БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 5, с. 719–729

УДК 577.1

Химические индукторы метаболического стресса, связанного с ожирением, активируют воспаление, снижая чувствительность к инсулину в адипоцитах 3T3-L1

© 2019 Ю.С. Стафеев 1,2*, С.С. Мичурина 1,3, Н.В. Подкуйченко 1,3, М.Ю. Меньшиков 1, Е.В. Парфёнова 1,2#, А.В. Воротников 1,4#*

1 НИИ экспериментальной кардиологии, НМИЦ кардиологии, 121552 Москва, Россия; электронная почта: yuristafeev@gmail.com, a.vorotnikov@icloud.com

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины, 117192 Москва, Россия

3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

4 Медицинский научно-образовательный центр, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 08.10.2018
После доработки 23.01.2019
Принята к публикации 23.01.2019

DOI: 10.1134/S0320972519050099

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: инсулиновая резистентность, сахарный диабет 2-го типа, воспаление, транспорт глюкозы, адипоциты.

Аннотация

Ожирение сопровождается развитием дислипидемии, гипоксии, стресса эндоплазматического ретикулума (ЭПР) и воспаления, являясь основным фактором риска развития инсулиновой резистентности и сахарного диабета 2-го типа. Мы смоделировали эти состояния в культивируемых адипоцитах 3T3-L1, определив их влияние на инсулиновую сигнализацию, транспорт глюкозы в клетки и развитие воспалительной реакции по активации стресс-зависимых киназ JNK1/2. Во всех условиях жировой перегрузки клеток при культивировании с пальмитатом, острого воспаления при обработке клеток бактериальным липополисахаридом, индукции гипоксии солями двухвалентного кобальта или стресса ЭПР, вызванного обработкой клеток брефелдином А, наблюдалось снижение активации инсулином фосфорилирования компонентов инсулинового каскада IRS, Akt и AS160. Во всех условиях, кроме острого воспаления, снижался инсулин-зависимый захват глюкозы адипоцитами, а кинетика активации JNK1/2 была двухфазной, демонстрируя повышенную активность в течение 24 ч. Напротив, в случае острого воспаления кинетика активирующего фосфорилирования JNK1/2 была транзиторной, и уровень фосфорилирования JNK возвращался к базальному уровню через 2–3 ч стимуляции. Эти результаты указывают на ключевую роль длительного (латентного), но не быстрого (острого) воспаления в индукции инсулиновой резистентности и в нарушении утилизации глюкозы жировой тканью. Таким образом, участники воспалительного сигнального каскада могут быть перспективными мишенями при разработке новых терапевтических подходов к коррекции инсулиновой резистентности и сахарного диабета 2-го типа.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 14-35-00026) и Фонда поддержки научно-проектной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие» (грант № 17-34-80026 «мол_эв_а»).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей и использованием животных в качестве объектов исследований.

Список литературы

1. IDF Diabetes Atlas (2017) 8th edition, http://diabetesatlas.org/resources/2017-atlas.html.

2. Дедов И.И., Шестакова М.В., Викулова О.К., Железнякова А.В., Исаков М.А. (2018) Сахарный диабет в Российской Федерации: распространенность, заболеваемость, смертность, параметры углеводного обмена и структура сахароснижающей терапии по данным федерального регистра сахарного диабета, статус 2017 г., Сахарный диабет, 21, 144–159, doi: 10.14341/DM9686.

3. Дедов И.И., Шестакова М.В., Петеркова В.А., Викулова О.К., Железнякова А.В., Исаков М.А., Лаптев Д.Н., Андрианова Е.А., Ширяева Т.Ю. (2017) Сахарный диабет у детей и подростков по данным Федерального регистра Российской Федерации: динамика основных эпидемиологических характеристик за 2013–2016 гг., Сахарный диабет, 20, 392–402, doi: 10.14341/DM9460.

4. Wilcox, G. (2005) Insulin and insulin resistance, Clin. Biochem. Rev., 26, 19–39.

5. Esposito, D.L., Li, Y., Cama, A., and Quon, M.J. (2001) Tyr612 and Tyr632 in human insulin receptor substrate-1 are important for full activation of insulin-stimulated phosphatidylinositol 3-kinase activity and translocation of GLUT4 in adipose cells, Endocrinology, 142, 2833–2840, doi: 10.1210/endo.142.7.8283.

