Physiologie und Pathophysiologie Arginin-Glyzin-Amidinotransferase (AGAT)-defizienter Mäuse
Final Report Abstract
Phosphoryliertes Cr dient als Energiespeicher in Organen mit hohem Energieumsatz wie zum Beispiel Muskel und Gehirn. Eine Cr-Defizienz durch genetische Störungen der Cr- Synthese oder des -transportes führt zu schweren neurometabolischen Syndromen. Cr-Substitution hingegen hat kardio- und neuroprotektive Effekte. Die genaue Analyse der komplexen Rolle von Cr im Stoffwechsel war bislang durch das Fehlen eines Tiermodells ohne energiereiche Cr- oder Guanidinoverbindungen nicht möglich. Die Arginin-Glyzin-Amidinotransferase (AGAT) katalysiert den ersten Schritt der Cr-Synthese. Wir haben durch homologe Rekombination in embryonalen Stammzellen AGAT-defiziente Mäuse generiert und erstmals die völlige Abwesenheit von Cr und Cr-Vorstufen in einem Mausmodell nachgewiesen. 1) AGAT-defiziente Mäuse zeigten eine Reduktion von Körperlänge und Gewicht. Orale Cr-Supplementierung konnte die Cr-Spiegel in Hirn und Muskel und das Wachstum normalisieren. Erstaunlicherweise entwickelten Cr-defiziente Mäuse unter hochkalorischer Fettdiät keine Adipositas und kein metabolisches Syndrom. Als Ursache identifizierten wir eine chronische Aktivierung der AMP-abhängigen Proteinkinase (AMPK), die durch den Mangel hochenergetischer Phosphate aktiviert wird und als zentraler Sensor des Energiehaushaltes im Organismus eine katabole Stoffwechselsituation induzieren kann. Dieser Insulin-unabhängige Mechanismus könnte möglicherweise neue therapeutische Optionen zur Behandlung von Erkrankungen wie Diabetes mellitus und Adipositas eröffnen. 2) Leptin ist in Cr-defizienten Mäusen notwendig, um die AMPK im Fettgewebe zu aktivieren und im AGAT-defizienten Mausmodell vor Adipositas und Diabetes mellitus zu schützen. Eine Therapie mit AMPK Aktivatoren ist somit nur bei erhaltener Leptinsensitivität erfolgversprechend. 3) Cr-defiziente Mäuse zeigten eine ausgeprägte Muskelatrophie und -hypotonie. Passend zur Muskelschwäche zeigte sich eine gestörte Mikrostruktur des Skelettmuskels, die mit gestörter Mitochondrien-Funktion einherging. Die starken Veränderungen auf Transkriptom-Ebene in der Muskulatur durch AGAT-Defizienz weisen auf eine Bedeutung des Cr neben der Energiepufferung in vielen weiteren Stoffwechselwegen hin. 4) AGAT-Knockoutmäuse zeigen vergrößerte zerebrale Infarkte, die sich nicht durch Cr-Supplementation reduzieren lassen. Wir konnten zeigen, dass AGAT in der Maus neben der Cr-Synthese auch an der endogenen Synthese von Homoarginin beteiligt ist. Supplementation von Tieren mit Homoarginin führt zu verbesserten Ergebnissen nach Schlaganfall. Beim Menschen sind die Homoargininspiegel mit Polymorphismen im AGAT-Gen assoziiert und korrelieren mit dem Überleben nach Schlaganfall. Wir haben einen neuen Stoffwechselweg identifiziert und gezeigt, dass Homoarginin als möglicher prognostischer Marker aber möglicherweise auch als Therapie beim Schlaganfall dienen kann.
Publications
- (2013). Homoarginine levels are regulated by L-arginine:glycine amidinotransferase and affect stroke outcome: results from human and murine studies. Circulation. 2013; 128(13):1451-1461
Choe CU, Atzler D, Wild PS, Carter AM, Böger RH, Ojeda F, Simova O, Stockebrand M, Lackner K, Nabuurs C, Marescau B, Streichert T, Müller C, Lüneburg N, De Deyn PP, Benndorf RA, Baldus S, Gerloff C, Blankenberg S, Heerschap A, Grant PJ, Magnus T, Zeller T, Isbrandt D, Schwedhelm E
(See online at https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.112.000580) - Differential regulation of AMPK activation in leptin- and creatine-deficient mice. FASEB J. 2013; 27(10):4147-4156
Stockebrand M, Sauter K, Neu A, Isbrandt D, Choe CU
(See online at https://doi.org/10.1096/fj.12-225136) - Disturbed energy metabolism and muscular dystrophy caused by pure creatine deficiency are reversible by creatine intake. J Physiol. 2013; 591:571-92
Nabuurs C, Choe CU, Veltien A, Kan HE, Van Loon LJC, Rodenburg RJT, Matschke J, Wieringa B, Kemp GJ, Isbrandt D, Heerschap A
(See online at https://doi.org/10.1113/jphysiol.2012.241760) - L arginine:glycine amidinotransferase (AGAT) deficiency protects from metabolic syndrome. Hum Mol Gen. 2013; 22:110-23
Choe CU, Nabuurs C, Stockebrand M, Neu A, Nunes P, Morellini F, Sauter K, Schillemeit S, Hermans-Borgmeyer I, Marescau B, Heerschap A, Isbrandt D
(See online at https://doi.org/10.1093/hmg/dds407) - (2015). Homoarginine supplementation improves blood glucose in diet-induced obese mice. Amino Acids. 2015; 47(9):1921-1929
Stockebrand M, Hornig S, Neu A, Atzler D, Cordts K, Böger RH, Isbrandt D, Schwedhelm E, Choe CU
(See online at https://doi.org/10.1007/s00726-015-2022-1) - L-homoarginine and cardiovascular disease. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2015;18(1):83-88
Atzler D, Schwedhelm E, Choe CU
(See online at https://doi.org/10.1097/MCO.0000000000000123) - Transcriptomic and metabolic analyses reveal salvage pathways in creatine-deficient AGAT-/- mice. Amino Acids. 2016; 48(8):2025-39
Stockebrand M, Nejad AS, Neu A, Kharbanda KK, Sauter K, Schillemeit S, Isbrandt D, Choe CU
(See online at https://doi.org/10.1007/s00726-016-2202-7)
