Investigating the effects of glucocorticoids and pro-inflammatory cytokines on oxidative stress in the HepG2 cell line
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is characterized by hyperglycemia, hyperinsulinemia, and the
inability of insulin-target tissues (the liver, adipose tissue, and skeletal muscle) to respond to
insulin. If target tissues are unable to respond to insulin to maintain glucose homeostasis,
insulin resistance develops, resulting in the onset of T2DM. Furthermore, oxidative stress is
defined as an imbalance of reactive oxygen species (ROS) and antioxidants linked to obesity,
cancer, and T2DM. Organelles such as mitochondria and transmembrane proteins such as NADPH oxidases
(NOX) generate ROS. NADPH oxidase 3 (NOX3)-derived ROS has been linked to insulin resistance in the
liver, which was investigated further in this project. In contrast, the antioxidant system is
important in eliminating ROS and nuclear factor erythroid- 2 related factor 2 (NRF-2) was
investigated as it is the most abundant antioxidant transcription factor in the liver.
Glucocorticoids, which are associated with the stress response, and inflammatory mediators such as
pro-inflammatory cytokines impair insulin signalling. However, the underlying cause of this
impairment is not fully understood and therefore the primary aim of this study was to examine if
oxidative stress contributes to stress- and inflammation-induced insulin resistance, either via
NOX3-derived ROS or by affecting the antioxidant system through NRF-2 regulation. The findings
showed that the synthetic glucocorticoid dexamethasone and the pro-inflammatory cytokines tumour
necrosis factor- alpha (TNF-α) and interleukin-6 (IL-6) impair insulin signalling at different
exposure times. Dexamethasone and TNF-α both increased ROS production (in the absence and presence
of insulin). While IL-6 only induced ROS production in the presence of insulin only. The increase
in ROS production was not accompanied by an increase in NOX3 mRNA or protein levels. The
downregulation of NOX3 mRNA expression was observed in response to TNF-α in the absence and
presence of dexamethasone. Similarly, IL-6 together with dexamethasone in the presence of insulin
upregulated NOX3 mRNA expression. Additionally, NRF-2 expression, which is inhibited by glycogen
synthase kinase-3 beta (GSK-3β), was not affected by any of the treatment conditions. To conclude
the findings of this study, indicate that although glucocorticoids and pro-inflammatory cytokines
cause hepatic oxidative stress, whether this ROS is produced via NOX3 or if the antioxidant system
via NRF-2 plays a role is unclear and
remains to be elucidated.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Tipe 2-diabetes mellitus (T2DM) word gekenmerk deur hiperglukemie, hiperinsulinemie en die onvermoë van insulien-teikenweefsels (die lewer, vetweefsel en skeletspier) om op insulien te reageer. As teikenweefsels nie in staat is om op insulien te reageer om glukosehomeostase te handhaaf nie, ontwikkel insulienweerstandigheid, wat lei tot die aanvang van T2DM. Verder word oksidatiewe stres gedefinieer as 'n wanbalans van reaktiewe suurstofspesies (ROS) en antioksidante wat gekoppel is aan vetsug, kanker en T2DM. Organelle soos mitochondria en transmembraanproteïene soos NADPH-oksidases (NOX) genereer ROS. NADPH oksidase 3 (NOX3)-afgeleide ROS is gekoppel aan insulienweerstand in die lewer, wat verder in hierdie projek ondersoek is. Daarteenoor is die antioksidantstelsel belangrik in die uitskakeling van ROS en kernfaktor eritroïed-2-verwante faktor 2 (NRF-2) is ondersoek aangesien dit die volopste antioksidant-transkripsiefaktor in die lewer is. Glukokortikoïede, wat met die stresreaksie geassosieer word, en inflammatoriese bemiddelaars soos pro-inflammatoriese sitokiene benadeel die insuliensein. Die onderliggende oorsaak van hierdie inkorting word egter nie ten volle verstaan nie en daarom was die primêre doel van hierdie studie om te ondersoek of oksidatiewe stres bydra tot stres- en inflammasie-geïnduseerde insulienweerstandigheid, hetsy via NOX3-afgeleide ROS of deur die antioksidantstelsel te beïnvloed deur NRF-2 regulasie. Die bevindinge het getoon dat die sintetiese glukokortikoïed deksametasoon en die pro-inflammatoriese sitokiene tumornekrosefaktor-alfa (TNF-α) en interleukien-6 (IL-6) die insuliensein by