Adipocytes are specialized cells found in vertebrates to ensure survival in terms of adaption to food deficit and abundance. However, their dysfunction accounts for the pathophysiology of metabolic diseases such as T2DM. Preliminary data generated by Mona Löffler suggested that PKD1 is involved in adipocyte function. Here, I show that PKD1 expression and activity is linked to lipid metabolism of murine adipocytes. PKD1 gene expression and activity was reduced in murine white adipose tissue upon fasting, a physiological condition which induces lipolysis. Isoproterenol-stimulated lipolysis in adipose tissue and 3T3-L1 adipocytes reduced PKD1 gene expression. Silencing ATGL in adipocytes inhibited isoproterenol-stimulated lipolysis, however, the β-adrenergic stimulation of ATGL-silenced adipocytes lowered PKD1 expression levels as well. Adipose tissue of obese mice exhibited high PKD1 RNA levels but paradoxically lower protein levels of phosphorylated PKD1-Ser916. However, HFD generated a second PKD1 protein product of low molecular weight in mouse adipose tissue. Furthermore, constitutively active PKD1 predominantly displayed nuclear localization in 3T3-L1 adipocytes containing many fat vacuoles. However, adipocytes overexpressing non-functional PKD1 contained fewer lipid droplets and PKD1-KD was distributed in cytoplasm. Most importantly, deficiency of PKD1 in mouse adipose tissue caused expression of genes involved in adaptive thermogenesis such as UCP-1 and thus generated brown-like phenotype adipocytes. Thus, PKD1 is implicated in adipose tissue function and presents an interesting target for therapeutic approaches in the prevention of obesity and associated diseases. / Adipozyten sind spezialisierte Zellen der Wirbeltiere, die das Überleben durch Anpassung an Nahrungsmangel und Nahrungsüberfluss gewährleisten. Eine Dysfunktion von Adipozyten bedingt jedoch die Pathophysiologie von Stoffwechselerkrankungen wie dem T2DM. Vorläufige Ergebnisse von Mona Löfflers Versuchen zeigten, dass PKD1 in der Funktion von Adipozyten involviert ist. Innerhalb dieser Arbeit konnte dargestellt werden, dass die Expression und Aktivität von PKD1 in murinen Adipozyten an den Lipidmetabolismus gekoppelt ist. Beim Hungern von murinem weißen Fettgewebe, einem physiologischen Zustand, der Lipolyse induziert, war die Genexpression von PKD1 reduziert. Isoproterenol-stimulierte Lipolyse führte ebenfalls zu verminderter Expression von PKD1 in murinen weißen Fettgewebe und 3T3-L1 Adipozyten. In ATGL-silenced Adipozyten war die Isoproterenol-stimulierte Lipolyse zwar inhibiert, allerdings wurde die Genexpression von PKD1 durch die β-adrenerge Stimulation ebenfalls vermindert. Fettgewebe von adipösen Mäusen hingegen wiesen hohe PKD1 RNA Level sowie einen niedrigen Proteingehalt der phosphorylierten Form PKD1-Ser916 auf. Fettreiche Ernährung von Mäusen generierte in Fettgewebe jedoch ein weiteres Produkt von PKD1 mit niedrigem Molekulargewicht im Western Blot. Des Weiteren wurde dargestellt, dass konstitutiv aktives PKD1 in 3T3-L1 Adipozyten vorwiegend nuklear lokalisiert war und diese Adipozyten einen hohen Gehalt von Fettvakuolen aufwiesen. Adipozyten, die funktionsloses PKD1 exprimierten, enthielten wenige Lipidtropfen und PKD1-KD war im Cytoplasma verteilt. Vor allem zeigte diese Arbeit, dass die Deletion von PKD1 spezifisch in murinem Fettgewebe die Expression von Genen wie UCP-1 verursachte, die eine Rolle in adaptiver Thermogenese spielen, und dadurch einen brown-like Phänotypen generierte. Zusammenfassend ist PKD1 in die Funktionen von Adipozyten verwickelt und stellt ein attraktives Ziel für therapeutische Ansätze in der Prävention von Übergewicht und damit assoziierten Erkrankungen dar.

