Study of the function of PGC-1β in white adipose tissue and its contribution to the development of insulin resistance

Abstract

El teixit adipós blanc (WAT) exerceix un paper crític en el control del metabolisme de l'energia. En efecte, modificacions en la seva capacitat d'emmagatzematge o la seva funció endocrina, com en cas de l'obesitat i lipodistròfia, estan associades al desenvolupament de desordres metabòlics com resistència de la insulina i diabetis del tipus 2. Múltiples factors de transcripció i coreguladors modulen el desenvolupament apropiat i la funció del WAT. A més d'estar expressat en WAT, el paper de PGC-1β en aquest teixit encara no s'ha descrit. Per estudiar la seva funció en WAT, hem generat ratolins que manquen PGC-1β en teixits adiposos (PGC1β-FAT-KO) així com també un model in vitro en el qual PGC-1β es va silenciar en adipòcits 3T3-L1. L'anàlisi del perfil d'expressió gènica de WAT de ratolins de PGC1β-FAT-KO va revelar que PGC-1β regula gens mitocondrials implicats en la fosforilació oxidativa (OxPhos) i en el cicle de Krebs (TCA). Els nostres resultats mostren una correlació entre nivells mRNA disminuïts de gens de OXPHOS i els nivells de proteïnes codificades per aquests gens. A més, hem estudiat l'efecte down-regulació de gens diana de PGC-1β en la funció de mitochondrial. Hem analitzat l'activitat d'alguns enzims mitochondrials i hem trobat que l’activitat citrat sintasa i cytochrome c oxidasa disminueixen en WAT de ratolins PGC1β-FAT-KO, suggerint una disfunció mitochondrial. WAT és també el principal objectiu de les tiazolidinediones (TZDs), que es creu exerceixen el seu efecte sobre la sensibilització a la insulina mitjançant l'augment de la biogènesi mitocondrial en adipòcits. Un dels objectius d'aquest treball és el d'elucidar la contribució de PGC-1β per a aquest procés. Els nostres resultats mostren que PGC-1β s'indueix en WAT per estímuls farmacològics com TZDs, i també que PGC-1β, però no PGC-1α, és el principal mediador de l'augment de l'expressió de gens mitocondrials i la funció oxidativa induïda per TZDs en adipòcits blancs. De fet, l'ús de siRNA cobtra PGC-1β va demostrar que aquest coregulator es requereix per a l'augment d'expressió dels gens mitocondrials, el consum d'oxigen i l’oxidació de palmitat dependents de TZDs en cèl·lules 3T3-L1. A més, la supressió de PGC-1β en WAT va confirmar que PGC-1β és necessari per mediar el efectes de les TZDs sobre la inducció dels gens mitocondrials OxPhos, TCA i l'oxidació dels àcids grassos. No obstant això, els nostres resultats mostren que PGC-1β no és necessari per intervenir els efectes de les TZDs sobre biogènesi mitocondrial malgrat el seu paper de regulació transcripcional en processos oxidatius, ja que els ratolins augmenten normalment el seu mtDNA en resposta a la TZDs. D'altra banda, el treball actual és el primer a demostrar que no cal un ple metabolisme oxidatiu en WAT per la capacitat sensibilitzant de la insulina de les TZDs. A més dels adipòcits blancs, una proporció variable de adipòcits brite (cèl·lules capaces de dur a terme termogènesi) poden trobar-se en WAT. Per estudiar el paper de PGC-1β en el reclutament d'adipòcits marrons en WAT, hem exposat ratolins PGC1β-FAT-KO a CL-316,234, un β3-adrenergic agonista que és un potent inductor del reclutament de brite. Diverses evidències exposades en aquest treball donen suport al requisit de PGC-1β per a l'expressió de marcadors tipics d’adipocit marró en WAT. Per exemple, el tractament amb CL-316,234 indueix l’expressió de PGC-1β en paral·lel a l'expressió gens termogènics a WAT. Així mateix, l’estimulació β3-adrenèrgica millora l'expressió de gens OxPhos, TCA i de l’oxidació de lipids, a causa del elevat contingut mitocondrial dels adipòcits brite. L'absència de PGC-1β en WAT impedeix l’up-regulació β-adrenèrgic-dependent d'aquests mateixos gens, suggerint un paper de PGC-1β en l'expressió de marcadors de l'adipòcit marró en els adipòcits brite. En conjunt els nostres resultats indiquen que PGC-1β és important per a la funció mitocondrial basal i induïda per TZDs en WAT, que la capacitat oxidativa mitocondrial completa no és essencial per als efectes insulinosensibilitzants de les tiazolidinediones. D'altra banda, els nostres resultats suggereixen que PGC-1β és necessàri per a la diferenciació d'adipòcits brite en WAT induïda per diversos estímuls com les TZD i els β-adrenèrgics.

