Transcriptionele regulatie van lipogenese
De gegevens die de laatste jaren zijn verzameld, wijzen erop dat de effecten van verschillende voedingsstoffen en hormonen op de expressie van lipogene genen worden gemedieerd door de SREBPs (Hua e.a., 1993; Tontonoz e.a., 1993; Yokoyama e.a., 1993). SREBPs zijn transcriptiefactoren die de expressie reguleren van genen die verband houden met het cholesterol- en vetzuurmetabolisme. Zij behoren tot de groep van de basische helix-lus-helix (bHLH)-leucine-ritstranscriptiefactoren, en kunnen in drie types worden onderverdeeld: SREBP-2, SREBP-1a en SREBP-1c (ook ADD1 genoemd). SREBP-1a en -1c, waarvan SREBP-1c als het meest fysiologisch relevante wordt beschouwd, zijn producten van één enkel gen die verschillen in hun eerste exon. Sinds zijn ontdekking in 1993 is het moleculaire werkingsmechanisme van SREBP-2 zeer goed gekarakteriseerd. Wanneer de vrije cholesterolconcentratie in de cel hoog is, is SREBP-2 aanwezig als een grote onrijpe precursor die aan het endoplasmatisch reticulum is gebonden. Wanneer de cholesterolconcentratie in de cel daalt, wordt het precursormolecuul proteolytisch gesplitst, waarbij een rijp fragment vrijkomt dat naar de celkern wordt getranslokeerd. In de kern bindt het rijpe SREBP-2 zich aan een zogenaamd sterol response element in de promotorregio van doelgenen en activeert zo hun transcriptie.
Studies in transgene muizen die SREBP-2 overexpresseren in de lever suggereren dat SREBP-2 de expressie stimuleert van genen die betrokken zijn bij het cholesterolmetabolisme, zoals de LDL-receptor, farnesylpyrofosfaat synthase en HMG-CoA reductase genen. Interessant is dat bij muizen die SREBP-1a of SREBP-1c in de lever tot overexpressie brengen, een dramatische opbouw van hepatische triglyceriden en verhoogde expressieniveaus van lipogene genen werden waargenomen. Dit leidde tot de conclusie dat SREBP-1 genen activeert die verbonden zijn met lipogenese in de lever (besproken in Horton en Shimomura, 1999).
Verrassend genoeg onthulde het fenotype van SREBP-1-nul muizen dat SREBP-1 waarschijnlijk een iets andere rol heeft in vetweefsel. In deze muizen was de vetweefselmassa niet aangetast, evenmin als de vetweefselexpressie van vetzuursynthase en acetyl-CoA carboxylase (Shimano et al., 1997). Verder bewijs voor een andere rol van SREBP-1 in vetweefsel kwam van studies met transgene muizen die SREBP-1c tot expressie brengen onder controle van de aP2 promoter (voor vetweefselspecifieke overexpressie). In het witte vetweefsel van deze muizen was de expressie van genen die betrokken zijn bij het cholesterolmetabolisme duidelijk verhoogd, terwijl de expressie van genen die betrokken zijn bij de synthese van vetzuren en triglyceriden onveranderd bleef (Shimomura et al., 1998). Een nog opvallender en contra-intuïtieve waarneming bij deze muizen was dat hun vetweefselmassa was gereduceerd tot minder dan de helft van die van wild-type muizen. De verklaring voor de verminderde vetmassa blijft onduidelijk, maar zou verband kunnen houden met een verminderde expressie van de adipogene transcriptiefactoren peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ) en CCAAT enhancer binding protein (C/EBPα). Al met al suggereren deze gegevens dat de rol van SREBP-1 in lever en vetweefsel kan verschillen.
Het wordt steeds duidelijker dat de inductie van lipogene genexpressie in de lever door insuline en glucose wordt gemedieerd door SREBP-1. SREBP-1-nul muizen vertonen inderdaad een verminderde up-regulatie van lipogene genexpressie bij een vasten/re-feed protocol (Shimano et al., 1999). Insuline en glucose beïnvloeden de transcriptionele activiteit van SREBP-1 via verschillende mechanismen. Ten eerste is aangetoond dat insuline de expressie van SREBP-1-mRNA in adipocyten (Kim et al., 1998) en hepatocyten (Foretz et al., 1999b) stimuleert, een effect dat waarschijnlijk door de fosfatidylinositol-3-kinase-route wordt gemedieerd (Azzout-Marniche et al., 2000). Bovendien verhoogt insuline waarschijnlijk de transcriptionele activering door SREBP-1, onafhankelijk van veranderingen in zijn mRNA-niveaus, via MAP-kinase-afhankelijke fosforylering (Roth et al., 2000). Net als insuline stimuleert glucose de promotoractiviteit en mRNA-expressie van SREBP-1 (Hasty et al., 2000). De relatieve toename van de nucleaire vorm van SREBP-1 na het voeden met koolhydraten (Horton et al., 1998) suggereert dat insuline en glucose ook de SREBP-1-afhankelijke gentranscriptie kunnen stimuleren door de proteolytische splitsing van membraangebonden SREBP-1 te activeren. Een direct effect van insuline of glucose op de proteolytische splitsing van de SREBP-1 precursor kon echter niet worden aangetoond (Azzout-Marniche et al., 2000; Hasty et al., 2000).
