Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Adaptation to alterations in nutrient availability ensures the survival of organisms. In vertebrates, adipocytes play a decisive role in this process due to their ability to store large amounts of excess nutrients and release them in times of food deprivation. In todays western world, a rather unlimited excess of nutrients leads to high-caloric food consumption in humans. Nutrient overload together with a decreased energy dissipation result in obesity as well as associated diseases such as insulin resistance, diabetes, and liver steatosis. Obesity causes a hormonal imbalance, which in combination with altered nutrient levels can aberrantly activate G-protein coupled receptors utilizing diacylglycerol (DAG) as secondary messenger. Protein kinase D (PKD) 1 is a DAG effector integrating multiple hormonal and nutritional inputs. Nevertheless, its physiological role in adipocytes has not been investigated so far. In this thesis, evidence is provided that the deletion of PKD1 in adipocytes suppresses lipogenesis as well as the accumulation of triglycerides. Furthermore, PKD1 depletion results in increased mitochondrial biogenesis as well as decoupling activity. Moreover, PKD1 deletion promotes the expression of the β3-adrenergic receptor (ADRB3) in a CCAAT/enhancer-binding protein (C/EBP)-α and δ-dependent manner. This results in elevated expression levels of beige markers in adipocytes in the presence of a β-agonist. Contrarily, adipocytes expressing a constitutive active form of PKD1 present a reversed phenotype. Additionally, PKD1 regulates adipocyte metabolism in an AMP-activated protein kinase (AMPK)-dependent manner by suppressing its activity through phosphorylation of AMPK α1/α2 subunits. Thus, PKD1 deletion results in an enhanced activity of the AMPK complex. Consistent with the in vitro findings, mice lacking PKD1 in adipocytes demonstrate a resistance to high-fat diet-induced obesity due to an elevated energy expenditure caused by trans-differentiation of white into beige adipocytes. Moreover, deletion of PKD1 in murine adipocytes improves systemic insulin sensitivity and ameliorates liver steatosis. Finally, PKD1 levels positively correlate with HOMA-IR as well as insulin levels in human subjects. Furthermore, inhibition of PKD1 in human adipocytes leads to metabolic alterations, which are comparable to the alterations seen in their murine counterparts. Taken together, these data demonstrate that PKD1 suppresses energy dissipation, drives lipogenesis, and adiposity. Therefore, increased energy dissipation induced by several complementary mechanisms upon PKD1 deletion might represent an attractive strategy to treat obesity and its related complications. / Die Anpassung an veränderte Nährstoffverfügbarkeiten sichert das Überleben eines jeden Organismus. Dabei spielen in Vertebraten vorallem Adipozyten eine entscheidende Rolle. Sie haben die Fähigkeit, große Mengen überschüssiger Nährstoffe zu speichern und diese in Zeiten des Mangels wieder freizusetzen. Heutzutage herrscht jedoch besonders in Industrieländern ein ausreichendes Angebot an Nahrungsmitteln, was zu einer übermäßigen Kalorienzufuhr einzelner Individuen führt. Durch überschüssige Energiezufuhr in Verbindung mit einem verringerten Energieverbrauch kommt es zu Fettleibigkeit und damit verbundenen Erkrankungen wie Insulinresistenz, Diabetes und nichtalkoholischer Fettleber. Übergewicht führt zu einem hormonellen Ungleichgewicht, das im Zusammenhang mit veränderten Nährstoffgehalten, unter Verwendung von Diacylglycerol (DAG) als sekundären Botenstoff, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren unkontrollierten aktiviert. Protein Kinase D (PKD) 1 ist ein DAG Effektor, der an unterschiedlichsten hormonellen und ernährungsphysiologischen Vorgängen beteiligt ist. Die zugrunde liegende physiologische Rolle von PKD1 in