Nuevos mecanismos y biomarcadores de la interacción de la vitamina A con el metabolismo lipídico y energético y su papel en la programación metabólica

Abstract

[cat] Els factors nutricionals a l’edat adulta i en etapes primerenques de la vida poden condicionar el desenvolupament de la obesitat i malalties metabòliques. El nostre grup ha estat pioner en l'estudi de l'activitat biològica de les formes actives de la vitamina A (retinoids) i carotenoids provitamina A en relació al control de l'adipositat corporal i la salut metabòlica, que apunta una acció antiobesogènica. L'objectiu principal de la present tesi ha estat aprofundir en la interacció de la vitamina A amb el metabolisme energètic i el desenvolupament del teixit adipós i els seus mecanismes, incloent mecanismes epigenètics possiblement relacionats amb la programació metabòlica, i identificar nous biomarcadors d'aquesta interacció. Per a això hem utilitzat diferents dissenys experimentals: a) ratolins adults tractats amb àcid retinoic tot-trans (ATRA) o vehicle per via subcutània; b) cultius primaris d'adipòcits exposats a ATRA i altres estímuls; i c) cries de rata suplementades amb un excés moderat de vitamina A en forma de retinil palmitat o -carotè durant l'etapa de lactància. Els resultats mostren que el tractament amb ATRA va incrementar la capacitat funcional oxidativa de les mitocòndries en el teixit adipós blanc (TAB) de ratolí i va afavorir l'adquisició de certs marcadors de marronització o d'adipòcits beix/BRITE, incloent l'expressió gènica de UCP1 i Cd137, encara que altres marcadors van mostrar una utilitat limitada i va haver-hi variacions intrínseques entre els diferents dipòsits de greix (visceral i subcutani). Aquests efectes de l'ATRA podrien ser deguts en part a mecanismes d'acció indirectes, a través de la inducció de la IRISINA d'origen hepàtic i del propi teixit adipós. Basant-nos en els resultats dels estudis en cultiu primari i en animals adults, identifiquem la ràtio entre l'expressió de Rarb i Rxrg com un nou marcador transcripcional en teixit de marronització i activació metabòlica del TAB. D'altra banda, el tractament amb ATRA va afectar els nivells de diferents metabòlits circulants: alguns canvis podrien reflectir l'activació de la mobilització i oxidació tissular de lípids (e.g., acilcarnitinas), mentre que altres podrien jugar un paper més actiu o causal. L'anàlisi metabolòmic realitzat ens va permetre identificar diversos marcadors plasmàtics d'activació del teixit adipós marró i d'activació metabòlica del TAB, particularment el visceral. La suplementació amb vitamina A durant la lactància va induir canvis en l'estat de metilació de l'ADN en el teixit adipós inguinal en regions reguladores de gens relacionats amb la proliferació cel·lular, la diferenciació i determinació adipogénica i la termogènesi, i de manera diferencial quan es va administrar com a retinil palmitat o -carotè. Els efectes observats podrien ser deguts a diferències en fenòmens de programació de les característiques i respostes del TAB en etapes posteriors de la vida. El coneixement de compostos actius en la programació metabòlica i en l'optimització de la funció mitocondrial del teixit adipós, així com la disponibilitat de nous marcadors de la mateixa, és d'interès ja que pot contribuir a noves estratègies de control de la obesitat i les seves comorbiditats.

