Energy sensing factors modulate expression of inflammatory mediators, mitochondria acetylation and drug metabolism in the liver

Abstract

Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α) and AMP-activated protein kinase (AMPK) are major factors regulating energy homeostasis. In this study, we aimed to investigate how energy flux affects several hepatic functions mediated by these factors. We define a novel role of PGC-1α and AMPK as modulators of the immune system in the liver. We show that PGC-1α is involved in the regulation of a cluster of genes related to the immune system, most importantly Interleukin 1 receptor antagonist (IL1Rn). Since PGC-1α is responsive to energetic stress associated with fasting or physical exercise, the same stimuli promote IL1Rn in hepatocytes. We identify AMPK as an independent inducer of IL1Rn and hypothesise that it could account for the anti-inflammatory effect of the antidiabetic drug metformin. We also demonstrate that metformin reduces expression of Sirtuin 3 (SIRT3) in hepatocytes and promotes acetylation of mitochondrial protein. We suggest that this mechanism, in spite of increased mitochondrial biogenesis, contributes to reduced ATP synthesis in metformin-treated samples. In addition, we demonstrate that Pregnane X receptor (PXR) is induced in the liver during fasting and by PGC-1α in hepatocytes. Furthermore, we describe a negative regulatory mechanism involving SIRT1, activated by pyruvate and interfering with PXR signaling. We show that SIRT1 attenuates PGC-1α-mediated co-activation of PXR and its target genes, i.e. Cyp3a11, with possible implications for drug and xenobiotic metabolism. In conclusion, we demonstrate how energetic stress affects various hepatic functions mediated by PGC-1α and AMPK. Moreover, we describe SIRT1 and metformin as factors capable of modulating this response.

Tiivistelmä

Peroksisomiproliferaattori-aktivoituvan reseptori gamman koaktivaattori 1α (PGC-1α) ja AMP:n aktivoima proteiinikinaasi (AMPK) ovat keskeisiä energiametabolian säätelijöitä. Tässä tutkimuksessa oli tavoitteena selvittää kuinka energiataso vaikuttaa useisiin, näiden tekijöiden säätelemiin maksan toimintoihin. Osoitamme että PGC-1α ja AMPK tekijöillä on ennestään tuntematon merkitys immuunijärjestelmän säätelyssä maksassa. Näytämme myös, että PGC-1α säätelee joukkoa geenejä, joiden tehtävä liittyy immuunijärjestelmään, tärkeimpänä Interleukiini 1 reseptori antagonistia (IL1Rn). Paastoon ja fyysiseen aktiivisuuteen liittyvä energiastressi aktivoi PGC-1α:aa ja näiden samojen stimuluksien havaittiin lisäävän myös IL1Rn tasoa hepatosyyteissä. Havaitsimme AMPK:n olevan itsenäinen IL1Rn indusori ja hypoteesimme mukaan tämä voi välittää diabeteslääkkeenä käytettävän metformiinin anti-inflammatorisia vaikutuksia. Osoitamme myös, että metformiini alentaa Sirtuiini (SIRT) 3:n ekspressiota maksasoluissa ja lisää mitokondriaalisten proteiinien asetylaatiota. Uskomme tämän mekanismin, huolimatta lisääntyneestä mitokondrioiden biogeneesistä, myötävaikuttavan vähentyneeseen ATP synteesiin metformiinikäsitellyissä näytteissä. Lisäksi osoitamme, että paasto ja PGC-1α indusoivat Pregnaani X reseptorin (PXR) ilmentymistä maksasoluissa. Kuvaamme myös PXR signalointiin vaikuttavan ja pyruvaatin aktivoiman, SIRT1:n välitteisen, negatiivisen säätelymekanismin. SIRT1 estää PGC-1α välitteistä PXR koaktivaatiota ja kohdegeenien, kuten Cyp3a11, aktivaatiota, millä voidaan olettaa olevan merkitystä lääkeaineiden ja vierasaineiden metaboliaan. Yhteenvetona osoitamme, että energiastressi PGC-1α:n ja AMPK:n välittämänä vaikuttaa useisiin maksan toimintoihin. Lisäksi näytämme, että SIRT1 ja metformiini voivat moduloida näitä vaikutuksia.