White adipose tissue (WAT) plays a critical role in the control of energy metabolism. Indeed, alterations in its storage capacity or its endocrine function, as in the case of obesity and lipodystrophy, are associated with the development of metabolic disorders such as insulin resistance and type 2 diabetes. Multiple transcription factors and coregulators modulate proper development and function of WAT. Besides being expressed in WAT, the role of the coactivator PGC-1β in this tissue has not been addressed yet. To study its function in WAT, we have generated mice that lack PGC-1β in adipose tissues (PGC1β-FAT-KO mice) as well as an in vitro model in which PGC-1β was knocked down in 3T3-L1 adipocytes. Gene expression profiling analysis of WAT from PGC1β-FAT-KO mice revealed that PGC-1β regulates mitochondrial genes involved in Oxidative Phosphorylation (OxPhos) and Tricarboxylic Acid Cycle (TCA). Our results show a correlation between decreased mRNA levels of OxPhos genes and the levels of proteins encoded by these genes. In addition, we have studied the effect of down-regulation of PGC-1β-target genes on mitochondrial function. We have analyzed the activity of some mitochondrial enzymes and have found that citrate synthase and cytochrome c oxidase activity are decreased in WAT of PGC1β-FAT-KO mice, suggesting a mitochondrial dysfunction. WAT is also the main target of thiazolidinediones (TZDs), which are thought to exert their insulin-sensitizing effects by promoting mitochondrial biogenesis in adipocytes. One of the objectives of this work is to elucidate the contribution of PGC-1β to this process. Our results show that PGC-1β is highly inducible in WAT by pharmacological stimuli like TZDs, and also that PGC-1β, but not PGC-1α, is the main mediator of the increase in mitochondrial gene expression and oxidative function induced by TZDs in white adipocytes. Indeed, the use of short interfering RNA against PGC-1β demonstrated that this coregulator is required for TZDs-dependent increases in mitochondrial gene expression, oxygen consumption and palmitate oxidation in 3T3-L1 cells. Additionally, targeted deletion of PGC-1β in WAT confirmed that PGC-1β is necessary to mediate TZDs-induction of mitochondrial genes related to OxPhos, TCA cycle and fatty acid oxidation. However, our results show that PGC-1β is not necessary to mediate the effects of TZDs on mitochondrial biogenesis despite its role in transcriptional regulation of oxidative pathways, since mice normally increase mtDNA in response to TZDs. Moreover, the current work is the first to show that full mitochondrial gene expression and oxidative metabolism in WAT is not required for the insulin-sensitizing capacity of TZDs. In addition to white adipocytes, a variable proportion of brite adipocytes (cells capable of carrying on thermogenesis) can be found in WAT. To study the role of PGC-1β in recruitment of brown adipocytes within WAT, we have exposed PGC1β-FAT-KO mice to the β3-adrenoceptor agonist CL-316,234, a potent inductor of brite recruitment. Several evidences exposed in this work support the requirement of PGC-1β for the expression of brown-characteristic markers in white adipose tissue. For instance, CL-316,234 treatment up-regulated PGC-1β in parallel to thermogenic gene expression in WAT. Likewise, β3-adrenergic stimulation enhanced the expression of OxPhos, TCA and lipid oxidation genes, owing to the elevated mitochondrial content of brite adipocytes. The absence of PGC-1β in WAT prevented β-adrenergic-dependent up-regulation of these same genes, suggesting a role of PGC-1β in the expression of brown adipocyte markers in brite adipocytes. Taken together our findings indicate that PGC-1β is important for basal and TZDs-induced mitochondrial function in WAT, and that induction of mitochondrial oxidative capacity is not essential for the insulin-sensitizing effects of thiazolidinediones. Moreover, our results suggest that PGC-1β is required for the differentiation of brite adipocytes within WAT induced by diverse stimuli like TZDs and β-adrenergic agonists.