Transcriptomic analysis of white and brown adipose tissue during non-shivering thermogenesis

Abstract

L’obesitat i la diabetis tipus 2 (DT2) són dues malalties estretament relacionades que representen un greu problema de salut, social i econòmic per la seva alta prevalença a tot el món. Ambdues malalties també es relacionen amb altres patologies que presenten una mortalitat elevada. Les teràpies disponibles actualment no són del tot efectives. Per tant, el desenvolupament de noves estratègies terapèutiques per a l'obesitat i la DT2 és crucial. El teixit adipós s'ha definit com un òrgan que té un paper central en el control del balanç energètic. El descobriment de funcions endocrines i termogèniques dels adipòcits han tornat a centrar l’interès en l’estudi d’aquest teixit. La termogènesi no associada a tremolor està descrita per dur-se a terme al teixit adipós marró dels ratolins, però sota certs estímuls, com l'exposició prolongada al fred, cèl·lules amb una morfologia similar als adipòcits marrons (adipòcits beix) apareixen en alguns dipòsits de teixit adipós blanc de rosegadors i humans, un procés conegut com a browning. L’activació a través de l’exposició al fred de la termogènesi no associada a tremolor en humans augmenta el consum energètic en repòs, la sensibilitat a la insulina i millora el metabolisme de la glucosa. No obstant, es necessiten més estudis d'expressió gènica per aprofundir en els mecanismes moleculars subjacents a la millora induïda per fred a través de la termogènesi no associada a tremolor, així com per determinar les diferències entre l'activació del teixit adipós marró (BAT) i el browning del teixit adipós blanc (WAT). En aquesta tesi doctoral, es van examinar els canvis transcriptómica dels dipòsits adiposos blancs epidídimal i inguinal (eWAT i iWAT, respectivament), així com la del dipòsit adipós marró interscapular (iBAT) de ratolins exposats a 22ºC o 4ºC durant 4 dies. L’exposició al fred va augmentar l’activitat metabòlica i termogènica de l’iWAT. En aquest dipòsit, els gens relacionats amb la glucòlisi, el cicle de l'àcid tricarboxílic, la lipòlisi i la degradació d'alguns aminoàcids van presentar una expressió incrementada per mantenir la potència protonmotriu per generar calor. A més, l'expressió de gens relacionats amb la termogènesi també va augmentar molt, demostrant una inducció del browning induïda per fred en el iWAT. S'ha descrit que el dipòsit d’eWAT és resistent al browning. Per tant, l’activació metabòlica observada d’aquest dipòsit va ser suau en comparació amb la d’iWAT, i en aquest dipòsit no es va observar cap millora rellevant de la termogènesi no associada a tremolor. Finalment, l’iBAT ja presentava nivells d’expressió de gens termogènics elevats, ja que els ratolins no estaven estabulats a termo-neutralitat. L’observació que els gens termogènics i metabòlics presentaven un patró d’expressió similar entre les mostres va recolzar l’ús d’eines d’anàlisi de patrons per descriure Atp4b i 1700040L02Rik com a nous gens potencialment implicats en la termogènesi. La sobreexpressió d’Atp4b i 1700040L02Rik en el teixit adipós mitjançant l’ús de vectors AAV va produir una reducció del guany de pes corporal, una disminució del pes de l'eWAT i del fetge, la millora de la hipertròfia dels adipòcits blancs i la reducció de la esteatosi hepàtica. Tots aquests resultats van ser potencialment fruit de la termogènesi millorada detectada en iWAT. En general, aquests resultats indiquen un possible nou paper anti-obesogènic d’aquests gens. Els resultats d’aquesta tesi han contribuit a una millor comprensió de la inducció de la termogènesi no associada a tremolor en els dipòsits de teixit adipós de ratolins. Entre els diferents dipòsits de teixit adipos, l’anàlisi exploratori dels nivells d’expressió gènica va determinar que el iWAT era el dipòsit que va respondre de manera més significativa a l’exposició al fred. A més, tal com es va observar en l’anàlisi de l’enriquiment de vies i d’ontologia gènica, aquesta resposta va ser altament coordinada, presentant un elevat nombre de gens relacionats amb rutes metabòliques que presentaven una expressió altament incrementats. Igualment, l’estudi detallat de les vies metabòliques va destacar una gran inducció de la termogènesi no associada a tremolor, revelar que els mecanismes de producció i de consum d’energia estaven altament sincronitzats. Aquest estudi detallat del teixit adipós també va permetre la identificació de nous gens potencialment implicats en la termogènesi no associada a tremolors.

