The impact of nutrients on clock genes and metabolism: their role for the prevention and treatment of metabolic diseases

Abstract

A number of recent studies in animals and humans have linked energy regulation and the circadian clock at the molecular, physiological and behavioral levels, concluding that disruption of clock genes results in metabolic dysregulation. Obesity and type 2 diabetes are associated with disruption of circadian rhythms. Strategies to prevent disturbances in circadian rhythms are critical in order to find potential targets for new therapies development and treatment for metabolic diseases. Potential candidates to prevent disturbances in circadian rhythms are nutrients. Nutrients reset peripheral circadian clocks and the local clock genes control downstream metabolic processes.

The amino acid taurine has been shown to prevent obesity in animal models of high fat diet and ameliorate metabolic dysfunction in diabetes. Although there are few evidences that taurine may affect circadian rhythms, the effect of taurine on circadian rhythms of hormones and on the expression of clock genes has never been study before. Therefore, we aim to study whether long term taurine treatment can ameliorate disturbances in circadian rhythms caused by high fat diet feeding.

We found that mice treated with High fat diet increased food intake and insulin levels during the day and night time, increased body weight and visceral fat. HFD group disrupted the circadian pattern of insulin and exhibited higher insulin levels throughout the 24h. Taurine treatment prevented the increase in food intake and plasma insulin during the day and night and decrease in visceral fat. Taurine prevents the impairment in glucose tolerance and improves insulin sensitivity, decreased plasma insulin levels in mice treated with high fat diet. Taurine can prevent disturbances of circadian rhythm in food intake and insulin that was disrupted by high fat diet. In peripheral tissues high fat diet changed the expression of clock genes. In addition in visceral adipose tissue taurine normalized the 24h pattern expression of clock genes Rev-erbα, Per2, Clock, and Nocturnin. Suggesting that taurine could be beneficial for the correction of circadian rhythms , amelioration of metabolic consequences of obesity and diabetes.

La expresión de los ritmos biológicos es una capacidad intrínseca de los seres vivos, el funcionamiento correcto de estos ritmos circadianos permite a los organismos predecir y anticiparse a los cambios medio ambientales, así como adaptar temporalmente sus funciones conductuales y fisiológicas a diferentes cambios. Éstos ritmos circadianos son generados por un conjunto de genes reloj. Extensa investigación en animales y seres humanos han vinculado la regulación energética y el reloj biológico a nivel molecular, fisiológico y de comportamiento, concluyendo que la interrupción de los genes del reloj conlleva a una disfunción metabólica. La obesidad y la diabetes tipo 2 se asocian con la alteración de ritmos circadianos. Estrategias para prevenir las alteraciones en los ritmos circadianos son fundamentales para encontrar posibles dianas para el desarrollo de nuevas terapias y el tratamiento de enfermedades metabólicas. Así, estudios recientes se centran más en la relación entre nutrientes y el reloj biológico. Diversos nutrientes son capaces de afectar directamente al ritmo circadiano de genes reloj. Se ha demostrado que el sulfo-aminoácido taurina previene la obesidad en modelos animales de dieta rica en grasa y mejora la disfunción metabólica en la diabetes. Aunque hay pocas evidencias de que la taurina pueda afectar los ritmos circadianos, el efecto de la taurina sobre los ritmos circadianos de hormonas y expresión de genes reloj no ha sido estudiado antes. Por lo tanto, nuestro objetivo fue estudiar si el tratamiento a largo plazo con taurina puede mejorar alteraciones en los ritmos circadianos causados por obesidad inducida por una dieta rica en grasa.

En nuestros resultados se encontró que la taurina previene el incremento de peso, previene el aumento en la ingesta, el peso corporal y la grasa visceral, mejora la tolerancia a la glucosa, la sensibilidad a la insulina y restaura el patrón oscilatorio de hormonas como la insulina y leptina. En tejidos periféricos modula la expresión de genes reloj en tejido adiposo e islotes pancreáticos. Por lo tanto, esta es la primera evidencia que demuestra que la taurina podría ser un nutriente potencial para corregir o mejorar las alteraciones en los ritmos circadianos causados por la obesidad.