Syfte och frågeställningar Syftet med denna studie var att undersöka om förekomsten av och förhållandet mellan proteiner i mitokondrien, som är kopplade till oxidativ stress, skiljer sig åt mellan långsamma och snabba muskelfibrer. Frågeställningar: 1) Skiljer sig förekomsten av proteinerna Uncoupling protein 3 (UCP3), Adenine Nucleotide translocator (ANT) isoform 1 & 2, samt Superoxide dismutase (SOD2) åt i mitokondrier i snabba och långsamma muskelfibrer när man normaliserar för mitokondriemängd? 2) Finns det någon skillnad i uttryck av ovanstående proteiner samt Catalase mellan snabba och långsamma fibrer när man normaliserar för totalprotein (TP). Metod Enskilda muskelfibrer dissekerades ut från 8 frystorkade biopsier hos 4 män tagna i Vastus Lateralis och analyserades med immunoblotting. Fibrerna klassificerades som typ-1 (MHC-I) eller typ-2 (MHC-II) vartefter deras innehåll av mitokondriella proteiner analyserades. Citrate Synthase användes som markör till att normalisera för mitokondriedensitet medan Reactive Brown användes för att normalisera för mängden laddat totalprotein. Resultat ANT-2 visade tendens att ha 59 % högre förekomst i typ-2 fibrers mitokondrier (P=0,052). I övrigt sågs inga statistiska skillnader efter normalisering för mitokondriell densitet. Efter normalisering för endast totalprotein visade ANT-1 (P=0,01), SOD2 (P=0,002), CS (P=0,01) och ANT-2 (P=0,003) statistisk signifikans till att vara mer före kommande i typ-1 fibrer med 10, 25, 8 och 58 %. UCP3 visade tendens till signifikans (P=0,052) att vara 27 % mer uttryckt i typ-1 fibrer medan Catalase inte visade någon skillnad i uttryck mellan de olika fibertyperna. Slutsats Det verkar inte finnas generella inneboende skillnader i proteinmängd mellan mitokondrier i typ-1 och typ-2 fibrer utifrån dessa resultat. Men de mitokondriella proteinerna fanns mer uttryckt i typ-1 fibrer vilket indikerar på att fler mitokondrier finns i typ-1 fibrerna. Det bör dock inte uteslutas att det existerar skillnader på mitokondrienivå eftersom inga resultat nådde signifikant nivå. Studiens största fynd var att UCP3 visade tendens till att vara högre uttryckt i typ-1 fibrer, vilket säger emot existerande litteratur på human skelettmuskulatur. / Aim The puropse of this study was to investigate whether the expression of and the relation between mitochondrial proteins, that are associated with oxidative stress, differs among slow twitch and fast twitch muscle fibers. Research questions: 1) Does the prevalence of the proteins Uncoupling protein 3 (UCP3), Adenine Nucleotide Translocator (ANT isoform-1 & 2) and Superoxide Dismutase (SOD2) differ in fast and slow twitch muscle fibers when normalized for mitochondrial density? 2) Is there any difference in above mentioned proteins plus Catalase in expression between fast and slow twitch fibers when normalized for total protein content? Method Single muscle fibers were dissected from 8 freeze dried biopsies in 4 men, taken in the Vastus Lateralis, and analyzed with immunoblotting. Fibers were classified as type-1 (MHC-I) or type-2 (MHC-II) and then further analyzed for their protein content. Citrate Synthase was used as a marker to normalize for mitochondrial density while Reactive Brown was used to normalize for total protein content loaded. Results ANT-2 showed a tendency to be 59 % more abundant in the mitochondria of type-2 fibers (P=0,052). No other statistical differences after normalization for mitochondrial density were found. When normalizing for total protein, ANT-1 (P=0,01), SOD2 (P=0,002), CS (P=0,01) and ANT-2 (P=0,003) showed statistical significance to be more abundant in typ-1 fibers with 10, 25, 8 and 58% respectively. UCP3 showed a tendency to statistical significance (P=0,052) to be 27 % more abundant in type-1 fibers while Catalase did not show any difference in expression between the fiber types. Conclusions There seems to be no general differences between mitochondria in type-1 and type-2 fibers based on these results. However, the mitochondrial proteins are more expressed in type-1 fibers, which indicates that more mitochondria exist in the type-1 fibers. Nevertheless, it should not be ruled out that differences on mitochondrial level actually do exist given that no results reached statistical significance. The biggest discovery in this study was that UCP3 showed tendency to be more expressed in type-1 fibers, which contradicts existing literature on human skeletal muscle.