Adipozyten ist jedoch weitgehend unverstanden. In dieser Doktorarbeit wird gezeigt, dass eine Adipozyten spezifische PKD1 Defizienz sowohl Lipogenese als auch die Akkumulation von Triglyceriden unterdrückt. Darüber hinaus wird durch die Deletion von PKD1 sowohl der Mitochondriengehalt als auch die Dynamik erhöht und die Entkopplungsaktivität gesteigert. Zudem wird die Expression des β3-adrenergen Rezeptors (ADRB3) durch die PKD1 Defizienz in einer CCAAT/Enhancer-Bindungsprotein (C/EBP) -α und δ-abhängigen Weise gefördert. In Gegenwart eines β-Agonisten kommt es dadurch zu einer erhöhten Expression von Genen, die auf beige Fettzellen hindeuten. Im Gegensatz dazu weisen Adipozyten, die eine konstitutiv aktive Form von PKD1 exprimieren, einen umgekehrten Phänotyp auf. Zusätzlich reguliert PKD1 den Adipozytenmetabolismus abhängig von AMP-aktivierter Proteinkinase (AMPK). PKD1 unterdrückt die AMPK-Aktivität durch Phosphorylierung von AMPK-α1/α2-Untereinheiten. Daher steigert die PKD1-Deletion die Tätigkeit des AMPK-Komplexes. In Übereinstimmung mit den In-vitro-Daten zeigen Mäuse, denen PKD1 in Adipozyten fehlt, eine Resistenz gegen nahrungsinduzierte Fettleibigkeit. Dies lässt sich durch eine gesteigerte Transdifferenzierung von weißen zu beigen Fettzellen erklären, die einen erhöhten Energieumsatz aufweisen. Weiterhin verbessert die Deletion von PKD1 in Adipozyten der Maus die systemische Insulinsensitivität und schützt vor einer Lebersteatose. In humanen Fettzellen zeigen sich ähnliche Veränderungen im Metabolismus, wie bereits in den Adipozyten der Maus beobachtet wurden. Des Weiteren korreliert die Expression von PKD1 in humanem Fettgewebe positiv mit HOMA-IR, einem Marker für Insulin-Resistenz sowie den Insulinwerten beim Menschen. Zusammengefasst weisen die Daten dieser Thesis auf, dass PKD1 den Energieverbrauch unterdrückt und sowohl Lipogenese als auch Adipositas fördert. Adipozyten, denen PKD1 fehlt, zeigen demnach einen erhöhten Energieumsatz, der durch unterschiedliche komplementäre Mechanismen verursacht wird. Dadurch könnte sich eine attraktive Strategie zur Behandlung von Fettleibigkeit und den damit verbundenen Komplikationen ergeben.

Obesity and associated metabolic syndrome are growing concerns in modern society due to the negative consequences for human health and well-being. Cardiovascular diseases and type 2 diabetes are only some of the pathologies associated to overweight. Among the main causes are decreased physical activity and food availability and composition. Diets with high content of fat are energy-dense and their overconsumption leads to an energy imbalance, which ultimately promotes energy storage as fat and obesity. Aberrant activation of signalling cascades and hormonal imbalances are characteristic of this disease and members of the Protein Kinase D (PKD) family have been found to be involved in several mechanisms mediating metabolic homeostasis. Therefore, we aimed to investigate the role of Protein Kinase D2 (PKD2) in the regulation of metabolism. Our investigation initiated with a mice model for global PKD2 inactivation, which allowed us to prove a direct involvement of this kinase in lipids homeostasis and obesity. Inactivation of PKD2 protected the mice from high-fat diet-induced obesity and improved their response to glucose, insulin and lipids. Furthermore, the results indicated that, even though there were no changes in energy intake or expenditure, inactivation of PKD2 limited the absorption of fat from the intestine and promoted energy excretion in feces. These results were verified in a mice model for specific deletion of intestinal PKD2. These mice not only displayed an improved metabolic fitness but also a healthier gut microbiome profile. In addition, we made use of a small-molecule inhibitor of PKD in order to prove that local inhibition of PKD2 in the intestine was sufficient to inhibit lipid