflamasyonla olan bağlantısı henüz anlaşılamamıştır. KPY'nin sensörlerinden biri olan PERK, translasyon mekanizmasının başlayışını kontrol eden ökaryotik translasyon başlatan faktör ? (eIF2?) ve redoks dengesini sağlayan bir antioksidan transkripsiyon faktörü olan çekirdeksel faktör eritroid-2-ilgili faktör-2 (Nrf2) olmak üzere yalnızca iki bilinen substrata sahip hücre zarına gömülü serine/threonin kinazdır. PERK'den kaynaklanan sinyal yolağını çalışmadaki var olan en büyük engellerden biri onun aktivitesini düzenleyen kimyasal ve moleküler bir tekniğin eksikliği olmuştur. Bu çalışmada PERK'ün özellikle kinaz aktivitesini modifiye eden kimyasal-genetik bir yaklaşım geliştirdim. Bu yaklaşıma göre belirli bir kinazın ATP bağlayan paketi, mutasyona uğratılmamış doğal kinaz için etkin bir substrat olmayan iri hacimli ATP analoğuna uyum sağlayabilmesi için mutasyona uğratılır. Böylece sadece mutasyona uğramış kinaz, aktive edici veya engelleyici özelliğe sahip iri hacimli ATP analogları tarafından hedeflenebilir ve buna da ATP analoğuna duyarlı kinaz (AZKA) denilmektedir. Bunun dışında fare makrofajlarına etkili bir şekilde ulaştırılabilecek ve PERK ifadesini önemli ölçüde azaltabilecek özel siRNA dizileri tespit ettim. Bu iki metot da PERK aktivitesinin, lipotoksik ER stresine-bağlı inflamasyon üzerindeki doğrudan etkisinin araştırılması için kullanılabilir. PERK ifadesini azaltmaya yönelik siRNA deney sonuçları, makrofajlarda palmitat uyarısına bağlı pro-inflamatuvar yanıta PERK'ün doğrudan bir katkısının olduğunu göstermiştir.Son olarak yağlara bağlı ER stresi ve ölümünü azaltmak için daha önceden de gösterilen bir biyoaktif tekli doymamış yağ asidi olan palmitoleatın, lipotoksik ER stresine-bağlı inflamasyonu modifiye edip edemeyeceğini de inceledim. Yapmış olduğum deneylerin sonuçlarına göre palmitoleat, yağa bağlı inflamasyonun engellenmesinde oldukça etkilidir. Beklenmeyen bir şekilde palmitoleatın LPS'e bağlı inflamasyonu da önemli ölçüde engellediği gözlemlenmiştir.Özet olarak tez çalışmam boyunca PERK kinaz aktivitesini doğrudan ve özel olarak modifiye etmek için etkin bir kimyasal-genetik mekanizması ve PERK ifadesini azaltabilen siRNA dizileri gibi yararlı araçlar geliştirdim. Yapmış olduğum çalışmanın sonuçları PERK'ün yağa bağlı inflamasyonda önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Bu da PERK aktivitesinde veya PERK'ün doğrudan pro-inflamatuvar hedeflerinde yapılacak modifikasyonun, diyabet ve aterozkleroz patogenezine katkıda bulunan obeziteye bağlı inflamasyonun engellenmesinde arzu edilen yaklaşımlardan biri olabileceği anlamına gelmektedir. Bu sonuçlar aynı zamanda palmitoleatın lipotoksik ER stresine bağlı inflamasyonu azaltabileceğini göstermiştir ve bu da hem insülin direncini hem de aterozkleroz üzerinde yarattığı yararlı etkiyi açıklayabilir. Ayrıca, geliştirmiş olduğum bu ATP-analoglarına duyarlı PERK mutantı, metabolik stres sırasında PERK'ün hedeflerinin tümünü tespit etmek için proteomik çalışmaları ile birleştirilebilir. Sonuç olarak, tez çalışmamda geliştirdiğim bulgular ve araçlar, yağa bağlı inflamasyonda PERK'ün rolünün moleküler mekanizmasının tanımlanması, metabolik stress sırasında PERK'e özgün hedeflerinin tespiti ve obezite, diyabet ve aterozkleroz hastalıklarında metabolik inflamasyona karşı yeni tedavi yöntemlerinin geliştirilmesi yönünde yapılacak olan çalışmalara temel oluşturabilir.