6. Guertin, D.A., Stevens, D.M., Thoreen, C.C., Burds, A.A., Kalaany, N.Y., Moffat, J., Brown, M., Fitzgerald, K.J., and Sabatini, D.M. (2006) Ablation in mice of the mTORC components raptor, rictor, or mLST8 reveals that mTORC2 is required for signaling to Akt-FOXO and PKCα, but not S6K1, Dev. Cell, 11, 859–871, doi: 10.1016/j.devcel.2006.10.007.

7. Ткачук В.А., Воротников А.В. (2014) Молекулярные механизмы развития резистентности к инсулину, Сахарный диабет, 17, 29–41, doi: 10.14341/DM2014229-40.

8. Boura-Halfon, S., and Zick, Y. (2009) Phosphorylation of IRS proteins, insulin action, and insulin resistance, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 296, E581–E591, doi: 10.1152/ajpendo.90437.2008.

9. Stafeev, I.S., Menshikov, M.Y., Tsokolaeva, Z.I., Shestakova, M.V., and Parfyonova, Ye.V. (2015) Molecular mechanisms of latent inflammation in metabolic syndrome. Possible role of sirtuins and peroxisome proliferator activated receptor type gamma, Biochemistry (Moscow), 80, 1217–1226, doi: 10.1134/S0006297915100028.

10. Trayhurn, P. (2013) Hypoxia and adipose tissue function and dysfunction in obesity, Physiol. Rev., 93, 1–21, doi: 10.1152/physrev.00017.2012.

11. Ozcan, U., Cao, Q., Yilmaz, E., Lee, A.H., Iwakoshi, N.N., Ozdelen, E., Tunchman, G., Gorgun, C., Glimcher, L.H., and Hotamisligil, G.S. (2004) Endoplasmic reticulum stress links obesity, insulin action, and type 2 diabetes, Science, 306, 457–461, doi: 10.1126/science.1103160.

12. Stafeev, I.S., Vorotnikov, A.V., Ratner, E.I., Menshikov, M.Y., and Parfyonova, Ye.V. (2017) Latent inflammation and insulin resistance in adipose tissue, Int. J. Endocrinol., 2017, 1–12, doi: 10.1155/2017/5076732.

13. Zick, Y. (2004) Uncoupling insulin signalling by serine/threonine phosphorylation: a molecular basis for insulin resistance, Biochem. Soc. Trans., 32, 812–816, doi: 10.1042/BST0320812.

14. Morino, K., Petersen, K.F., and Shulman, G.I. (2006) Molecular mechanisms of insulin resistance in humans and their potential links with mitochondrial dysfunction, Diabetes, 55, S9–S15, doi: 10.2337/db06-S002.

15. Taniguchi, C.M., Emanuelli, B., and Kahn, C.R. (2006) Critical nodes in signalling pathways: insights into insulin action, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol., 7, 85–96, doi: 10.1038/nrm1837.

16. Hirosumi, J., Tuncman, G., Chang, L., Gorgun, C.Z., Uysal, K.T., Maeda, K., Karin, M., and Hotamisligil, G.S. (2002) A central role for JNK in obesity and insulin resistance, Nature, 420, 333–336, doi: 10.1038/nature01137.

17. Arkan, M.C., Hevener, A.L., Greten, F.R., Maeda, S., Li, Z.W., Long, J.M., Wynshaw-Boris, A., Poli, G., Olefsky, J., and Karin, M. (2005) IKK-β links inflammation to obesity-induced insulin resistance, Nat. Med., 11, 191–198, doi: 10.1038/nm1185.

18. Tuncman, G., Hirosumi, J., Solinas, G., Chang, L., Karin, M., and Hotamisligil, G.S. (2006) Functional in vivo interactions between JNK1 and JNK2 isoforms in obesity and insulin resistance, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 10741–10746, doi: 10.1073/pnas.0603509103.

19. Saltiel, A.R., and Olefsky, J.M. (2017) Inflammatory mechanisms linking obesity and metabolic disease, J. Clin. Invest., 127, 1–4, doi: 10.1172/JCI92035.

20. Donath, M.Y., and Shoelson, S.E. (2011) Type 2 diabetes as an inflammatory disease, Nat. Rev. Immunol., 11, 98–107, doi: 10.1038/nri2925.

21. Saltiel, A.R. (2016) Insulin signaling in the control of glucose and lipid homeostasis, Handb. Exp. Pharmacol., 233, 51–71, doi: 10.1007/164_2015_14.

22. Lackey, D.E., and Olefsky, J.M. (2016) Regulation of metabolism by the innate immune system, Nat. Rev. Endocrinol., 12, 15–28, doi: 10.1038/nrendo.2015.189.

