Increased flux through the hexosamine biosynthetic pathway leads to the induction of acetol-CoA caboxylase gene expression in the heart
Date
2008-03
Authors
Imbriolo, Jamie
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Gene expression of the cardiac isoform of acetyl-CoA carboxylase (ACCb) is induced
in a glucose-dependent manner. ACCb produces malonyl-CoA, a potent inhibitor of
mitochondrial fatty acid uptake. Previous studies show that increased flux through the
hexosamine biosynthetic pathway (HBP) under hyperglycaemic conditions may
contribute to the development of insulin resistance. In light of this, we hypothesised
that increased HBP flux induces cardiac ACCb gene expression thereby contributing
to the onset of insulin resistance.
We tested our hypothesis by transiently transfecting cardiac-derived rat H9c2
myoblasts with a 1,317 bp human ACCb promoter-luciferase construct (pPIIb-1317)
and an expression construct encoding the rate-limiting step of the HBP i.e. glutamine:
fructose 6-phosphate amidotransferase (GFAT). Overexpression of GFAT increased
ACCb gene promoter activity by 75 ± 23% versus controls (n=6, p<0.001). When cotransfection
experiments were repeated in the presence of varying concentrations of
L-glutamine (0 mM, 4 mM, 8 mM), a substrate for the HBP, ACCb promoter activity
was dose-dependently increased. To further corroborate these findings, we
employed two inhibitors of GFAT, i.e. 40 μM azaserine and 40 μM 6-diazo-5-oxo-Lnorleucine
were administered to transfected cells for a period of 24 hours. Here both
azaserine and 6-diazo-5-oxonorleucine attenuated ACCb gene promoter activity.
In agreement, co-transfections with two dominant negative GFAT constructs also
diminished ACCb gene promoter activity. We next inhibited two enzymes of the HBP
acting downstream of GFAT, i.e. O-GlcNAc transferase and O-GlcNAcase using
alloxan (0.1 mM, 1 mM and 2 mM) and streptozotocin (5 mM and 10 mM), respectively, for a period of 24 hours. Addition of alloxan attenuated ACCb gene
promoter activity by 35.6 ± 1.9% (n=16, p<0.001) and streptozotocin increased
activity by 32 ± 12% (n=12, p<0.001). We also investigated USF1 and USF2 as
transcriptional regulatory candidates for HBP-induced ACCβ promoter regulation.
Our data implicates USF2 as an important transcriptional regulator of HBP-induced
ACCβ promoter regulation.
In summary, this study demonstrates that increased flux through the hexosamine
biosynthetic pathway induces ACCb gene promoter activity. We further propose that
such an induction would reduce cardiac fatty acid oxidation, thereby leading to
intracellular lipid accumulation due to a mismatch between sarcolemmal FA uptake
and mitochondrial FA oxidation in the insulin resistant setting (i.e. hyperlipidaemia).
AFRIKAANSE OPSOMMING: Geen uitdrukking van die kardiale isoform asetiel-KoA karboksilase (ACCb) word in ‘n glukose afhanklike wyse geïnduseer. ACCb produseer maloniel-KoA, ‘n kragtige inhibeerder van mitochondriale vetsuuropname. Vorige studies toon aan dat verhoogde fluks deur die heksosamien biosintestiese weg (HBW) onder hiperglukemiese toestande bydra tot die ontwikkeling van insulienweerstand. In die lig hiervan, word daar gehipotetiseer dat verhoogde HBP fluks kardiale ACCb geenuitdrukking induseer en so bydra tot die ontstaan van insulienweerstand. Ons hipotese is getoets deur die kardiale afkomstige rot H9c2 mioblaste met ‘n 1.317 bp mens ACCb-lusiferase promotor konstruk (pPII-1317) te transfekteer en ‘n uitdrukking te konstrueer wat die tempo bepalende stap van HBP i.e. glutamien: fruktose-6-fosfaat amidotransferase (GFAT) kodeer. Ooruitdrukking van GFAT verhoog ACCb geenpromotor aktiviteit deur 75 ± 23% teenoor kontrole (n=6, p<0.001). Die herhaling van ko-transfeksie eksperimente is herhaal in die teenwoordigheid van variëerbare L-glutamienkonsentrasies (0 mM, 4 mM, 8 mM), ’n substraat vir die HBP, ACCb promotor aktiwiteit is dosisafhanglik verhoog. Om die bevindinge verder te staaf, is twee inhibeerders van GFAT, i.e. 40 μM azaserien en 40 μM 6-diazo-5-oxo-L-norleusien aan transfeksie selle toegedien vir ’n tydperk van 24 uur. Beide azaserien en 6-diazo-5-oxo-L-norleusien verlaag ACCb geenpromotor aktiwiteit. In ooreenstemming met die bogenoemde het ko-transfeksies met twee dominante negatiewe GFAT konstrukte ook ACCb geenpromoter aktiwiteit verminder. Die volgende stap is om twee ensieme van die HBP wat stroomaf van GFAT aktief is, vir ‘n periode van 24 uur te inhibeer i.e. O-GlcNAc transferase en O-GlcNAcase deur alloxan (0.1 mM, 1 mM en 2 mM) and streptozotosien (5 mM en 10 mM) onderskeidelik vir ‘n 24 uur periode te gebruik. Toevoeging van alloxan het die ACCb geenpromotor aktiwiteit by 35.6 ± 1.9% (n=16, p<0.001) verlaag en streptozotosien aktiwiteit verhoog by 32 ± 12% (n=12, p<0.001). Ons het ook die USF1 en USF2 as transkripsie regulerings kandidate vir HBP-geïnduseerde ACCβ promotor regulering ondersoek. Ons data impliseer dat USF2 as ‘n belangrike transkripsie reguleerder van HBP-geïndiseerde ACCβ promotor regulering is. Samevattend het hierdie studie demonstreer dat verhoogde fluks deur die hexosamien biosintetiese weg ACCb geenpromotor aktiwiteit induseer. Ons stel verder voor dat hierdie induksie die kardiale vetsuuroksidasie verlaag wat daartoe lei dat intrasellulêre lipied akkumulasie as gevolg van onparing tussen sarkolemma vetsuuropname en mitochondriale vetsuuroksidasie in ’n insulien weerstandige situasie (i.e. hiperlipidaemia).
