Role of fatty acid desaturases in the regulation of lipid droplet formation

Abstract

Lipids are classified into fatty acid, triacylglycerol, phospholipid, glycolipid, and steroid based on their chemical structure. Cells require lipids as a constant source of energy to maintain their function and the main component for build organelle structure. However, the accumulation of lipid droplets in cells, which can lead to various metabolic diseases, can be caused by excessive lipid intake or abnormal functioning of enzymes in lipid metabolism. It has been reported that inhibition of the mitochondrial electron transport chain reduces the NAD+/NADH ratio and increases the activity of free fatty acid desaturase (FADS), which in turn increases the unsaturated fatty acids of neutral lipids and the amount of triacylglycerol in cells. However, the relationship between fatty acid unsaturation and accumulation of lipid droplets has not been studied yet. This study investigates the unsaturation of fatty acids in membrane lipids that contribute to the formation of lipid droplets in cells through FADS1/2 activity. In addition, we investigated whether the inhibition of FADS1/2 regulates the content of triacylglycerols in cells and reduces the accumulation of lipid droplets. After treatment of kid-ney cells, mouse inner medullary collecting duct (mIMCD3), with a FADS1/2 dual inhibitor, this study confirmed a decrease in unsaturated fatty acids in the cells by liquid chromatography-mass spectrometry. In addition, we observed the increase of the amount of triacylglycerols by TAG assay and the increase of the formation of lipid droplets in cells by Oil Red O or fluorescent staining after treatment of mIMCD3 cells and hepatocyte, alpha mouse liver 12 (AML12), with free fatty acid and FADS1/2 dual inhibitor. Another free fatty acid desaturase, stearoyl-coenzyme a desaturase 1 (SCD1), is alternatively involved in the unsaturation process of free fatty acids to FADS1/2, and the activity of SCD1 may also increase when the NAD+/NADH ratio is decreased. Therefore, this study investigated whether SCD1 affects the formation of lipid droplets under the same experimental conditions. After treatment of mIMCD3 cells with FADS1/2 dual inhibitor, the expression of FADS1/2 and SCD1 mRNA was measured by qRT-PCR and the expression of SCD1 mRNA increased. In addition, the increase of the formation of lipid droplets was observed by Oil Red O staining after treatment with SCD1 inhibitor. Taken together, it is suggested that inhibition of the mitochondrial electron transport chain and free fatty acid desaturases activity induce lipid droplets accumulation.|지질은 화학적 구조에 기초하여 지방산. 트리아실글리세롤, 인지질, 당지질, 그리고 스테로이드로 구분된다. 생명을 유지하고 활동하는 과정에서 세포는 지속적인 에너지 공급원으로써 지질을 필요로 한다. 하지만 과도한 지질 섭취 혹은 지질대사 효소의 비정상적인 작동으로 인한 세포 내 지방 방울의 축적은 다양한 대사질환을 유발한다. 미토콘드리아 내 전자전달계의 억제가 NAD+/NADH 비율을 감소시켜 유리지방산 불포화 효소(FADS)의 활성을 증가시키는 것으로 보고되어 있으며, 이는 중성지방의 불포화 지방산의 증가 및 세포 내 중성지방의 함량을 증가시키는 것으로 보고된 바 있다. 하지만 지방산의 불포화도와 지방 방울 축적의 관계에 대한 이해는 현재까지 연구된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 FADS1/2의 활성이 세포 내 지방 방울 생성에 기여하는 구성 성분인 막 지질의 지방산 불포화도를 알아보고자 하였다. 또한, FADS1/2의 활성 억제가 세포 내 중성지방 함량을 조절하여 지방 방울의 축적 감소에 기여하는지 알아보고자 하였다. 신장 세포(mIMCD3)에 FADS1/2 활성 저해제를 처리한 후 액체크로마토그램-질량 분석을 통해 불포화 지방산 함유 막 지질들의 감소를 확인하였다. 또한, TAG assay를 통해 중성지방의 함량의 증가를 확인하였으며 mIMCD3 세포와 간세포(AML12)에 유리지방산과 함께 FADS1/2의 활성 저해제를 처리한 후 Oil Red O 또는 형광 염색 시료를 활용하여 세포 내 지방 방울 형성의 증가를 확인하였다. 다른 유리지방산 불포화 효소인 SCD1이 FADS1/2와 상호보완적으로 유리지방산의 불포화 과정에 관여하며, SCD1의 활성 역시 NAD+/NADH 비율이 감소되었을 때 증가할 가능성이 있다. 이에, 앞선 동일 실험 조건에서 SCD1이 지방 방울 형성에 영향을 주는지 알아보고자 하였다. mIMCD3 세포에 FADS1/2 활성 저해제를 처리한 후 유리지방산 불포화 효소의 유전자를 qRT-PCR로 측정하였고 SCD1의 증가된 발현을 확인하였다. 또한, SCD1 활성 저해제를 처리한 후 Oil Red O 염색 시료를 활용하여 지방 방울 형성의 증가를 확인하였다. 결과를 종합하였을 때, 미토콘드리아 내 전자전달계의 억제와 유리지방산 불포화 효소의 활성 저해가 지방 방울 축적을 유도하는 것으로 사료된다.