Modulation of estrogen receptor alpha function through dietary fatty acids

Abstract

In the present study, the impact of the deletion of adipose tissue ERα on metabolism was investigated in-vivo in both male and female mice (atERαKO). Besides a basal characterization on normal chow diet, a body weight dynamics protocol has been applied. The protocol included the induction of body weight gain through ad-libitum HFD-feeding and a phase of caloric restriction, performed with monitored LFDfeeding. The lack of specificity of the model for adipose tissue resulted in difficulties in discriminating central from peripheral ERα effects. Most importantly, hypothalamic depletion of ERα led to dysregulation of the negative feedback mechanism of estrogen plasma levels in females resulting in increased circulating E2 levels. Thereby, the model became more complex and challenging to interpret due to high E2 levels additionally to the central and adipose-tissue ERα depletion. Notably, HFDfeeding in female atERαKO mice resulted in a high mortality rate based on severe bacterial infections of the uterus. Due to the unexpected and severe reproductive phenotype caused by “simple” HFD-feeding, we focused on the entity and etiology of the inflammation process taking place in these animals. The current study demonstrates that HFD-feeding contents can impair the natural host defense mechanisms, leading to exaggerated inflammation in response to commensal bacteria. atERαKO mice fed a HFD, displayed markedly increased number of infiltrating neutrophils, likely provoking the damages seen in the uterine wall and leading to a state similar to sepsis. Stearic acid was identified as the fatty acid which was induced at the highest extent in plasma by HFD-consumption. Additional in-vitro analyses confirmed the link between high plasma levels of stearic acid and the depletion of anti- inflammatory macrophages (M2) required for the resolution of the inflammatory process. In particular, the fatty acid affected the polarization of macrophages towards M2, an anti-inflammatory phenotype known to be induced by E2. Further investigations outlined a novel mechanism of modulation of the estrogen receptor alpha by stearic acid. The fatty acid likely binds to the receptor through acylation and interferes with its transcriptional activity in macrophages. In summary, the present study demonstrates the ability of a dietary fatty acid to modulate the transcription activity of a nuclear receptor, i.e. ERα. This finding might open new perspectives for the treatment of ERα-related disorders.

In dieser Studie wurde der Einfluss vom Adipozyten- Östrogen Rezeptor alpha (ERα) auf den Fettgewebs- und Gesamtstoffwechsel untersucht. Hierzu, wurde ein in-vivo knock-out Mausmodell (atERαKO) verwendet und anhand eines etablierten Gewichtsverlaufsprotokolls metabolisch charakterisiert. Neben der Phänotypisierung bei normaler Haltungsdiät, beinhaltete das besagte Protokoll eine Phase der Fütterung mit Hochfettdiät (HFD) mit dem Ziel einer Gewichtszunahme zu induzieren. In einer zweiten Phase, wurde die Futteraufnahme durch eine definierte fettarme Futtermenge eingeschränkt. Allerdings, erschwerte die mangelnde Spezifität des Modells für das Fettgewebe die Diskriminierung zwischen peripheren und zentralen Effekten von ERα. In atERαKO Mäuse, wurde eine reduzierte ERα-Expression im Hypothalamus nachgewiesen, die dazu führte das negative Rückkopplungssystem für die Regulation der Östrogen-Biosynthese zu unterbrechen. Bei weiblichen atERαKO Tieren äußerte sich dies in erhöhten zirkulierenden Östrogenspiegeln. Durch die Herunterregulation von ERα im Fettgewebe und im Hypothalamus zusätzlich zu den erhöhten Hormonspiegeln wurde das transgene Modell komplexer und stellte eine Herausforderung für die Interpretation der metabolischen Daten dar. Überraschenderweise, führte die HFD-Fütterung der weiblichen atERαKO Tiere zu einer erhöhten Mortalität. Diese konnte auf schwerwiegenden bakteriellen Infektionen des Reproduktionstraktes der Mäuse zurückverfolgt werden. Aufgrund des unerwarteten und ausgeprägten Phänotyps, fokussierten wir die weiteren Untersuchungen auf die Pathogenese der Inflammation und die zugrundeliegenden Mechanismen, die zur Mortalitätszunahme unter HFD führten. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Bestandteile der HFD in der Lage sind die physiologischen Prozesse der Immunabwehr negativ zu modulieren und damit zur Überreaktionen auf opportunistische Erreger zu führen. In den Uteri der HFD-gefütterten mutanten Mäuse, konnte eine erhöhte Anzahl an neutrophilen Granulozyten beobachtet werden, die schwere Schäden an der Uteruswand induzierten und die Tiere in einem der Sepsis ähnlichen Zustand versetzten. Stearinsäure wurde als Plasma-Fettsäure identifiziert, die durch die HFD am stärksten induziert wurde. Zusätzliche in-vitro Studien bewiesen eine Korrelation zwischen hohen Stearinsäurespiegeln und die Reduktion von anti-inflammatorischen Macrophagen, die mitunter die Aufgabe tragen, den Entzündungsprozess einzudämmen und neutrophile Granulozyten zu phagozytieren. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die Fettsäure trotz hoher Östrogenspiegel, die sich normalerweise auf Makrophagen anti-inflammatorisch auswirken, die M2-Polarisation inhibierte. Zusammengefasst stellt die Arbeit eine zuvor unbekannte Interaktion zwischen ERα und Stearinsäure vor, bei der vermutlich das Prozess der Acylierung des Rezeptors zu einer Reduktion der transkriptionellen Aktivität des Rezeptors führt.