La proteïna desacoblant mitocondrial UCP3, expressada en teixits metabòlicament molt importants (muscular i adipós marró) i homòloga a la proteïna termogènica UCP1, ha estat motiu de nombrosos estudis en els darrers anys dirigits a determinar la seva funció. Són moltes les dades bioquímiques i cel·lulars obtingudes, però la realitat és que la seva funció fisiològica bàsica en l'organisme no es coneix encara amb claretat. Amb aquest objetiu i mitjançant l'estudi d'expressió gènica en múscul esquelètic i teixits adiposos de ratolí knockout per UCP3 hem observat que: 1. L'absència d'UCP3 per disrupció dirigida del seu gen en aquests ratolins no causa alteracions significatives d'expressió de gens implicats en estrés oxidatiu en múscul esquelètic de ratolins nounats, tot i que en aquest període l'expressió d'UCP3 es veu fortament induïda en el ratolí wild-type. 2. En ratolins adultsknockout per a UCP3 en procés d'envelliment no es produeixen alteracions significatives dels paràmetres metabòlics circulants i l'expressió de gens implicats en estrés oxidatiu i metabolisme energètic en múscul esquelètic, teixit adipós marró, teixit adipós blanc i fetge resulta mínimament afectada. L'anàlisi massiu d'expressió gènica en múscul mitjançant microarray de genoma complet, tampoc evidencia alteracions substancials. 3. L'exposició perllongada a una dieta hiperlipídica sense carbohidrats en ratolins en envelliment dóna lloc a un increment de pes corporal sense alteracions destacables a nivell de metabolits circulants. Aquesta dieta provoca un fort increment d'expressió de la proteïna d'UCP3 a múscul esquelètic. 4. La dieta hiperlipídica té efectes diferencials en els ratolins knockout per UCP3, que es manifiesten en un increment específic de còssos cetònics circulants i en alteracions de l'expressió de gens implicats en estrés oxidatiu i metabolisme energètic. Això es produeix especialment en teixit adipós marró i fetge, veient-se en general, incrementada l'expressió de gens del catabolisme lipídic. 5. Malgrat la baixada d'expressió de Pref-1 en teixits adults, aquest gen es mostra sensiblement regulat, induint-se en teixit adipós marró degut a la manca d'UCP3 i en teixit adipós blanc en resposta a la dieta hiperlipídica.El teixit adipós marró i el teixit adipós blanc tenen un paper oposat al balanç energètic de l'individu. Davant l'evidència de Pref-1 com a controlador negatiu de la diferenciació de l'adipòcit blanc, ens plantejàrem l'estudi de la seva funció biològica en teixit adipós marró així com la seva regulació mitjançant models cel·lulars d'adipòcits marrons en cultiu i models d'animals modificats genèticament. Els nostres resultats indiquen que: 1. L'absència de Pref-1 per disrupció dirigida del gen (ratolins knockout per Pref-1) causa alteracions morfològiques i d'expressió gènica en el teixit adipós marró durant el desenvolupament, consistents en una sobreactivació termogènica del teixit. Això suggereix un potencial papel repressor de Pref-1 en aspectes específics (programa termogènic) de la diferenciació del teixit adipós marró respecte el blanc. No obstant, aquesta alteració sembla no mantenir-se en ratolins adults sota un estímul termogènic. 2. A diferència del teixit adipós blanc, el desenvolupament del teixit adipós marró es dóna en el període fetal, en un context d'elevada expressió del gen Pref-1. 3. En adipòcits marrons, el gen Pref-1 té regulació positiva per C/EBP-beta i sobretot, per C/EBP-delta que actua com a factor de transcripció regulador del promotor gènic de Pref-1. Aquest fet explicaria la potent sobreinducció de Pref-1 en teixit adipós marró de ratolins knockout per C/EBP-alfa, on s'observa sobreexpressió de C/EBP-beta i C/EBP-delta. Aquests resultats indicarien un paper diferencial de C/EBP-delta sobre la diferenciació i expressió gènica de l'adipòcit marró respecte l'adipòcit blanc. / Study of UCP3 and Pref-1 gene regulation in muscular and adipose tissuesAbstract: Mitochondrial uncoupling protein 3 (UCP3) homologous to termogenic UCP1, is mainly expressed in muscular and brown adipose tissues but its physiological function remains unknown. We have carried out gene expression studies in skeletal muscle and adipose tissues of UCP3 knockout mice and we have observed: 1. UCP3 gene deletion in those mice does not impairs oxidative stress related gene expression in skeletal muscle from newborn mice, althought UCP3 gene expression is dramatically induced in wild-type mice during this period. 