GLYCEROL KINASE OVEREXPRESSION SUPRESSES LIPID SYNTHESIS BUT ENLARGES MITOCHONDRIAL MEMBRANE POTENTIAL AND THERMOGENESIS ACTIVITY IN ADIPOCYTES

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Obesity and type 2 diabetes mellitus are among the main factors contributing to the increase in mortality and disability in the modern world. Therefore, it is a priority to develop new methods, including genetic and cellular engineering, to create ectopic thermogenic fat depots capable of dissipating excess energy. In this study, we overexpressed glycerol kinase (GK), a key enzyme of the futile triacylglyceride cycle (TAG cycle) to generate thermogenic adipocytes. The protein-coding sequence of GK was amplified from mouse liver mRNA and delivered to adipocytes by lentiviral transduction. Adipocyte metabolism was analyzed by radioisotope monitoring of [3H]- and [14C]-labelled glucose analogues. Mitochondrial membrane potential, thermogenesis and lipid droplet morphology were assessed using fluorescent probes JC-1, ERthermAC and BODIPY493/503, respectively. Lentiviral delivery of the GK gene increases mRNA expression 130-fold and protein levels by 30% in adipocytes. GK overexpression enhances glucose uptake by adipocytes and suppresses fatty acids synthesis and re-esterification without altering lipid droplet morphology. The increase in glucose uptake upon GK overexpression is associated with an increase in mitochondrial potential and stimulation of thermogenesis. GK overexpression improves the metabolic profile of adipocytes, which may contribute to the elimination of metabolic disorders associated with obesity by increasing the utilization of excess glucose during thermogenesis. Nevertheless, the detailed mechanisms underlying the stimulation of these processes require further investigation.

About the authors

S. S. Michurina

National Medical Research Centre for Cardiology Named after Academician E.I. Chazov

Moscow, Russia

I. B. Beloglazova

National Medical Research Centre for Cardiology Named after Academician E.I. Chazov

Moscow, Russia

M. Yu. Agareva

National Medical Research Centre for Cardiology Named after Academician E.I. Chazov; Faculty of Basic Medicine, Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia; Moscow, Russia

R. Mohammad

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Dolgoprudny, Moscow Region, Russia

N. V. Alekseeva

Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

Ye. V. Parfyonova

National Medical Research Centre for Cardiology Named after Academician E.I. Chazov; Faculty of Basic Medicine, Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia; Moscow, Russia

I. S. Stafeev

National Medical Research Centre for Cardiology Named after Academician E.I. Chazov

