Regulation of hepatic glucose homeostasis and Cytochrome P450 enzymes by energy-sensing coactivator PGC-1α

Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α (PGC-1α) is a master regulator of energy metabolism and mitochondrial biology in high-energy cell types and tissues. The regulation of PGC-1α is versatile, and both transcriptional and post-transcriptional mechanisms play major roles. External stimuli affect PGC-1α-regulation which in turn adapts cellular signals to meet them. For example, conditions like fasting and diabetes mellitus (DM) are known to activate PGC-1α expression in the liver, resulting in enhanced de novo glucose production, gluconeogenesis. In the present study, the mechanisms of hepatic PGC-1α regulation and PGC-1α-regulated functions were elucidated. We found that PGC-1α was induced by oral type 2 diabetes therapeutic metformin, via AMPK and SIRT1, regulating the mitochondrial gene response, against previous assumptions. Simultaneously, gluconeogenesis was repressed by other means. Furthermore, PGC-1α upregulated the anti-inflammatory interleukin 1 receptor antagonist (IL1Rn). PGC-1α also diminished interleukin 1β-mediated inflammatory response in hepatocytes. Novel, xenobiotic and endobiotic metabolizing Cytochrome P450 enzymes regulated by PGC-1α were also identified in this thesis. CYP2A5 was induced by PGC-1α through hepatocyte nuclear factor 4α (HNF-4α) coactivation. Also, vitamin D metabolizing CYP2R1 and CYP24A1 were identified as novel genes regulated by PGC-1α, suggesting a role for PGC-1α in the regulation of active vitamin D levels. The findings presented in this thesis provide insight into the pathology of glucose perturbations such as type 2 diabetes, and stimulate discovery of therapeutic agents to treat this disease. Furthermore, the findings suggest that vitamin D metabolism and energy metabolism are tightly linked, with PGC-1α emerging as a novel mediator. Tiivistelmä Peroksisomiproliferaattori-aktivoituvan reseptori γ:n koaktivaattori 1α (PGC-1α) on merkittävä glukoosiaineenvaihdunnan ja mitokondrioiden toiminnan säätelijä korkeaenergisissä soluissa ja kudoksissa. PGC-1α:a säädellään monin tavoin: sekä transkriptionaalisella säätelyllä että transkription jälkeisellä muokkauksella on merkittävä rooli. Monet ulkoiset tekijät säätelevät PGC-1α:n aktiivisuutta, joka puolestaan säätelee solunsisäisiä signaalireittejä vastaamaan tähän signaaliin. Esimerkiksi paasto ja diabetes mellitus (DM) ovat fysiologisia tiloja, jotka lisäävät voimakkaasti PGC-1α:n ilmentymistä maksassa, jolloin glukoosin uudistuotanto eli glukoneogeneesi kiihtyy. Tässä väitöskirjassa tutkittiin PGC-1α:n säätelyä sekä PGC-1α -säädeltyjä signaalireittejä maksassa. Osoitimme, että tyypin 2 diabeteslääke metformiini indusoi PGC-1α:n ilmentymistä maksassa, vastoin aikaisempia käsityksiä. PGC-1α indusoitui AMPK:n ja SIRT1:n välityksellä, säädelleen edelleen mitokondriaalisten geenien aktiivisuutta. Samalla glukoneogeneesi kuitenkin repressoitui muilla mekanismeilla. Lisäksi osoitimme, että PGC-1α indusoi tulehdusreaktiota vaimentavaa interleukiini 1 reseptorin antagonistia (IL1Rn). PGC-1α esti interleukiini 1β:n aiheuttamaa tulehdusvastetta hepatosyyteissä. Lisäksi väitöskirjassa tunnistettiin uusia, PGC-1α -säädeltyjä lääkeaineita ja elimistön sisäisiä yhdisteitä metaboloivia sytokromi P450 -entsyymejä (CYP). Hiiren CYP2A5:n ilmentymisen osoitettiin olevan PGC-1α- ja HNF4α-välitteistä. Lisäksi osoitettiin, että D-vitamiinia metaboloivat CYP2R1 ja CYP24A1 ovat uusia PGC-1α -säädeltyjä geenejä. Tämä löydös viittaa siihen, että PGC-1α:lla on rooli aktiivisen D-vitamiinin säätelyssä. Tämän väitöskirjan löydökset lisäävät tietoa glukoosiaineenvaihdunnan häiriöiden kuten tyypin 2 diabeteksen molekulaarisista mekanismeista, joita voidaan hyödyntää mahdollisten uusien lääkeaineiden kehittämisessä. Lisäksi väitöskirjassa osoitettiin, että D-vitamiinimetabolia on kytköksissä energia-aineenvaihduntaan ja että PGC-1α:lla on tässä rooli, jota ei aiemmin ole tunnettu.