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Investigation of gene and protein expression of uncoupling protein 4 in mouse brain under different dietetic conditions
Theresa Hommel
Felix Locker
Elena E. Pohl
Catharina Duvigneau
Diploma thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021
Uncoupling protein 4 (UCP4) belongs to the solute carrier family (SLC25) and is highly abundant to the inner mitochondrial membrane of neurons and at significantly lower levels in astrocytes. So far, none of the UCP4´s physiological functions, proposed based on its putative proton transport function and homology to UCP1, such as thermogenesis, regulation of ROS or calcium homeostasis, or involvement in cell differentiation and apoptosis, could be convincingly demonstrated. Some previous studies observed an adaptive shift in energy metabolism through UCP4 expression. Recent reports also suggest that other UCP family members (UCP2 and UCP3) functions as dual transporters for protons and substrates and their expression correlates with the cell metabolism. Therefore, we hypothesized that UCP4 could be important for the metabolic flexibility of neurons. In this work, we aimed to test whether (i) UCP4´s expression is altered upon prolonged changes in nutrient availability, and (ii) UCP4 protein amount differs regionally in the brain due to the different metabolic activity and anatomical structure of the distinct brain regions. For this we analyzed UCP4 gene and protein expression levels in mice, obtaining (A) high-fat ketogenic diets such as long-chain triglycerides (LCT) or long- and medium-chain triglycerides (LCT/MCT), or (B) fasting regimens such as intermittent fasting (IF) and calorie restriction (CR). We detected that UCP4 mRNA but not protein levels were higher in the hippocampus after eight weeks of LCT/MCT diet, and animals fed CR showed lower levels of ucp4 expression in the cerebellum. However, we didn´t observe any relevant changes in UCP4 protein expression at different feeding regimes, suggesting no correlation between these parameters under our experimental conditions. Interestingly, we found different UCP4 protein levels among brain regions with the highest UCP4 amount in the hypothalamus and the lowest - in the cerebellum. We also confirmed the previous results that UCP4 is present in astrocytes, but at a much lower level than in neurons. The absence of diet-dependent changes on UCP4 protein expression in our model suggests that we cannot attribute the beneficial effect of dietary interventions in preventing and impeding the progression of neurodegenerative diseases to the UCP4 function.
Diplomarbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021
UCP4 ist ein Protein, welches sich vor allem in der inneren mitochondrialen Membran von Neuronen, aber in geringeren Mengen auch in Astrocyten befindet und zur Familie der „Solute carrier proteins“ (SLC25) gehört. Bisher wurde, basierend auf der Homologie zu anderen UCPs und der vermuteten Entkopplungsaktivität an der mitochondrialen Atmungskette vorgeschlagen, dass UCP4 seine physiologische Funktion in der Regulation von ROS, der Thermogenese, sowie der der Calciumhomöostase haben könnte. Zusätzlich wird eine Beteiligung an der Zelldifferenzierung sowie dem Zelltod diskutiert. Allerdings konnte keine dieser präsentierten Funktionen in der Vergangenheit eindeutig bestätigt werden. Einige vorangegangene Studien beobachteten eine Verschiebung des Energiestoffwechsels durch UCP4 in Anpassung an äußere Bedingungen Zudem deuten auch jüngste Berichte darauf hin, dass Proteine der UCP-Familie (UCP2 und UCP3) als duale Transporter von Protonen und Substraten agieren, und ihre Expression mit dem Zellstoffwechselstatus zusammenhängt. Deshalb stellen wir die Hypothese auf, dass UCP4 für die metabolische Flexibilität von Neuronen eine wesentliche Rolle spielt. In dieser Arbeit wollen wir überprüfen, (i) ob die Expression von UCP4 durch anhaltende Veränderungen in der Verfügbarkeit von Nährstoffen beeinflusst wird, sowie (ii) inwiefern die Menge von UCP4 Protein sich, abhängig von der unterschiedlichen anatomischen Struktur und metabolischen Aktivität, innerhalb einzelner Hirnregionen unterscheidet. Um unsere Hypothese zu untersuchen, wurden für diese Arbeit vier verschiedene Gehirnregionen von Mäusen mit Hilfe von RT-qPCR und Western Blots analysiert, um Informationen über Veränderungen in Gen- und Proteinexpression zu erhalten. Die Mäuse wurden zuvor acht Wochen entweder (A) mit fettreichen ketogenen Diäten, die nur langkettige Fettsäuren (LCT) oder lang- und mittelkettige Fettsäuren (LCT/MCT) enthielten gefüttert. (B) Zwei weitere Gruppen wurden entweder durch intermittierendes Fasten (IF) oder eine Kalorienrestiktion (CR) gefastet. Wir konnten feststellen, dass die UCP4 Gen- aber nicht die Proteinexpression im Hippocampus nach acht Wochen LCT/MCT gesteigert ist. Im Gegensatz dazu ließ sich im Cerebellum von CR Tieren eine geringere UCP4 Genexpression erkennen, die wiederum nicht in Veränderungen auf Proteinebene resultierte. Unter unseren Versuchsbedingungen ist demnach im Gehirn keine Korrelation zwischen den Parametern Fütterungsreglement und UCP4 Proteinexpression ersichtlich. Allerdings ließen sich interessanterweise im Vergleich der untersuchten Hirnregionen unterschiedliche Mengen des UCP4 Proteins nachweisen, wobei der Hypothalamus die höchste Menge enthielt. Wir konnten vorangegangene Ergebnisse, die auch in Astrozyten UCP4 Protein identifiziert haben bestätigen, wenn auch der Anteil in Astrozyten deutlich geringer war als jener in Neuronen. Da wir mit unserem Modell keine diätbedingten Veränderungen der UCP4 Proteinexpression feststellen konnten, kann der hinlänglich bekannte, positive Einfluss diätetischer Interventionen, neurodegenerativen Krankheiten vorzubeugen und ihren Verlauf zu verzögern, höchstwahrscheinlich nicht der Funktion von UCP4 zugeordnet werden.
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2021
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