Mechanistic Insights into Aryl Hydrocarbon Receptor Regulation of Fibroblast Growth Factor 21 and its Influence on Systemic Energy Metabolism

点击翻译按钮获取中文摘要

ABSTRACT     The  long-­term  objectives  of  this  project  are  to  acquire  fundamental  knowledge  about  the  role  of  aryl  hydrocarbon receptor (AHR) in energy metabolism and to better understand the mechanistic underpinnings of  metabolic  disease.  The  AHR  is  a  ligand-­activated  transcription  factor  that  regulates  gene  expression  via  site-­ specific  DNA  binding.  Recent  data  have  implicated  the  AHR  in  transcriptional  modulation  of  the  metabolic  hormone  fibroblast  growth  factor  21  (FGF21).  FGF21  is  secreted  from  the  liver  and  promotes  a  thermogenic  brown adipose tissue-­like phenotype in white fat deposits. Exogenous FGF21 administration in various models  of  obesity  consistently  results  in  reduced  weight  gain  and  fat  deposition.  My  previous  data  indicate  that  the  activation of Fgf21 gene expression by several different transcription factors is attenuated with pre-­exposure to  AHR agonist, but the mechanism for this is unclear. Since the original submission, I have generated data that  demonstrate AHR loss promotes weight loss, hepatocyte FGF21 output, and the formation of a brown adipose  tissue-­like phenotype in perigonadal white adipose tissue (gWAT). Utilizing a hepatocyte-­targeted AHR-­FGF21  double knockout (DKO) mouse model, I further show that this phenotype is dependent upon FGF21 expression.  Preliminary  data  indicate  that  AHR  loss  protects  against  a  high-­fat  diet  (HFD)  challenge  by  reducing  weight  gain and adiposity. The underlying hypothesis of the proposed research is that AHR loss releases constitutive  AHR-­dependent  suppression  of  Fgf21  transcription  to  protect  against  HFD-­induced  obesity.  To  test  this  hypothesis,  two  specific  aims  are  proposed.  The  first  specific  aim  will  characterize  how  AHR  deletion  can  protect  against  high-­fat  dietary  challenge  through  increased  hepatocyte  FGF21  production,  and  employs  a  sophisticated  in  vivo  methodology  to  reintroduce  AHR  expression  into  AHR-­deficient  mice  and  FGF21  expression  into  DKO  mice.  Specific  aim  two  will  interrogate  the  mechanism  via  which  the  AHR  modulates  Fgf21  transcription  within  a  native  chromatin  setting.  Chromatin  immunoprecipitations  and  state-­of-­the-­art  CRISPR/Cas9  gene-­editing  techniques  will  be  used  in  this  aim  to  reconcile  AHR  agonist-­driven  changes  in  Fgf21  gene  expression  with  temporal  AHR  binding  events  at  three  specific  DREs  within  the  Fgf21  promoter.  Successful  completion  of  the  proposed  studies  will  provide  a  comprehensive  assessment  of  how  the  AHR  modulates hepatic Fgf21 expression, help cultivate a better molecular understanding of the role of the AHR in  energy  homeostasis,  and  may  identify  the  AHR  as  a  potential  ‘druggable’  target  in  the  development  of  therapeutic  treatments  against  metabolic  disease.  Consistent  with  the  applicant’s  career  development  objectives,  the  proposed  innovative  experiments  and  mentored  training  plan  are  tailored  to  provide  training  in  sophisticated techniques and to aid in the transition to independence.