Uncovering the role of thiamine transporters in the thermogenic activity of human adipocytes

Abstract

A barna és bézs adipociták kulcsszerepet játszanak a nem-didergéses hőtermelésben – amely az UCP1 által közvetített mitokondriális szétkapcsoláson keresztül valósul meg – és fontos terápiás célpontot jelentenek az elhízás és a metabolikus betegségek kezelésében. Mivel a termogenikus zsírsejtek energiaigénye nagy, feltételezhető, hogy a tápanyag- és vitamintranszporterek, köztük a tiamin transzporterek (ThT-k) aktivitása, meghatározza hőtermelő kapacitásukat. Doktori munkám célja az volt, hogy feltárjam a ThT-k szerepét a humán adipociták termogenikus aktivitásában, különös tekintettel a nyaki régióból származó zsírsejtekre és az SGBS humán adipocita modellre. Primer humán adipogén progenitor sejteket izoláltunk szubkután és mély nyaki zsírszövetből, majd fehér és bézs irányba differenciáltattuk őket fokozatosan emelkedő vagy nagymennyiségű tiamin jelenlétében, illetve tiamin-mentes közegben. A ThT1 (SLC19A2) és ThT2 (SLC19A3) expresszióját, a mitokondriális légzést, a mitokondriális komplex alegységek fehérje-szintjét és a termogenikus gének (UCP1, PGC1A, CKMT2, DIO2, TBX1, CIDEA, CITED1) expresszióját vizsgáltuk. Emellett SGBS adipocitákban rövid-távú többlet tiamin kezelést, illetve ThT-gátlást alkalmaztunk Fedratinibbel és Amproliummal, db cAMP-mediálta adrenerg stimulációval kombinálva, hogy felmérjük a ThT-k közvetlen szerepét a termogenezisben. Eredményeink szerint a tiamin koncentráció-függő módon fokozta mind a ThT1, mind a ThT2 mRNS- és fehérjeszintjét a nyaki eredetű adipocitákban, különösen mély nyaki bézs sejtekben. Már a plazmaszintet meghaladó tiamin koncentrációk szignifikánsan növelték a bazális és db-cAMP-indukált oxigénfogyasztást, valamint a protoncsorgásos légzést, és emelték az I–IV. mitokondriális komplex alegységek expresszióját. A tiamin jelenléte koncentráció-függően fokozta az UCP1, PGC1A, CKMT2, DIO2, TBX1, CIDEA és több barna/bézs marker kifejeződését. Tiamin hiányos differenciáció esetén ezzel szemben csökkent légzési kapacitást és gyengébb termogenikus génexpressziót észleltünk. SGBS adipocitákban a db-cAMP stimuláció önmagában is fokozta a ThT-k expresszióját, míg azok gátlói szignifikánsan csökkentették a db-cAMP által kiváltott kapcsolt és szétkapcsolt respirációt, az I–IV. mitokondriális komplex alegységek fehérjeszintjét, valamint az UCP1, PGC1A és több termogenikus marker expresszióját. Ezzel szemben a rövid-távú többlet tiamin kezelés növelte a bazális oxigénfogyasztást, protoncsorgást, extracelluláris acidifikációt, valamint a mitokondriális komplexek és termogenikus gének expresszióját, és tovább erősítette a db-cAMP által indukált válaszokat. Összességében eredményeink azt mutatják, hogy a tiamin nem pusztán klasszikus mitokondriális kofaktorként vesz részt a sejtlégzésben, hanem aktív modulátora a humán adipociták termogenikus programjának. A tiamin ellátottság és a ThT1/ThT2 működése meghatározza az adrenerg ingerekre adott transzkripciós és funkcionális választ, befolyásolja a barnulás folyamatát, a mitokondriális biogenezist és az UCP1-függő hőtermelést. Mivel a tiamin hiány gyakori elhízásban és 2-es típusú diabéteszben, eredményeink alátámasztják, hogy a tiamin pótlása potenciális, egyszerű és biztonságos stratégia lehet a zsírszövet termogenikus kapacitásának fokozására és a metabolikus rendellenességek mérséklésére. Brown and “beige” adipocytes are key effectors of non-shivering thermogenesis, which is mediated by the mitochondrial uncoupling protein UCP1, and represent promising therapeutic targets against obesity and metabolic diseases. Because thermogenic adipocytes have a high energy demand, it is plausible that nutrient and vitamin transporters, including thiamine transporters (ThTs) critically influence their heat producing capacity. The aim of my PhD thesis was to elucidate the role of ThTs in the thermogenic activity of human adipocytes, with a focus on cervical fat depots and the human SGBS adipocyte model. Primary human adipogenic progenitor cells were isolated from subcutaneous and deep neck adipose tissue, then differentiated into white and “beige” adipocytes under conditions of gradually increasing or high thiamine concentrations, or in thiamine-free medium. We assessed the expression of ThT1 (SLC19A2) and ThT2 (SLC19A3), mitochondrial respiration, protein levels of mitochondrial respiratory chain complex subunits, and expression of thermogenic genes (UCP1, PGC1A, CKMT2, DIO2, TBX1, CIDEA, CITED1). In parallel, differentiated SGBS adipocytes were subjected to short-term high-thiamine treatments and pharmacological inhibition of ThTs with Fedratiniib and Amprolium, in the presence or absence of db-cAMP-mediated adrenergic stimulation, to directly observe the contribution of ThTs to thermogenesis. We found that increasing extracellular thiamine concentrations enhanced both ThT1 and ThT2 mRNA and protein expression in human neck-derived adipocytes, particularly in deep neck “beige” cells. Even thiamine concentrations exceeding physiological plasma levels significantly increased basal and db cAMP–induced oxygen consumption as well as proton leak respiration, and elevated protein levels of mitochondrial complex subunits I–IV. Thiamine availability during differentiation promoted concentration-dependent upregulation of key thermogenic genes, including UCP1, PGC1A, CKMT2, DIO2, TBX1, CIDEA and several brown/“beige” markers, indicating that adequate thiamine supply is critical for activating the “browning” programme. In contrast, differentiation in thiamine-deficient conditions resulted in reduced respiratory capacity and impaired thermogenic gene expression. In SGBS adipocytes, db cAMP stimulation alone increased ThT expression, whereas ThT inhibition by Fedratinib or Amprolium significantly attenuated db cAMP–induced coupled and uncoupled respiration, reduced protein levels of mitochondrial complex subunits I–IV, and decreased the expression of UCP1, PGC1A and multiple thermogenic markers. In contrast, short-term high-thiamine treatment increased basal oxygen consumption, proton leak, extracellular acidification, and expression of respiratory chain complexes and thermogenic genes, and further amplified responses to db cAMP. Our results demonstrate that thiamine is not only a mitochondrial cofactor required for oxidative metabolism, but also an active regulator of the thermogenic programme in human adipocytes. Thiamine availability and ThT1/ThT2 function shape the transcriptional and functional response to adrenergic stimuli, influence browning, mitochondrial biogenesis, and UCP1-dependent heat production. Given that thiamine deficiency is common in obesity and type 2 diabetes, our findings support the concept that sustained thiamine supplementation may represent a simple and safe strategy to enhance the thermogenic capacity of adipose tissues and ameliorate metabolic disturbances.