23. Shimobayashi, M., Albert, V., Woelnerhanssen, B., Frei, I.C., Weissenberger, D., Meyer-Gerspach, A.C., Clement, N., Moes, S., Colombi, M., Meier, J.A., Swierczynska, M.M., Jeno, P., Beglinger, C., Peterli, R., and Hall, M.N. (2018) Insulin resistance causes inflammation in adipose tissue, J. Clin. Invest., 128, 1538–1550, doi: 10.1172/JCI96139.

24. Yuan, M., Konstantopoulos, N., Lee, J., Hansen, L., Li, Z.W., Karin, M., and Shoelson, S.E. (2001) Reversal of obesity- and diet-induced insulin resistance with salicylates or targeted disruption of Ikkв, Science, 293, 1673–1677, doi: 10.1126/science.1061620.

25. Donath, M.Y. (2014) Targeting inflammation in the treatment of type 2 diabetes: time to start, Nat. Rev. Drug. Disc., 13, 465–476, doi: 10.1038/nrd4275.

26. Stafeev, I.S., Michurina, S.S., Podkuychenko, N.V., Vorotnikov, A.V., Menshikov, M.Y., and Parfyonova, Ye.V. (2018) Interleukin-4 restores insulin sensitivity in lipid-induced insulin resistant adipocytes, Biochemistry (Moscow), 83, 498–506, doi: 10.1134/S0006297918050036.

27. Zebisch, K., Voight, V., Wabitsch, M., and Brandsch, M. (2012) Protocol for effective differentiation of 3T3L1 cells to adipocytes, Anal. Biochem., 425, 88–90, doi: 10.1016/j.ab.2012.03.005.

28. She, M., Hou, H., Wang, Z., Zhang, C., Laudon, M., and Yin, W. (2014) Melatonin rescues 3T3-L1 adipocytes from FFA-induced insulin resistance by inhibiting phosphorylation of IRS-1 on Ser307, Biochimie, 103, 126–130, doi: 10.1016/j.biochi.2014.05.001.

29. Svedberg, J., Bjorntorp, P., Smith, U., and Lonnroth, P. (1990) Free-fatty acid inhibition of insulin binding, degradation, and action in isolated rat hepatocytes, Diabetes, 39, 570–574, doi: 10.2337/diab.39.5.570.

30. Citterio, C., Vichi, A., Pacheco-Rodriguez, G., Aponte, A.M., Moss, J., and Vaughan, M. (2008) Unfolded protein response and cell death after depletion of brefeldin A-inhibited guanine nucleotide-exchange protein GBF1, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 2877–2882, doi: 10.1073/pnas.0712224105.

31. Glassford, A.J., Yue, P., Sheikh, A.Y., Chun, H.J., Zarafshar, S., Chan, D.A., Reaven, G.M., Quertermous, T., and Tsao, P.S. (2007) HIF-1 regulates hypoxia- and insulin-induced expression of apelin in adipocytes, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 293, E1590–E1596, doi: 10.1152/ajpendo.00490.2007.

32. Laemmli, U.K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680–685, doi: 10.1038/227680a0.

33. Sano, H., Kane, S., Sano, E., Miinea, C.P., Asara, J.M., Lane, W.S., Garner, C.C., and Lienhard, G.E. (2003) Insulin-stimulated phosphorylation of Rab GTPase-activating protein regulates GLUT4 translocation, J. Biol. Chem., 278, 14599–14602, doi: 10.1074/jbc.C300063200.

34. Kane, S., Sano, H., Liu, S.C.H., Asara, J.M., Lane, W.S., Garner, C.C., and Lienhard, G.E. (2002) A method to identify serine kinases substrates. Akt phosphorylates a novel adipocyte protein with a Rab GTPase-activating protein (GAP) domain, J. Biol. Chem., 277, 22115–22118, doi: 10.1074/jbc.C200198200.

35. Randle, P.J., Garland, P.B., Hales, C.N., and Newsholme, E.A. (1963) The glucose fatty-acid cycle. Its role in insulin sensitivity and the metabolic disturbances of diabetes mellitus, Lancet, 1, 785–789, doi: 10.1016/S0140-6736(63)91500-9.

36. Randle, P.J. (1998) Regulatory interactions between lipids and carbohydrates: the glucose fatty acid cycle after 35 years, Diabetes. Metab. Rev., 14, 263–283.

37. Cole, T.G., Patsch, W., Kuisk, I., Gonen, B., and Schonfeld, G. (1983) Increases in dietary cholesterol and fat raise levels of apoprotein E-containing lipoproteins in the plasma of man, J. Clin. Endocrinol. Metab., 56, 1108–1115, doi: 10.1210/jcem-56-6-1108.