Email: yuristafeev@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Lingvay, I., Cohen, R. V., le Roux, C. W., and Sumithran, P. (2024) Obesity in adults, Lancet, 404, 972-987, https:/doi.org/10.1016/S0140-6736(24)01210-8.
  2. Strati, M., Moustaki, M., Psaltopoulou, T., Vryonidou, A., and Paschou, S. A. (2024) Early onset type 2 diabetes mellitus: an update, Endocrine, 85, 965-978, https://doi.org/10.1007/s12020-024-03772-w.
  3. Nunn, E. R., Shinde, A. B., and Zaganjor, E. (2022) Weighing in on adipogenesis, Front. Physiol., 13, 821278, https://doi.org/10.3389/fphys.2022.821278.
  4. Smith, U., and Kahn, B. B. (2016) Adipose tissue regulates insulin sensitivity: role of adipogenesis, de novo lipogenesis and novel lipids, J. Intern. Med., 280, 465-475, https://doi.org/10.1111/joim.12540.
  5. Šiklová, M., Šrámková, V., Koc, M., Krauzová, E., Čížková, T., Ondrůjová, B., Wilhelm, M., Varaliová, Z., Kuda, O., Neubert, J., Lambert, L., Elkalaf, M., Gojda, J., and Rossmeislová, L. (2024) The role of adipogenic capacity and dysfunctional subcutaneous adipose tissue in the inheritance of type 2 diabetes mellitus: cross-sectional study, Obesity, 32, 547-559, https://doi.org/10.1002/oby.23969.
  6. Shao, M., Wang, Q. A., Song, A., Vishvanath, L., Busbuso, N. C., Scherer, P. E., and Gupta, R. K. (2019) Cellular origins of beige fat cells revisited, Diabetes, 68, 1874-1885, https://doi.org/10.2337/db19-0308.
  7. Maurer, S., Harms, M., and Boucher, J. (2021) The colorful versatility of adipocytes: white-to-brown transdifferentiation and its therapeutic potential in humans, FEBS J., 288, 3628-3646, https://doi.org/10.1111/febs.15470.
  8. Wu, R., Park, J., Qian, Y., Shi, Z., Hu, R., Yuan, Y., Xiong, S., Wang, Z., Yan, G., Ong, S. G., Song, Q., Song, Z, Mahmoud, A.M., Xu, P., He, C., Arpke, R. W., Kyba, M., Shu, G., Jiang, Q., and Jiang, Y. (2023) Genetically prolonged beige fat in male mice confers long-lasting metabolic health, Nat. Commun., 14, 2731, https://doi.org10.1038/s41467-023-38471-z.
  9. Nedergaard, J., Golozoubova, V., Matthias, A., Asadi, A., Jacobsson, A., and Cannon, B. (2001) UCP1: the only protein able to mediate adaptive non-shivering thermogenesis and metabolic inefficiency, Biochem. Biophys. Acta, 1504, 82-106, https://doi.org/10.1016/s0005-2728(00)00247-4.
  10. Michurina, S., Stafeev, I., Boldyreva, M., Truong, V. A., Ratner, E., Menshikov, M., Hu, Y. C., and Parfyonova, Ye. (2023) Transplantation of adipose-tissue-engineered constructs with CRISPR-mediated UCP1 activation, Int. J. Mol. Sci., 24, 3844, https://doi.org/10.3390/ijms24043844.
  11. Ikeda, K., Kang, Q., Yoneshiro T., Camporez, J. P., Maki, H., Homma, M., Shinoda, K., Chen, Y., Lu, X., Maretich, P., Tajima, K., Ajuwon, K. M., Soga, T., and Kajimura, S. (2017) UCP1-independent signaling involving SERCA2bmediated calcium cycling regulates beige fat thermogenesis and systemic glucose homeostasis, Nat. Med., 23, 1454-1465, https://doi.org/10.1038/nm.4429.
  12. Brownstein, A. J., Veliova, M., Acin-Perez, R., Liesa, M., and Shirihai, O. S. (2022) ATP-consuming futile cycles as energy dissipating mechanisms to counteract obesity, Rev. Endocr. Metab. Disord., 23, 121-131, https:/doi.org/10.1007/s11154-021-09690-w.
  13. Roesler, A., and Kazak, L. (2020) UCP1-independent thermogenesis, Biochem. J., 477, 709-725, https://doi.org/10.1042BCJ20190463.
