Perilipin 5 im Lipid- und Energiestoffwechsel

Abstract. Fettsäuren (FS) sind das primäre Energiesubstrat von adulten Herzzellen. Das gesunde Herz speichert jedoch Triglyzeride (TG) als FS Reservoir in geringen Mengen und die vermehrte TG Speicherung ist ein Merkmal metabolischer Herzerkrankungen. Die intrazelluläre Lipolyse bzw. die Freisetzung von FS erfordert die TG-spaltende Aktivität der Adipose Triglyceride Lipase und deren Interaktion mit dem Lipase Ko-Aktivator CGI-58. Mutationen im ATGL oder CGI-58 Gen verursachen die Neutralfett-Speicherkrankheit, die bei Verlust der ATGL eine schwere Herzverfettung und lebensbedrohliche Herzschwäche zur Folge hat. Perilipin 5 (Plin5) bindet sowohl an intrazelluläre Lipidtröpfchen (LT) als auch an Mitochondrien in Zellen mit hohem Energieumsatz wie z.B. von Herz- und Leberzellen. Plin5 reguliert den TG Katabolismus über die Bindung und Freisetzung von CGI-58. Bei erhöhtem Energiebedarf wird CGI-58 freigesetzt und kann dadurch die TG-hydrolytische Aktivität der ATGL markant erhöhen. Es wird vermutet, dass Plin5 die Lipolyse mit der mitochondrialen FS Aufnahme koppelt und dadurch der Akkumulation von freien Fettsäuren entgegensteuert bzw. vor FS-induzierter Schädigung des Herzmuskels schützt. Die Morphologie von Mitochondrien wird über Fusion oder Spaltung (Fission) reguliert und aktuelle Studien zeigen, dass der zelluläre Energiestoffwechsel an Veränderungen der mitochondrialen Morphologie (Fusion oder Teilung) gekoppelt ist. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression von CGI-58 die Fragmentierung und den Abbau von Mitochondrien in Muskelzellen induziert. In diesem Projekt wird die Rolle von Plin5 in der Kopplung der Lipolyse an den mitochondrialen FS Katabolismus in Herzzellen erforscht. Dabei wird die Auswirkung der Expression verschiedener Plin5 Mutanten auf das Zusammenspiel von Lipolyse, mitochondrialem Energiestoffwechsel und mitochondrialer Dynamik (Fusion/Fission) untersucht. Abschließend werden transgene Mäuse mit Herz-spezifischer Überexpression von Plin5 Mutanten, welche die Interaktion von LT mit Mitochondrien unterbinden, generiert und hinsichtlich der Auswirkungen auf den kardialen Energiestoffwechsel und die Herzfunktion untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse könnten neue therapeutische Strategien zur Behandlung von metabolischen Herzerkrankungen liefern.

Fett bzw. Triglyzeride (TG) sind ein wichtiger Energiespeicher und virtuell ist jede Zelle in der Lage TG in Form von Lipid-Tröpfchen (LDs, engl. "lipid droplets") zu speichern. Ein Ungleichgewicht in der Fettspeicherung und dem Fettabbau können zu metabolischen Erkrankungen wie der Adipositas, Typ 2 Diabetes und Herzkreislauferkrankungen führen. In Zellen mit einem hohen Energieumsatz spielt Perilipin 5 (PLIN5) eine wichtige Rolle im Fettkatabolismus. PLIN5 lokalisiert an der Oberfläche von LDs zusammen mit einer Vielzahl anderer Proteine, welche die TG Speicherung und/oder den TG Katabolismus regulieren. Unter basalen, nicht-stimulierten Bedingungen interagiert PLIN5 mit dem Lipase Ko-Faktor "Comparative gene identification-58" (CGI-58) am LD, während bei Energiebedarf diese Interaktion aufgehoben wird und CGI-58 die TG-spaltende Aktivität der "Adipozyten Triglyzerid Lipase" (ATGL) um ein Vielfaches erhöht. Wir konnten zeigen, dass die cAMP-abhängige Proteinkinase A (PKA) das Serin 155 von PLIN5 phosphoryliert und diese Phosphorylierung die Interaktion von PLIN5 mit CGI-58 auflöst und den Fettabbau (häufig als Lipolyse bezeichnet) stimuliert bzw. steigert. Mäuse mit Herz-spezifischer Überexpression von PLIN5 zeigten eine markante Herzverfettung die jedoch die Herzfunktion nicht beeinträchtigt. Möglicherweise ist in diesen Mäusen die Lipolyse nur temporär gehemmt und kann über PKA Phosphorylierung von PLIN5 stimuliert werden. In diesem Projekt haben wir PLIN5 mit einer Serin zu Alanin Mutation (PLIN5-S155A) im Herzmuskel von Mäusen überexprimiert und die Auswirkungen auf den Energiestoffwechsel und die Herzfunktion untersucht. Wir konnten zeigen, dass PLIN5 an mehreren, bislang noch unbekannten Stellen in vivo phosphoryliert wird, und die gedrosselte Lipolyse die Spaltung von Mitochondrien verhindert und dadurch vor oxidativem Stress schützt. Interessanterweise sind Mäuse mit Herz-spezifischer PLIN5 Überexpression durch eine erhöhte Lipolyse im weißen Fettgewebe und der Stimulierung des braunen Fettgewebes vor Adipositas geschützt. Neben LDs lokalisiert PLIN5 auch mit dem C-Terminus an Mitochondrien und koppelt dabei LDs mit Mitochondrien. Die Verbindung von LDs und Mitochondrien könnte die Lipolyse und dementsprechend die Freisetzung von Fettsäuren (FS) an die mitochondriale FS Aufnahme und FS Oxidation koppeln. Wir konnten zeigen, dass die letzten drei C-terminalen Aminosäuren von PLIN5 entscheidend für die Lokalisation am Mitochondrium sind, jedoch keinen Einfluss auf die Regulation der Lipolyse haben. Der Verlust der Interaktion von LDs und Mitochondrien zeigte keinen Einfluss auf die mitochondriale Fettsäureaufnahme unter stimulierten Bedingungen, während die Interaktion von LDs und Mitochondrien