Asif Nakhuda, Andrea R Josse, Valentina Gburcik, Hannah Crossland, Frederic Raymond, Sylviane Metairon, Liam Good, Philip J Atherton, Stuart M Phillips, James A Timmons, Biomarkeri de rumenire a țesutului adipos alb și reglarea lor în timpul exercițiului și regimului alimentar pierderea în greutate indusă, The American Journal of Clinical Nutrition, volumul 104, numărul 3, septembrie 2016, paginile 557-565, https://doi.org/10.3945/ajcn.116.132563

reglarea

ABSTRACT

Fundal: Există o ipoteză prin care un echilibru energetic negativ indus de efort sau dietetic reduce masa țesutului adipos alb subcutane uman (scWAT) prin formarea celulelor adipocite (brite) asemănătoare maro. Cu toate acestea, validitatea biomarkerilor de formare a britei nu a fost evaluată în mod robust la om, iar datele clinice care leagă formarea britei și pierderea în greutate sunt rare.

Obiective: Am folosit rosiglitazonă și adipocite primare pentru a evalua cu strictețe un set de biomarkeri pentru formarea brite și am determinat dacă expresia genelor biomarkerului în scWAT ar putea explica schimbarea compoziției corpului ca răspuns la antrenamentele de exercițiu combinate cu restricția calorică la femeile obeze și supraponderale (n = 79).

Proiecta: Expresia genică a fost derivată din microarrays ADN exon și preadipocite de la șoareci rezistenți la obezitate și sensibili tratați cu rosiglitazonă pentru a genera biomarkeri candidi brite dintr-un microarray. Acești biomarkeri au fost evaluați în raport cu datele derivate din ARN scWAT de la femei obeze și supraponderale înainte și după exerciții supravegheate 5 zile/săptămână pentru 16 săptămâni combinate cu restricție modestă de calorii (∼0,84 MJ/zi).

Rezultate: Patruzeci la sută dintre biomarkerii genelor brite utilizate în mod obișnuit au prezentat un reglaj specific exonului sau tulpina. Niciun biomarker nu a fost pozitiv legat de pierderea în greutate la scWAT uman. O scădere mai mare în greutate a fost asociată semnificativ cu o exprimare mai mică a decuplării proteinei 1 (P = 0,006, R 2 = 0,09). Într-o analiză globală de urmărire, au existat 161 de gene care au covari cu pierderea în greutate, care au fost asociate cu o activitate mai mare a proteinei de legare CCAAT/amplificator α (z = 2,0, P = 6,6 × 10 −7), a receptorului ficatului X α/β agonism (z = 2.1, P = 2.8 × 10 −7) și inhibarea semnalizării asemănătoare leptinei (z = −2.6, P = 3.9 × 10 −5).

Concluzie: Identificăm un subgrup de biomarkeri de ARN robust pentru formarea brite și arată că pierderea în greutate mediată de restricția caloriilor la femei remodelează în mod dinamic scWAT pentru a lua un fenotip de adipocit mai alb decât mai mult brun.

Vezi editorialul corespunzător la pagina 545 .

INTRODUCERE

METODE

Datele experimentului asupra țesutului uman și ADN-ului

Participanții la studiul nostru uman au fost din studiul nostru publicat anterior „Îmbunătățirea dietei, exercițiului și stilului de viață pentru femei” (18, 19) (clinictrials.gov; NCT00710398), care a fost aprobat de Comitetul de etică al cercetării din Hamilton Health Sciences și conform cu cele mai multe- Declarația recentă a politicii de finanțare a guvernului canadian privind utilizarea subiecților umani în cercetare. Biopsiile au fost obținute de la 85 de subiecți supraponderali înainte și după 16 săptămâni de antrenament cuplat cu o reducere de ~ 20% a necesităților zilnice de energie, din care 79 de subiecți au avut înainte și după măsurători ale compoziției corpului și date cu cipuri genetice (Tabelul suplimentar 1). Rezultatul principal al acestui studiu clinic a fost investigarea efectului diferitelor diete lactate și proteice cu exerciții fizice și a arătat că proteinele mai ridicate, cu lactate bogate, au fost modest benefice compoziției corpului în ceea ce privește creșterea masei slabe și pierderea masei grase . (18, 19). Indiferent de grupul de dietă, în analiza moleculară actuală, grupurile au fost combinate.