verskillende blootstellingstye benadeel. Deksametasoon en TNF-α het albei ROS-produksie verhoog (in die afwesigheid en teenwoordigheid van insulien). Terwyl IL-6 slegs ROS-produksie in die teenwoordigheid van insulien veroorsaak het. Die toename in ROS-produksie het nie gepaard gegaan met 'n toename in NOX3 mRNA of proteïenvlakke nie. Die afregulering van NOX3 mRNA uitdrukking is waargeneem in reaksie op TNF-α in die afwesigheid en teenwoordigheid van deksametasoon. Net so het IL-6 saam met deksametasoon in die teenwoordigheid van insulien NOX3 mRNA uitdrukking opgereguleer. NOX3-proteïenuitdrukking het onaangeraak gebly deur glukokortikoïede en pro-inflammatoriese sitokiene-behandeling sowel as NRF-2 mRNA en proteïenuitdrukking. Om te ondersoek of NRF-2 uitdrukking nie deur die proteïen uitdrukking van die NRF 2 inhiberende proteïen glikogeen sintase kinase-3 beta (GSK 3β) beïnvloed is nie, is ondersoek en gevind dat dit nie deur deksametasoon of die pro-inflammatoriese sitokiene beïnvloed word nie. Dus om af te sluit, dui die bevindinge van hierdie studie aan dat alhoewel glukokortikoïede en pro-inflammatoriese sitokiene hepatiese oksidatiewe stres veroorsaak, of hierdie ROS via NOX3 geproduseer word of die antioksidant sisteem via NRF-2 'n rol speel, is nog onduidelik en moet nog uitgeklaar word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Tipe 2-diabetes mellitus (T2DM) word gekenmerk deur hiperglukemie, hiperinsulinemie en die onvermoë van insulien-teikenweefsels (die lewer, vetweefsel en skeletspier) om op insulien te reageer. As teikenweefsels nie in staat is om op insulien te reageer om glukosehomeostase te handhaaf nie, ontwikkel insulienweerstandigheid, wat lei tot die aanvang van T2DM. Verder word oksidatiewe stres gedefinieer as 'n wanbalans van reaktiewe suurstofspesies (ROS) en antioksidante wat gekoppel is aan vetsug, kanker en T2DM. Organelle soos mitochondria en transmembraanproteïene soos NADPH-oksidases (NOX) genereer ROS. NADPH oksidase 3 (NOX3)-afgeleide ROS is gekoppel aan insulienweerstand in die lewer, wat verder in hierdie projek ondersoek is. Daarteenoor is die antioksidantstelsel belangrik in die uitskakeling van ROS en kernfaktor eritroïed-2-verwante faktor 2 (NRF-2) is ondersoek aangesien dit die volopste antioksidant-transkripsiefaktor in die lewer is. Glukokortikoïede, wat met die stresreaksie geassosieer word, en inflammatoriese bemiddelaars soos pro-inflammatoriese sitokiene benadeel die insuliensein. Die onderliggende oorsaak van hierdie inkorting word egter nie ten volle verstaan nie en daarom was die primêre doel van hierdie studie om te ondersoek of oksidatiewe stres bydra tot stres- en inflammasie-geïnduseerde insulienweerstandigheid, hetsy via NOX3-afgeleide ROS of deur die antioksidantstelsel te beïnvloed deur NRF-2 regulasie. Die bevindinge het getoon dat die sintetiese glukokortikoïed deksametasoon en die pro-inflammatoriese sitokiene tumornekrosefaktor-alfa (TNF-α) en interleukien-6 (IL-6) die insuliensein by verskillende blootstellingstye benadeel. Deksametasoon en TNF-α het albei ROS-produksie verhoog (in die afwesigheid en teenwoordigheid van insulien). Terwyl IL-6 slegs ROS-produksie in die teenwoordigheid van insulien veroorsaak het. Die toename in ROS-produksie het nie gepaard gegaan met 'n toename in NOX3 mRNA of proteïenvlakke nie. Die afregulering van NOX3 mRNA uitdrukking is waargeneem in reaksie op TNF-α in die afwesigheid en teenwoordigheid van deksametasoon. Net so het IL-6 saam met deksametasoon in die teenwoordigheid van insulien NOX3 mRNA uitdrukking opgereguleer. NOX3-proteïenuitdrukking het onaangeraak gebly deur glukokortikoïede en pro-inflammatoriese sitokiene-behandeling sowel as NRF-2 mRNA en proteïenuitdrukking. Om te ondersoek of NRF-2 uitdrukking nie deur die proteïen uitdrukking van die NRF 2 inhiberende proteïen glikogeen sintase kinase-3 beta (GSK 3β) beïnvloed is nie, is ondersoek en gevind dat dit nie deur deksametasoon of die pro-inflammatoriese sitokiene beïnvloed word nie. Dus om af te sluit, dui die bevindinge van hierdie studie aan dat alhoewel glukokortikoïede en pro-inflammatoriese sitokiene hepatiese oksidatiewe stres veroorsaak, of hierdie ROS via NOX3 geproduseer word of die antioksidant sisteem via NRF-2 'n rol speel, is nog onduidelik en moet nog uitgeklaar word.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2023.