Eksamen i ERN 4210 14.12.2012 09:00 14:00

Eksamen i ERN 4210 14.12.2012 09:00 14:00 Begynn hvert hovedspørsmål på ny side (1-5). Oppgave 1 (LMGW). A. Beskriv, gjerne med figur, hvordan insulin stimulerer glukosetransport. B. Et høyt inntak av sukker og fett bidrar til hemmet insulin signalering, insulin resistens og diabetes. Gi eksempler på mekanismer for hemmet insulin signalering i respons på forhøyet næringsstilgang. C. Forklar hvordan et høyt inntak av glukose kan påvirke transkripsjon av gener. Oppgave 2 (BSS). A. Beskriv, gjerne med figur, hvordan AMP-kinase senser energistatus i en celle B. Beskriv, gjerne med figur, de viktigste metabolske endringene når AMPK aktiveres i muskel under fysisk aktivitet. C. Beskriv, gjerne med figur, aktiveringsveien av PKA fra hormon til aktivt enzym. Oppgave 3 (BSS/A+B, KTD/B+C). A. Hva er lipolyse? B. Beskriv, gjerne med figur, signalveien med hormon(er) som aktiverer lipolyse. C. Beskriv, gjerne med figur, forandringene som skjer på overflaten av lipiddråper i fettvev når lipolyse blir initiert. D. Hvilke medisinske tilstander er forventet om følgende gener er defekte (mutasjoner i forhold til normalen). Begrunn svarene. A: Perilipin 1 som mangler en stor del av den C-terminale delen, B: ATGL med et ikke funksjonelt katalytisk domene

Oppgave 4 (SOK). A. Forklar hvordan endringer i ulike matrikskomponenter i nyrene ved diabetes kan påvirke matriksdannelsen i basalmembranen i glomeruli og nyretubuli og hvordan dette kan bidra til proteinuri. B. Forklar hvordan proteoglykaner kan være involvert i retensjon av lipoproteiner i årevegg og hvilken rolle komponenter i ektracellulær matriks har ved fortykkelse av årevegg. C. Det påstås at dårlig leddfunksjon kan forbedres ved å bruke glukosamintilskudd eller en blanding av glukosamin og kondroitin. Legg fram mulige molekylære mekanismer for en eventuell positiv effekt av slike tilskudd og gi en vurdering av denne type tilskudd. Oppgave 5 (LMGW). A. Hva er kjernereseptorer (Nuclear receptors)? Gi eksempler og bruk gjerne illustrasjon for å belyse struktur (domener) og funksjon. B. Beskriv, gjerne med figur, hvordan næringsstoffer kan påvirke LXR aktivering og regulering av målgener. C. Beskriv hvordan kolesterol er essensielt for flere av kroppens funksjoner og hvorfor et høyt inntak av kolesterol kan øke risikoen for hjerte/karsykdom.

