The role of signal transducer and activator of transcription 5 (Stat5) and the glucocorticoid receptor (GR) in hepatocytefunction

Kornfeld, Jan-Wilhelm

Signal transducer and activator of transcription 5 (Stat5) represents a cytokine- and growth factor-dependent transcription factor regulating important biological processes such as postnatal body growth, erythropoiesis and the expression of milk protein genes. The glucocorticoid receptor (GR) binds Stat5 in a cofactor fashion and was reported to modulate Stat5 target gene specificity. In this study we aimed to elucidate the role of Stat5 in pivotal hepatocyte processes such as the regulation of postnatal body growth, fatty acid metabolism and liver fibrogenesis, taking into account its propensity to interact with the GR. The major findings of this study are summarized in the following: (i) Hepatic loss of Stat5, the GR or both resulted in comparable defects in postnatal body growth. This was accompanied by quantitatively similar changes in transcription profiles, affecting predominantly growth-related Stat5 target genes (e.g. IGF-1 and Socs2). These observation suggested the existence of a linear Stat5-GR signal transduction pathway essential for regulating postnatal body growth. Using protein interaction studies the Stat5 aminoterminus was identified as docking platform for the GR. Luciferase reporter assays confirmed the Stat5-GR-dependent synergism in vitro exemplarily for transactivation of the Socs2 promoter. (ii) Hepatic loss of Stat5 in mice leads to the pathological accumulation of lipids in hepatocytes (steatosis). This coincides with perturbations of hepatic lipid metabolism such as hepatic insulin resistance and induction of de novo lipogenesis mediated by lipogenic master regulators PPARgamma and SREBP-1c. Compound loss of Stat5 and GR in hepatocytes severely aggravates this phenotype, leading to late-stage hepatopathologies such as severe steatosis and liver fibrosis already in young animals. At older ages, these mutants additionally exhibit depletions of peripheral fat stores (lipodystrophy) leading to an increased lipid flux into hepatic tissues and thus exacerbating disease. The two-step pathogenesis observed in double knockout animals closely mimics the onset and progression of human nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD). (iii) Hepatic loss of Stat5 in a murine model for proinflammatory liver carcinogenesis (MDR2- model) leads to extrahepatic cholestasis (bile duct obstruction) causing secondary liver fibrosis at young ages. The pathogenesis in these animals comprises major hallmarks observed in fibrotic states such as the activation of hepatic stellate cells and remodelling of the extracellular matrix. Ablation of Stat5 in hepatocytes leads to a direct loss of Stat5-dependent basolateral bile acid transporter transcription in hepatocytes and thus coincides with perturbations in hepatic bile acid circulation and recycling. This may eventually cause hepatocyte damage and, finally, liver fibrosis and cirrhosis. Taken together, two published first-author manuscripts and one first-author manuscript in preparation resulted from this (see section 8).

Signal transducer and activator of transcription 5 (Stat5) stellt einen wichtigen, Zytokin- und Wachstumsfaktor-abhängigen Transkriptionsfaktor dar mit essentiellen Funktionen z.B. bei der Regulation des postnatalen Größenwachstums, der Erythropoese sowie der Expression von Milchproteinen während der Laktation. Der Glukocorticoid Rezeptor (GR) bindet als akzessorischer Transkriptionskofaktor an Stat5 und kann dessen Zielgen Spezifität unter bestimmten Umständen modifizieren. In der vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss von Stat5 auf Hepatozyten-vermittelte Prozesse wie postnatales Größenwachstum, Lipidstoffwechsel sowie Leberfibrogenese untersucht werden, unter Berücksichtigung der Proteinwechselwirkung mit dem GR. Die wichtigsten Resultate der vorliegenden Studie sind im Folgenden zusammengefasst: (i) Die hepatische Deletion von entweder Stat5, dem GR oder beiden führt zu vergleichbaren Störungen des postnatalen Größenwachstums. Gleichzeitig wurden quantitativ ähnliche Änderungen des Transkriptionsprofils beobachtet, welche besonders solche Stat5-abhängige Gene betraf welche für das postnatal Größenwachsum essentiell sind (z.B. IGF-1 oder Socs2). Diese Beobachtungen ließen auf die Existenz eines linearen Stat5-GR Signaltransduktionsweges schließen, welcher wichtig für die Regulation des Größenwachstums nach der Geburt ist. Der Aminoterminus von Stat5 wurde als Stat5-GR Interaktiondomäne identifiziert. Luciferase Reporter assays bestätigten eine synergistische Transaktivierung des Socs2 Promoters durch Stat5 und den GR in vitro. (ii) Die hepatische Deletion von Stat5 führt zur milden Akkumulation von Fetten in Hepatozyten (Steatose). Dieses wird begleitet von Störungen des hepatischen Lipidstoffwechsels wie z.B. dem Auftreten von hepatischer Insulinresistenz sowie der Induktion der de novo Lipogenese, vermittelt durch die essentiellen prolipogenen Transkriptionsfaktoren PPARgamma und SREBP-1c. Die simultane Deletion von Stat5 und dem GR führt zu einer dramatischen Verschärfung der Steatose sowie zum frühen Auftreten von Leberfibrosen welche normalerweise erst im Endstadium von Steatosen beobachtet werden können. Mit zunehmendem Alter kommt es zu einer Abnahme peripherer Fettspeicher (Lipodystrophie). Dies Zusammenfassung resultiert in einem verstärkten Zustrom von Fetten in die Leber und somit einer Verschlimmerung der bestehenden Steatose. Stat5/GR Doppelmutanten zeigen somit eine zweistufige Pathogenese, welche an den humanen NAFLD Krankheitsverlauf erinnert. (iii) Die hepatische Deletion von Stat5 in einem murinen Modell für inflammatorische Leberkarzinogenese (MDR2- Modell) führt zu extrahepatischer Cholestase (Verschluss der Gallengänge). Diese führt schon in jungen Mäusen zu einer schweren Leberfibrose und Zirrhose. Die Pathogenese in diesen Tieren wird begleitet durch das Auftreten Fibrose-assoziierter Parameter wie z.B. der Aktivierung von hepatischen Sternzellen sowie der Akkumulation von extrazellulären Matrixproteinen. Mechanistisch führt die hepatische Deletion von Stat5 zu einem direkten, transkriptionellen Verlust wichtiger basolateraler Gallentransporter. Dies wiederum resultiert in indirekten Störungen der hepatischen Gallenzirkulation, welche eine konstante Schädigung von Hepatozyten und schließlich Leberfibrose und Leberzirrhose nach sich zieht.

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Kornfeld, Jan-Wilhelm: The role of signal transducer and activator of transcription 5 (Stat5) and the glucocorticoid receptor (GR) in hepatocytefunction. 2008.

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