  14. Steinberg, D., Vaughan, M., Margolis, S., Price, H., and Pittman, R. (1961) Studies of triglyceride biosynthesis in homogenates of adipose tissue, J. Biol. Chem., 236, 1631-1637, https://doi.org/10.1016/S00219258(19)63276-X.
  15. Jéquier, E., and Tappy, L. (1998) Regulation of body weight in humans, Physiol. Rev., 79, 451-480, https:/doi.org/10.1152/physrev.1999.79.2.451.
  16. Chakrabarty, K., Chaudhuri, B., and Jeffay, H. (1983) Glycerokinase activity in human brown adipose tissue, J. Lipid. Res., 24, P381-390, https://doi.org/10.1016/S0022-2275(20)37978-5.
  17. Festuccia, W. T. L., Guerra-Sá, R., Kawashita, N. H., Garófalo, M. A. R., Evangelista, E. A., Rodrigues, V., Kettelhut, I. C., and Migliorini, R. H. (2003) Expression of glycerokinase in brown adipose tissue is stimulated by the sympathetic nervous system, Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol., 284, R1536-R1541, https://doi.org/10.1152ajpregu.00764.2002.
  18. Iwase, M., Tokiwa, S., Seno, S., Mukai, T., Yeh, Y. S., Takahashi, H., Nomura, W., Jheng, H. F., Matsumura, S., Kusudo, T., Osato, N., Matsuda, H., Inoue, K., Kawada, T., and Goto, T. (2020) Glycerol kinase stimulates uncoupling protein 1 expression by regulating fatty acid metabolism in beige adipocytes, J. Biol. Chem., 295, P7033-P7045, https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.011658.
  19. Sharma, A. K., Khandelwal, R., and Wolfrum, C. (2024) Futile lipid cycling: from biochemistry to physiology, Nat. Metab., 6, 808-824, https://doi.org/10.1038/s42255-024-01003-0.
  20. Guan, H. P., Li, Y., Jensen, M. V., Newgard, C. B., Steppan, C. M., and Lazar, M. A. (2002) A futile metabolic cycle activated in adipocytes by antidiabetic agents, Nat. Med., 8, 1122-1128, https://doi.org/10.1038/nm780.
  21. Leroyer, S.N., Tordjman, J., Chauvet, G., Quette, J., Chapron, C., Forest, C., and Antoine, B. (2006) Rosiglitazone controls fatty acid cycling in human adipose tissue by means of glyceroneogenesis and glycerol phosphorylation, J. Biol. Chem., 281, 13141-13149, https://doi.org/10.1074/jbc.M512943200.
  22. Song, N. J., Chang, S. H., Li, D. Y., Villanueva, C. J., and Park, K. W. (2017) Induction of thermogenic adipocytes: molecular targets and thermogenic small molecules, Exp. Mol. Med., 49, e353, https://doi.org/10.1038emm.2017.70.
  23. Deis, J. A., Guo, H., Wu, Y., Liu, C., Bernlohr, D. A., and Chen, X. (2019) Adipose Lipocalin 2 overexpression protects against age-related decline in thermogenic function of adipose tissue and metabolic deterioration, Mol. Metab., 24, 18-29, https://doi.org/10.1016/j.molmet.2019.03.007.
  24. Díez-Sainz, E., Milagro, F. I., Aranaz, P., Riezu-Boj, J. I., Batrow, P. L., Contu, L., Gautier, N., Amri, E. Z., Mothe-Satney, I., and Lorente-Cebrián, S. (2024) Human miR-1 stimulates metabolic and thermogenic-related genes in adipocytes, Int. J. Mol. Sci., 26, 276, https://doi.org/10.3390/ijms26010276.
  25. Zebisch, K., Voigt, V., Wabitsch, M., and Brandsch, M. (2012) Protocol for effective differentiation of 3T3-L1 cells to adipocytes, Anal. Biochem., 425, 88-90, https://doi.org/10.1016/j.ab.2012.03.005.
  26. Schmittgen, T. D., and Livak, K. J. (2008) Analyzing real-time PCR data by the comparative C(T) method, Nat. Protoc., 3, 1101-1108, https://doi.org/10.1038/nprot.2008.73.
  27. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685, https://doi.org/10.1038/227680a0.
