Lipid droplet biogenesis: a novel process of self-digestion as a strategy of survival to stress

Abstract

Las gotas lipídicas (lipid droplets, LD) son orgánulos presentes en la mayor parte de las células eucarióticas. Están compuestas por un núcleo hidrofóbico de triacilglicéridos y ésteres de colesterol, rodeado por una monocapa de fosfolípidos a la que se asocian proteínas específicas.El interés despertado por las LD ha aumentado en los últimos años, debido a su implicación en patologías. En algunos casos, el número y el tamaño de las LD es anormalmente alto, como ocurre en los hepatocitos en el hígado esteatótico o en los macrófagos de las placas ateroscleróticas. Existen también evidencias que sugieren la implicación de LD en procesos neurodegenerativos como las enfermedades de Parkinson y Alzheimer. Así, entender los mecanismos de biogénesis y movilización de LD es crítico para el diseño racional de terapias contra las principales patologías de las sociedades occidentales. Las células en cultivo forman LD en dos situaciones fisiológicas: En primer lugar, como respuesta a la disponibilidad de lípidos en el medio, ya sea en forma de lipoproteínas del suero o como ácidos grasos libres. En este caso, la síntesis de LD tiene la doble función de prevenir la toxicidad debida a un exceso de lípidos en el citoplasma, y de generar una reserva de ácidos grasos para su uso cuando la situación se revierta. En segundo lugar, las células sintetizan LD cuando se encuentran sometidas a estrés. La función fisiológica de la biogénesis de LD en el segundo caso es desconocida, aunque se ha comprobado en modelos de apoptosis inducida por Fas-L o exposición a pH ácido. De hecho, las LD que se acumulan en el núcleo anóxico de los tumores son visibles in vivo mediante NMR, constituyendo la base de técnicas de imagen muy prometedoras para el diagnóstico. La hipótesis central sobre la que se plantea este proyecto de tesis postula que la biogénesis de LD en situaciones de estrés constituye un mecanismo de reciclaje de componentes lipídicos estructurales para darles una función energética. Nuestros resultados evidencian que el estrés por privación total de nutrientes induce la síntesis de triacilglicéridos (TAG) a partir de ácidos grasos liberados de fosfolípidos estructurales. Estos TAG se empaquetan en LD, que son posteriormente movilizadas para proporcionar combustible para la beta oxidación mitocondrial. Este proceso sostiene la supervivencia celular al estrés, y su inhibición en cualquier punto resulta tóxica para las células sometidas a privación total de nutrientes, pero no para las células mantenidas en condiciones normales de cultivo. La diferencias funcionales y de composición de las LD generadas en respuesta a disponibilidad de lípidos o a situaciones de estrés está acompañada por una serie de diferencias regulatorias, tanto en el proceso de biosíntesis como en el de movilización. Esta diversidad regulatoria sugiere que la formación de gotas lipídicas en situaciones de estrés es una respuesta orientada a canalizar ácidos grasos estructurales hacia funciones energéticas, con el objetivo de sostener la supervivencia celular durante el estrés.

Lipid droplets (LD) are intracellular organelles present in most eukaryotic cell types. They are composed of a hydrophobic core of triacylglycerol (TAG) and cholesterol esters, surrounded by a phospholipid monolayer with which a series of specific proteins interact. The interest in the study of LD has increased considerably over the last years, due to their implication in several pathologies. In some cases, the number and size of LD is abnormally high, as is the case in hepatocytes from steatotic liver or macrophages in atherosclerotic plaques. Evidence suggests the implication of LD in neurodegenerative processes, such as Parkinson’s and Alzheimer’s diseases. Thus, an understanding of the mechanisms of biogenesis and mobilization of LD is critical for the rational design of therapies against some of the major pathologies of the western society. Cells form LD in two different physiological situations. First, as a response to lipid availability in the medim, either in the form of serum lipoproteins or free fatty acids. In this situation. LD serve the double function of buffering cells from the toxic effects of excessive cytosolic lipids, and generating a reservoir of fatty acids for future anabolic or catabolic use when conditions are reversed. Second, cells form LD when they undergo stress. The physiological function of LD biogenesis under stress is unknown, although it has been observed in models of Fas-L-induced apoptosis or exposure to acidic pH. In fact, LD that accumulate in the anoxic core of tumors are visible in vivo through nuclear magnetic resonance (NMR), constituting the basis of very promising imaging techniques for diagnosis. The central hypothesis of this PhD project postulates that LD biogenesis is situations of stress constitutes a mechanism of recycling of structural lipidic components into catabolic fuel. Our results evidence that stress due to complete nutrient deprivation induces the synthesis of TAG from fatty acids released from structural phospholipids. Those TAG are packaged into LD, which are subsequently mobilized to fuel mitochondrial beta-oxidation. This process sustains cell survival to stress, and its inhibition at any stage is toxic for cells undergoing complete nutrient deprivation, but not to cells maintained in normal culture conditions. The functional differences of LD generated as a response to lipid availability or stress is mirrored by a series of regulatory differences, which are evident in the processes of LD biogenesis and LD mobilization. This regulatory diversity suggests that LD biogenesis induced by stress is a conserved response, aimed at channeling structural fatty acids towards catabolic pathways, with the objective of sustaining cell survival to stress.