Regulation of the organokines FGF21 and chemerin by diet

English. The hepatokine FGF21 and the adipokine chemerin have been implicated as metabolic regulators and mediators of inter-tissue crosstalk. While FGF21 is associated with beneficial metabolic effects and is currently being tested as an emerging therapeutic for obesity and diabetes, chemerin is linked to inflammation-mediated insulin resistance. However, dietary regulation of both organokines and their role in tissue interaction needs further investigation. The LEMBAS nutritional intervention study investigated the effects of two diets differing in their protein content in obese human subjects with non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). The study participants consumed hypocaloric diets containing either low (LP: 10 EN%, n = 10) or high (HP: 30 EN%, n = 9) dietary protein 3 weeks prior to bariatric surgery. Before and after the intervention the participants were anthropometrically assessed, blood samples were drawn, and hepatic fat content was determined by MRS. During bariatric surgery, paired subcutaneous and visceral adipose tissue biopsies as well as liver biopsies were collected. The aim of this thesis was to investigate circulating levels and tissue-specific regulation of (1) FGF21 and (2) chemerin in the LEMBAS cohort. The results were compared to data obtained in 92 metabolically healthy subjects with normal glucose tolerance and normal liver fat content. (1) Serum FGF21 concentrations were elevated in the obese subjects, and strongly associated with intrahepatic lipids (IHL). In accordance, FGF21 serum concentrations increased with severity of NAFLD as determined histologically in the liver biopsies. Though both diets were successful in reducing IHL, the effect was more pronounced in the HP group. FGF21 serum concentrations and mRNA expression were bi-directionally regulated by dietary protein, independent from metabolic improvements. In accordance, in the healthy study subjects, serum FGF21 concentrations dropped by more than 60% in response to the HP diet. A short-term HP intervention confirmed the acute downregulation of FGF21 within 24 hours. Lastly, experiments in HepG2 cell cultures and primary murine hepatocytes identified nitrogen metabolites (NH4Cl and glutamine) to dose-dependently suppress FGF21 expression. (2) Circulating chemerin concentrations were considerably elevated in the obese versus lean study participants and differently associated with markers of obesity and NAFLD in the two cohorts. The adipokine decreased in response to the hypocaloric interventions while an unhealthy high-fat diet induced a rise in chemerin serum levels. In the lean subjects, mRNA expression of RARRES2, encoding chemerin, was strongly and positively correlated with expression of several cytokines, including MCP1, TNFα, and IL6, as well as markers of macrophage infiltration in the subcutaneous fat depot. However, RARRES2 was not associated with any cytokine assessed in the obese subjects and the data indicated an involvement of chemerin not only in the onset but also resolution of inflammation. Analyses of the tissue biopsies and experiments in human primary adipocytes point towards a role of chemerin in adipogenesis while discrepancies between the in vivo and in vitro data were detected. Taken together, the results of this thesis demonstrate that circulating FGF21 and chemerin levels are considerably elevated in obesity and responsive to dietary interventions. FGF21 was acutely and bi-directionally regulated by dietary protein in a hepatocyte-autonomous manner. Given that both, a lack in essential amino acids and excessive nitrogen intake, exert metabolic stress, FGF21 may serve as an endocrine signal for dietary protein balance. Lastly, the data revealed that chemerin is derailed in obesity and associated with obesity-related inflammation. However, future studies on chemerin should consider functional and regulatory differences between secreted and tissue-specific isoforms.

German. Extremes Übergewicht einhergehend mit einer starken Vermehrung des Körperfetts (Adipositas) stellt ein weltweites Gesundheitsproblem dar und geht oft mit assoziierten Erkrankungen, wie Diabetes, einer Fettleber und Herz-Kreislauf-Erkrankungen einher. Die Ernährung spielt in der Entstehung und Therapie der Adipositas eine zentrale Rolle. Gerät der Stoffwechsel aufgrund anhaltender Energieüberschüsse aus dem Gleichgewicht, werden von Leber und Fettgewebe Entzündungsmarker sowie Signalmoleküle, darunter Chemerin und FGF21, ausgesendet. Während vorhergehende Studien für FGF21 vorteilhafte Effekte auf den Zucker- und Energiestoffwechsel demonstriert haben, steht Chemerin im Zusammenhang mit der Entwicklung chronisch-entzündlicher Erkrankungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die nahrungsabhängige Regulation von FGF21 und Chemerin in humanen Blut-, Leber- und Fettgewebsproben aus stark übergewichtigen Probanden, um ein besseres Verständnis für die Physiologie der beiden Moleküle zu gewinnen. Die Studienteilnehmer konsumierten drei Wochen vor bariatrischer Operation zwei kalorienreduzierte Diäten, die sich in ihrem Proteinanteil (10% versus 30% der Gesamtenergie) unterschieden. Vor und nach der Diätintervention wurde die körperliche Konstitution und der Leberfettanteil der Probanden bestimmt sowie klinische Marker im Blut ermittelt. Während der bariatrischen Operation wurden zudem Leber- und Fettgewebsbiopsien entnommen. Die Ergebnisse wurden bezüglich der Regulation von FGF21 und Chemerin ausgewertet und anschließend mit Daten von gesunden, schlanken Probanden verglichen. FGF21 war in den adipösen Probanden deutlich erhöht und wies eine starke Assoziation mit dem Leberfettgehalt auf. Beide Diäten konnten das Leberfett deutlich senken, wobei die Hochproteindiät effektiver war. Die FGF21 Blutspiegel sanken mit steigender Proteinaufnahme, was sich auch in der hepatischen Genexpression widerspiegelte. Zellkulturversuche bestätigten eine negative Regulation von FGF21 durch Zwischenprodukte des Proteinstoffwechsels. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass eine Hochproteindiät FGF21 kurzfristig und dosisabhängig supprimiert bei gleichzeitiger Verbesserung der Stoffwechsellage. Chemerin war in den übergewichtigen und gesunden Probanden unterschiedlich mit Markern der Adipositas und der Fettlebererkrankung assoziiert. Zudem konnte eine ernährungsabhängige Regulation von Chemerin aufgezeigt werden, wobei der Proteingehalt der Diät unerheblich war. Interessanterweise deuten die Daten aus den Fettgewebsbiopsien auf eine Rolle von Chemerin sowohl in der Entstehung als auch in der Auflösung entzündlicher Vorgänge hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Chemerin im Zusammenhang mit der Entwicklung der Adipositas steht aber auch günstige Effekte auf dessen Verlauf haben könnte.