11-hydroxysteroid dehydrogenase (11HSD1) is an oxidoreductase which catalyzes conversion of inactive 11-oxo steroid derivatives into active 11-hydroxy forms. 11HSD1 elevates intracellular level of active glucocorticoid (GC) hormones: cortisol in human tissues and corticosterone in rodents, therefore local level of active GCs can be set independently from systemic secretion driven by hypothalamo-pituitary-adrenal axis (HPA axis). Chronic systemic excess of GCs results in development of Cushing's syndrome which is characterised by central obesity and other metabolic disturbances. Despite normal serum levels of GCs, the patients with idiopathic obesity also develop metabolic syndrome. It was suggested that GCs could be elevated locally in target tissues due to enhanced 11HSD1 activity. This hypothesis was confirmed in transgenic rodent models. Prague hereditary hypertriglyceridemic (HHTg) rats represent a non-obese model of metabolic syndrome without genetic manipulations or specific mutations. The strain was bred by cross-mating of Wistar rat individuals with elevated serum levels of triglycerides (TGs). The strain exhibit hypertriglyceridemia and hypertension. When kept on high carbohydrate diet HHTg rats exhibit alterations in glucose homeostasis. Since there are no data that would describe...

Die 11beta-HSD1 reguliert intrazellulär die Cortisolkonzentration durch Regeneration von Cortison z.B. aus dem Blutkreislauf, zu Cortisol. Daher stellt diese ein wichtiges Element in der Glucocorticoid-vermittelten Genregulation dar. Die 11beta-HSD1 wird ubiquitär exprimiert, auf hohem Niveau besonders in Leber, Fettgewebe und glatten Muskelzellen. Insbesondere die Bedeutung der 11beta-HSD1 in Leber und Fettgewebe konnte mehrfach nachgewiesen werden. In der Leber führte eine erhöhte Aktivität aufgrund einer Überexpression in Mäusen zu einer verstärkten Gluconeogeneserate. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression und erhöhte Enzymaktivität der 11beta-HSD1 im subkutanen und viszeralen Fettgewebe assoziiert ist mit Fettleibigkeit, Insulinresistenz und Dyslipidämie. Über die Regulation ist jedoch noch wenig bekannt. Zur Untersuchung der Promotoraktivität wurde der Promotorbereich von -3034 bis +188, vor und nach dem Translations- und Transkriptionsstart, der 11beta-HSD1 kloniert. 8 Promotorfragmente wurden mittels Dual-Luciferase-Assay in humanen HepG2-Zellen sowie undifferenzierten und differenzierten murinen 3T3-L1-Zellen untersucht. Anschließend wurde mittels nicht-radioaktiven EMSA die Bindung des TATA-Binding Proteins (TBP) sowie von CCAAT/Enhancer-Binding-Proteinen (C/EBP) an ausgewählte Promotorregionen analysiert. Nach der Charakterisierung des Promotors wurden spezifische endogene und exogene Regulatoren untersucht. Fettsäuren modifizieren die Entstehung von Adipositas und Insulinresistenz. Ihre Wirkung wird u.a. PPARgamma-abhängig vermittelt und kann durch das Inkretin (Glucose-dependent insulinotropic Peptide) GIP modifiziert werden. So wurden die Effekte von unterschiedlichen Fettsäuren, vom PPARgamma Agonisten Rosiglitazon sowie dem Inkretin GIP auf die Expression und Enzymaktivität der 11beta-HSD1 untersucht. Dies wurde in-vitro-, tierexperimentell und in humanen in-vivo-Studien realisiert. Zuletzt wurden 2 Single Nucleotide Polymorphismen (SNP) im Promotorbereich der 11beta-HSD1 in der Zellkultur im Hinblick auf potentielle Funktionalität analysiert sowie die Assoziation mit Diabetes mellitus Typ 2 und Körpergewicht in der MeSyBePo-Kohorte bei rund 1.800 Personen untersucht. Die Luciferase-Assays zeigten basal eine zell-spezifische Regulation der 11beta-HSD1, wobei in allen 3 untersuchten Zelltypen die Bindung eines Repressors nachgewiesen werden konnte. Zudem konnte eine mögliche Bindung des TBPs sowie von C/EBP-Proteinen an verschiedene Positionen gezeigt werden. Die Transaktivierungsassays