Estudi del paper de la proteïna morfogenética 7 òssia (BMP7) en el teixit adipós blanc en models d'obesitat i resistència a la insulina

Abstract

L'obesitat i la diabetis tipus 2 (DT2) estan estretament relacionades i representen un greu problema de salut i sòcio-econòmic degut a la seva prevalença alarmantment creixent arreu del món. Tot i això, no hi ha tractaments efectius disponibles per aquestes malalties. Durant el desenvolupament de l'obesitat es produeix una expansió hipertròfica de la massa adiposa que resulta en l’acumulació de greix en compartiments ectòpics i finalment en la resistència a la insulina. S'ha postulat que la inducció de l'activitat termogènica del teixit adipós marró (BAT) pot reduir del pes corporal i millorar la sensibilitat a la insulina en models animals i éssers humans obesos. En aquest sentit, s’ha descrit que la proteïna morfogènica òssia 7 (BMP7) és capaç de promoure l’adipogènesi i induir l’activitat termogènica del teixit adipós marró en estudis in vitro i in vivo a curt termini. Però, encara no s’ha establert si el BMP7 podria tenir també un paper en l’adipogènesi del teixit adipós blanc (WAT) i així contribuir a la millora de la sensibilitat a la insulina. Per tant, l’objectiu d’aquest estudi va ser desenvolupar un sistema que permetés per una banda augmentar els nivells d’expressió de BMP7 localment al teixit adipós i d’altra banda, induir l’alliberació contínua de la proteïna per tal d’estudiar els seus efectes in vivo a llarg termini en models d’obesitat i resistència a la insulina.

L'enginyeria genètica mitjançant vectors virals adenoassociats (AAV) permet obtenir nivells elevats d'expressió del gen d'interès en un òrgan diana, oferint un gran potencial com a eina per comprendre millor els mecanismes moleculars de l’obesitat i la DT2. En aquest cas, es va dissenyar un casset d’expressió d’AAV, per dirigir l’expressió específicament al WAT (AAV-CAG-BMP7-dmiRT). La sobreexpressió específica de BMP7 al WAT a llarg termini en models d’obesitat i resistència a la insulina mitjançant aquests vectors va induir l'adipogènesi i l’expansió hiperplàsica del teixit. A més, es va observar la disminució de la inflamació en el WAT i el fetge, l'augment dels nivells d'adiponectina, la disminució del contingut de triglicèrids a fetge, la reducció de la insulinèmia i la millora de la sensibilitat a la insulina. En canvi, no es va observar inducció de l’adipogènesi ni la termogènesi al BAT.

Per discernir si el fenotip observat es devia a l’augment de l’expressió de BMP7 al WAT o a l’increment dels nivells circulants de la proteïna, es va sobreexpressar el BMP7 específicament a fetge mitjançant vectors AAV per tal d’induir nivells circulants de BMP7 similars als de l’aproximació intra-eWAT. En aquest estudi no es van observar modificacions en el pes corporal, l’adipogènesi, la inflamació, la deposició de greix, l'adiponectina ni els nivells d'insulina. Però la sensibilitat a la insulina sí que estava millorada. D’altra banda, es van voler estudiar els efectes de nivells circulants molt elevats de BMP7 a llarg termini en animals obesos mitjançant l’administració a dosis més altes de vectors AAV. Aquesta aproximació va promoure la normalització del pes corporal mitjançant la reducció de la ingesta d’aliments i l’augment de la despesa energètica, i la millora de la sensibilitat a la insulina i de la tolerància a la glucosa.

En conjunt, aquests resultats indiquen que la sobreexpressió a llarg termini de BMP7 mitjançant AAV en el WAT induïa l’expansió hiperplàsica d’aquest teixit ​​que juntament amb l’augment dels nivells circulants de BMP7, donava lloc a una millora en la sensibilitat a la insulina. D'altra banda, nivells circulants elevats de BMP7 a llarg termini promovien la reducció del pes corporal i la millora de la sensibilitat a la insulina, postulant aquesta aproximació com a possible teràpia per al tractament de la DT2 i l'obesitat en el futur.

Obesity and type 2 diabetes (T2D) are strongly associated and a major health problem because of their alarmingly growing prevalence worldwide. Despite their clinical significance, no effective treatments are available. In obesity, adipose tissue hypertrophy results in the accumulation of fat in ectopic compartments and eventually development of insulin resistance. Enhancement of brown adipose tissue (BAT) activity has been associated with leanness and improved insulin sensitivity in obese animal models as well as in humans. The Bone Morphogenic Protein 7 (BMP7) has been reported to induce commitment of mesenchymal stem cells to brown adipose linage, differentiation of pre-adipocytes into mature brown adipocytes and thermogenic activity of BAT in vitro and short-term in vivo studies. The role of BMP7 in white adipose tissue (WAT) differentiation and its potential contribution to insulin sensitivity enhancement, however, remains to be elucidated. The aim of this study was to develop experimental approaches promoting increased BMP7 expression levels locally in adipose tissue and continuous release of the protein to circulation to study long-term in vivo effects of BMP7 in obese and insulin resistant animal models.

Genetic engineering of adipose cells by means of adeno-associated viral (AAV) vectors offers great potential as a tool to provide high expression levels of genes of interest in adipose tissue. For this purpose, we generated an AAV vector encoding for BMP7 under the control of the CAG ubiquitous promoter. In order to restrict transgene expression in the adipose tissue, the target sequences of microRNA-122a (expressed in the liver) and microRNA-1 (expressed in the heart) were added to the 3’-UTR of the construct (AAV-CAG-BMP7-dmiRT). Obese animals treated intra-eWAT with AAV-CAG-BMP7-dmiRT vectors showed an induction of white adipogenesis, accompanied by an expansion of white adipose tissue (WAT) mass. Decreased inflammation in WAT and increased adiponectin levels, in parallel to reduced insulinemia and improvement of insulin sensitivity were also observed. Moreover, AAV-CAG-BMP7-dmiRT treated mice also showed reduced liver weight, triglyceride content and inflammation. Induction of thermogenesis in brown adipose tissue (BAT) was not observed.

To determine whether the observed phenotype was due to increased BMP7 expression in WAT or to enhanced circulating levels of the protein, BMP7 it was overexpressed specifically in the liver by AAV vectors to induce circulating levels of BMP7 similar to those reported in animals overexpressing BMP7 in WAT. In marked contrast, there was only an improvement in insulin sensitivity, but no modification of body weight, adipogenesis, inflammation, fat deposition, adiponectin or insulin levels. Moreover, we wanted to study long term effects of very high circulating levels of BMP7 in obese animals by administering higher doses of AAV vectors. Noticeably, these animals were able to mediate high liver-derived BMP7 circulating levels and normalized their body weight and improved insulin sensitivity and glucose tolerance.

Altogether, these results indicate that long-term AAV-mediated overexpression of BMP7 in WAT induced hyperplasia of this tissue leading to an improvement in insulin sensitivity, without promoting brown adipose tissue activation or browning. Moreover, long-term AAV-mediated high circulating BMP7 levels induced reduction body weight and improvement of insulin sensitivity and glucose tolerance, suggesting that this latter strategy could serve as a therapeutic aproach for T2D and obesity in the future.