Probing the roles of SIK2 in hypothalamic POMC neurons

Abstract

Obezitenin nöronal etiyolojisinde, vücudun enerji dengesinden ve beslenme davranışından sorumlu pro-opiomelanokortin nöronlarının (POMC'ler) işlevselliğini bozduğu bilinen, hipotalamusun arkuat çekirdeğindeki diyet kaynaklı inflamasyon hedef gösterilmektedir. Ayrıca, sistemik tuzla indüklenebilir kinaz 2 (SIK2) taşımayan fareler, düzensiz metabolik parametrelerle birlikte azalmış gıda alımı ve enerji harcaması fenotipi sergilemektedir, bu da POMC'lerde SIK2 aktivitesinin yokluğu ile gözlemlenen fenotip arasında nedensel olası bir bağlantıyı desteklemektedir. SIK2'nin POMC'lerdeki rolünü araştırabilmek için, farmakolojik olarak tetiklenen endoplazmik retikulum (ER) stres indüksiyonuna bağlı olarak SIK2'den yoksun veya aşırı ifade eden POMC nöronları üzerinde karşılaştırmalı sekretomik bir çalışma yürüttük. Verilerimiz, ER stres indüksiyonunun erken fazına yanıt olarak, POMC'ye özgü SIK2 aktivitesinin POMC sekretomunu düzenleyerek DIO farelerinde enerji metabolizmasını ve beslenmeyi kontrol etmedeki rolüne dair hipotezimizi desteklemiştir. Öte yandan, çalışmamızda ER stres yokluğunda SIK2'nin yokluğunun ?-MSH üretimini ve salgı vezikülleriyle birlikte lokalizasyonunu artırdığını gösterdik. Bulgularımız ayrıca SIK2'nin hücresel salgıyı muhtemelen COPII vezikülleri oluşumu yoluyla stresten bağımsız bir şekilde olumsuz yönde düzenleyebileceğini de göstermektedir. Nihayetinde, verilerimiz sistemik SIK2 taşımayan fare için bildirilen azalmış gıda alımı fenotipi ile tutarlılık içerisindedir. Bulgularımıza dayanarak, SIK2 için hem fizyolojik hem de patolojik koşullarda ER stresine yanıt veren ve UPR'nin aşağı akışında hayatta kalma ve hücresel homeostazı sürdürmek için ayarlanabilir bir düğme görevi gören anahtar benzeri bir model önermekteyiz. Modelimize göre, ER stresi devam eder ve çözülmezse, SIK2'nin hücresel homeostazı ve hayatta kalma yollarını destekleme kabiliyeti, hücre ölümüne yol açan inflamatuar ve apoptotik yollar gibi karşı mekanizmalar tarafından etkisiz hale getirilmektedir.The neuronal etiology of obesity is centered around diet-induced inflammatory state in the arcuate nucleus of the hypothalamus which impairs the functionality of pro-opiomelanocortine neurons (POMCs) responsible for whole-body energy homeostasis and feeding behavior. Intriguingly, systemic salt inducible kinase 2 (SIK2) knockout mice demonstrated reduced food intake and energy expenditure along with modestly dysregulated metabolic parameters suggesting a causal link between the absence of SIK2 activity in POMCs and the observed phenotype. To be able to probe the role of SIK2 in POMCs, we conducted a comparative secretomics study from cultured POMC neurons lacking or overexpressing SIK2 depending on pharmacologically induced endoplasmic reticulum (ER) stress induction, a hallmark of metabolic inflammation and POMC dysregulation in diet-induced obese (DIO) mice. The data corroborated our hypothesis of POMC specific SIK2 activity in controlling the energy metabolism and feeding in DIO mice by regulating the nature of related POMC secretome in response to early-phase of the ER stress induction. On the other hand, we showed that SIK2 depletion increases the production and co-localization of ?-MSH with secretory vesicles in the absence of ER stress. Our data also suggested that SIK2 may also negatively regulate cellular secretion in a stress-independent manner presumably through COPII vesicles formation. Overall, our data is consistent with the reduced food intake reported for the systemic SIK-KO mouse. Based on these data we proposed a physiological switch-like model wherein SIK2 acts as an adjustable knob that responds to ER stress both at physiological and pathological conditions and to maintain survival and cellular homeostasis downstream of UPR. If ER stress persists and is not resolved SIK2's ability to support cellular homeostasis and survival pathways is overpowered by counteracting mechanisms like inflammatory and apoptotic pathways leading to cell death.