Influence of dietary oxidized fats on cellular signaling pathways in animal models

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung molekularer Mechanismen, über die oxidierte Fette ihre Wirkungen im Organismus vermitteln. Oxidierte Fette sind chemisch veränderte Fette. Insbesondere während des Frittierprozesses laufen verschiedenste chemische Reaktionen ab, wobei große Mengen an Oxidationsprodukten gebildet werden. Aus verschiedenen Untersuchungen ist bekannt, dass die Aufnahme oxidierter Fette im Organismus vielfältige biologische Wirkungen vermitteln kann. Eine der bedeutendsten ist die Induktion von oxidativem Stress, welcher zur Aktivierung der antioxidativen Abwehr, detoxifizierender Mechanismen und auch proinflammatorischer Prozesse führen kann. In diesem Zusammenhang konnte u. a. eine verstärkte Expression oxidativer Stress-responsiver Gene, welche für antioxidative Enzyme, proinflammatorische Zytokine und Enzyme des Fremdstoffmetabolismus kodieren, sowie gesteigerte Aktivitäten dieser Enzyme beobachtet werden. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher nicht vollständig geklärt. Zwei sehr bedeutende redox-sensitive Transkriptionsfaktoren, welche durch oxidativen Stress aktiviert werden können und in die Regulation der zellulären Stressantwort involviert sind, sind der Nrf2 und NF-kappaB. Daher wurde in dieser Arbeit der Hypothese nachgegangen, dass die Aufnahme oxidierter Fette durch die Induktion von oxidativem Stress zur Aktivierung des Nrf2- und NF-kappaB-Signalweges führt. Zur Verifizierung dieser Hypothese wurden zwei Versuche aufgestellt. Die Ergebnisse des Versuches in der Maus zeigen erstmals, dass oxidiertes Sonnenblumenöl, welches unter Frittierbedingungen hergestellt wurde, zu einer Aktivierung des Nrf2- und NF-kappaB sowie zu einer gesteigerten Expression oxidativer Stress-responsiver Enzyme im Darm führt. Aufgrund dieser Ergebnisse sollte in einem zweiten Versuch geprüft werden, ob sich diese Effekte auch im Schwein, welches aufgrund genetischer Merkmale das geeignetere Modelltier für den Menschen darstellt, nachweisen lassen. Auch in diesem Versuch konnte eine Aktivierung des Nrf2 und NF-kappaB durch die Aufnahme eines moderat oxidierten Rapsöls in der Leber festgestellt werden. In diesem Zusammenhang konnten gesteigerte Enzymaktivitäten und erhöhte mRNA-Konzentrationen von Genen, welche in die antioxidative Abwehr oder in die Phase II des Fremdstoffmetabolismus involviert sind, beobachtet werden. In diesen beiden Versuchen konnte erstmals eine Aktivierung der redox-sensitiven Transkriptionsfaktoren Nrf2 und NF-kappaB durch die Aufnahme oxidierte Fette im Darm und der Leber festgestellt werden. Somit stellen diese beiden Transkriptionsfaktoren wahrscheinlich die funktionellen Bindeglieder zwischen dem durch die Aufnahme oxidierter Fette verursachten oxidativen Stress und der Aktivierung der zellulären Stressreaktion durch die Induktion antioxidativer, detoxifizierender und proinflammatorischer Enzyme dar. Die koordinierte Aktivierung dieser Signalwege diente wahrscheinlich der Adaptation der Organe an den gesteigerten oxidativen Stress und ihrem Schutz vor oxidativen Schäden. Eine weitere Hypothese dieser Arbeit war, dass die Aufnahme eines oxidierten Fettes den FGF21, welcher als neuartiger hormonähnlicher Regulator im Stoffwechsel identifiziert wurde, aktiviert. Erstmals konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Aufnahme des moderat oxidierten Rapsöls eine gesteigerte Expression des FGF21 in der Leber vom Schwein verursachte. Wahrscheinlich führte die Aktivierung des PPARalpha, welche über erhöhte Expressionen typischer PPARalpha-Zielgene gemessen wurde, zur Induktion des FGF21. Daher werden möglicherweise einige der bekannten metabolischen Wirkungen oxidierter Fette, wie eine gesteigerte Ketonkörperproduktion, über diesen Mechanismus vermittelt. