Lipid droplets under stressful conditions

• Main Author: Khatchadourian, Armen
• Other Authors: Dusica Maysinger (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Biology - Cell
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=116901

Lipid droplets (LDs) are phylogenetically conserved and ubiquitous organelles with many cellular functions. In the last two decades, our understanding of LD biology and of their roles in physiological processes has increased dramatically. In addition, increasing evidence suggests that LDs are highly involved in inflammatory processes, and in metabolic disorders such as type 2 diabetes mellitus (T2DM). Despite such advancement, many aspects of LD biology and of their roles in health and disease remain unknown.The core of LDs is highly enriched with neutral lipids and these can be mobilized to provide metabolic energy. The phospholipid monolayer surrounding the LD core is associated with a wide variety of proteins, including structural and signaling proteins, as well as metabolic enzymes. While LDs may be induced by physiological stimuli such as dietary fatty acids, they can also be formed under stressful conditions, in the absence of such fatty acids. However, exactly how cellular stress leads to LD accumulation remains unclear. Our main objective is to understand the regulation of LD formation under stressful conditions, specifically oxidative stress, inflammation, and metabolic stress. We first investigated LDs in cells exposed to environmental stressors, namely cytotoxic metallic nanoparticles and reactive oxygen species. LD formation and expression of perilipin-2, a key structural LD protein, were highly increased in rodent cells exposed to these stress agents. Interestingly, supplementation with antioxidant N-acetyl cysteine or pharmacological inhibition of p38 mitogen activated protein kinase (MAPK) reduced stress-induced LD accumulation, suggesting that oxidative stress and p38 MAPK activation play a role in the induction of LD formation. Inflammatory leukocytes and macrophages contain a large number of LDs. While this phenomenon has been widely investigated in peripheral immune cells, its explanation remains elusive in immune cells of the central nervous system. We therefore investigated LD dynamics and regulation in microglia, the resident immune cells in the brain. We found that stimulation of microglia with toll-like receptor 4 (TLR4) agonist, lipopolysaccharides (LPS), increased LD formation and perilipin-2 expression in an Akt and p38 MAPK-dependent manner. Interestingly, LPS-induced LDs extensively colocalized with cytosolic phospholipase A2-α (cPLA2-α), a key enzyme involved in the synthesis of eicosanoids, which are inflammatory lipid mediators. Collectively, these findings imply that LD formation may contribute to increased eicosanoid synthesis in activated microglia and could be microglial biomarkers of inflammation in the central nervous system. To gain a better insight into the role of LDs in human pathology, we sought to examine alterations in LD metabolism in pancreatic tissue obtained from T2DM and obese individuals. Immunohistochemical studies revealed increased islet and extra-islet perilipin-2 expression in tissues from lean or obese T2DM donors, but not in non-T2DM obese donors, suggesting that the diabetic status, but not the obesity status, is a requirement for increasing perilipin-2 expression and LD formation. Gene expression analysis by RT-qPCR confirmed the increase in perilipin-2 expression and revealed significant alterations in several genes related to islet function, metabolism and antioxidant defense. These alterations seem to be consistently associated with obesity and T2DM and imply an adaptive and compensatory response to insulin resistance and metabolic stress. In summary, our studies show that LDs are an integral part of the adaptive cellular response to oxidative, inflammatory and metabolic stress. Perhaps, the most important challenge in LD research in the upcoming decade will be to determine how the subcellular lipid and protein composition of this organelle affects its function in different cells. === Les gouttelettes lipidiques (GL) sont des organites phylogénétiquement conservées et impliquées dans plusieurs fonctions cellulaires. Durant les deux dernières décennies, notre compréhension des rôles biologiques et physiologiques des GL a augmenté de manière draconienne. Plusieurs observations suggèrent fortement que les GL jouent un rôle important dans l'inflammation, ainsi que dans les désordres métaboliques tels que le diabète de type 2 (DT2). Malgré cette avancée, plusieurs aspects de la biologie des GL et de leurs rôles dans des maladies demeurent méconnus.Le centre des GL est riche en lipides neutres qui peuvent se mobiliser et servir comme source d'énergie. La couche phospholipidique entourant le centre de la GL est associée à plusieurs protéines et enzymes métaboliques. Bien que les GL puissent être induites par des acides gras, elles peuvent aussi l'être dans des conditions de stress. Par contre, les mécanismes de l'accumulation de GL par des conditions de stress ne sont pas encore bien compris. Notre objectif principal est de comprendre la régulation de la formation de GL par le stress oxydatif, l'inflammation et le stress métabolique. Premièrement, nous avons investigué les GL dans des cellules exposées à des stresseurs tels que des nanocrystaux métalliques et des dérivés réactifs d'oxygène. La formation de GL et l'expression de perilipin-2, qui est une protéine structurelle des GL, ont tous deux augmenté dans les cellules stressées. De plus, une supplémentation en antioxydant (n-acétylcystéine) ou un traitement avec un inhibiteur de p38 MAPK a réduit l'accumulation de GL causée par le stress. Ces observations suggèrent que le stress oxydatif et p38 MAPK jouent un rôle dans l'accumulation de GL dans des cellules stressées. Il est bien connu que les leucocytes et macrophages qui sont engagés dans l'inflammation contiennent une grande quantité de GL. Même si ce phénomène a bien été exploré dans les cellules immunitaires périphériques, il reste inexploré dans le système nerveux central (SNC). Ce faisant, nous avons investigué la dynamique et la régulation des GL dans les microglies, les cellules résidentes immunitaires dans le cerveau. Nous avons trouvé que dans les microglies stimulées avec les lipopolysaccharides (LPS), les GL et l'expression de perilipin-2 ont augmenté d'une manière dépendante de l'activation de l'Akt et p38 MAPK. Dans ces cellules activées, la phospholipase cytosolique A2-α (PLC A2-α), une enzyme fonctionnant dans la synthèse d'éicosanoides, des médiateurs lipidiques inflammatoires, colocalisait avec les GL. Ensemble, ces résultats indiquent que la formation de GL pourrait contribuer à la synthèse d'éicosanoides dans les microglies activées et servir de biomarqueurs d'inflammation dans le SNC.Pour mieux comprendre le rôle des GL dans la pathologie humaine, nous les avons examinées dans des tissues pancréatiques provenant de patients obèses ou diabétiques T2. Nos études immunohistochimiques ont révélé une augmentation de perilipin-2 dans les îlots de Langerhans chez les patients diabétiques obèses ou maigres, mais pas dans ceux de patients non-diabétiques. Ceci suggère que le DT2, mais non l'obésité, est requis pour une augmentation de perilipin-2 dans le pancréas. L'analyse d'expression de gènes par RT-PCR a confirmé l'augmentation de perilipin-2 observé antérieurement dans les îlots et a également révélé des altérations dans des gènes reliés aux fonctions des îlots, au métabolisme, et aux défenses anti-oxydantes. Ces changements, qui sont souvent associés à l'obésité et au DT2, constituent un mécanisme d'adaptation à la résistance à l'insuline et au stress métabolique.Pour résumer, nos études démontrent que l'accumulation de GL fait partie intégrante de l'adaptation des cellules au stress. Durant la prochaine décennie, le plus grand obstacle dans la recherche sur les GL sera de déterminer comment la composition lipidique ou protéinique de ces organites affecte leurs fonctions biologiques.