2. Ageing does not impairs blood parameters neither expression of genes related to oxidative stress and oxidative metabolism in skeletal muscle, brown (BAT) and white (WAT) adipose tissues and liver from knockout mice. Whole genome microarray did not show clear changes in gene expresion. 3. Long term high-fat carbohidrate free diet feeding during agening lead to body weight increase without any change in blood parameters, and a significant increase in UCP3 protein content in skeletal muscle. 4. This diet caused diferential effects on knockout mice: blood ketone bodies increment and impaired expression of genes related to oxidative stress and energetic metabolism. 5. Pref-1 gene is sensitively regulated in adult brown and white fat.BAT and WAT have and oposite role in energy balance. Since Pref-1 has been described as a negative regulator of white adipocyte differenciation, we have studied its biological function and regulation on brown adipocytes and on BAT. 1. Pref-1 gene disruption (Pref-1 knockout mice) impairs BAT morfology and gene expression during its development, consisting on a thermogenic overactivation. This suggest a specific potential repressor rol for Pref-1 compared to WAT differentiation. Nevertheless, these changes do not persist in adult mice under thermogenic stimulus. 2. Unlike WAT, BAT development take place in foetal period, in presence of a high Pref-1 gene expression. 3. In brown adipocytes, Pref-1 gene is positively regulated by C/EBP-beta and specially by C/EBP-delta transcription factors. This fact can explain Pref-1 strong overinduction in BAT from C/EBP-alpha knockout mice which also displays C/EBP-beta and C/EBP-delta overexpression. These results suggest differential rol for C/EBP-delta in brown adipocyte differentiation and gene expression compared to white adipocyte.

El presente trabajo de tesis doctoral se ha centrado en la determinación de la función fisiológica de la proteína desacopladora mitocondrial UCP3 en relación con la apoptosis y las especies reactivas de oxígeno (ROS). UCP3 es un miembro de la familia de transportadores mitocondriales que se expresa preferencialmente en el músculo esquelético. UCP3 es una proteína homóloga a la termogenina o proteína desacopladota UCP1. Ésta se expresa exclusivamente en tejido adiposo marrón dónde desempeña una función esencial en la termogénesis adaptativa, desacoplando la respiración mitocondrial de la fosforilación oxidativa con la consiguiente generación de calor. Así, como homólogo de la termogenina UCP3 podría desarrollar una actividad desacoplante mitocondrial influenciando el metabolismo energético celular, sin embargo su función biológica exacta continúa siendo fruto de controversia. En un primer trabajo, demostramos como la expresión ectópica de UCP3 en células de riñón humanas (293 HEK) mediante un sistema de expresión inducible sensible a tetraciclina, es consistente con un papel desacoplante mitocondrial de la proteína en la mitocondria de estas células. Observamos que la expresión de UCP3 no induce apoptosis directamente pero incrementa la sensibilidad a un agente inductor de apoptosis dependiente de vías de activación mitocondriales como es la staurosporina. Además, la inducción de UCP3 amuenta la sensibilidad del MPTP (mitochondrial transition pore) al calcio, facilitando la apertura del poro lo que se considera un evento crucial en la apoptosis dependiente de regulación mitocondrial. Estos datos sugieren una función de UCP3 en la regulación de la actividad del MPTP y sugieren que la presencia de UCP3 en la mitocondria sensibiliza a las células a los estímulos pro-apoptóticos que dependen de vías mitocondriales. Tras la obtención de los mencionados resultados, procedimos a inducir la expresión ectópica de UCP3 in vivo utilizando vectores adenovíricos dirigidos al hígado de ratón. El hígado normal no expresa ninguna proteína desacoplante y constituye por tanto un entorno ideal para determinar la función de UCP3. Resultados preliminares sugieren que la expresión ectópica de UCP3 no altera significativamente a parámetros metabólicos como la producción de ROS, aunque hallamos una estimulación de la apertura del MPTP en respuesta al calcio. Estos resultados procedentes de los estudios in vivo corroboran nuestros resultados previos obtenidos en líneas celulares en cultivo.Se cree que las proteínas desacoplantes podrían controlar la producción de ROS gracias a su capacidad para promover un desacoplamiento suave en la membrana mitocondrial interna. Hemos estudiado la función de UCP3 en su entorno natural de expresión, la célula del músculo esquelético, concretamente en lo que hace referencia a la muerte celular programada o apoptosis