Genetic engineering of the skeletal muscle to counteract insulin resistance and obesity

Abstract

La diabetis tipus 2 és la malaltia metabòlica més freqüent a tot el món. Malgrat que els tractaments farmacològics són útils en les primeres etapes de la malaltia, no han sigut capaços prevenir la pèrdua de control de la glucèmia a llarg termini. A més, aquests tractaments presenten efectes secundaris indesitjables. Per tant, el desenvolupament de nous tractaments per a la diabetis tipus 2 és avui en dia un gran repte per a la investigació científica. El desenvolupament de la teràpia gènica ha proporcionat una nova eina per al tractament de malalties humanes. No obstant això, no s'han desenvolupat fins ara tractaments de teràpia gènica per a la diabetis tipus 2.

Un 90% de la diabetis tipus 2 és conseqüència d'un excés de pes. L'acumulació de triglicèrids en els teixits perifèrics està vinculada a l'aparició de resistència a la insulina i la reducció de la captació de glucosa, conduint a un disfunció de la cèl·lula β i a la diabetis tipus 2. Per tant, promoure la captació de glucosa o l'oxidació d'àcids grassos podria prevenir el desenvolupament de la diabetis tipus 2. El múscul esquelètic juga un paper clau en l'homeòstasi de la glucosa i posseeix una gran capacitat d'utilitzar els àcids grassos per a la producció d'energia. És també un teixit ideal per a la transferència de gens, ja que és fàcilment accessible i permet ser transduït per una diversitat de vectors de teràpia gènica. En aquest estudi, per trobar una nova aproximació de teràpia gènica per a la diabetis tipus 2, vam transferir diversos gens amb la capacitat d'augmentar la captació de glucosa o la capacitat oxidativa del múscul esquelètic en un model de diabetis induïda per la dieta, mitjançant l'ús de vectors AAV. Els vectors AAV són segurs i permeten una expressió a llarg termini del transgen en el múscul esquelètic.

En estudis previs hem demostrat en ratolins transgènics que l'augment de la fosforilació de la glucosa per la sobreexpressió muscular del Glucoquinasa (GCK) prevé l’obesitat induïda per dieta alta en lípids i la resistència a la insulina. En una primera aproximació, la sobreexpressió de GCK en els músculs esquelètics de ratolins adults alimentats en dieta alta en lípids, ha permès una reducció del 10% en el guany de pes corporal, juntament amb normoinsulinemia i una prevenció de la resistència a la insulina. El PGC1 α és un regulador de la biogènesi mitocondrial i de la funció oxidativa en el múscul esquelètic. La seva expressió muscular està disminuïda en pacients diabètics tipus 2, el que suggereix la seva implicació en la patogènesis de la resistència a la insulina en aquest teixit. A més, la seva expressió incrementa la captació de glucosa en les cèl·lules del múscul esquelètic. Així, en la segona part d'aquest estudi, es sobreexpressa el PGC1α en els músculs esquelètics de ratolins adults alimentats en dieta alta en lípids, sol o en combinació amb GCK. La sobreexpressió de PGC1α ha conduït a una reducció del 10% del pes corporal. No obstant això, no ha evitat el desenvolupament de la resistència a la insulina. La co-sobreexpressió de PGC1α i GCK no ha previngut l'obesitat ni el desenvolupament de resistència a la insulina, abolint així els efectes beneficiosos observats amb la sobreexpressió de la GCK sola.