Obesity and type 2 diabetes (T2D) are two closely related diseases that represent a serious health, social and economic problem due to their high prevalence worldwide. Both diseases are also associated with other pathologies that present high mortality. The currently available therapies are not entirely effective. Thus, the development of new therapeutic strategies for obesity and T2D is crucial. Adipose tissue has been defined as an organ that plays a central role in the control of energy balance. The proved endocrine and thermogenic functions of adipocytes has renewed interest in the study of this tissue. Non-shivering thermogenesis has been described as occurring in brown adipose tissue of mice, but under certain stimuli, such as prolonged cold exposure, brown fat-like cells (beige adipocytes), appear in some white adipose tissue depots of rodents and humans. The activation of non-shivering thermogenesis in humans through cold-exposure increases resting energy expenditure, whole-body glucose disposal, insulin sensitivity, and ameliorates glucose metabolism independently of BMI. However, more gene expression studies to gain insight into the molecular mechanisms underlying the cold-induced enhancement of non-shivering thermogenesis, as well as to determine differences between BAT activation and browning of WAT, are needed. In this study, the transcriptomic response of epididymal and inguinal white adipose depots (eWAT and iWAT, respectively) as well as that of the interscapular brown adipose depot (iBAT) of mice either exposed to 22ºC or 4ºC for the period of 4 days were examined. Cold exposure increased the metabolic and thermogenic activity of iWAT. In this depot, genes related to glycolysis, tricarboxylic acid cycle, lipolysis, and the degradation of some amino acids presented a high upregulation to maintain the protonmotive power to generate heat. Moreover, the expression of thermogenic-related genes was also highly increased, demonstrating a cold-induced browning of iWAT. The eWAT depot has been reported to be resilient to browning. Thus, the observed metabolic activation of this depot was mild in comparison with that of iWAT, and no relevant enhancement of non-shivering thermogenesis was observed in this depot. Finally, iBAT already presented high expression levels of thermogenic genes because mice were not housed at thermoneutrality. The observation that genes related to thermogenesis and metabolism presented a similar expression pattern among samples endorsed the utilization of pattern matching analysis tools to unravel Atp4b and 1700040L02Rik as novel genes potentially involved in thermogenesis. The overexpression of Atp4b and 1700040L02Rik in adipose tissue by means of AAV vectors produced a body weight gain reduction, decreased eWAT, and liver weight, amelioration of white adipocytes hypertrophy, and reduced hepatic steatosis potentially as a result of the detected enhanced thermogenesis in iWAT. Overall, these results indicate a new potential anti-obesogenic role for these genes. The results from this thesis contributed to a better understanding of the induction of non-shivering thermogenesis in adipose tissue depots in mice. Among the different adipose depots, exploratory data analysis of the gene expression levels of mice exposed from 22ºC to 4ºC determined that iWAT was the depot that responded most significantly to cold exposure. Moreover, as observed in the pathway enrichment and gene ontology analysis, this response was highly coordinated, presenting a high number of genes related to metabolic pathways highly affected. The detailed study of the metabolic pathways led to the detection of a high induction of non-shivering thermogenesis, revealing that both energy production and energy consumption mechanisms were highly synchronized. This in detail study of the adipose tissue also allowed the identification of novel genes potentially involved in non-shivering thermogenesis.