Role of O-GlcNAcylation and endoplasmic reticulum stress on obesity and insulin resistance

O-GlcNAc ve Endoplazmik Retikulum Stresinin Obezite ve İnsulin Direncindeki Rolü

Afsar Abbasi Taghidizaj, Gülizar AYDOĞDU, Erkan YILMAZ, Benan Pelin SERMİKLİ

Abstract

AbstractBackground: Obesity is a global public health problem. Obesity closely associated with various metabolic diseases such as; insulin resistance, hypertension, dyslipidemia and cardiovascular diseases. Endoplasmic reticulum (ER) stress is a critical factor for insulin resistance. O-linked N-acetyl-glucosamine (O-GlcNAc); is the post-translational modification which is has a vital role in biological processes; including cell signaling, in response to nutrients, stress and other extracellular stimuli.Materials and methods: In this study, we aimed to investigate the role of O-GlcNAc modification in the context of obesity and obesity-associated insulin resistance inadipose tissue. For this purpose, first, the visceral and epididymal adipose tissues of obese and insulin resistant C57BL/6 Lepob/Lepob and wild-type mice were used todetermine the O-GlcNAc modification pattern by western blot. Secondly, the external stimulation of O-GlcNAc modification in wild-type mice achieved by intraperitoneal 5 mg/kg/day glucosamine injection every 24 h for 5 days. The effect of increased O-GlcNAc modification on insulin resistance and ER stress investigated in adiposetissues of glucosamine challenged wild-type mice through regulation of the insulin signaling pathway and unfolded protein response (UPR) elements by western blot. In addition to that, the O-GlcNAc status of the insulin receptor substrate-1 (IRS1) investigated in epididymal and visceral adipose tissues of ob/ob, wild-type and glucosamine challenged mice by immunoprecipitation.Results: We found that reduced O-GlcNAc levels in visceral and epididymal adipose tissues of obese and insulin-resistant ob/ob mice, although interestinglywe observed that increased O-GlcNAc modification in glucosamine challenged wild-type mice resulted in insulin resistance and ER stress. Furthermore, we demonstrated that the IRS1 was modified with O-GlcNAc in visceral and epididymal adipose tissues in both ob/ob mice and glucosamine-injected mice, and was compatible withthe serine phosphorylation of this modification.Conclusion: Our results suggest that O-GlcNAcylation of proteins is a crucial factor for intracellular trafficking regulates insulin receptor signaling and UPR dependingon the cellular state of insulin resistance.

Özet

ÖzAmaç: Obezite tüm dünyanın bir sağlık sorunudur ve insülin direnci, hipertansiyon, dislipidemi ve kardiyovasküler hastalıklar gibi çeşitli metabolik hastalıklarla yakından ilişkilidir. Endoplazmik retikulum stresi insulin direncinde önemli faktörlerden biridir. O-bağlı N-asetilglikozamin (O-GlcNAc); besinlere, strese ve diğer hücre dışı uyaranlara cevap olarak hücre sinyali gibi sayısız biyolojik işlemlerde kritik roller oynayan post-translasyonel modifikasyonlardan biridir.Gereç ve Yöntem: Bu çalışmada, O-GlcNAc modifikasyonunun, yağ dokusunda obezite ve obezite ile ilişkili insülin direnci bağlamındaki rolünü araştırmayı amaçladık. Bu amaçla, önce obez ve insülin dirençli C57BL/6 Lepob/Lepob (ob/ob) ve kontrol C57BL/6 farelerin viseral ve epididimal adipoz dokularında western blot ile O-GlcNAc modifikasyonu ile alakalı Heksozamin biyosentez yolağı, insülin sinyal yolağı ve endoplazmik retikulum stres yolağı incelendi. İkinci olarak C57BL/6 farelerde O-GlcNAc modifikasyonunu stimüle etmek için bes gun boyunca her 24 satte 5 mg/kg/gun glukozamin intraperitoneal olarak uygulanmıştır. Glukozamin uygulanması ile artmış O-GlcNAc modifikasyonu koşullarının, insülin direnci, endoplazmik retikulum stresi ve heksozamin biyosentez yolağına etkileri adipoz dokularda western blot ile incelenmiştir. Buna ek olarak, İnsülin Reseptörü Substrat-1’in (IRS1) O-GlcNAc seviyeleri/statüsü ob/ob, ve glukozamin verilmiş farelerin epididimal ve visseral adipoz dokularında incelenmiştir.Bulgular: Obez ve insülin dirençli ob/ob farelerin viseral ve epididimal adipoz dokularında O-GlcNAc seviyelerinin azaldığı bulunmuştur. İlginç bir şekilde glukozaminle indüklenmiş O-GlcNAc modifikasyonunun, insülin direnci ve endoplazmik retikulum stresini artirdigi gözlenmiştir. Ayrıca, IRS1’in hem ob/ob farelerde hem de glukozamin enjekte edilmiş farelerin viseral ve epididimal adipoz dokularında O-GlcNAc ile modifiye edildiğini ve bu modifikasyonun serin fosforilasyonu ile uyumlu olduğu gösterilmiştir.Sonuç: Sonuçlarımız, proteinlerin O-GlcNAcillenmesinin hücre içi hemostazın düzenlenmesi için önemli bir faktör olduğunu ve hücrenin insülin direnci durumuna bağlı olarak insülin reseptörü sinyalini ve katlanmamış protein tepkisini düzenlediğini göstermektedir.