y las especies reactivas de oxígeno. Se demuestra que la expresión e UCP3 en miotubos no disminuye la producción de ROS, sino que incluso se incrementa en respuesta a un agente inductor de ROS como es la staurosporina. Igualmente, encontramos una sobreestimulación de la producción de ROS en respuesta a elevadas concentraciones de ácidos grasos, una situación en la que se estimula la expresión y actividad de las proteínas desacoplantes. Las ceramidas son productos secundarios del acúmulo de ácidos grasos capaces de inhibir la actividad de la cadena respiratoria mitocondrial. Los desacoplantes químicos pueden incrementar la producción de ROS en aquéllas situaciones en que la cadena respiratoria se encuentra inhibida. Pensamos que la sobre-inducción de ROS que observamos en presencia de UCP3 se deba a la acción conjunta de la proteína las ceramidas sobre la actividad respiratoria. Concluimos que UCP3 se comporta en los miotubos de forma compatible con una actividad desacoplante, promoviendo una sensibilización a la producción de ROS en respuesta a ciertos estímulos de estrés, como pueden ser un agente pro-apoptótico o elevadas concentraciones de ácidos grasos. Además, UCP3 promueve una sensibilización de la célula a la muerte programada inducida por estímulos dependientes de regulación mitocondrial. El análisis de la función de UCP3 en su entorno natural de expresión, el músculo esquelético, supuso además una profunda caracterización del comportamiento de la célula muscular ante los estímulos pro-apoptóticos. / My work of thesis has been focused on determining the role of mitochondrial uncoupling protein 3 (UCP3) in relation to apoptosis and reactive oxygen species (ROS). The mitochondrial uncoupling protein-3 is a member of the mitochondrial carrier protein family that is preferentially expressed in skeletal muscle. As a homologue of the thermogenic brown fat uncoupling protein-1, it possesses a mitochondrial uncoupling activity and thus can influence cell energy metabolism but its exact biological function remains unclear. We have previously proved that the induced expression of uncoupling protein-3 in the mitochondria of 293 cells using a tetracycline-inducible system was in agreement with its expected physiological behavior as an uncoupling protein (UCP). We observed that Uncoupling protein-3 expression did not cause apoptosis per se but increased the responsiveness of the cells to a mitochondrial apoptotic stimulus such as staurosporine, an apoptosis-inducer dependant on mitochondrial pathways. Moreover, the induction of uncoupling protein-3 increased the sensitivity of mitochondria to open the permeability transition pore (MPTP) in response to calcium, a well-known inducer of its opening which is a critical event in mitochondrial-driven apoptosis. This suggested for first time a role for UCP3 in cthe regulation of this channel activity. We could conclude that the presence of uncoupling protein-3 in mitochondria sensitizes cells to apoptotic stimuli involving mitochondrial pathways. Then, we induced in vivo ectopic expression of UCP3 in the liver of mice, using an adenoviral vector. Although preliminary, our results suggest that ectopic UCP3 expression is not significantly affecting to metabolic parameters or ROS production, but it is, as it happened in 293 cells, enhancing sensitivity of MPTP to its opening, corroborating our previous results. We are now characterizing the biochemical behaviour of UCP3 in the liver to finish a manuscript compelling all these results.Uncoupling proteins are thought to control ROS production due to their capacity to promote a mild uncoupling of the inner mitochondrial membrane. We have been studying UCP3 function in its natural environment of expression, the skeletal muscle cell. We have proved that UCP3 expression in myotubes does not decrease ROS production even in response to ROS-inducing agents such as staurosporine. In fact, it promotes enhanced ROS production in response to high fatty acid concentration. Ceramides are secondary products of fatty acid accumulation and can inhibit respiratory chain activity. Chemical uncouplers are known to increase ROS production in situations in which respiratory chain is inhibited. We are therefore currently exploring the possibility that ROS over-production could be due to the overlapping action of ceramides and UCP3.As a whole, we have demonstrated an involvement of UCP3 in apoptosis regulation and in the modulation of ROS production besides of performing a deep characterization of apoptosis responsiveness within skeletal muscle cell.

