CPT1c in specific hypothalamic nuclei and its role in lipid sensing and metabolic adaptation

Abstract

Obesity has become a pandemic disease in the last 40 years. The WHO estimates that the population with overweight has nearly tripled since 1975, and the tendency is still growing. These data have an impact on health and on country's healthcare costs. Obesity is a chronic disease of multifactorial origin that is associated to other pathophysiological conditions such as Type 2 Diabetes mellitus. Obesity appears due to an imbalance in the energy metabolism, which is primarily regulated by the hypothalamus, the central structure responsible for integrating signals from the periphery and orchestrating a homeostatic response. In the last years, research has been focused on the molecular mechanisms and the hypothalamic nuclei involved in the dysregulation of energy homeostasis of obesity in order to identify potential therapeutic targets.

This thesis studies the role of the protein carnitine palmitoyltransferase 1c (CPT1c), a neuronal energy sensor, in the regulation of energy homeostasis within the hypothalamus in response to different metabolic challenges. Recently, its expression in the ventromedial nucleus of the hypothalamus (VMH) has been found as necessary for the activation of thermogenesis in brown adipose tissue (BAT) in response to a high-fat diet. The most abundant neuronal population of the VMH nucleus are SF1 neurons. Thus, we have generated a new genetic mouse model deficient in CPT1c in these neurons (SF1-CPT1c-KO) to explore the specific function of the protein in these neurons. At the same time, we have studied the role of CPT1c in the central response to long-chain fatty acids (LCFAs). First, we defined the differential effects that saturated and unsaturated LCFAs have on food intake, body weight and brown adipose tissue thermogenesis, as well as the hypothalamic nuclei involved and the possible signalling pathways involved, in wild-type mice (WT). Then we evaluated the same effects on mice deficient for CPT1c (CPT1c-KO). Results of this thesis showed, on the one hand, that CPT1c in the SF1 neurons is necessary for the metabolic adaptation, facilitating that the peripheral tissues use fat but not glucose as the energy substrate, during the first days of high-fat diet administration and under fasting or cold exposure situation. On the other hand, we have defined that centrally administered LCFAs differently activate satiety and BAT thermogenesis depending on the level of saturation. We have also identified that the hypothalamic nuclei arcuate, paraventricular and VMH are mediators of unsaturated LCFA signals and that LCFAs differently activate the AMPK-ACC axis and FAS expression depending on the level of saturation. Finally, we have described that CPT1c is involved in this axis. Overall, our results confirm the important role of CPT1c under metabolic challenges and provide new knowledge of the central processes underlying obesity development.

L’obesitat s’ha convertit en una pandèmia en els últims 40 anys. L’OMS estima que la població amb sobreprès gairebé s’ha triplicat des del 1975, i la tendència continua creixent. Aquestes dades tenen un gran impacte tant en la salut com en la despesa sanitària d’un país. L’obesitat és una malaltia crònica d’origen multifactorial que va lligada a altres condicions patològiques, com la Diabetis mellitus tipus 2. L’obesitat apareix degut a un desequilibri en el metabolisme energètic de l’organisme, el qual està estretament regulat per l’hipotàlem, encarregat d’integrar senyals de la perifèria i donar una resposta homeostàtica. En els últims anys, s’ha investigat sobre els mecanismes moleculars i els nuclis de l'hipotàlem implicats en la desregulació de la homeòstasis energètica per poder reconèixer possibles dianes terapèutiques. Aquesta tesi està centrada en estudiar el paper de la proteïna carnitina palmitoil transferasa 1c (CPT1c), un sensor energètic neuronal, en la regulació de la homeòstasis energètica en l’hipotàlem com a resposta a diferents reptes metabòlics. Recentment, la seva expressió en el nucli ventral de l’hipotàlem (VMH) ha estat assenyalada com a necessària per a l’activació de la termogènesis del teixit adipós marró en resposta a una alimentació rica en greixos. La població neuronal més abundant del nucli VMH són les neurones SF1. Així doncs, hem generat un nou model genètic de ratolí que no expressa CPT1c en aquestes neurones (SF1- CPT1c-KO) per poder conèixer-ne la funció concreta en aquesta població neuronal. Paral·lelament, també hem estudiat el paper de la CPT1c en la resposta central als àcids grassos de cadena llarga (AGCL). Primerament, hem definit l’efecte diferencial dels AGCL saturats i insaturats en la ingesta, el control del pes i la termogènesis del teixit adipós marró, així com els nuclis hipotalàmics implicats i les possibles rutes de senyalització involucrades,

en ratolins salvatge (WT) , i seguidament hem avaluat aquests efectes en ratolins deficients per aquesta proteïna (CPT1c-KO). Els resultats de la tesi evidencien, per una banda, que la CPT1c en les neurones SF1 del VMH és necessària per una l’adaptació metabòlica, facilitant que els teixits perifèrics utilitzin preferentment els greixos com a substrat energètic en comptes de la glucosa, durant els primers dies d’exposició a la dieta grassa, en una situació de dejú o en l’exposició al fred. Per altra banda, hem confirmat que els àcids grassos administrats centralment activen de forma diferencial la sacietat i la termogènesis del teixit adipós marró depenent del grau de saturació/insaturació de la seva cadena alifàtica. També hem identificat els nuclis hipotalàmics arcuat, paraventricular i VMH com a mediadors d’aquesta senyal i l’activació diferent de l’eix AMPK-ACC i la proteïna FAS segons el nivell de saturació dels àcids grassos de cadena llarga. Finalment, hem descrit que la proteïna CPT1c es troba implicada en aquest eix. En el seu conjunt, els resultats obtinguts confirmen el paper important de la CPT1c davant de reptes metabòlics, i aporta nous coneixements dels processos centrals durant el desenvolupament de l’obesitat.