AMP-activated protein kinase (AMPK) is an energy-sensing enzyme that is activated when cellular energy is low and causes muscle and other cells to increase glucose uptake and fat oxidation, diminish lipid synthesis, and alter expression of various genes. AMPK activity is diminished in animals with the metabolic syndrome, though the mechanisms causing this reduction are unknown. To examine nutrient-induced changes in AMPK activity over time and factors that may regulate it, we compared rat muscle incubated with high glucose (HG) (30min-2h) and muscle of glucose-infused rats (3-8h) with appropriate controls. In addition to diminished AMPK activity (measured by the SAMS peptide assay) and phosphorylation of its activation loop at Thr172, we observed increased muscle glycogen, phosphorylation of AMPK’s α1/α2 subunit at Ser485/491, and PP2A activity, and decreased SIRT1 expression, all of which have been shown to diminish AMPK activity. Dysregulation of one or more of these factors could contribute to pathophysiological changes leading to metabolic syndrome associated disorders. Since recent studies suggest phosphorylation at Ser485/491 may play an important role in AMPK inhibition, we sought to determine how phosphorylation of this site is regulated. We investigated whether insulin or diacylglycerol (DAG) signaling pathways may be involved, since both are increased in at least one of the HG models. Akt and Protein Kinase (PK)D1 phosphorylated AMPK at Ser485/491 and diminished its activity in C2C12 myotubes, downstream of insulin and the DAG-mimetic PMA, respectively. Additionally, p-AMPK Ser485/491 was increased in muscle and liver of fed versus fasted mice and liver of diabetic mice. Our results suggest that Akt- and PKD1-mediated inhibition of AMPK via Ser485/491 phosphorylation may inhibit energy-metabolizing processes, while favoring energy-storing processes. Our results highlight the fact that phosphorylation of Ser485/491 can inhibit AMPK activity independent of changes in p-AMPK Thr172, a measure which is often used as a readout of AMPK activity. We hypothesize that Akt-mediated inhibition of AMPK is an acute, physiological response to insulin, whereas PKD1-mediated inhibition may be associated with more chronic pathophysiological changes. Thus, PKD1 inhibition or prevention of Ser485/491 phosphorylation may represent new strategies for therapeutic AMPK activation as treatment for the metabolic syndrome.

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Die Komposition der Skelettmuskulatur resultiert aus der fein abgestimmten Balance von Proteinauf- und Abbaumechanismen. Die Skelettmuskelatrophie kann in verschiedenen Situationen entstehen bzw. von diversen Krankheiten ausgelöst werden (Altern, Hunger, Krebs, Nervenschädigung, Kachexie) und ist meist die Folge von gesteigertem Proteinabbau, der die Proteinsynthese überwiegt. Der Muskelabbau ist physiologisch teilweise sinnvoll und dient der Notversorgung von lebenswichtigen Organen mit Lipiden, Aminosäuren und Glukose. Insgesamt ist eine funktionsfähige Muskulatur sehr wichtig, sowohl für Gesunde als auch Erkrankte, da bei Muskelatrophie auslösenden Erkrankungen das Gesamtüberleben wesentlich verringert ist und die Lebensqualität der Patienten enorm reduziert ist. Der Abbau von strukturellen Muskelproteinen wurde hauptsächlich dem Ubiquitin-Proteasom System zugeschrieben, dessen Regulation und von seinen einzelnen Enzymen muss genauestens verstanden sein, um in der Zukunft zielgerichtete Therapien entwickeln zu können. Eines der zentralen Enzyme in der Skelett- und Herzmuskelatrophie ist die E3 Ubiquitin Ligase MuRF1. In nahezu allen Modellen für Muskelatrophie wurde eine starke Zunahme der Expression von MuRF1 beschrieben. Betrachtet man die sehr zentrale Rolle von MuRF1 im UPS, dort vermittelt MuRF1 den Abbau von strukturellen Proteinen des Sarkomers, und der beobachteten starken Regulation bei diversen Atrophie-Modellen, wird klar, wie wichtig das Verständnis der transkriptionellen Regulation von MuRF1 selbst ist. In den letzten Jahren wurden bereits einige Transkriptionsfaktoren identifiziert, die an der Regulation von MuRF1 bei verschiedenen Atrophie-Modellen beteiligt sind, die Studien zeigten aber auch, dass noch nicht alle Modelle erklärt werden konnten. Um die verbleibenden Wissenslücken zu füllen, wurde in dieser Studie nach neuen transkriptionellen Regulatoren von MuRF1 gesucht und deren Beteiligung an bereits bekannten Signalwegen analysiert. / Skeletal muscle mass is permanently balanced as a result of fine tuned protein synthesis and degradation mechanisms. Skeletal muscle atrophy occurs when protein degradation exceeds protein synthesis, which happens in a variety of conditions, such as aging, starvation, cancer, cachexia or denervation. Degradation of muscle mass can sometimes be useful, e.g. as source for lipids, amino acids and glucose in case of critical malnutrition as well as several other physiological conditions. But a solid composition and thereby functional maintenance of muscles is necessary for healthy individuals as well as individuals suffering from atrophy releasing diseases as to retain their mobility and to preserve full heart functions. Since degradation of structural proteins in muscle tissue has been addressed mainly to the ubiquitin-proteasome-system, the regulation of the participating components needs to be understood in detail to develop constructive treatments and therapies for atrophy prevention. One of the key enzymes in skeletal and heart muscle atrophy is the E3 ubiquitin ligase MuRF1. Its expression levels and protein content was found to be elevated in almost every know atrophy model. MuRF1 is very critical for the muscles composition and thus their functional integrity, as it marks and initiates degradation of structural and contractile proteins via the UPS. Since MuRF1 plays a prominent role in muscle atrophy, its transcriptional regulation needs to be well understood to develop effective therapies for all the different atrophy models MuRF1 has been linked to. Several transcription factors have been identified to regulate MuRF1 at different ratios and in diverse atrophy models. Importantly, they do not explain all MuRF1 inducing events observed. To fill some of the remaining knowledge gaps, the studies aims were to find new transcriptional regulators for MuRF1 and to analyze potential involvements of the obtained candidates in pathways affecting skeletal muscle atrophy.