Cilia-dependent signaling pathways controlling adipose tissue plasticity

Abstract

Primary cilia serve as cellular antennae that detect extracellular signals and transduce this information into an intracellular response. Dysfunction of primary cilia leads to a range of severe diseases, i.e., the Bardet-Biedl-Syndrome (BBS). BBS patients and knockout (KO) mouse models display obesity as a cardinal feature. It is known that loss of BBS protein function alters the ciliary protein repertoire, which in turn disrupts ciliary function. Obesity in BBS is primarily caused by primary cilia dysfunction in hypothalamic neurons, leading to hyperphagia. However, data from obese <em>Bbs</em>-KO mice revealed paradoxical higher insulin sensitivity and glucose tolerance compared to control obese mice, which has been attributed to enhanced differentiation of pre- adipocytes. The ability of pre-adipocytes to undergo adipogenesis is crucial to maintain white adipose tissue (WAT) homeostasis during obesity by shifting the expansion towards hyperplasia. Interestingly, adipogenesis has been shown to be cilia- dependent. Thus, ciliary dysfunction on pre-adipocytes might contribute to the obesity phenotype in BBS. <br /> To elucidate the role of primary cilia in WAT, I analyzed the obesity phenotype of different ciliopathy mouse models and investigated pre-adipocyte function and fate. Conditional ablation of cilia attenuated WAT development <em>in vivo</em>, while conditional loss of adenylyl cyclase 3 (AC3) in pre-adipocytes and global loss of BBS8 resulted in severe obesity. In contrast, loss of BBS6 only showed an effect challenged with high fat diet (HFD). This highlights the crucial role of primary cilia for WAT plasticity and indicates distinct functions of different BBS proteins. My results demonstrate that Bbs8^{- /-} mice prior to obesity development showed impaired glucose handling, which, however, did not aggravate further during obesity development and was even improved in comparison to diet-induced obesity. Surprisingly, this was not associated with an increase in adipogenesis. In contrast, Bbs6^-/- and conditional AC3-KO mouse models, both, displayed severe glucose intolerance. Additionally, I revealed specific changes in the fate of pre-adipocytes in Bbs8^-/- cells already before the onset of obesity, indicating that BBS proteins fulfill specific functions in controlling WAT homeostasis. <br /> To further analyze the underlying molecular causes and functional consequences, I established a sorting strategy to isolate different pre-adipocyte subpopulations to perform transcriptomic and functional analyses and, thereby, unravel the molecular consequence of loss of BBS proteins.

Primäre Zilien dienen als zelluläre Antenne, welche extrazelluläre Signale detektieren und eine zelluläre Reaktion hervorrufen. Dysfunktionale primäre Zilien rufen eine Reihe an schwerwiegenden Erkrankungen hervor, wie das Bardet Biel Syndrome (BBS). Ein Hauptmerkmal in Patienten sowie in entsprechenden Knockout (KO)- Mausmodellen ist Übergewicht. Es ist bekannt, dass der Verlust von BBS-Proteinen die Proteinlokalisierung im primären Zilium verändert, was dessen Funktion stört und zur Erkrankung führt. Übergewicht wurde bisher primär auf ziliären Funktionsverlust auf Neuronen im Hypothalamus zurückgeführt. Jedoch weisen übergewichtige Bbs-KO-Mäuse im Vergleich zu übergewichtigen Kontrollmäusen überraschend hohe Insulinsensitivität und Glukosetoleranz auf. Dies wurde auf vermehrte Differenzierung von Präadipozyten zurückgeführt. Die Fähigkeit von Präadipozyten sich zu reifen Adipozyten zu differenzieren ist zentral, um die Homöostase des weißen Fettgewebes während der Gewichtszunahme zu erhalten. Dies wird durch eine vermehrte hyperplasische Gewebsexpansion gewährleistet. Interessanterweise wurde gezeigt, dass Zilien die Adipogenese regulieren. Daher ist anzunehmen, dass dysfunktionale Zilien auf Präadipozyten zum Übergewichtsphänotypen im BBS beitragen. <br /> Um die Rolle der primären Zilien im weißen Fettgewebe aufzuklären, habe ich den Übergewichtsphänotypen verschiedener Ziliopathie-Maus-Modelle analysiert und die Funktion von Präadipozyten untersucht. Ein spezifischer Verlust des Ziliums auf Präadipozyten führte zu reduzierter Fettgewebsentwicklung <em>in vivo</em>, während der Verlust von Adenylatcyclase 3 (AC3) in Präadipozyten und der globale Verlust von BBS8 in schwerem Übergewicht mündeten. Im Gegensatz dazu zeigte sich ein Effekt durch den Verlust von BBS6 erst unter einer fettreichen Diät (HFD). Dies hebt die zentrale Rolle der primären Zilien für die Plastizität des Fettgewebes hervor und deutet auf unterscheidbare Funktionen von verschiedenen BBS Proteinen hin. Meine Ergebnisse demonstrieren, dass Bbs8^-/--Mäuse zwar bereits vor der Gewichtszunahme eine Beeinträchtigung der Glukosetoleranz aufweisen, sich diese jedoch nicht im Laufe der Gewichtszunahme verschlechtert und im Endeffekt im Vergleich zu Diät-induziertem Übergewicht sogar verbessert ist. Erstaunlicherweise war dies nicht mit erhöhter Adipogenese verbunden. Im Gegensatz dazu entwickelten Bbs6^-/--Mäuse und der Präadipozyten-spezifische AC3-KO eine schwerwiegend gestörte Glukosetoleranz. Zusätzlich konnte ich spezifische Änderungen in der Eigenschaft der Präadipozyten in Bbs8^-/--Mäusen feststellen, welche bereits vor der Entwicklung von Übergewicht auftraten. Dies zeigt, dass BBS-Proteine wichtige Funktionen erfüllen, um die Fettgewebshomöostase zu regulieren. <br /> Um die molekularen Ursachen und funktionellen Konsequenzen detaillierter zu analysieren, habe ich eine Methode etabliert, um die verschiedenen Subpopulationen von Präadipozyten im Gewebe zu isolieren und voneinander zu trennen. Damit können Transkriptionsanalysen und funktionelle Experimente durchgeführt werden, welche es ermöglichen die molekularen Auswirkungen des Verlusts einzelner BBS-Proteine aufzuklären.