AFRIKAANSE OPSOMMING: Geen uitdrukking van die kardiale isoform asetiel-KoA karboksilase (ACCb) word in ‘n glukose afhanklike wyse geïnduseer. ACCb produseer maloniel-KoA, ‘n kragtige inhibeerder van mitochondriale vetsuuropname. Vorige studies toon aan dat verhoogde fluks deur die heksosamien biosintestiese weg (HBW) onder hiperglukemiese toestande bydra tot die ontwikkeling van insulienweerstand. In die lig hiervan, word daar gehipotetiseer dat verhoogde HBP fluks kardiale ACCb geenuitdrukking induseer en so bydra tot die ontstaan van insulienweerstand. Ons hipotese is getoets deur die kardiale afkomstige rot H9c2 mioblaste met ‘n 1.317 bp mens ACCb-lusiferase promotor konstruk (pPII-1317) te transfekteer en ‘n uitdrukking te konstrueer wat die tempo bepalende stap van HBP i.e. glutamien: fruktose-6-fosfaat amidotransferase (GFAT) kodeer. Ooruitdrukking van GFAT verhoog ACCb geenpromotor aktiviteit deur 75 ± 23% teenoor kontrole (n=6, p<0.001). Die herhaling van ko-transfeksie eksperimente is herhaal in die teenwoordigheid van variëerbare L-glutamienkonsentrasies (0 mM, 4 mM, 8 mM), ’n substraat vir die HBP, ACCb promotor aktiwiteit is dosisafhanglik verhoog. Om die bevindinge verder te staaf, is twee inhibeerders van GFAT, i.e. 40 μM azaserien en 40 μM 6-diazo-5-oxo-L-norleusien aan transfeksie selle toegedien vir ’n tydperk van 24 uur. Beide azaserien en 6-diazo-5-oxo-L-norleusien verlaag ACCb geenpromotor aktiwiteit. In ooreenstemming met die bogenoemde het ko-transfeksies met twee dominante negatiewe GFAT konstrukte ook ACCb geenpromoter aktiwiteit verminder. Die volgende stap is om twee ensieme van die HBP wat stroomaf van GFAT aktief is, vir ‘n periode van 24 uur te inhibeer i.e. O-GlcNAc transferase en O-GlcNAcase deur alloxan (0.1 mM, 1 mM en 2 mM) and streptozotosien (5 mM en 10 mM) onderskeidelik vir ‘n 24 uur periode te gebruik. Toevoeging van alloxan het die ACCb geenpromotor aktiwiteit by 35.6 ± 1.9% (n=16, p<0.001) verlaag en streptozotosien aktiwiteit verhoog by 32 ± 12% (n=12, p<0.001). Ons het ook die USF1 en USF2 as transkripsie regulerings kandidate vir HBP-geïnduseerde ACCβ promotor regulering ondersoek. Ons data impliseer dat USF2 as ‘n belangrike transkripsie reguleerder van HBP-geïndiseerde ACCβ promotor regulering is. Samevattend het hierdie studie demonstreer dat verhoogde fluks deur die hexosamien biosintetiese weg ACCb geenpromotor aktiwiteit induseer. Ons stel verder voor dat hierdie induksie die kardiale vetsuuroksidasie verlaag wat daartoe lei dat intrasellulêre lipied akkumulasie as gevolg van onparing tussen sarkolemma vetsuuropname en mitochondriale vetsuuroksidasie in ’n insulien weerstandige situasie (i.e. hiperlipidaemia).
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2008.
Keywords
Heart -- Metabolism, Insulin resistance, Hyperlipidemia, Fatty acids -- Metabolism, Glucose -- Metabolism, Hexosamine biosynthetic pathway, Theses -- Physiology (Human and animal), Dissertations -- Physiology (Human and animal)