The role of melanocortin 1 receptor in the regulation of cholesterol and fatty acid metabolism in the liver

Abstract

The melanocortins are a family of neuropeptide hormones consisting of melanocyte-stimulating hormones, α-, β-, and γ-MSH, and adrenocorticotropic hormone (ACTH) as well as five different melanocortin receptors (MC1R - MC5R). These peptides are widely expressed in the body and are involved in a diverse number of physiological functions including pigmentation, steroidogenesis, exocrine function, energy homeostasis, inflammation, and immunomodulation. MC1R is abundantly expressed in the melanocytes, and leukocytes where it regulates skin pigmentation and, inflammatory responses respectively. MC1R is also expressed in the liver and white adipose tissue but its functional role in these metabolic tissues remain elusive. Therefore, the main aim of this thesis was to elucidate the regulatory role of MC1R signaling in cholesterol, bile acid, and fatty acid metabolism, particularly in the liver.

To address this objective, hepatocyte-specific MC1R knockout (Mc1r LKO), and global MC1R deficient (Mc1re/e) mice were fed either a chow or a Western-type diet, and characterized for body weight and composition, lipid metabolism, and liver morphology. First, MC1R was found to be expressed in hepatocytes as well as in other cell types in the mouse liver, and downregulated in mice fed a Western-type diet, and in patients with metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD). Mc1r LKO mice on a chow diet showed increased liver weight, elevated levels of cholesterol in the plasma and liver, and perturbed bile acid metabolism. Secondly, pharmacological activation of MC1R reduced the cellular cholesterol content, and increased the uptake of LDL and HDL particles in cultured hepatocytes. Lastly, in terms of adiposity and fatty acid metabolism, Mc1re/e mice on a Western diet showed increased white adipose tissue mass, adipocyte hypertrophy and plasma triglycerides (TG) concentration. This phenotype was recapitulated in Mc1r LKO mice, indicating a dependency of the phenotype on dysfunctional MC1R in the liver. Mc1r LKO mice also showed upregulation of markers of de novo lipogenesis (DNL), apoptosis, and inflammation as well as increased liver TG accumulation and fibrosis.

In conclusion, the results from this thesis identify a novel function of hepatic MC1R signaling in the regulation of cholesterol and fatty acid metabolism in the liver, suggesting that MC1R could be a promising therapeutic target for the management of metabolic diseases such as, MASLD.

<b>Melanokortiini 1 reseptorin merkitys maksan kolesteroli- ja rasvahappoaineenvaihdunnan säätelyssä</b>

Melanokortiinit ovat neuropeptidejä, joihin lukeutuvat α-, β-, ja γ-melanosyyttejä stimuloiva hormoni (MSH) sekä adrenokortikotropiini (ATCH). Ne säätelevät elimistön fysiologisia toimintoja aktivoimalla melanokortiinireseptoreja, joita on tunnistettu 5 eri alatyyppiä (MC1R - MC5R). MC1R alatyyppiä ilmennetään erityisesti melanosyyteissä sekä veren valkosoluissa, joissa se säätelee ihon pigmentaatiota ja tulehdusvasteita. Kyseistä reseptorialatyyppiä on löydetty myös maksasta ja rasvakudoksesta, mutta sen fysiologinen merkitys näissä kudoksissa on jäänyt epäselväksi. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää MC1R:n roolia erityisesti maksan kolesteroli- ja rasvahappoaineenvaihdunnassa.

Ensimmäinen osatyö osoitti, että maksassa MC1R alatyyppiä ilmenee maksasoluissa mutta myös muissa maksan solutyypeissä, ja että sen määrä laskee korkearasvaisen ruokavalion myötä hiirillä sekä rasvamaksataudissa ihmisillä. Maksasoluihin kohdennettu MC1R:n geneettinen puutos (Mc1r LKO) lisäsi maksan painoa, kohotti verenkierron ja maksan kolesterolitasoja sekä häiritsi sappi-aineenvaihduntaa tavallista rehua syövillä nuorilla hiirillä. MC1R:n farmakologinen aktivaatio puolestaan pienensi solunsisäistä kolesterolimäärä sekä tehosti lipoproteiinipartikkelien soluunottoa viljellyissä maksasoluissa. Toisessa osatyössä tutkittiin MC1R:n merkitystä rasva-aineenvaihdunnassa hyödyntämällä Mc1re/e -hiirimallia, jossa MC1R:n puutos ilmenee koko kehossa. Tavallista tai korkearasvaista rehua syöneet Mc1re/e hiiret olivat normaalipainoisia mutta alttiimpia kehon rasvamassan lisääntymiselle ja rasvasolujen koon kasvulle. Tämä ilmiasu havaittiin myös korkearasvaista rehua saaneilla Mc1r LKO hiirillä, mikä osoittaa vaikutusten johtuvan häiriöstä maksasolujen MC1R signaloinnissa. MC1R:n puutos maksasoluissa johti myös triglyseridipitoisuuksien kohoamiseen, maksan rasvoittumiseen ja sidekudoksen määrän lisääntymiseen sekä muutoksiin maksan rasvahapposynteesiä säätelevien geenien ilmenemisessä.

Väitöskirjatyön löydökset osoittavat MC1R:n säätelevän maksan kolesteroli- ja rasvahappoaineenvaihduntaa, ja sen puutoksen altistavan rasvamassan lisääntymiselle ja maksan rasvoittumiselle. MC1R on siten mahdollinen lääkekehityskohde metabolisten häiriöiden kuten rasvamaksataudin hoidossa.