mit den C/EBP-Proteinen -alpha, -beta und -delta zeigten eben-falls eine zellspezifische Regulation des 11beta-HSD1-Promotors. Die Aktivität und Expression der 11beta-HSD1 wurde durch die hier untersuchten endogenen und exogenen Faktoren spezifisch modifiziert, was sowohl in-vitro als auch in-vivo in unterschiedlichen Modellsystemen dargestellt werden konnte. Die Charakterisierung der MeSyBePo-Kohorte ergab keine direkten Assoziationen zwischen Polymorphismus und klinischem Phänotyp, jedoch Tendenzen für eine erhöhtes Körper-gewicht und Typ 2 Diabetes mellitus in Abhängigkeit des Genotyps. Der Promotor der 11beta-HSD1 konnte aufgrund der Daten aus den Luciferaseassays sowie den Daten aus den EMSA-Analysen näher charakterisiert werden. Dieser zeigt eine variable und zell-spezifische Regulation. Ein wichtiger Regulator stellen insbesondere in den HepG2-Zellen die C/EBP-Proteine -alpha, -beta und -delta dar. Aus den in-vivo-Studien ergab sich eine Regulation der 11beta-HSD1 durch endogene, exogene und pharmakologische Substanzen, die durch die Zellkulturversuche bestätigt und näher charakterisiert werden konnten. / The enzyme 11beta-HSD1 regulates intracellular the cortisol concentration by regeneration of cortisone to cortisol. Hence, 11beta-HSD1 is an important factor in glucocorticoid-mediated gene expression. It is ubiquitously expressed, but high levels have been specifically described in liver, adipose tissue and smooth muscle cells. A pivotal role for 11beta-HSD1 has been demonstrated with respect to metabolism in liver and adipose tissue. Thus, a liver-specific overexpression results in an elevated gluconeogenesis and hepatic glucose output. Furthermore, a fat-specific overexpression was associated with obesity, insulin resistance and dyslipidemia. Despite these intriguing data, the regulation of the human 11beta-HSD1 gene is still in its infancies. 8 promoter fragments from -3034 to +188 of 11beta-HSD1-gene were cloned to analyze promoter activity. Dual-Luciferase-Assay was used in humane HepG2 cells and in undifferentiated and differentiated 3T3-L1 cells. Furthermore, the region close to the transcription start was studied with a non-radioactive EMSA for binding of TATA-binding protein (TBP) and CCAAT/enhancer-binding-protein (C/EBP). The role of the endogenous and exogenous regulators fatty acids, PPARgamma and the incretin (Glucose-dependent insulinotropic Peptide) GIP was investigated in-vitro and in-vivo. Finally, the functional consequences of 2 Single Nucleotide Polymorphisms (SNP) within the promoter region were studied in cell culture and the MeSyBePo-cohorts for association with diabetes mellitus type 2 and body weight. The Luciferase-assay revealed a cell-specific regulation of 11beta-HSD1 and a repressor, which was active in all 3 cell models. Accordingly, a cell-specific regulation was observed in transactivation-assays with C/EBP-proteins -alpha, -beta and -delta. The 11beta-HSD1 enzyme expression and activity was specifically modified by the here investigated endogenous and exogenous factors, which was demonstrated in-vitro but also in-vivo in various experimental settings. The characterisation of the MeSyBePo-cohorte revealed no association between genotype and clinical phenotype, although a trend for an increased body weight and diabetes mellitus type 2 was detected. This work demonstrated a cell-specific regulation of the 11beta-HSD1 promoter. Furthermore, a binding site for TATA-binding proteins was detected in HepG2 and undifferentiated 3T3-L1 cells. A pivotal role in regulation of 11beta-HSD1 promoter activity was demonstrated for the C/EBP-proteins, especially in liver cells. The in-vivo-Studies revealed a regulation of enzyme expression and activity by endogenous, exogenous and pharmacological substances, which was confirmed and analyzed in more detail in cell culture experiments.