Producția de microarray de ADN Exon

Analiza căilor biologice și analiza regulatorului din amonte

analize statistice

Toate statisticile nonmicroarray au fost realizate cu utilizarea software-ului GraphPad Prism (versiunea 6.0; Software GraphPad). Pentru analiza RT-qPCR, s-a efectuat un test U Mann-Whitney cu utilizarea unei valori prag a ciclului de prag între grupul martor și grupul rosiglitazonă. Pentru analiza murină, s-a efectuat un test t nepereche cu utilizarea valorilor de expresie liniară din seturi de sonde specifice exonului între grupurile martor și rosiglitazonă. Pentru analiza umană, s-a efectuat un test t asociat valorilor greutății corporale totale, a masei grase și a expresiei liniare din seturile de sonde înainte și după intervenție. Coeficienții de corelație Pearson au fost derivați între schimbarea în greutate și schimbarea expresiei genice cu intervenția.

REZULTATE

Tratamentul cu rosiglitazonă a dus la o expresie substanțială diferențiată a genelor (Lista suplimentară 1). În adipocitele albe derivate din C57BL/6, tratamentul cu rosiglitazonă a dus la 1270 și 736 de gene reglate în sus și, respectiv, reglate în jos. În adipocitele Sv/129, 833 și 308 gene au fost reglate în sus și, respectiv, în jos. Validarea RT-qPCR a confirmat modificări similare ale expresiei Fabp4 și Ucp1 în ambele tulpini (Figura 1A) și căile așteptate care sunt asociate cu metabolismul lipidic și oxidarea substratului în ambele tulpini (Figura 1B). O analiză în amonte (Tabelul suplimentar 2) au arătat că atât genele Sv/129, cât și C57BL/6 au fost dominate de o semnătură transcripțională extrem de puternică legată de rosiglitazonă (Sv/129: z = 5,8, P = 1,2 × 10 −23; C57BL/6: z = 6,5, P = 3,7 × 10 −30) care a fost în concordanță cu o semnătură de activare PPARγ (Sv/129: z = 5,7, P = 1,63 × 10 −25; C57BL/6: z = 5,9, P = 4,16 × 10 −29). Această analiză a furnizat validarea experimentală robustă a metodei de analiză în amonte pentru utilizarea ulterioară cu datele clinice umane.

Caracterizarea biologiei răspunsului ROSI între șoarecii Sv/129 și C57BL/6. (A) Media ± SD RT-qPCR - modificări de expresie derivate ale markerului adipogenezei Fabp4 și ale markerului de termogeneză Ucp1; ambele gene au fost măsurate în adipocite albe inghinale provenite de la șoareci Sv/129 sau C57BL/6, care au fost tratați cu sau fără ROSI și au rezultat în următoarele 4 grupuri: Sv/129 + ROSI, Sv/129 - ROSI, C57BL/6 + ROSI și C57BL/6 - ROSI. Răspunsul de la ambele tulpini a confirmat inducerea rumenirii și maturarea adipocitelor. Fiecare grup este compus din n = 4. * Semnificația între grupurile de control și grupurile ROSI, P −3). BH, Benjamini-Hochberg - corectat; Fabp4, proteina de legare a acidului gras 4; ROSI, rosiglitazonă; RT-qPCR, transcriptază inversă - reacție în lanț cantitativă a polimerazei; Ucp1, proteina de decuplare 1.

Caracterizarea biologiei răspunsului ROSI între șoarecii Sv/129 și C57BL/6. (A) Media ± SD RT-qPCR - modificări ale expresiei derivate ale markerului adipogenezei Fabp4 și ale markerului de termogeneză Ucp1; ambele gene au fost măsurate în adipocite albe inghinale provenite de la șoareci Sv/129 sau C57BL/6, care au fost tratați cu sau fără ROSI și au rezultat în următoarele 4 grupuri: Sv/129 + ROSI, Sv/129 - ROSI, C57BL/6 + ROSI și C57BL/6 - ROSI. Răspunsul de la ambele tulpini a confirmat inducerea rumenirii și maturarea adipocitelor. Fiecare grup este compus din n = 4. * Semnificația între grupurile de control și grupurile ROSI, P −3). BH, Benjamini-Hochberg - corectat; Fabp4, proteina de legare a acidului gras 4; ROSI, rosiglitazonă; RT-qPCR, transcriptază inversă - reacție în lanț cantitativă a polimerazei; Ucp1, proteina de decuplare 1.