En el múscul esquelètic, PPARδ és un factor de transcripció induïble per lligand, que promou l'oxidació d'àcids grassos. Després de la unió del lligand, PPARδ recluta coactivadors que permeten la transcripció dels seus gens diana. PGC1α és un d'aquests coactivadors. Així, en la tercera part d'aquest estudi, es sobreexpressa PPARδ sol o en combinació amb PGC1α en els músculs esquelètics de ratolins adults alimentats en dieta alta en lípids. La sobreexpressió de PPARδ no ha evitat el desenvolupament de l'obesitat o la resistència a la insulina. Per contra, la co-expressió de PPARδ i PGC1α ha comportat una reducció del 10% en el guany de pes corporal i una prevenció del desenvolupament de resistència a la insulina. A més, els músculs que sobreexpressen els dos gens presenten una major sensibilitat a la insulina i una reducció en l'acumulació d'àcids grassos. Per tant, la sobreexpressió muscular GCK o la co-sobreexpressió de PPARδ i PGC1α, podrien representar noves aproximacions potencials de teràpia gènica pel tractament de la diabetis tipus 2.

Type 2 diabetes is the most common metabolic disease worldwide. Despite drug treatments are useful in the first stages of the disease, none of them have proven to prevent the glycaemic control loss in a long-term basis. Furthermore, all treatments present undesirable secondary effects. Thus, the development of new treatments for type 2 diabetes is nowadays an important cornerstone in scientific research. The development of Gene Therapy has provided a new tool to treat human diseases. However, successful gene therapy approaches for the treatment of type 2 diabetes have not been developed to date. About 90% of type 2 diabetes is attributable to excessive body weight. The accumulation of triglycerides in peripheral tissues is linked to the appearance of insulin resistance and reduced glucose uptake. This leads to β-cell failure and to type 2 diabetes. Thus, promoting glucose uptake or fatty acid oxidation may prevent the development of type 2 diabetes. The skeletal muscle plays a key role in glucose homeostasis and possesses a big capacity to use fatty acids for energy production. It is also an ideal tissue for gene transfer since it is easily accessible and can be transduced by a diversity of gene therapy vectors. In this study, to find a new gene therapy approach for type 2 diabetes, we transferred several genes with the ability to increase glucose uptake or bust the oxidative capacity of the skeletal muscle in a model of diet-induced diabetes by using AAV vectors. These vectors are safe and allow a long-term expression of the transgene in the skeletal muscle. We previously demonstrated in transgenic mice that increasing glucose phosphorylation by the muscular overexpression of Glucokinasse (Gck) prevents high fat diet-induced obesity and insulin resistance. Here, as a first approach, we overexpressed Gck in the skeletal muscles of high fat diet-fed adult mice, leading to a 10% reduction in body weight gain along with normoinsulinemia and a prevention of high fat diet-induced insulin resistance. PGC1α is a master regulator of mitochondrial biogenesis and the oxidative function in the skeletal muscle. The muscular expression of this gene is reduced in type 2 diabetic patients, suggesting its involvement in the pathogenesis of insulin resistance in this tissue. Additionally, the expression of PGC1α increased glucose uptake in skeletal muscle cells. Thus, in the second part of this study, we overexpressed Pgc1α in the skeletal muscles of high fat diet-fed adult mice alone or in combination with Gck. The overexpression of Pgc1α led to a 10% reduction of the body weight gained during the diet. However, it didn’t prevent the development of insulin resistance. The co-overexpression of Pgc1α and Gck didn’t prevent obesity or the development of insulin resistance, thus abolishing the beneficial effects observed when Gck was overexpressed alone. In the skeletal muscle, PPARδ is a ligand-inducible transcription factor that promotes fatty acid oxidation. Upon ligand binding, PPARδ recruits coactivators which allow the transcription of its target genes. PGC1α is one of these coactivators. Thus, in the third part of this study, we overexpressed Pparδ alone or in combination with Pgc1α in the skeletal muscles of high fat diet-fed adult mice. The overexpression of Pparδ during the diet didn’t prevent the development of obesity or insulin resistance. In contrast, the co-overexpression of Pparδ and Pgc1α led to a 10% reduction in body weight gain along and with a prevention of the development of insulin resistance. Furthermore, muscles overexpressing both genes presented increased insulin sensitivity and reduced accumulation of fatty acids. Therefore, the muscular overexpression of Gck or the co-overexpression of Pparδ and Pgc1α, might represent potential new gene transfer approaches to treat type 2 diabetes.