Estudi dels mecanismes moleculars implicats en la cardiomiopatia diabètica: paper del receptor nuclear ERRγ

Abstract

La cardiomiopatia diabètica es defineix com a la disfunció cardíaca que té lloc en pacients diabètics en absència d’aterosclerosi o hipertensió. La malaltia es caracteritza per una hipertròfia del ventricle esquerre i una disminució de la funció diastòlica, juntament amb fibrosi i pèrdua de cèl·∙lules cardíaques en les etapes més avançades de la patologia. Una de les característiques dels cors diabètics és la presència d’un metabolisme oxidatiu anormal, caracteritzat per una dependència absoluta dels àcids grassos com a substrat principal per a la producció d’ATP, en detriment de la glucosa. Aquesta inflexibilitat metabòlica sembla estar al darrera del desenvolupament de la cardiomiopatia diabètica, però els mecanismes implicats romanen encara desconeguts. Per identificar els mecanismes involucrats en la patofisiologia de la cardiomiopatia diabètica, vam escollir el model de ratolí diabètic db/db, caracteritzat per la manca d’expressió del receptor de la leptina. A les 12 setmanes d’edat els ratolins db/db són severament diabètics, però les anàlisis ecocardiogràfiques únicament mostren lleus alteracions estructurals així com l’absència de disfunció contràctil. Tot i això, els cors diabètics presenten característiques de la cardiomiopatia diabètica, com ara acumulació de triglicèrids, un augment de mort cel·∙lular i hipertròfia dels cardiomiòcits. En conseqüència, considerem que el model de ratolí db/db de 12 setmanes d’edat constitueix un bon model per a l’estudi de les etapes primerenques de la cardiomiopatia diabètica. Per tal d’identificar els mecanismes involucrats en la patogènesi de la cardiomiopatia diabètica, primer es va dur a terme un estudi del perfil d’expressió gènica del cor de ratolins db/db i es va comparar amb el dels corresponents animals salvatges. El perfil d’expressió gènica i el posterior anàlisi d’enriquiment gènic va mostrar un increment en l’expressió de gens implicats en la captació, transport i oxidació d’àcids grassos en els cors diabètics, això com una desregulació de l’expressió de gens implicats en la funció contràctil i el metabolisme dels carbohidrats. Es va dur a terme un Upstream Regulator Analysis mitjançant Ingenuity Pathway Analysis software per tal d’identificar possibles reguladors transcripcionals responsables de les alteracions en l’expressió identificades en els cors diabètics. L’anàlisi va demostrar que els canvis en l’expressió gènica estaven associats a un increment en l’expressió d’ERRγ. In vitro, la sobre-­‐expressió d’ERRγ mitjançant vectors adenovirals en cardiomiòcits HL-­‐1 fou suficient per a reproduir parcialment el patró d’expressió gènica característic dels cors diabètics, incloent-­‐hi l’increment en l’expressió de gens involucrats en l’oxidació d’àcids grassos i la desregulació dels gens implicats en la funció contràctil. In vivo, la sobre-­‐expressió d’ERRγ de forma específica a cor de ratolins fou suficient per a induir una severa cardiomiopatia, que comportava la mort prematura dels animals transgènics. A més de l’increment del tamany del cor, la cardiomiopatia induïda per ERRγ estava acompanyada per hipertròfia dels cardiomiòcits, un augment de la mort cel·∙lular i fibrosi. Els nostres resultats suggereixen que ERRγ podria jugar un paper crucial en les alteracions genètiques i metabòliques que estan a l’origen del desenvolupament de la cardiomiopatia diabètica.

Diabetic cardiomyopathy is defined as the myocardial dysfunction occurring in diabetic patients in the absence of hypertension or atherosclerosis. The pathology is characterized by left ventricle hypertrophy and impaired diastolic function, together with fibrosis and cardiac cells loss in the advanced stages of the disease. A hallmark of diabetic hearts is an abnormal oxidative metabolism characterized by an absolute reliance on fatty acids as the main substrate for ATP production in detriment of glucose. This metabolic inflexibility appears to underlie the development of diabetic cardiomyopathy, but the mechanisms implicated remain unknown. To uncover the mechanisms involved in the pathophysiology of diabetic cardiomyopathy, we have chosen the diabetic mouse model db/db, which lacks the expression of the leptin receptor. At 12 weeks of age, db/db mice were severely diabetic, but echocardiographic analysis revealed only minor structural alterations and the absence of contractile dysfunction. However, diabetic hearts exhibited features of diabetic cardiomyopathy, including triglyceride accumulation, increased cell death and cardiomyocyte hypertrophy. Therefore, we considered the 12 week-­‐old db/db mouse model as a good model for the study of the early stages of diabetic cardiomyopathy. To identify the mechanisms involved in the pathogenesis of diabetic cardiomyopathy, we first performed a gene expression profiling study in hearts of diabetic db/db mice and compared it to their wild type counterparts. Gene expression profiling followed by gene enrichment analysis showed an up-­‐regulation of the expression of genes involved in fatty acid uptake, transport and oxidation in diabetic hearts, as well as a dysregulation of genes related to the cardiac contractile function and carbohydrate metabolism. An Upstream Regulator Analysis using the Ingenuity Pathway Analysis software was performed to identify potential transcriptional regulators responsible for the alterations of gene expression found in diabetic hearts. The analysis revealed that changes in gene expression correlated with an increase in the expression of ERRγ. In vitro, adenoviral-­‐mediated overexpression of ERRγ in HL-­‐1 cardiomyocytes was sufficient to partially reproduce the gene expression pattern of diabetic hearts, including an up-­‐regulation of fatty acid oxidation genes and a dysregulation in the expression of genes involved in the contractile function. In vivo, the cardiac-­‐specific overexpression of ERRγ in mice was sufficient to induce a severe cardiomyopathy that led to early death of transgenic mice. In addition to an enlargement of the heart, the ERRγ-­‐induced cardiomyopathy was accompanied by cardiomyocyte hypertrophy, increased cell death and fibrosis. Our results strongly suggest that ERRγ could play a crucial role in the genetic and metabolic derangements that underlie the development of diabetic cardiomyopathy.