Analiza de reglementare în amonte a pierderii în greutate - genele asociate au identificat activarea puternică a C/EBPα. Cu utilizarea a 161 de gene care au fost corelate cu pierderea în greutate, coeficienții lor de corelație Pearson au fost utilizați într-o analiză a căii de ingeniozitate: analiza în amonte, care a identificat potențiali regulatori care sunt fie responsabili, fie imită efectul pierderii în greutate induse de exerciții și diete. (Tabelul suplimentar 4). A avut loc o puternică activare a C/EBPα (scor z = 2, P = 6,6 × 10 −7), ceea ce a dus la numeroase semnale din aval care au afectat în cele din urmă adipogeneza. * Reglementat semnificativ de C/EBPα la mai multe specii. ACACA, acetil-CoA carboxilază alfa; ACLY, citrat liaz ATP; AGPAT2, 1-acilglicerol-3-fosfat O-aciltransferaza 2; AKR1C3, familia aldo-ceto reductazei 1, membru C3; APLNR, receptor de apelină; CEBPA, CCAAT/proteina de legare a amplificatorului α C/EBPα, CCAAT/proteina de legare a amplificatorului a EPHX1, epoxid hidrolaza 1; LEP, leptină; NRP1, neuropilina 1; PGD, fosfogluconat; PPL, periplakin; SCD, stearoil-CoA desaturază; SERPINI1, serpin familia I membru 1; TUBB2A, tubulină beta 2A clasa IIa; VCL, vinculin.

Analiza de reglementare în amonte a pierderii în greutate - genele asociate au identificat activarea puternică a C/EBPα. Cu utilizarea a 161 de gene care au fost corelate cu pierderea în greutate, coeficienții lor de corelație Pearson au fost utilizați într-o analiză a căii de ingeniozitate: analiza în amonte, care a identificat potențiali regulatori care sunt fie responsabili, fie imită efectul pierderii în greutate induse de efort și dietă. (Tabelul suplimentar 4). A avut loc o puternică activare a C/EBPα (scor z = 2, P = 6,6 × 10 −7), ceea ce a dus la numeroase semnale din aval care au afectat în cele din urmă adipogeneza. * Reglementat semnificativ de C/EBPα la mai multe specii. ACACA, acetil-CoA carboxilază alfa; ACLY, citrat liaz ATP; AGPAT2, 1-acilglicerol-3-fosfat O-aciltransferaza 2; AKR1C3, familia aldo-ceto reductazei 1, membru C3; APLNR, receptor de apelină; CEBPA, CCAAT/proteina de legare a amplificatorului α C/EBPα, CCAAT/proteina de legare a amplificatorului a EPHX1, epoxid hidrolaza 1; LEP, leptină; NRP1, neuropilina 1; PGD, fosfogluconat; PPL, periplakin; SCD, stearoil-CoA desaturază; SERPINI1, serpin familia I membru 1; TUBB2A, tubulină beta 2A clasa IIa; VCL, vinculin.

DISCUŢIE

În studiul actual, am constatat că expresia UCP1 a fost corelată negativ cu pierderea în greutate la oameni ca răspuns la antrenamentele de exercițiu combinate cu o restricție modestă de energie. Datele noastre par să excludă ipoteza că exercițiile fizice promovează pierderea în greutate prin formarea de brite (10) cel puțin la femei și atunci când un echilibru energetic negativ este indus printr-o combinație de strategii. Studiul driverelor moleculare care reglează fenotipul WAT, inclusiv promovarea formării adipocitelor brite, este un proces complex care necesită atât modele in vitro, cât și in vivo (24). Formarea brite a fost propusă ca un mecanism de creștere a ratei metabolice pentru a promova pierderea în greutate la subiecții obezi (10). Câțiva factori limitează progresul către testarea acestei ipoteze, inclusiv lipsa unor medicamente noi pentru stimularea formării brite. În plus, sunt necesare cunoștințe despre biomarkeri fiabili pentru formarea britei, care sunt consecvenți atât în ​​modelele preclinice, cât și în modelele clinice (adică pentru studiile de dezvoltare a medicamentelor).

