Análisis en animales transgénicos del papel del incremento en la gliceroneogénesis o en la captación de glucosa por el tejido adiposo

Abstract

La obesidad y la diabetes de tipo 2 se han convertido en las dos grandes epidemias de los países desarrollados y en vías de desarrollo. El conocimiento de las causas y mecanismos que desencadenan la obesidad, resistencia a la insulina y diabetes de tipo 2 es de vital importancia para su posterior prevención y tratamiento. Tanto la producción de glicerol-3¬fosfato como la obtención de ácidos grasos libres son fundamentales para la síntesis de triglicéridos por el tejido adiposo. Por tanto, alteraciones metabólicas primarias en el tejido adiposo que incrementen la obtención de glicerol-3-fosfato podrían aumentar su capacidad de almacenar lípidos, induciendo el desarrollo de obesidad, resistencia a la insulina y diabetes de tipo 2. En condiciones fisiológicas, se considera que el adipocito produce glicerol-3-fosfato a partir de la glucosa durante el periodo post-prandial, o a través de la gliceroneogénesis durante el ayuno. <br/>Así, en la primera parte de este estudio, se analizaron los efectos de un incremento en la gliceroneogénesis del tejido adiposo a través de la sobreexpresión de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) en ratones. La sobreexpresión de PEPCK llevaba a un incremento en la reesterificación de ácidos grasos y un mayor depósito de lípidos en tejido adiposo. Aunque estos animales eran obesos hipertróficos, mostraban una sensibilidad a la insulina y tolerancia a la glucosa similar a los controles. Ello probablemente era debido a la ausencia de niveles elevados de FFAs, junto con la ausencia de depósito de grasa en tejidos no adiposos y altos niveles de adiponectina sérica. Posteriormente, los ratones transgénicos aP2-PEPCK se alimentaron con una dieta alta en lípidos durante un breve período. Tras la dieta, estos animales presentaban obesidad mórbida y una severa resistencia a la insulina e intolerancia a la glucosa respecto a los controles. Por tanto, los efectos combinados de la dieta alta en lípidos junto al incremento en la reesterificación de ácidos grasos en tejido adiposo, probablemente saturaban la capacidad de éste de almacenar lípidos. Ello llevaba al depósito de lípidos en hígado y a hipertrigliceridemia. Además, la acumulación de lípidos en tejido adiposo marrón disminuía su capacidad termogénica. Todo ello contribuiría a la obesidad y resistencia a la insulina tan severas que presentaban estos animales transgénicos tras la dieta. <br/>Estos resultados sugieren que la capacidad del tejido adiposo blanco para almacenar lípidos es crucial para el mantenimiento de la sensibilidad a la insulina. <br/>Por otra parte, un incremento en la fosforilación de la glucosa por el tejido adiposo podría llevar a una mayor esterificación de ácidos grasos y depósito de lípidos, a través de un aumento en su obtención de glicerol-3-fosfato. Por ello, en la segunda parte del estudio, se expresó la enzima glucoquinasa (GK) en tejido adiposo de ratones, una enzima reguladora de la utilización de glucosa en hígado. La presencia de GK en tejido adiposo incrementaba su captación basal de glucosa, y mejoraba la tolerancia a la glucosa y sensibilidad a la insulina en estos animales. A pesar de la mayor captación de glucosa en tejido adiposo blanco, ello no generaba más glicerol-3-fosfato ni alteraba su depósito de lípidos, sino que aumentaba su producción de lactato, incrementando sus niveles circulantes. <br/>Todos estos resultados sugieren que la regulación del aporte de glicerol-3-fosfato contribuye al control de la síntesis de triglicéridos. Además, muestran la implicación directa de la PEPCK en la síntesis de glicerol-3-fosfato y resaltan el papel clave de la gliceroneogénesis en la reesterificación de ácidos grasos y la acumulación de grasa en el tejido adiposo. Sin embargo, el incremento en la captación de glucosa no es suficiente para promover la generación de glicerol-3-fosfato y el depósito de grasa.

Obesity and type 2 diabetes are the two most important health problems in Western societies. The mechanisms underlying the development of obesity, insulin resistance and type 2 diabetes are not fully understood. Obesity results from an imbalance between energy intake and expenditure, leading to increased energy storage in the form of triglycerides in white adipose tissue (WAT). Adipocytes synthesize triglyceride by esterification of free fatty acids (FFA) with glycerol-3-phosphate and net lipid deposition occurs when esterification is higher than lipolysis. Although glucose is traditionally viewed as the main precursor of the glycerol backbone for triglyceride synthesis, it may also be synthesized from pyruvate or lactate through glyceroneogenesis when glucose supply is limited, as fasting conditions. <br/>A regulatory step of glyceroneogenesis is catalized by phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK). Thus, in the first part of this study, increase in glyceroneogenesis was analyzed in transgenic mice overexpressing PEPCK in adipose tissue. PEPCK overexpression led to increased FFA re-esterification, higher adipocyte size, fat mass, body weight and circulating adiponectin and decreased circulating FFA. Moreover, despite obesity, glucose tolerance and whole-body insulin sensitivity were preserved. This suggests that obesity without increased circulating FFA does not lead to insulin resistance or type 2 diabetes. Surprisingly, when fed a high-fat diet for a short period (6 weeks), transgenic mice developed severe obesity and were more hyperinsulinemic, glucose intolerance and insulin resistance than controls. In these animals, high-fat feeding in the presence of increased FFA reesterification leads to triglyceride accumulation in white and brown adipose tissue and to fat storage saturation. This impairs the role of white adipose tissue in buffering the flux of circulating lipids, leading to fat deposition in liver, hypertriglyceridemia and insulin resistance. Furthermore, fat accumulation in brown adipose tissue probably may reduce diet-induced thermogenesis, contributing to severe obesity and insulin resistance. All these results suggest that the regulation of the lipid storage capacity of white adipose tissue is crucial to the maintenance of insulin sensitivity. <br/>On the other hand, alterations in nutrient partitioning and particularly in glucose metabolism may contribute to obesity and type 2 diabetes. In an attempt to increase glucose uptake and triglyceride esterification, transgenic mice were engineered to increase glucose phosphorylation in adipose tissue. To this end, and to avoid the feedback inhibition of hexokinase activity by glucose-6-phosphate, the liver enzyme glucokinase (GK) was expressed under the control of aP2 promoter. Transgenic mice showed high levels of GK expression in white adipose tissue which led to increased adipose tissue basal glucose uptake. Consistent with this, transgenic mice presented increased glucose tolerance and higher whole-body insulin sensitivity than controls. Surprisingly, despite increased glucose uptake, body fat content and glycerol-3 phosphate synthesis were not altered in transgenic mice compared with controls. In vitro as well as in vivo studies using nuclear magnetic resonance showed that adipose tissue from transgenic mice released higher amounts of lactate than that from controls. This suggests that the major product from increased glucose uptake is lactate rather than glycerol-3 phosphate, leading to higher circulating lactate levels within physiological range. <br/>All these results reinforce the idea that glyceroneogenesis and PEPCK may be crucial to regulate triglyceride synthesis in adipose tissue. However, the increased glucose uptake in adipocytes is not sufficient to promote glycerol-3-phosphate synthesis and lipid deposition.