38. Golay, A., and Bobbioni, E. (1997) The role of dietary fat in obesity, Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord., 21, S2–S11.

39. Samuel, V.T., Petersen, K.F., and Shulman, G.I. (2010) Lipid-induced insulin resistance: unravelling the mechanism, Lancet, 375, 2267–2277, doi: 10.1016/S0140-6736(10)60408-4.

40. Shulman, G.I. (2014) Ectopic fat in insulin resistance, dyslipidemia, and cardiometabolic disease, N. Engl. J. Med., 371, 1131–1141, doi: 10.1056/NEJMra1011035.

41. Oeckinghaus, A., Hayden, M.S., and Ghosh, S. (2011) Crosstalk in NF-κB signaling pathways, Nat. Immunol., 12, 695–708, doi: 10.1038/ni.2065.

42. Lancaster, G.I., Langley, K.G. Berglund, N.A., Kammoun, H.L. Reibe, S., Estevez, E., Weir, J., Mellett, N.A., Pernes, G., Conway, J.R.W., Lee, M.K.S., Timpson, P., Murphy, A.J., Masters, S.L., Gerondakis, S., Bartonicek, N., Kaczorowski, D.C., Dinger, M.E., Meikle, P.J., Bond, P.J., and Febbraio, M.A. (2018) Evidence that TLR4 is not a receptor for saturated fatty acids but mediates lipid-induced inflammation by reprogramming macrophage metabolism, Cell. Metab., 27, 1096–1110, doi: 10.1016/j.cmet.2018.03.014.

43. Weidemann, A., and Johnson, R.S. (2008) Biology of HIF-1α, Cell. Death. Differ., 15, 621–627, doi: 10.1038/cdd.2008.12.

44. Greer, S.N., Metcalf, J.L., Wang, Y., and Ohh, M. (2012) The updated biology of hypoxia inducible factor, EMBO J., 31, 2448–2460, doi: 10.1038/emboj.2012.125.

45. Melillo, G. (2011) Hypoxia: jump-starting inflammation, Blood, 117, 2561–2562, doi: 10.1182/blood-2010-12-324913.

46. Eltzschig, H.K., and Carmeliet, P. (2011) Hypoxia and inflammation, N. Engl. J. Med., 364, 656–665, doi: 10.1056/NEJMra0910283.

47. Kamiya, T., Hara, H., Inagaki, N., and Adachi, T. (2010) The effect of hypoxia mimetic cobalt chloride on the expression of EC-SOD in 3T3-L1 adipocytes, Redox Rep., 15, 131–137, doi: 10.1179/174329210X12650506623483.

48. Anadu, N.O., Davisson, V.J., and Cushman, M. (2006) Synthesis and anticancer activity of brefeldin A ester derivatives, J. Med. Chem., 49, 3897–3905, doi: 10.1021/jm0602817.

49. Pahl, H.L., and Baeuerle, P.A. (1995) A novel signal transduction pathway from the endoplasmic reticulum to the nucleus is mediated by transcription factor NF-κB, EMBO J., 14, 2580–2588.

50. Hotamisligil, G.S. (2006) Inflammation and metabolic disorders, Nature, 444, 860–867, doi: 10.1038/nature05485.

51. Treebak, J.T., Glund, S., Deshmukh, A., Klein, D.K., Long, Y.C., Jensen, T.E., Jorgensen, S.B., Viollet, B., Andersson, L., Neumann, D., Wallimann, T., Richter, E.A., Chibalin, A.V., Zierath, J.R., and Wojtaszewski, J.F. (2006) AMPK-mediated AS160 phosphorylation in skeletal muscle is dependent on AMPK catalytic and regulatory subunits, Diabetes, 55, 2051–2058, doi: 10.2337/db06-0175.

52. Kramer, H.F., Witczak, C.A., Fujii, N., Jessen, N., Taylor, E.B., Arnolds, D.E., Sakamoto, K., Hirshman, M.F., and Goodyear, L.J. (2006) Distinct signals regulate AS160 phosphorylation in response to insulin, AICAR, and contraction in mouse skeletal muscle, Diabetes, 55, 2067–2076, doi: 10.2337/db06-0150.

53. Treebak, J.T., Birk, J.B., Rose, A.J., Kiens, B., Richter, E.A., and Wojtaszewski, J.F. (2007) AS160 phosphorylation is associated with activation of α2β2γ1- but not α2β2γ3-AMPK trimeric complex in skeletal muscle during exercise in humans, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 292, E715–E722, doi: 10.1152/ajpendo.00380.2006.