absorption. The usage of the inhibitor not only protected the mice from obesity but also was efficient in avoiding additional body-weight gain after obesity was pre-established in mice. Mechanistically, we determined that PKD2 regulates lipids uptake in enterocytes by phosphorylation of Apolipoprotein A4 (APOA4) and regulation of chylomicron-mediated triglyceride absorption. PKD2 deletion or inactivation increased abundance of APOA4 and decreased the size of chylomicrons and therefore lipids absorption from the diet. Moreover, intestinal activation of PKD2 in human obese patients correlated with higher levels of triglycerides in circulation and a detrimental blood profile. In conclusion, we demonstrated that PKD2 is a key regulator of dietary fat absorption in murine and human context, and its inhibition might contribute to the treatment of obesity. / Fettleibigkeit und das damit verbundene metabolische Syndrom stellt in der modernen Gesellschaft aufgrund der negativen Folgen für die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden ein zunehmendes Problem dar. Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ- 2-Diabetes sind nur einige der mit Übergewicht verbundenen Pathologien. Zu den Hauptursachen zählen eine verminderte körperliche Aktivität sowie die Verfügbarkeit und Zusammensetzung von Nahrungsmitteln. Diäten mit hohem Fettgehalt haben eine hohe Energiedichte und ihr übermäßiger Konsum führt zu einem Energieungleichgewicht, das letztendlich die Energiespeicherung als Fett und Fettleibigkeit fördert. Aberrante Aktivierung von Signalkaskaden und hormonelle Ungleichgewichte sind charakteristisch für diese Krankheit, und es wurde festgestellt, dass Mitglieder der Protein Kinase D (PKD) -Familie an mehreren Mechanismen der metabolischen Homöostase beteiligt sind. Daher zielten wir darauf ab die Rolle der Proteinkinase D2 (PKD2) bei der Regulation des Stoffwechsels zu untersuchen. Unsere Untersuchung begann mit einem Mäusemodell für die globale PKD2- Inaktivierung, welches es uns ermöglichte, eine direkte Beteiligung dieser Kinase an der Lipidhomöostase und Fettleibigkeit nachzuweisen. Die Inaktivierung von PKD2 schützte die Mäuse vor fettreicher diätbedingter Fettleibigkeit und verbesserte ihre Reaktion auf Glukose, Insulin und Lipide. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass die Inaktivierung von PKD2 die Absorption von Fett über den Darm begrenzte und die Energieausscheidung im Kot förderte, obwohl sich die Energieaufnahme oder der Energieverbrauch nicht änderten. Diese Ergebnisse wurden in einem Mäusemodell mit spezifischer Deletion von intestinaler PKD2 verifiziert. Diese Mäuse zeigten nicht nur eine verbesserte metabolische Fitness, sondern auch ein gesünderes Darmmikrobiomprofil. Zusätzlich verwendeten wir einen niedermolekularen PKD- Inhibitor, um zu beweisen, dass die lokale Hemmung von PKD2 im Darm ausreicht, um die Lipidabsorption zu hemmen. Die Verwendung des Inhibitors schützte die Mäuse nicht nur vor Fettleibigkeit, sondern verhinderte auch wirksam eine zusätzliche Gewichtszunahme, nachdem bei Mäusen bereits Fettleibigkeit festgestellt worden war. Mechanistisch haben wir festgestellt, dass PKD2 die Lipidaufnahme in Enterozyten durch Phosphorylierung von Apolipoprotein A4 (APOA4) und Regulation der Chylomicron-vermittelten Triglyceridabsorption reguliert. Die Deletion oder Inaktivierung von PKD2 erhöhte die Häufigkeit von APOA4 und verringerte die Größe der Chylomikronen und damit die Lipidabsorption aus der Nahrung. Darüber hinaus korrelierte die intestinale Aktivierung von PKD2 bei adipösen Patienten mit höheren Triglyceridspiegeln im Kreislauf und einem schädlichen Blutprofil. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass PKD2 ein Schlüsselregulator für die Aufnahme von Nahrungsfett im murinen und menschlichen Kontext ist und seine Hemmung zur Behandlung von Fettleibigkeit beitragen könnte