Poly-onverzadigde vetzuren reguleren ook de expressie van lipogene genen. Echter, in tegenstelling tot glucose en insuline, down-reguleren zij de genexpressie. Dit effect wordt bereikt door remming van de mRNA-expressie van SREBP-1 (Kim et al., 1999; Mater et al., 1999; Xu et al., 1999; Yahagi et al., 1999), alsmede door remming van de proteolytische verwerking van de SREBP-1 precursor (Thewke et al., 1998).
SREBP-1 speelt duidelijk een centrale rol bij het mediëren van de effecten van insuline op de genexpressie, maar het is waarschijnlijk niet de enige transcriptiefactor die hierbij betrokken is. In vitro studies hebben duidelijk het belang aangetoond van de upstream stimulerende factoren (USF’s) in de regulatie van de vetzuursynthase promotor door insuline. USF’s zijn alomtegenwoordige bHLH-leucine zipper transcriptiefactoren die in staat zijn tot interactie als homo- en/of heterodimeren met E boxen van de CANNTG-sequentie (Wang en Sul, 1997). Een dergelijke E box is aanwezig in de promotor van vetzuursynthase. Mutaties die de binding van USF1 en USF2 aan deze E box verzwakken, doen de insuline-afhankelijke activatie van de promoter van vetzuursynthase teniet. Recente studies met muizen die USF1 en/of USF2 missen, hebben zeer overtuigende aanwijzingen opgeleverd dat USF1 en USF2 betrokken zijn bij het mediëren van het stimulerende effect van insuline/glucose op de expressie van vetzuursynthase (Casado et al., 1999). De effecten van USF’s en SREBP-1 lijken additief en onafhankelijk te zijn (Latasa et al., 2000). Tenslotte kan glucose de expressie van lipogene genen reguleren via een koolhydraatrespons-transcriptiefactor (ChoRF), die nog moet worden gekloond. Specifieke respons-elementen die deze transcriptiefactor binden zijn geïdentificeerd in de promotor van doelgenen, zoals pyruvaat kinase (Koo en Towle, 2000).
Een belangrijke transcriptiefactor in vetweefsel is de nucleaire hormoonreceptor PPARγ. Ondanks zijn naam wordt dit eiwit niet geactiveerd door peroxisome proliferators, maar door vetzuren en hun eicosanoïde derivaten, alsmede door geneesmiddelen van de thiazolidinedione klasse (Kersten et al., 2000a). PPARγ maakt deel uit van het adipocyte-differentiatieprogramma, waarbij het de differentiatie van pre-adipocyten tot rijpe vetcellen induceert. Tot op heden is slechts van een beperkt aantal genen bekend dat zij door PPARγ in vetweefsel worden gereguleerd. Deze coderen voor het adipocyte vetzuurbindende eiwit, lipoproteïnelipase, vetzuurtransporteiwit (FATP), acyl-CoA synthetase, fosfo-enol pyruvaat carboxykinase en de aan vasten gerelateerde vetfactor FIAF/PPARγ angiopoietine (Kersten et al., 2000b; Yoon et al., 2000). Op grond van de identiteit van deze genen, gekoppeld aan de waarneming dat PPARγ-expressie wordt gestimuleerd door insuline (Vidal-Puig et al., 1997) en door SREBP-1 (Fajas et al., 1999), zou men verwachten dat PPARγ niet alleen een adipogeen effect heeft, maar ook een lipogeen effect. Dit wordt ondersteund door klinische gegevens, waaruit blijkt dat patiënten die synthetische PPARγ-activatoren gebruiken vaak aankomen (Fuchtenbusch, 2000). Bovendien vertonen heterozygote PPARγ-mutantmuizen kleinere vetreserves bij een vetrijk dieet (Kubota et al., 1999; Miles et al., 2000). Induceerbare en weefselspecifieke PPARγ knock-out modellen zouden zeer informatief moeten zijn wat betreft het verkrijgen van meer inzicht in de functie van PPARγ in rijpe vetcellen. Wat de lever betreft, hoewel PPARγ normaal gesproken slechts minimaal tot expressie komt in hepatocyten, gaat lever-tiglyceride accumulatie gepaard met een dramatische toename van PPARγ expressie, wat suggereert dat PPARγ een rol zou kunnen spelen in het stimuleren van lipogenese (Chao et al., 2000).
Concluderend, de afgelopen jaren hebben een stortvloed aan nieuwe gegevens opgeleverd over de mechanismen van regulatie van lipogenese door nutriënten en hormonen. Het is nu duidelijk dat SREBP-1, en in mindere mate USF1 en USF2, een centrale rol spelen bij het bemiddelen van de effecten van voedingsstoffen en hormonen op de lipogene genexpressie in de lever. In vetweefsel is een andere transcriptiefactor, PPARγ, van cruciaal belang voor de regulering van zowel adipogenese als lipogenese. De rol die SREBP-1 in vetweefsel speelt, is nog niet duidelijk gedefinieerd. In het algemeen zijn SREBP-1 en PPARγ echter aantrekkelijke doelwitten geworden voor farmaceutische interventies bij aandoeningen zoals hypertriglyceridemie en zwaarlijvigheid.