[eng] Nutritional factors in adulthood and in early stages of life can condition the development of obesity and metabolic diseases. Our group has been a pioneer in the study of the biological activity of the active forms of vitamin A (retinoids) and provitamin A carotenoids in relation to body adiposity control and metabolic health, which points to an antiadiposity action. The main objective of this thesis has been to further understand the interaction of vitamin A with energy metabolism and the development of adipose tissue and its mechanisms, including epigenetic mechanisms possibly related to metabolic programming, and to identify new biomarkers of this interaction. To achieve this we have used different experimental designs: a) adult mice treated subcutaneously with all-trans retinoic acid (ATRA) or vehicle; b) primary cultures of adipocytes exposed to ATRA and other stimuli; and c) rat pups supplemented with moderate excess of vitamin A in the form of retinyl palmitate or -carotene during the lactation stage. Our results show that ATRA treatment increased the functional capacity of the mitochondria in mouse white adipose tissue (WAT) and favored the acquisition of markers of beige/BRITE adipocytes, including the gene expression of Ucp1 and Cd137. Other markers showed limited utility and there were intrinsic variations between the different fat depots (visceral and subcutaneous). These effects of ATRA may result in indirect mechanisms of action, through the induction of IRISINE of hepatic origin and of the adipose tissue itself. In accordance to the results of studies in primary culture and adult animals, we identified the ratio between Rarb and Rxrg expression as a new transcriptional marker in the browning process and metabolic activation WAT. Moreover, treatment with ATRA affected the levels of a whole series of circulating metabolites: some changes may reflect the activation of tissue mobilization and oxidation of lipids (eg acylcarnitines), while others may play a more active or causal role. The metabolomic analysis allowed us to identify several plasma markers of brown adipose tissue activation and metabolic activation of WAT, particularly visceral WAT. Vitamin A supplementation during lactation induced changes in the state of DNA methylation in inguinal adipose tissue in regulatory regions of genes related to cell proliferation, differentiation and adipogenic determination and thermogenesis, and differently when administered as retinyl palmitate or -carotene. The observed effects underlie the differences in the programming phenomena of the characteristics and responses of WAT in the later stages of life. Knowledge of active compounds in metabolic programming and in the optimization of the mitochondrial function of adipose tissue, as well as the availability of new biomarkers, is of great interest and may contribute to new strategies for obesity control and its comorbidities.

[spa] Factores nutricionales en edad adulta y en etapas tempranas de la vida pueden condicionar el desarrollo de obesidad y enfermedades metabólicas. Nuestro grupo ha sido pionero en el estudio de la actividad biológica de formas activas de la vitamina A (retinoides) y carotenoides provitamina A en relación con el control de la adiposidad corporal y la salud metabólica, que apunta a una acción antiobesogénica. El objetivo general de la presente tesis ha sido profundizar en la interacción de la vitamina A con el metabolismo energético y el desarrollo del tejido adiposo y sus mecanismos, incluyendo mecanismos epigenéticos posiblemente relacionados con la programación metabólica, e identificar nuevos biomarcadores de esta interacción. Para ello hemos utilizado diferentes diseños experimentales: a) ratones adultos tratados con ácido retinoico todo-trans (ATRA) o vehículo por vía subcutánea; b) cultivos primarios de adipocitos expuestos a ATRA y otros estímulos; y c) crías de rata suplementadas con un exceso moderado de vitamina A en forma de retinil palmitato o -caroteno durante la etapa de lactancia. Los resultados muestran que el tratamiento con ATRA incrementó la capacidad funcional oxidativa de las mitocondrias en el tejido adiposo blanco (TAB) de ratón y favoreció la adquisición de ciertos marcadores de marronización o de adipocitos beige/BRITE, incluyendo la expresión génica de Ucp1 y Cd137, si bien otros marcadores mostraron una utilidad limitada y hubo variaciones intrínsecas entre los diferentes depósitos de grasa (visceral y subcutánea). Estos efectos del ATRA podrían resultar en parte de mecanismos de acción indirectos, a través de la inducción de la IRISINA de origen hepático y del propio tejido adiposo. Basándonos en los resultados de los estudios en cultivo primario y en animales adultos, identificamos la ratio entre la expresión de Rarb y Rxrg como un nuevo marcador transcripcional en tejido de marronización y activación metabólica del TAB. Además, el tratamiento con ATRA afectó los niveles de toda una serie de metabolitos circulantes: algunos cambios reflejarían la activación de la movilización y oxidación tisular de lípidos (e.g., acilcarnitinas), mientras que otros podrían jugar un papel más activo o causal. El análisis metabolómico realizado nos permitió identificar varios marcadores plasmáticos de activación del tejido adiposo marrón y activación metabólica del TAB, especialmente el visceral. La suplementación con vitamina A durante la lactancia indujo cambios en el estado de metilación del ADN en el tejido adiposo inguinal en regiones reguladoras de genes relacionados con la proliferación celular, la diferenciación y determinación adipogénica y la termogénesis, y de manera diferencial cuando se administró como retinil palmitato o - caroteno. Los efectos observados podrían subyacer a diferencias en fenómenos de programación de las características y respuestas del TAB en etapas posteriores de la vida. El conocimiento de compuestos activos en la programación metabólica y en la optimización de la función mitocondrial del tejido adiposo, así como la disponibilidad de nuevos marcadores de la misma, es de interés ya que puede contribuir a nuevas estrategias de control de la obesidad y sus comorbilidades.