Svar: Oppg.1 A) Besvarelsen skal inkludere at insulinreseptoren (IR) har tyrosin kinaseaktivitet, at IR tyrosinfosforylerer IRS-1, hvilket fører til at PI 3-kinase binder seg og blir aktivert og fosforylerer fosfatidyl-inositol 4,5-bifosfat til fosfatidyl-inositol 3,4,5-trifosfat. Det skal forklares at Akt/PKB blir fosforylert og aktivert, hvilket fører til fosforylering av AS160 og translokasjon av GLUT4. B) Som eksempler på insulinresistens, har studentene sett at 1) serin-forforylering av IRS- 1 kan føre til insulinresistens. 2) Diabetisk muskel og fettceller (mus); glucose metabolisert til O-GlcNAc; økt O-GlcNAc i diabetisk muskel og fett. Insulin stimulering (10 min) gir translokasjon av OGT (O-GlcNAc transferasen) til plasmamembranen og Insulin-mediert Tyr-fosforylering og aktivering av OGT (negativ feedback). OGT O-GlcNAcylerer IRS-1 (hemmet binding IRS-1 til PI3- kinase), Akt (treonin 308), GSK3beta (serin 9) og Glykogen syntase. Økt O-GlcNAc hemmer på denne måten glukose opptak (mulig også via O-GlcNAcylering og hemming av proteiner involvert i Glut4 translokasjon til plasmamebranen) og glycogen lagring i respons på insulin. Ved insulin resistens og hyperglycemia i diabetes, O-GlcNAcyleres også transkripsjonsfaktoren Foxo som medfører økt glukoneogenese (glukose produkjson) i lever. Insulin hemmer vanligvis Foxo via fosforylering slik at den holdes inaktiv i cytoplasma via binding til proteinet 14-3-3. 3) Besvarelsen kan også forklare hvordan fett kan hemme insulinsignalering f.eks. via produksjon av ROS (overskudd av fett kan også aktivere HBP og O-GlcNAc). C) Høy glukose kan også aktivere gentranskripsjon via aktivering av ChREBP (Carbohydrate response element binding protein). Aktivering av ChREBP skjer sannsynligvis via G6P (pentosefosfatveien-aktivering av fosfatase-defosforylering) og transloklasjon av ChREBP til nukleus (studentene har også lært at ChREBP proteinet O-GlcNAcyleres som også bidrar til økt aktivitet (DNA binding til målgener) av denne transkripsjonsfaktoren. ChREBP reguleres (hemmes) også ved forforylering av AMPK og PKA (holdes i cytoplasma ved binding til 14-3-3). ChREBP målgener er lipogene gener i lever (omdannelse av sukker til fett i lever). Se også svar på oppgave 5B-hvor studentene har lært at både LXR og ChREBP kan reguleres av glucose via O- GlcNAcylering og aktivere lipogene gener. Høy glukose (i motsetning til lav glukose) kan også redusere AMPK aktivering og derved transkripsjon av gener som er regulert av AMPK. Oppgave 2. a) Svar: Den fysiologiske rollen til AMPK i cellen er å sense energi tilstanden i cellen ved å være følsom for forholdet mellom ATP og AMP. Katabolske prosesser lader opp batteriet ved å genere ATP fra ADP. I motsatt fall vil ATP forbrukende tilstander konvertere ATP til ADP, lade ut batteriet. I stressituasjoner vil ATP mengden avta og ADP mengden øke. Dette vil føre til at ADP overføres til AMP av adenylyl kinase. Økt mengde AMP sammen med lav ATP vil aktivere AMPK. AMPK vil gjenopprette energistatus ved å stimulere til katabolisme og hemme ATP-forbrukende prosesser.

b) Svar: AMPK aktiveres av høy AMP/ATP ratio og LKB1 forsforylering. Dette fører til 1) hemming av glykogensyntese gjennom hemmet glykogensyntase. 2) Hemmet proteinsyntese gjennom hemming av mtor. 3) økt opptak av fett, muligens gjennom å øke fettreseptorene FAT/CD36. 4) Hemming av AcetylcoA carboxylase (ACC). Dette fører til nedgang i MalonylCoA og økt opptak av fettsyrer i mitokondriene. Dette fører til økt beta-oksidasjon. 5) AMPK aktivering øker aktiviteten av PGC-1alfa som øker transkripsjonen av gener som øker mitokondrieaktivitet. c) Svar: Ulike hormoner som adrenalin (stress), glukagon (faste), lutiniserende hormon mf. binder G-protein koblede reseptorer på overflaten av en celle. Dette fører til splitting og aktivering av heterotrimere G-proteiner som består av en α, β og γ del i en α-del og en β/γ-del. Α-delen vil binde seg til og stimulere enten membranbundet eller cytoplasmaassosiert adenylyl kinase (AC). AC igjen katalyserer produksjon av camp fra ATP. Økt endogen camp vil aktivere bla. PKA. Syklisk AMP vil aktivere PKA ved å binde 2 molekyler camp til hver R-subenhet. Dette skjer allosterisk ved at B- setet for camp bindes først. Binding av B-setet fører til en konformasjonsendring i R- subenheten som igjen fører til som eksponering av camp A-setet. A-setet binder deretter camp. Binding av camp til A og B setene fører til en konformasjonsendring i PKA holoenzym med påfølgende frigjøring av C-subenhetene. Oppgave 3. A. Lipolyse er nedbrytning/hydrolyse av triglycerider lagret i lipiddråper (LDs) til frie fettsyrer (og glycerol). (Lipolyse er også nedbrytning av kolesterolestere (KE/CE (eng)) til frie fettsyrer og kolesterol; noen LDs lagrer KE, spesielt mye av i makrofager). B. Adrenalin (stress), og glukagon (faste) aktiverer lipolyse i henholdsvis fettceller og lever via G-koplede reseptorer og aktivering av PKA (se oppg 2) via aktivering (PKAmediert fosforylering) av hormon sensitiv lipase (HSL) i cytosol (en forutsetning er også PKA-mediert fosforylering av perilipin som gir en konformasjonsendring av perilipin på LD slik at HSL får tilgang til triglyceridene i LD (se svar til B). (At kun PKA aktiverer lipolyse er en forenkling, men PKA er svært sentral; andre kinaser er også mer eller mindre involvert avhengig av stimuli). C. I basal tilstand finnes perilipin1 i ikke-fosforylert tilstand på LD-overflaten (samt andre proteiner-se figur). Den C-terminale delen av Perilipin1 binder til seg cgi- 58/Abhd5. Det er trolig slik at denne interaksjonen hemmer aktiviteten til cgi-58. Perilipin beskytter innholdet i LD-kjernen fra lipolyse. Ved initiering av lipolyse