Özet (Çeviri)
Physiologic or pathologic processes that disturb protein folding in the endoplasmic reticulum (ER) activate a signaling pathway named the unfolded protein response (UPR). UPR promotes cell survival by reducing misfolded protein levels. The three proximal stress sensors of the UPR are known as PKR-resemble like ER kinase (PERK), inositol-requiring enzyme-1 (IRE1) and activating transcription factor 6 (ATF6), which monitor the quality of protein folding in the ER membrane and relay that information to the rest of the cell. If ER homeostasis can not be restored, prolonged UPR signaling can lead to cell death.Recent studies have shown metabolic overload, particularly high levels of fatty acids and cholesterol can induce ER stress and activate UPR signaling. These studies also demonstrated ER stress is a central mechanism that underlies the pathogenesis of metabolic diseases including obesity, type 2 diabetes, insulin resistance, atherosclerosis and hepatosteatosis. Understanding how nutrient excess activates the UPR and its novel molecular mechanisms of operation during metabolic stress could facilitate the development of novel and effective future therapeutics aiming to restore ER homeostasis.The molecular mechanisms of lipid induced activation of UPR and how the three proximal UPR stress sensors are linked to lipid metabolism and inflammation is not well understood. One of the UPR stress sensors, PERK, is a trans-membrane serine/threonine kinase with only two known downstream substrates, the eukaryotic translation initiation factor (eIF2 ? ) that controls translation initiation, and an anti-oxidant transcription factor, Nuclear factor eryhthroid-2-related factor-2 (Nrf2), that keeps redox homeostasis. One of the existing road blocks in studying PERK signaling has been the lack of molecular or chemical tools to regulate its activity. For my thesis studies, I developed a chemical-genetic approach to specifically modify PERK?s kinase activity. In this approach, the ATP binding pocket of a particular kinase is altered via site-directed mutagenesis in order to accommodate a bulky ATP analog that is not an effective substrate for the wild type kinase. Thus, only the mutated kinase can be targeted by the activatory or inhibitory bulky ATP analogs and this form of the kinase is referred to as ATP analog sensitive kinase (ASKA). Furthermore, I identified specific siRNA sequences that can be efficiently delivered to mouse macrophages and significantly reduce PERK expression. Both of these methods can be applied to study the direct impact of PERK activity on lipotoxic ER stress- associated inflammation. The results of the siRNA mediated PERK expression silencing experiments showed that PERK has a direct contribution to lipid-induced pro-inflammatory response in macrophages.Finally, I examined whether palmitoleate, a bioactive monounsaturated fatty acid previously shown to reduce lipid-induced ER stress and death, could also modify lipotoxic ER stress-associated inflammation. Based on the results from my experiments, palmitoleate is highly effective in preventing lipid induce inflammation. Unexpectedly, I also observed that palmitoleate could significantly block LPS-induced inflammation, too.In summary, during my thesis study I generated several useful tools including siRNA mediated knock-down of PERK and a novel chemical-genetic tool to directly and specifically modify PERK kinase activity. The findings from my studies demonstrate that PERK plays a significant role in lipid-induced inflammation, suggesting modification of PERK activity or its direct pro-inflammatory substrates could become desirable approaches to inhibit obesity-induced inflammation that contributes to the pathogenesis of diabetes and atherosclerosis. The outcome of my studies also showed that palmitoleate can significantly reduce lipotoxic-ER stress associated inflammation, which may explain its beneficial impact on both insulin resistance and atherosclerosis. Furthermore, the ATP-analog sensitive PERK mutant developed in my thesis can be coupled with proteomics to identify the full repertoire of PERK substrates during metabolic stress. In conclusion, the findings and tools developed in my thesis studies can form the basis of future studies to identify the molecular details of PERK?s involvement in lipid induced inflammation, the identification of novel PERK substrates during metabolic stress and the development of new therapeutic strategies against metabolically induced inflammation in obesity, diabetes and atherosclerosis.
Benzer Tezler
- Identification of differentially expressed micrornas and analysis of the genes regulated by them during lipotoxic endoplasmic reticulum stress
Lipotoksik endoplazmik retikulum stres sonucu ifadesi değişen mikrornaların tanımlanması ve regüle ettiği genlerin analizi
MISRA NADİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
BiyoteknolojiAnkara ÜniversitesiTemel Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ARZU ATALAY
- Unfolded protein response regulated miRNAs in lipotoxic endoplasmic reticulum stress in macrophages
Makrofajlardaki endoplazmik retikulum stresinde katlanmamış protein yanıtı tarafından düzenlenen miRNAlar
ERDEM MURAT TERZİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Biyolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EBRU ERBAY
- Identification of a novel substrate of IRE1 in lipotoxic stress response
Lipotoksik stres yanıtında IRE1'in yeni substratının tanımlanması
ZEHRA YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2022
Moleküler Tıpİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EBRU ERBAY
- Rat pankreatik beta hücre hattında (INS-1E) metformin ön koşullamasının er stres belirteçleri üzerindeki etkisi
The effect of metformin preconditioning on er stress markers in rat pancreati̇c beta cell line (İNS-1E)
GİZEM GÜNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Tıbbi BiyolojiBaşkent ÜniversitesiTıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASİBE VERDİ
- Sıçan pankreatik beta hücre hattında (INS-1E) lipotoksisiteye verilen cevapta fonksiyon gösteren parkin proteininin regülasyonunda rol alan mikroRNA'ların saptanması
Detection of microRNAs in the regulation of parkin protein functioning in the response to lipotoxicity in rat pancreatic beta cell line (INS-1E)
HATİCE PINAR BAYSAN ÇEBİ
Doktora
Türkçe
2023
BiyoteknolojiAnkara ÜniversitesiTemel Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BALA GÜR DEDEOĞLU