GDF15, a novel regulator of the AMPK-mediated antidiabetic actions of PPARβ/δ and metformin

Abstract

Type 2 diabetes (T2D) is a multifactorial disease that comprises metabolic defects in multiple organs. Several studies have shown that the presence of a chronic low-state inflammatory process induces the development of insulin resistance, a pathology in which the organism fails to respond to the hormone insulin. This condition precedes and predicts the development of T2D. Likewise, the presence of endoplasmic reticulum (ER) stress induced by a lipid overload in obesity states contributes to the development of insulin resistance through multiple processes, including the activation of inflammatory pathways.

At present, T2D has become a chronic disease that affects more than 400 million people worldwide, reaching epidemiological rates. In addition to the metabolic defects, T2D progression can lead to further complications, including blindness, cardiovascular disease, kidney failure, or limb amputation. Despite its growing incidence, the current available drugs for the treatment of T2D show a limited efficacy and significant side effects that are not fully controlled. For that reason, there is an urgent need to discover new therapeutic targets that can control the complexity of the disease. In this regard, PPARβ/δ agonists have been proven effective as a therapy against insulin resistance and T2D, by improving lipid-induced ER stress and inflammation, as well as glucose and lipid homeostasis. However, PPARβ/δ agonists are not currently available for clinical therapy. On the other hand, metformin has been the most prescribed oral drug for T2D in the past years. Nevertheless, the molecular mechanisms by which this drug exerts its antidiabetic actions are not fully understood. Interestingly, many of the antidiabetic effects of PPARβ/δ activation and metformin on lipid metabolism, inflammation or insulin signalling rely on AMPK activation, and present similarities with the actions of growth differentiation factor 15 (GDF15), a stress response cytokine that regulates energy metabolism through different mechanisms.

In the present thesis, we show that pharmacological PPARβ/δ activation increases GDF15 levels, which contribute to the antidiabetic effects of PPARβ/δ on glucose intolerance, fatty acid oxidation, ER stress, inflammation and insulin signalling. Additionally, we report that the AMPK-p53 pathway is involved in the PPARβ/δ-mediated increase in GDF15, which in turn is necessary to maintain the activation of AMPK. Similarly, metformin treatment increases GDF15 levels through an AMPK-ATF3 pathway. Interestingly, we report that GDF15 mediates the AMPK- mediated antidiabetic effects of metformin on fatty acid oxidation, inflammation and insulin signalling independently of changes in food intake or body weight. Importantly, one of the most remarkable findings is that GDF15 activates AMPK in skeletal muscle independently of central nervous system or the glial cell line- derived neurotrophic factor (GDNF) family receptor α-like (GFRAL), the neuronal receptor for GDF15.

Overall, the results of the present doctoral thesis shed light on the mechanism of action of two well-known antidiabetic agents and indicate that GDF15 may become a new therapeutic target for the potential treatment of metabolic disorders.

La diabetes tipo 2 es una enfermedad multifactorial que engloba defectos metabólicos en múltiples órganos. Diversos estudios ponen de manifiesto que la presencia de un proceso inflamatorio crónico de baja intensidad induce el desarrollo de la resistencia a insulina, una patología metabólica en la cual el organismo no responde correctamente a la hormona insulina. Esta condición precede y predice el desarrollo de la diabetes tipo 2. Asimismo, la presencia de estrés en el retículo endoplásmico (RE) inducida por una sobrecarga lipídica en estados de obesidad contribuye al desarrollo de la resistencia a insulina a través de múltiples procesos, incluyendo la activación de vías inflamatorias.

En la actualidad, la diabetes tipo 2 se ha convertido en una enfermedad crónica que afecta a más de 400 millones de personas en todo el mundo, alcanzando tasas epidemiológicas. Además de los defectos metabólicos inherentes a la enfermedad, la progresión de ésta puede desembocar en futuras complicaciones, incluyendo ceguera, enfermedades cardiovasculares, fallo renal, o amputación de extremidades. A pesar del crecimiento de su incidencia, los fármacos actualmente disponibles para el tratamiento de la diabetes tipo 2 muestran una eficacia limitada y efectos secundarios significativos que no están completamente controlados. Por esta razón, existe una urgente necesidad de definir nuevas dianas terapéuticas que permitan controlar la complejidad de esta enfermedad. En este sentido, los agonistas de PPARβ/δ han demostrado ser una terapia eficaz contra la resistencia a insulina y la diabetes tipo 2, mejorando la inflamación y el estrés del RE inducido por lípidos, así como la homeostasis glucídica y lipídica. Sin embargo, los agonistas de PPARβ/δ no están actualmente disponibles para la terapia clínica. Por otro lado, la metformina ha sido el fármaco oral más prescrito contra la diabetes tipo 2 en los últimos años. A pesar de ello, los mecanismos moleculares por los que este fármaco ejerce sus funciones antidiabéticas no están completamente descritas. Resulta interesante que varios de los efectos antidiabéticos de la activación de PPARβ/δ y de la metformina sobre el metabolismo lipídico, la inflamación, o la señalización de la insulina dependen de la activación de AMPK, y presentan similitudes con las acciones de GDF15 (growth differentiation factor 15), una citoquina de respuesta a estrés que regula el metabolismo energético a través de diferentes mecanismos. En la presente tesis, demostramos que la activación farmacológica de PPARβ/δ aumenta los niveles de GDF15, y que este aumento contribuye a los efectos antidiabéticos de PPARβ/δ sobre la intolerancia a la glucosa, la oxidación de ácidos grasos, el estrés del RE, la inflamación y la señalización de la insulina. Además, reportamos que la vía AMPK-p53 está involucrada en el aumento de GDF15 mediado por PPARβ/δ, y que este aumento de GDF15 es necesario para mantener la activación de AMPK. De modo similar, el tratamiento con metformina aumenta los niveles de GDF15 a través de la vía AMPK-ATF3. Asimismo, este aumento de GDF15 media los efectos antidiabéticos de la metformina regulados por AMPK sobre la oxidación de ácidos grasos, la inflamación y la señalización de la insulina en ausencia de cambios en la ingesta de comida o en el peso corporal. Finalmente, uno de los descubrimientos más relevantes es que GDF15 activa AMPK en el músculo esquelético independientemente del receptor neuronal de GDF15 GFRAL (GDNF family receptor α-like) y sin mediación del sistema nervioso central.

En resumen, los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral permiten definir en mayor profundidad el mecanismo de acción de dos agentes antidiabéticos ampliamente conocidos e indican que GDF15 podría constituir una nueva diana terapéutica para el potencial tratamiento de distintas enfermedades metabólicas.