aktiveres PKA. PKA fosforylerer hormon sensitive lipase (HSL) og perilipin1 (perilipin1 har potensielt 6 fosforyleringsseter). (Se også figur for samspillet hormoner, reseptorer, PKA, perilipin, caveolin. Dette er blitt forelest av Bjørn med unntak av TNFa og Calsium). CGI-58 frigjøres fra perilipin 1 og binder til adipose triglyderide lipase (ATGL). CGI-58 fungerer som en koaktivator av ATGL som katalyserer nedbrytning av TG til DG. Fosforylering i den N-terminale delen av perilipin1 rekrutterer HSL som katalyserer nedbrytning av DG til MG. Disse molekylære forandringene gir >100-gangers forskjell i lipolytisk hastighet mellom basal og stimulert lipolyse. Følgende kan tenkes nevnt av A-kandidater : Fosforylering av sete 6 (Ser 517, C-terminalen) er nødvendig for at cgi58 skal frigjøres fra perilipin1. Fosforylering av sete 5 (Ser492) er nødvendig for fragmentering av LDer. Gir mer LD overflate, noe som er antatt å øke lipolytisk hastighet. Forsforylering i N-terminalen er viktig (men ikke essensielt) for rekrutering og binding av HSL til perilipin1. D. A: Partial Lipodystrophy. Når den C-terminale delen av perilipin mangler vil perilipin ikke binde og inaktivere cgi-58. Cgi-58 vil lettere binde seg til ATGL og rekrutere denne til overflaten av LDer. Dermed får en konstant forhøyet basal lipolyse. Resultatet er defekt i lagring av LDer i fettvev. B: Neutral lipid storage disease with mild myopathy (NLSDM). Uten ATGL vil triglyserid-lder hope seg opp i en rekke vev som normalt har høy turnover av LDer. Spesielt muskel og hjerte. (bonus om kan dette: Mus dør av hjertesvikt grunnet massiv akkumulering av LDer). I motsetning til hva en skulle forvente av navnet på genet (adipose triglyserid lipase) er det ikke store forandringer i fettvev, trolig fordi det normalt har lav degradering av LDer. Men mutasjonen er uheldig dersom det er nødvendig å frigjøre lagret energi (faste), grunnet mindre aktiv lipolyse.

Oppgave 4. A. Hyperglykemi gir nedsatt syntese av proteoglykaner i nyre, samtidig som syntesen av kollagen IV, fibronektin og laminin øker. Dette gir et dårligere nettverk som ikke er så godt og tett organisert som ved normaltilstander. Det dannes videre tykkere basalmembraner som er mer lekk. I tillegg vil nedgang i proteoglykanmengde og endret sulfatering gi mindre ladning i basalmembranene og dette vil gjøre at serumproteiner med negativ ladning,som albumin, lettere vil komme over i urinen. B. Proteoglykaner (PG) har negative sukkerkjeder glykosaminoglykaner. Disse kan binde til positive ladninger på apo-proteiner i lipoproteinene. Dette gjelder bl. a. apob i LDL. Denne prosess forsterkes når det er forhøyede lipoprotein-nivåer i plasma. Økt retensjon gir økt grad av modifisering av lipoproteiner. Økt modifisering, bl. a. oksidering og glykering, gir økt opptak i makrofager, bl. a. via scavengerreseptor. Et slikt opptak involvere PG på celleoverflaten. Økt opptak av modifisert LDL fremmer dannelse av skumceller/lipidrike makrofager. I den aterosklerotiske prosess øker antall glatte muskelceller i intima. Disse cellene produserer mye bindevev, inkludert proteoglykaner av typen versikan. Man ser også økte nivåer av kollagen og fibronektin. Økt mengde versikan vil også øke mulighetene for LDL til å binde seg via bl. a. apob. Økt matriksdannelse fremmer fibrosedannelse i årevegg. C. Glukosamin er byggestein i hyaluronsyre. Tilført glukosamin må omdannes til UDP-glukosamin. Kondroitin sulfat inneholder galaktosamin. Syntese av kondroitin sulfat er avhenging av dannelse av UDP-galaktosamin. Tilførte tilskudd må diffundere fra blodbanen til kondrocyttene. Mulige positive effekter kan være sekundære via vekstfaktorer som sitter bundet i preparatene. Mulige effekter hittil mye basert på metoder som er diskutable. Behov for mer objektive parametre. Oppgave 5. a. NRs are a class of proteins found within cells that are responsible for sensing sterroid, thyroid and peptide hormones, fatty acids, (oxygenated) cholesterol, retionic acid, vit D3, neurotransmitters. In response, these receptors work with other proteins, including coregulators to regulate the expression of specific genes, controlling reproduction, development, homeostasis, and metabolism. 48 NRs known in the human genome. Nuclear receptors have the ability to directly bind to DNA and regulate the expression of adjacent genes, hence these receptors are classified as transcription factors. The regulation of gene expression by nuclear receptors generally only happens when a ligand a molecule that affects the receptor's behavior is present. More specifically, ligand binding to a nuclear receptor results in a conformational change in the receptor, which, in turn, activates the receptor via association with coactivator complexes with intrinsic HAT activity (acetylation of Histones), resulting in upregulation of target gene expression (promoter contain consensus binding site for the NR). (NR-mediated down-regulation og genes-via other mechanisms-normally in the absence of ligand, may be induced by phosphorylation or other PTM; via recruitment