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse, dass Bestandteile oxidierter Fette die Fähigkeit besitzen, über die Aktivierung zellulärer Signalwege regulatorisch in den Stoffwechsel einzugreifen. Durch die Aktivierung der redox-sensitiven Transkriptionsfaktoren Nrf2 und NF-kappaB sowie des hormonähnlichen, metabolischen Regulators FGF21 konnten neue molekulare Mechanismen aufgezeigt werden, über welche oxidierte Fette ihre biologischen Wirkungen im Organismus vermitteln.The aim of the present work was to clarify the molecular mechanisms by which oxidized fats mediate their effects in the organism. Oxidized fats are chemically modified fats. Especially, during the process of deep-frying several chemical reactions occur that generate large amounts of oxidation products. Various studies revealed that ingestion of oxidized fats provokes a wide array of biological effects in the organism. One of the most striking effects is the induction of oxidative stress leading to the activation of antioxidative defense, detoxifying mechanisms, and also proinflammatory processes. In this context, an increased expression of oxidative stress-responsive genes encoding for antioxidative enzymes, proinflammatory enzymes, and enzymes of phase II detoxification, and increased enzyme activities could be observed. However, till now the underlying mechanisms of these observations are not completely clarified. Nrf2 and NF-kappaB, both being very important redox-sensitive transcription factors, can be activated by oxidative stress and are involved in the regulation of cellular stress response. Therefore, in this work the hypothesis was tested, that ingestion of oxidized fats activates the Nrf2- and NF-kappaB-signaling pathways by the induction of oxidative stress. To verify this hypothesis, two experiments were conducted. The results of the mouse experiment revealed for the first time that oxidized sunflower oil, which was prepared under deep frying conditions, activates Nrf2 and NF-kappaB and increases the expression of oxidative stress-responsive enzymes in the intestine. Based on these results, a second experiment aimed to examine whether the effects can also be demonstrated in the pig which is a more suitable model for humans due to genetic characteristics. In this experiment, an activation of Nrf2 and NF-kappaB could also be demonstrated in the liver by the ingestion of a moderately oxidized rapeseed oil. In this context, increased enzyme activities and increased mRNA concentration of genes involved in antioxidative defense or phase II metabolism were observed. These two experiments revealed for the first time, that ingestion of oxidized fats activates the redox-sensitive transcription factors Nrf2 and NF-kappaB in the liver and the intestine. Thus, these two transcription factors probably are the functional link between oxidative stress caused by ingestion of oxidized fats and activation of cellular stress response by induction of antioxidative, detoxifying and proinflammatory enzymes. The coordinated activation of these signaling pathways by intake of oxidized fats likely contributed to the adaptation of the organs to the generated oxidative stress and their protection of oxidative damage. In this work, it was further hypothesized that intake of an oxidized fat activates FGF21, which has been recently identified as a novel hormone-like regulator in metabolism. This work showed for the first time that ingestion of a moderately oxidized rapeseed oil increased expression of FGF21 in the liver of pigs. Activation of PPARalpha determined by increased expression of typical PPARalpha target genes likely contributed to the induction of FGF21. Possibly, some of the known metabolic effects of oxidized fats, like increased production of ketone bodies, are mediated by this mechanism. To summarize, the results of the present work revealed that components of oxidized fats have the ability to exert regulatory activities in metabolism by induction of cellular signaling pathways. New molecular mechanisms by which oxidized fats mediate their biological effects in the organism could be demonstrated by the activation of the redox-sensitive transcription factors Nrf2 and NF-kappaB and the hormone-like, metabolic regulator FGF21