Transendothelialer Lipoproteintransport durch CD36 und Caveolin-1 im braunen Fettgewebe

Abstract

Braunes Fettgewebe (BAT) ist ein stoffwechselaktives Organ, welches in der Lage ist, den Abbau von Lipoproteinpartikel maßgeblich zu beeinflussen. Aktiviertes braunes Fettgewebe reguliert durch die Internalisierung von triglyzeridreichen Lipoproteinen (TRL) dabei die Konzentration der Triglyzeride im Blutplasma. Bislang konnte gezeigt werden, dass die TRL-Aufnahme stark von der lokalen Aktivität der Lipoprotein Lipase und dem Fettsäuretransporter CD36 abhängt. Es wird diskutiert, ob weitere Proteine wie Caveolin-1 (Cav1) bei diesem Prozess involviert sein könnten. Allerdings war der molekulare Mechanismus der TRL-Aufnahme in das braune Fettgewebe zu Beginn der vorliegenden Doktorarbeit noch nicht bekannt. In dieser Arbeit konnten Erkenntnisse über den Beitrag von verschiedenen Zelltypen (Endothelzellen, Makrophagen und braunen Fettzellen) sowie Schlüsselmolekülen für die BAT-vermittelte Lipoprotein-Internalisierung erlangt werden. Außerdem konnten Einblicke in die intrazelluläre Lipoprotein-Prozessierung gegeben werden. Durch die Visualisierung der TRL-Aufnahme mit Fluoreszenz-markierten postprandialen Lipoproteinen konnte gezeigt werden, dass ganze TRL-Partikel nach kurzfristiger Kälteexposition von dem braunen Fettgewebe internalisiert wurden. Interessanterweise wurde die Expression von Proteinen, welche die Lipid- und Lipoprotein-Prozessierung regulieren, vorwiegend in Endothelzellen des aktivierten braunen Fettgewebes induziert. Kälteexposition induzierte u.a. die Expression von Cd36 nur in Endothelzellen, während die Expression von Cd36 in braunen Adipozyten nicht verändert wurde. Die Expression von Cav1 hingegen war nicht verändert. Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass ganze TRL-Partikel hauptsächlich von Kälte-aktivierten Endothelzellen internalisiert wurden, während die hydrolysierten Triglyzerid-Komponenten der TRL zu braunen Adipozyten transportiert wurden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass dieser Prozess bei Mäusen mit CD36-Defizienz stark beeinträchtigt ist. Eine Defizienz für Cav1 hatte allerdings einen geringeren Einfluss auf die endotheliale TRL-Internalisierung. Des Weiteren konnte durch Kolokalisationsstudien der TRL mit dem lysosomalen Kompartiment gezeigt werden, dass TRL in Endothelzellen in die Lysosomen transportiert werden. Darüber hinaus hat die Aktivierung des braunen Fettgewebes eine anti-inflammatorische Wirkung und beeinflusst die Polarisation der Makrophagen zugunsten eines M2 Typs. Abschließend konnte gezeigt werden, dass Endothelzellen im braunen Fettgewebe eine Schlüsselrolle bei der Endozytose der TRL-Partikel spielen, wobei dieser Prozess maßgeblich durch CD36 vermittelt wird. Cav1 ist dabei ein wichtiger Faktor für die Integrität der endothelialen Barriere. Durch die effiziente intrazelluläre Prozessierung der TRL in den Lysosomen der Endothelzellen können die braunen Adipozyten ausreichend mit Kraftstoff für die Thermogenese versorgt werden.

Brown adipose tissue (BAT) is a powerful organ that influence lipoprotein metabolism decisively. Activated brown adipose tissue controls plasma triglyceride levels through mechanisms involving lipoprotein internalization into BAT. The master regulator of vascular TRL processing, lipoprotein lipase (LPL) was crucial for lipoprotein entry into BAT. In addition, the presence of the fatty acid transporter CD36 facilitated TRL particle internalization into BAT. Other proteins like caveolin-1 (Cav1) may also be implicated in this process. However, the molecular mechanisms underlying lipoprotein trafficking into BAT are unclear. Here, the contribution of endothelial cells, macrophages and brown adipocytes to BAT-mediated lipoprotein processing were elucidated, key molecules involved in the internalization were delineated and insights into the intracellular lipoprotein processing machinery were given. Tracking the entire route of lipoproteins with fluorescently labeled postprandial lipoproteins in mice could demonstrate that entire lipoprotein particles were internalized into brown adipose tissue. Interestingly, the expression of proteins known to regulate lipoprotein clearance was induced primarily in endothelial cells of cold-activated BAT. Cold exposure induced among others the expression of fatty acid transporter Cd36 only in BAT endothelial cells, while expression of Cd36 in brown adipocytes was not altered. Expression of Cav1 was not altered. Mechanistically, whole TRL particles were predominantly taken up by activated BAT endothelial cells, while triglyceride-derived fatty acids were massively shuttled into brown adipocytes. This process was abolished in mice lacking CD36. However, the deficiency for Cav1 had minor influence on endothelial TRL uptake. Co-Localization of TRL with the lysosomal compartment indicates lysosomal processing for efficient lipid transfer to brown adipocytes. In addition, BAT activation has an anti-inflammatory effect and affects the polarization of macrophages in favour of the M2 phenotype. In conclusion, it was demonstrated that endothelial cells play a key role in TRL particle internalization into BAT in a CD36-dependent manner. Cav1 is an important factor for die integrity of the endothelial barrier. The efficient intracellular processing of TRL within lysosomes of endothelial cells provides sufficient fuels for brown adipocyte thermogenesis.