of corepressors with HDAC activity or via transrepression-lxr/ppar not binding to DNA itself-transrepresjon har ikke vært forelest). a. b. c. d. e. f. b. NRs binder DNA og korepressorer i fravær av ligand (Merk at noen post-translasjonelle modifikasjoner (PTMs) kan virke inhiberende,- eg PKA fosforylering og AMPK fosforylering av LXR ved faste (henoldsvis via glucagon, økt AMP/ATP ratio) fører til hemming av lipogene LXR targets. Næringsstoffer lager oxysterol-ligand og/eller fører til fosforylering (eg via insulin signalering), O-GlcNAcylering (glucose metabolsime via hexosaminveien) som fører til (eller potensielt kan føre til) konform.endring og binding til koaktivator(er). Poeng: Koaktivatorer har blant annet HAT aktivitet som fører til acetylering av Histon; kromatin remodelering (DNA/promoter i åpen konformasjon, forbinder prot på LXRE med prot-tss).

c. Kolesterol er et fettstoff (sterol) som er essensielt for flere av kroppens funksjoner. Kolesterol er blant annet en viktig bestanddel i kroppens cellemembraner og inngår i produksjon av både gallesyrer (viktige i fettfordøyelsen), kjønnshormoner og vitamin D. Selv om kolesterol kan syntetiseres av kroppens egne celler, hovedsakling leveren, blir også noe tatt opp fra kosten. Kolesterol er nærmest uløselig i vann og følgelig også i blodet. For at kolesterol skal kunne transporteres rundt i kroppen pakkes det derfor inn i såkalte lipoproteinpartikler. De mest kolesterolrike av lipoproteinpartiklene er low-density lipoprotein (LDL), og disse inneholder 70% av kolesterolet i blodet. LDL-kolesterolet blir ofte referert til som "det dårlige kolesterolet" fordi forhøyet konsentrasjon av LDLkolesterol er en viktig risikofaktor for hjerte/kar sykdom ved at LDL kan hope seg opp i årevegger og føre til åreforkalkning/ arteriosklerose, tette, lipidrike blodårer (se også oppg. 4B). Avhengig av hvor åreforkalkingen sitter, kan dette føre til hjertesvikt pga redusert blodgjennomstrømning til hjertet. (Siden dette spm kommer i forb med kjernereseptorer og LXR, kan det være at noen svarer aktivering av LXR av oxysteroler i respons på ox-ldl, men her er vitenskapen noe uklar; i endotelceller er ox-ldl faktisk vist å hemme ligand-aktivering av LXR og uttrykk av ABCA1 og revers kolesterol transport, men man kan forvente at ox-ldl generer oxysterol ligand som vil kunne aktivere LXR og ABCA1 ekspresjon i makrofager-men dette er ikke forelest om. Potensielt vil da LXR også kunne aktivere lipogene gener som SREBP og FAS til syntese av fettsyrer-noe som evt vil kunne medføre økt esterifisering og lagring av kolesterol som kolesterol-ester i makrofager (foam cells). Ressonerer noen studenter rundt dette, er dette bare et +). (Inflammasjons-delen av åreforkalkning er ikke forelest om i detalj, kun nevnt; at LXR virker anti-inflammatorisk-data fra studier med syntetiske ligander-her er resultatene motstridene når man sammenlikner med studier med endogene ligander og LDL/ox-LDL).