Role of carnitine palmitoyltransferase 1A as a downstream effector of ghrelin in cortical neurons and hypothalamus

Abstract

Previous studies have reported the importance of carnitine palmitoyltransferase (CPT) 1A as an essential part of downstream ghrelin signaling in the central nervous system (CNS) for the control of food intake. Lipid metabolism in the ventromedial hypothalamus (VMH) has emerged as a crucial pathway in the regulation of feeding and energy homeostasis. However, the relationship between changes in CPT1A activity and the intracellular downstream effectors in the VMH that contribute to appetite modulation is not fully understood, nor its possible involvement in central extra-hypothalamic functions of ghrelin.

In this work, we examine the effect of long-term expression of a permanently activated CPT1A isoform (CPT1AM) by using an adeno-associated viral vector, injected into the VMH of rats. CPT1AM overexpression produces a sustained increase in food intake which leads to overweight. Mechanistically, CPT1AM alters the lipidomic profile of mediobasal hypothalamus, provoking an increase in ceramides and sphingolipids and a decrease in phospholipids. Furthermore, we detect increased vesicular y-aminobutyric acid transporter (VGAT) and reduced vesicular glutamate transporter 2 (VGLUT2) expressions. These changes are noteworthy, since both GABA and glutamate have been proposed to be mediators in food intake control.

This signature led us to assess the effect of ghrelin in GABAergic neurons. Ghrelin reduces fatty acid oxidation, mitochondrial respiration and mitochondrial reactive oxygen species formation in GT1-7 cells. Moreover, ghrelin produces a reduction in GABA release from primary cortical neurons which is blocked by both pharmacological and genetic inhibition of CPT1A. In addition, ghrelin produces a reduction in: (1) mitochondrial oxygen consumption, (2) citrate and a-ketoglutarate cellular content and (3) GABA shunt connecting TCA cycle and releasable GABA pool.

Taken together, these observations indicate that CPT1A contributes to the regulation of feeding by modulating the expression of neurotransmitter transporters and lipid components that influence the orexigenic pathways in VMH. Moreover, it seems that ghrelin and changes in CPT1A activity modulate mitochondrial function, yielding changes in GABA metabolism, which affect eventually to GABAergic neurotransmission.

Estudis previs havien destacat la importància de la carnitina palmitoïltransferasa (CPT) 1A com a part essencial de la senyalització de la grelina al sistema nerviós central (SNC) per al control de la ingesta alimentària. El metabolisme lipídic en el nucli ventromedial de l'hipotàlem (VMH) ha emergit com una via crucial per a la regulació de la ingesta i l'homeòstasi energètica. Això no obstant, la relació entre els canvis en l'activitat de la CPT1A i els efectors intrace•ulars subjacents en el VMH que contribueixen a la modulació de la gana no són totalment compresos, com tampoc la seva involucració en les funcions centrals extrahipotalàmiques de la grelina.

En aquest treball, hem examinat l'efecte a llarg termini de l'expressió d'una isoforma mutada permanentment activa de la CPT1A (CPT1AM), fent ús d'un vector víric adeno-associat, injectat en el VMH de rates. La sobreexpressió de la CPT1AM produeix un augment sostingut de la ingesta alimentària que hi promou sobrepès. En la descripció mecanística, la CPT1AM altera el perfil lipidòmic del hipotàlem mediobasal, induint-hi un augment de ceramides i esfingolípids i alhora una reducció en fosfolípids. A més a més, hem detectat un augment en les expressions del transportador vesicular de l'àcid y-aminobutíric (GABA) (VGAT, en les seves sigles en anglès) i una reducció del transportador vesicular de glutamat 2 (VGLUT2, en les seves sigles en anglès). Aquests canvis són destacables, ja que tant GABA como glutamat han sigut proposats com a mediadors en el control de la ingesta alimentària.

Aquestes observacions ens dugueren a estudiar l'efecte de la grelina en neurones GABAèrgiques. La grelina redueix l'oxidació d'àcids grassos, la respiració mitocondrial i la formació d'espècies reactives d'oxigen en cèl•lules GT1-7. D'afegitó, la grelina produeix una reducció en l'alliberament de GABA de neurones corticals primàries, la qual cosa és blocada tant per inhibició genètica i farmacològica de la CPT1A. A més a més, la grelina hi produeix una reducció: (1) del consum mitocondrial d'oxigen, (2) del contingut cel•lular de citrat i d'a-cetoglutarat i (3) de la via de desviació de GABA que connecta el cicle dels àcids tricarboxílics i el contingut alliberable de GABA.

En conjunt, aquestes observacions indiquen que la CPT1A contribueix a la regulació de la ingesta amb la modulació de l'expressió de transportadors involucrats en la neurotransmissió i la modulació de components lipídics que influencien les vies orexigèniques del VMH. A més a més, sembla que la grelina i els canvis en l'activitat CPT1A modulen la funció mitocondrial, obtenint-ne canvis al metabolisme del GABA, que afecten en darrera instància a la neurotransmissió GABAèrgica.