Analiza din amonte a arătat că celulele tratate cu rosiglitazonă au prezentat un model clar de expresie genetică care reflecta agonismul PPARγ (Tabelul suplimentar 2). Am arătat, de asemenea, că semnătura transcripțională a rosiglitazonei a fost puternic legată de activitatea mono- (2-etilhexil) ftalatului (MEHP) (z = 5,6, P = 2,7 × 10-31). Un obezogen de mediu, MEHP provine din materiale plastice și, după expunerea in vitro sau in utero, promovează adipogeneza (25). Impactul MEHP asupra formării brite este necunoscut, dar prezența acestui factor de mediu comun complică interpretarea analizelor de expresie UCP1 la omul adult. Imitând aspectele globale ale agonismului PPARγ, MEHP are o activitate de co-activare PPAR (26, 27). Deși metaboliții ftalaților au fost asociați cu un risc crescut de diabet, MEHP nu (28), ceea ce sugerează că o mai bună înțelegere a acțiunilor moleculare ale MEHP poate oferi o perspectivă asupra modului de a promova în siguranță formarea brite.

Studiile emergente privind biologia WAT ​​s-au concentrat în primul rând pe înțelegerea mecanismelor care transformă WAT în țesut disipator de energie (10). Cu toate acestea, o mai bună înțelegere a adaptărilor moleculare concomitente cu pierderea în greutate va oferi informații despre înțelegerea plasticității și sănătății WAT. Pierderea masei adipoase cu exerciții fizice a fost raportată în mod obișnuit pentru a reflecta dimensiunea redusă a adipocitelor (36) și dacă modificările numărului adipocitelor nu sunt raportate adesea la exerciții. Analiza noastră de rețea moleculară a arătat dovezi că a existat o activitate C/EBPα crescută în țesut, care a fost concomitentă cu pierderea în greutate indusă de efort și dietă, iar o astfel de activitate este de obicei asociată cu adipogeneza. Prin urmare, s-ar părea că intervenția noastră ar putea avea o creștere a cifrei de afaceri a adipocitelor, deoarece numărul total de adipocite rămâne aproximativ stabil cu pierderea în greutate (37).

Am arătat dovezi pentru inhibarea semnalizării locale a leptinei adipoase, precum și a agonismului LXRα/β. Studiile anterioare au arătat că atunci când adipocitele albe umane sunt tratate cu un agonist LXR, există o lipoliză crescută și o oxidare β (38). Prin utilizarea unui IPA, am identificat o suprapunere interesantă cu 11 gene pe care le-am arătat anterior (39) erau legate de capacitatea de a remodela capacitatea cardiovasculară, sugerând astfel că aceste gene de adaptabilitate pot influența potențialul de remodelare a țesuturilor multiple (4 11 gene, Benjamini-Hochberg - corectat P = 5 × 10 −3).

În concluzie, cu utilizarea unui repertoriu cu adevărat strict de biomarkeri brite în probe scWAT umane, 16 săptămâni de antrenament la exerciții cu restricție calorică nu are ca rezultat creșterea expresiei UCP1 sau a oricărui alt biomarker brite, în ciuda dovezilor pentru remodelarea moleculară a țesutului adipos.

Îi mulțumim lui Natasa Petrovic, Jan Nedergaard și Barbara Cannon pentru contribuția lor la proiectarea experimentului cu cipuri genetice rosiglitazonă în 2010.

Responsabilitățile autorilor au fost următoarele - AN: a efectuat experimente RT-qPCR și a revizuit literatura biologică; AN și JAT: a efectuat analiza bioinformatică și a elaborat manuscrisul; ARJ: a supravegheat proiectarea, colectarea datelor și instruirea pentru studiul îmbunătățirii dietei, a exercițiilor fizice și a stilului de viață; VG și LG: au ajutat la proiectarea și realizarea experimentelor de cultură celulară; HC și PJA: au ajutat la elaborarea și editarea manuscrisului și au furnizat supravegherea analizei RT-qPCR; FR și SM: a efectuat experimentul Illumina-microarray; PJA și SMP: a editat manuscrisul; SMP: a conceput studiul Îmbunătățirea dietei, a exercițiilor fizice și a stilului de viață și a contribuit la analiza datelor sale; JAT: a conceput ideea și designul studiului și a realizat experimentul Affymetrix-microarray; și toți autorii: au citit și au aprobat manuscrisul pentru publicare. LG și JAT sunt acționari la XRGenomics Ltd., dar acest proiect nu a fost legat de interesele comerciale ale companiei. Autorii rămași nu au raportat conflicte de interese legate de studiu.

NOTĂ DE PICIOASĂ

Sprijinit de Consiliul de Cercetare în Biotehnologie și Științe Biologice, Regatul Unit (BB/F021259/1) și Consiliul Național de Cercetări în Științe și Inginerie din Canada.