  28. Michurina, S., Goltseva, Y., Ratner, E., Dergilev, K., Shestakova, E., Minniakhmetov, I., Rumyantsev, S., Stafeev, I., Shestakova, M., and Parfyonova, Ye. (2025) Artificial intelligence - enabled lipid droplets quantification: comparative analysis of NIS-Elements Segment.ai and ZeroCostDL4Mic StarDist networks for confocal images, Methods, 237, 9-18, https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2025.02.013.
  29. Kriszt, R., Arai, S., Itoh, H., Lee, M. H., Goralczyk, A. G., Ang, X. M., Cypess, A. M., White, A. P., Shamsi, F., Xue, R., Lee, J. Y., Lee, S. C., Hou, Y., Kitaguchi, T., Sudhaharan, T., Ishiwata, S., Lane, E. B., Chang, Y. T., Tseng, Y. H., Suzuki, M., and Raghunath, M. (2017) Optical visualisation of thermogenesis in stimulated single-cell brown adipocytes, Sci. Rep., 7, 1383, https://doi.org/10.1038/s41598-017-00291-9.
  30. Michurina, S., Agareva, M., Ratner, E., Menshikov, M., Stafeev, I., and Parfyonova, Ye. (2024) The simple method of lipolysis/lipogenesis balance assessment based on 14C isotope: advances and importance of pH control, J. Radioanal. Nucl. Chem., 333, 125-134, https://doi.org/10.1007/s10967-023-09198-4.
  31. Stern, J. S., Hirsch, J., Drewnowski, A., Sullivan, A. C., Johnson, P. R., and Cohn, C. K. (1983) Glycerol kinase activity in adipose tissue of obese rats and mice: effects of diet composition, J. Nutr., 113, 714-720, https:/doi.org/10.1093/jn/113.3.714.
  32. Iena, F. M., Jul, J. B., Vegger, J. B., Lodberg, A., Thomsen, J. S., Brüel, A., and Lebeck, J. (2020) Sex-specific effect of high-fat diet on glycerol metabolism in murine adipose tissue and liver, Front. Endocrinol., 11, 577650, https:/doi.org/10.3389/fendo.2020.577650.
  33. Talley, J. T., and Mohiuddin, S. (2023) Biochemistry, Fatty Acid Oxidation, StatPearls.
  34. Alves-Bezerra, M., and Cohen, D.E. (2017) Triglyceride metabolism in the liver, Compr. Physiol., 8, 1-8, https:/doi.org/10.1002/cphy.c170012.
  35. Rotondo, F., Ho-Palma, A. C., Remesar, X., Fernández-López, J. A., Romero, M. D. M., and Alemany, M. (2017) Glycerol is synthesized and secreted by adipocytes to dispose of excess glucose, via glycerogenesis and increased acyl-glycerol turnover, Sci. Rep., 7, 8983, https://doi.org/10.1038/s41598-017-09450-4.
  36. Mottillo, E. P., Balasubramanian, P., Lee, Y. H., Weng, C., Kershaw, E. E., and Granneman, J. G. (2014) Coupling of lipolysis and de novo lipogenesis in brown, beige, and white adipose tissues during chronic β3-adrenergic receptor activation, J. Lipid. Res., 55, 2276-2286, https://doi.org/10.1194/jlr.M050005.
  37. Guilherme, A., Rowland, L. A., Wang, H., and Czech, M. P. (2023) The adipocyte supersystem of insulin and cAMP signaling, Trends Cell. Biol., 33, 340-354, https://doi.org/10.1016/j.tcb.2022.07.009.
  38. Mathiowetz, A. J., and Olzmann, J. A. (2024) Lipid droplets and cellular lipid flux, Nat. Cell. Biol., 26, 331-345, https://doi.org/10.1038/s41556-024-01364-4.
  39. Lin, M. H., Romsos, D. L., and Leveille, G. A. (1976) Effect of glycerol on lipogenic enzyme activities and on fatty acid synthesis in the rat and chicken, J. Nutr., 106, 1668-1677, https://doi.org/10.1093/jn106.11.1668.
  40. Ouyang, S., Zhuo, S., Yang, M., Zhu, T., Yu, S., Li, Y., Ying, H., and Le, Y. (2024) Glycerol kinase drives hepatic de novo lipogenesis and triglyceride synthesis in nonalcoholic fatty liver by activating SREBP-1c transcription, upregulating DGAT1/2 expression, and promoting glycerol metabolism, Adv. Sci. (Weinh)., 11, e2401311, https://doi.org/10.1002/advs.202401311.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».