Roles of palmitate in regulation of autophagy and ER stress in hypothalamic cells

Abstract

Palmitate is a saturated fatty acid that is well known to induce endoplasmic reticulum (ER) stress and autophagy. A high-fat diet (HFD) increases the palmitate level in the hypothalamus, the main region of the brain regulating energy metabolism, and induces lipotoxic inflammation related to obesity and type 2 diabetes mellitus. Interestingly, hypothalamic palmitate level is also increased under starvation, demanding the study to distinguish the effects of elevated hypothalamic palmitate level under different nutrient conditions. Herein, I show that ER-phagy (ER-targeted selective autophagy) is an antecedent to ER stress and that palmitate decreases ER stress by inhibiting ER-phagy in hypothalamic cells under starvation conditions. Palmitate inhibited starvation-induced ER-phagy by increasing the level of B-cell lymphoma 2 (Bcl-2) protein, which inhibits autophagy initiation. These findings suggest that palmitate, unlike increases ER stress under nutrient-rich conditions, decreases ER stress in hypothalamic cells by inhibiting ER-phagy under starvation conditions.

|팔미테이트(palmitate)는 대표적인 포화지방산 중 하나로서 여러 세포에서 소포체 스트레스(ER stress)와 자가포식작용(autophagy)을 일으키는 것으로 잘 알려져있다. 지속적인 고지방 식이는 시상하부의 지방산 농도를 올리고, 이는 비만이나 대사장애로 이어진다. 흥미롭게도 팔미테이트를 포함한 지방산 농도는 굶주린 상태에서도 올라가는데 이 때 올라간 지방산은 여러 신체 부위에서 주로 연료로 쓰이나, 뇌 특히 시상하부에서 어떤 역할을 하는지에 대해서는 연구가 거의 되지 않았다. 본 논문에서는 시상하부 세포에 그냥 팔미테이트를 처리했을 때와 기아 조건(starvation)을 준 뒤 팔미테이트를 처리했을 때 각각 팔미테이트가 소포체 스트레스와 자가포식에 어떤 영향을 미치는지를 연구하였다. 시상하부 세포에 팔미테이트를 처리하면 소포체 스트레스와 자가포식작용이 일어나지만 팔미테이트 처리시간이 길어지면 자가포식작용이 망가지는 것을 확인하였다. 시상하부 세포를 기아 상태로 만들면 소포체를 타겟으로 한 자가포식, 즉 소포체자가포식(ER-phagy)이 일어나고 이 소포체자가포식은 소포체 스트레스에 선행된다. 놀랍게도 시상하부 세포를 굶길 때 팔미테이트를 함께 처리하면 기아로 인해 일어나던 소포체자가포식이 자가포식의 시작 단계인 자가포식체(autophagosome)형성 단계부터 저해되어 자가포식체 개수가 현저히 감소되었다. 소포체자가포식이 감소하였기 때문에 소포체자가포식 뒤에 일어나던 소포체 스트레스 또한 함께 감소하는 것을 확인하였고, 이 과정에서 항자가포식인자 중 하나인 Bcl-2라는 단백질이 증가하는 것을 관찰하였다. 넉다운(knockdown)실험을 통해 Bcl-2 양을 감소시켰을 때 팔미테이트가 기아로 인해 일어난 소포체자가포식을 막는 정도가 줄어들었고, 이에 따라 Bcl-2가 팔미테이트가 기아로 인한 소포체자가포식을 줄이는 데에 중추적인 역할을 한다는 것이 증명되었다. 팔미테이트 처리 혹은 굶주림 조건이 각각 단독으로는 소포체 스트레스를 올리는 사실에 비추어보았을 때, 이 두 조건을 함께 처리하였을 때 소포체 스트레스가 줄어든다는 것은 팔미테이트가 기아 상태라는 특정한 상황에서는 소포체 스트레스를 다르게 조절할 수 있다는 가능성을 시사한다. 영양 결핍 상태의 시상하부 세포에서 팔미테이트가 소포체자가포식과 소포체 스트레스를 줄이는 효과를 증명한 본 연구가 앞으로 시상하부 세포의 소포체자가포식 연구에 도움이 되기를 기대한다.