Das Enzym 11beta-HSD1 stellt im intrazellulären Glucocorticoidstoffwechsel eine wichtige Prärezeptorkontrolle dar. Es reguliert die intrazelluläre Cortisolkonzentration durch die enzymatische Umwandlung des aus dem Blutkreislauf aufgenommenen und hormonell inaktiven Cortisons zum aktiven Cortisol. Die Bedeutung einer erhöhten 11beta-HSD1 Expression und Aktivität bei der Entstehung von Übergewicht und Insulinresistenz wurde bisher vorwiegend in Leber und Fettgewebe untersucht und nachgewiesen. Wenig erforscht sind die Funktionen der 11beta-HSD1 im Muskelgewebe. In dieser Arbeit wurde die Funktion und Regulation der 11beta-HSD1 im Skelettmuskel mithilfe der murinen Skelettmuskelzelllinie C2C12 und primärer humaner Myoblasten untersucht. Es konnte demonstriert werden, dass die 11beta-HSD1 in Abhängigkeit des Differenzierungsgrades exprimiert wird und als Oxo-Reduktase aktiv ist, sowie selbst einen Regulator der Differenzierung darstellt. Es zeigte sich ein Feed-Forward-Mechanismus des Cortisons, das die 11beta-HSD1 in den Skelettmuskelzellen akut und chronisch induzierte, sowie eine gleichzeitige Veränderung der GRalpha- und MRalpha-Expressionen gegenregulatorisch zur 11beta-HSD1. Die Daten aus der Mauszelllinie konnten zum größten Teil in primären humanen Myoblasten bestätigt werden. Zudem konnten mehrere Transkriptionsfaktoren wie CREB, Myogenin und MEF-2c identifiziert werden, die in den verschiedenen Phasen der Differenzierung unterschiedliche Relevanz für die Regulation der 11beta-HSD1 Promotoraktivität hatten. Des Weiteren wurden die Proteolyserate und die Expression der E3-Ubiquitin-Ligasen Atrogin-1 und MuRF-1 11beta-HSD1-abhängig durch Cortison induziert. Trotz alledem führte eine Langzeit-Stimulation mit Cortison zu einer 11beta-HSD1-abhängigen Induktion der Differenzierung mit einer Veränderung der Muskelfasertypen in Richtung langsam-zuckender Muskelfasern, was eine Bedeutung für das klinische Bild der glucocorticoid-induzierten Muskelatrophie haben kann. / The enzyme 11beta-HSD1 functions as an important pre-receptor control of intracellular glucocorticoid action regulating the intracellular cortisol concentration by enzymatic conversion of the hormonal inactive cortisone up-taken from blood circulation to the active cortisol. A pivotal role of an increased 11beta-HSD1 expression and activity for the development of overweight and insulin resistance has been analysed and demonstrated particularly in liver and adipose tissue. However, the functions of 11beta-HSD1 in skeletal muscle tissue are rarely investigated. For analysis of function and regulation of the 11beta-HSD1 in skeletal muscle the murine skeletal muscle cell line C2C12 as well as primary human myoblasts from healthy volunteers were used. 11beta-HSD1 was shown to be expressed and functionally active as oxo-reductase in human and murine skeletal muscle cells dependent on the differentiation but as well to function as a regulator of differentiation itself. The stimulation experiments revealed a feed-forward-mechanism of cortisone that induced 11beta-HSD1 acutely and chronically. Concurrently, GRalpha and MRalpha were expressed contra-regulatory to 11beta-HSD1. For the most part these data were confirmed in human primary myoblasts. Several transcription factors as CREB, Myogenin and MEF-2c were identified having different relevance for regulation of 11beta-HSD1 promoter activity during the different phases of differentiation. Furthermore, treatment with cortisone increased protein degradation and expression of the two E3-ubiquitin-ligases Atrogin-1 and MuRF-1 in an 11beta-HSD1-dependent way. Nonetheless, a long-term stimulation by cortisone revealed an 11beta-HSD1-dependent induction of differentiation accompanied by modification of muscle fiber type composition towards slow-twitch muscle fibers that may play a role for the clinical picture of glucocorticoid-induced muscle atrophy.

Background Obesity and associated metabolic dysregulation are linked to impaired cognitive function and alterations in brain structure, which increases the risk of age-related dementia. Increased glucocorticoid (GC) exposure may be a potential mediator of these negative effects on the brain. Methods and results In paper 1, we tested the relationship between cortisol levels, brain morphology and cognitive function in 200 women and men. Salivary cortisol levels were negatively related to cortical surface areas in prefrontal brain regions in both sexes. In participants with type 2 diabetes, high salivary cortisol levels were associated with lower memory performance. In paper 2, we tested in 70 overweight women the effects on tissue-specific GC metabolism of a Paleolithic diet or a diet following the Nordic nutrition recommendations. The 24-month interventions led to decreased expression of the GC-activating enzyme 11βHSD1 in adipose tissue, interpreted as a normalization of an obesity-related disturbance in GC metabolism. Furthermore, GC metabolism by 5α-reductase increased substantially after 2 years, an unexpected and novel result. The outcomes did not differ by diet. In paper 3, 20 women included in paper 2 were examined with functional magnetic resonance imaging (fMRI) while performing a memory task at baseline and after 6 months. Memory performance improved and functional brain responses increased in the hippocampus. Once again, the results were similar in both diet groups. In paper 4, 24 overweight participants with type 2 diabetes were examined with fMRI, using the same memory test as in paper 3, at baseline and after 12 weeks of intervention with a Paleolithic diet with or without exercise training. Functional brain response increased in the hippocampus, but memory was not improved. The addition of physical exercise did not alter the results. Conclusion Cortisol levels are linked to prefrontal brain structure and, at least in type 2 diabetes, lower memory performance. Furthermore, the dysregulated GC metabolism in obesity can be reversed by long-term diet- induced weight loss. Finally, dietary interventions with associated metabolic improvements alter functional brain responses during memory testing, including increased activation of the hippocampus. Whether these changes are linked to alterations in GC exposure and mediate improved cognition requires further study.