Malignant cells increase glycolysis and down regulate mitochondrial respiration for ATP production. Mechanisms for respiratory impairment in cancerous cells and their importance for carcinogenesis are not well defined. We found that expression of the respiration-inducing uncoupling protein 3 (UCP3) was normally expressed in murine skin and was greatly decreased in cutaneous malignancies. To better understand the significance of UCP3 in epidermal biology and to test the importance of respiratory changes in cancer development, we generated hemizygous mice expressing a keratin-5 promoter-UCP3 transgene (K5-UCP3). Compared to wild type, K5-UCP3 mice exhibited increased cutaneous mitochondrial respiration, had decreased mitochondrial membrane potential in isolated keratinocytes, and were completely resistant to chemically-induced skin carcinogenesis. We showed that the mechanism of UCP3-dependent cancer protection is most likely not due to increased intracellular heat production or ATP depletion in pre-cancerous cells. Therefore, because hair follicle "bulge" stem cells (bSC) are K5⁺ and progenitors of cutaneous carcinomas, we hypothesized that K5-UCP3 animals were protected from skin carcinogenesis due to alterations in their bSC population. Unlike WT, most (85%) hair follicle bulge regions in K5-UCP3 mice lost biochemical markers of quiescent bSC, but bSC functions were fully intact. Supporting our hypothesis that increased skin turnover protected K5-UCP3 mice from skin cancer; we showed that basal keratinocyte cell cycling was increased 3% in K5-UCP3 skin compared to WT. Moreover, the tumor promoter 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA) induced similar proliferative responses in both WT and K5-UCP3 skin, but the magnitude of TPA-induced skin thickening was greatly decreased in K5-UCP3 versus WT mice. Together with microarray, histochemical and in vitro morphologic analyses showing that keratinocyte differentiation was sharply increased in K5-UCP3 skin, this implies that UCP3 may increase keratinocyte transit from stem to differentiated daughter cells. Thus, the cancer resistance mechanism in K5-UCP3 mice likely stems from UCP3-induced mitochondrial respiration, which promotes the differentiation and abrogates the tumorigenicity of progenitor keratinocytes. This is the first demonstration in any context that UCP3 blocks carcinogenesis and promotes cellular differentiation. These observations support Warburg's contention that respiratory dysfunction promotes cancer development, and suggest that mitochondrial uncoupling may be a novel target for cancer prevention and treatment. / text

No description available.

Mitochondrial uncoupling proteins (UCPs) belong to the superfamily of mitochondrial anion-carriers. The longest known is UCP1, predominantly expressed in brown adipose tissue, where it takes part in nonshivering thermogenesis. In the late 1990s were discovered other sequence homologs of UCP1 with tissue specific distribution. The Function of these "new" uncoupling proteins is still uncertain. It is assumed that each of the isoforms has a specific function depending on the type of tissue. This thesis showed differences in tissue transcription pattern between rat and mice using RT-PCR absolute quantification. Significant differences in pattern were found in lungs, brain and muscle. In each case UCP expression was higher in mice tissues. Mice lungs express mainly UCP2. The difference in mice brain is caused by ucp4 and ucp5 genes transcription and finally in muscle is highest content of UCP3 mRNA. We investigated whether any of ucp transcript can complement ucp2 transcripton in spleen or lungs of ucp2 -/- mice. We did not find any difference which can explain, that in isolated lung mitochondria of fasted ucp2-/- mice were uncoupled in state 4. In the last project, we found relationship between ucp2 transcription in insulinoma INS-1E cells and oxygen levels of the cultivation atmosphere.