Identification of early biomarkers of metabolic functions with implications on health and related to obesity using animal models of intervention in early life

Abstract

[spa] El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido identificar biomarcadores transcriptómicos tempranos de funciones metabólicas con implicaciones en la salud (salud metabólica) y aquellos relacionados con el control del peso corporal y la obesidad en células mononucleares de sangre periférica (PBMCs) de ratas, las cuales - como resultado de intervenciones en el periodo perinatal - son más susceptibles de padecer obesidad (modelo de restricción calórica materna durante el embarazo) o han desarrollado una cierta protección frente al sobrepeso y otras alteraciones asociadas (modelo de restricción calórica materna durante la lactancia). Los resultados muestran que una restricción calórica materna moderada del 20% durante la primera parte de la gestación programa a la descendencia para una menor capacidad de respuesta a la insulina y a la acción central de la leptina, lo cual desencadena hiperfagia y alteraciones metabólicas en ambos sexos y un mayor peso corporal en los machos. Además, estos animales mostraron una menor capacidad termogénica en el tejido adiposo marrón causada por una deficiencia en la inervación simpática y una alteración en la señalización de la hormona tiroidea. Esto podría causar la mayor sensibilidad al frio que sufren estos animales y contribuir a la mayor propensión a la acumulación de grasa y otras alteraciones metabólicas a lo largo de la vida. Los efectos adversos de una restricción calórica moderada durante la gestación podrían estar asociados a la ausencia de un aumento transitorio en la concentración plasmática de leptina en las crías durante el período de lactancia. La suplementación oral con dosis fisiológicas de leptina durante el periodo de lactancia a las crías de madres sometidas a restricción calórica durante el embarazo es capaz de revertir, al menos en parte, la mayoría de los efectos adversos estudiados causados por una nutrición insuficiente durante la gestación. En concreto, el tratamiento con leptina normalizó la alterada celularidad en el hipotálamo, y en particular el número de células orexigénicas NPY en el núcleo arqueado, lo cual se asoció a la normalización de los patrones de expresión génica en este tejido. Además, los animales machos tratados con leptina mostraron una restauración de la señalización simpática en tejido adiposo blanco (TAB), acompañada por una mejora de la capacidad catabólica en este tejido. El análisis de microarray realizado en PBMCs de crías macho mostró que, de los 224 genes cuya expresión se vio alterada debido a la malnutrición materna durante la gestación, el tratamiento con leptina durante la lactancia normalizó la expresión de 218 a los niveles controles. Estos marcadores podrían ser útiles para la identificación temprana y el posterior seguimiento de los individuos que están en riesgo de padecer futuras enfermedades y que podrían beneficiarse especialmente con la ingesta de cantidades apropiadas de leptina durante la lactancia A diferencia de los efectos de una restricción calórica materna durante la gestación, una restricción calórica materna moderada del 20% durante la lactancia en ratas programa a la descendencia para una mejor salud metabólica en términos de peso corporal y de procesamiento de los lípidos. Esta condición durante la lactancia afectó la capacidad lipogénica y oxidativa en el TAB e hígado e incrementó su sensibilidad a los efectos periféricos de la leptina y la insulina. Dichas adaptaciones se mantuvieron parcialmente a lo largo de la vida pero fueron particularmente evidentes cuando los animales se expusieron a una dieta rica en grasa. El análisis de microarray realizado en PBMCs de las ratas en el destete permitió identificar 278 genes con diferente expresión en las crías de las madres sometidas a restricción calórica durante la lactancia respecto de las controles. Entre los genes relacionados con el metabolismo lipídico, Cptla, Fasn y Star destacaron como particularmente interesantes, ya que su expresión en PBMCs se correlacionó significativamente con la expresión en TAB y/o hígado. En conclusión, los resultados de esta tesis doctoral han permitido identificar una serie de biomarcadores fácilmente accesibles y predictibles de salud o disfunción metabólica, pudiendo proporcionar una potencial herramienta biológica válida para el estudio de procesos metabólicos en humanos.

[eng] The main aim of the present PhD thesis was to identify early transcriptome-based biomarkers of metabolic functions with implications on health (metabolic health) and those related to body weight control and obesity in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of rats, which  as a result of interventions in the perinatal period  are more susceptible to obesity (model of maternal calorie restriction during pregnancy) or have developed certain protection against overweight and other associated alterations (model of maternal calorie restriction during lactation). Results show that moderate maternal calorie restriction of 20% during the first part of gestation programs the offspring for a lower capacity to respond to insulin and to central leptin action, which leads to hyperphagia and metabolic alterations in both genders and higher body weight in males. Moreover, these animals showed reduced brown adipose tissue burning capacity caused by both impairment of sympathetic drive and alteration in thyroid hormone signaling. It may cause the greater sensitivity to cold that undergo these animals and contribute to the higher propensity for fat accumulation and other metabolic alterations later in life. Adverse outcomes of moderate maternal calorie restriction during pregnancy could be associated with the absence of a transient rise in plasma leptin levels in offspring during the suckling period. Oral supplementation with physiological doses of leptin during the suckling period to the offspring of calorie-restricted dams during pregnancy is able to revert, at least partly, most of the malprogrammed effects studied caused by maternal undernutrition during gestation. Specifically, leptin treatment normalized altered cellularity in the hypothalamus, and particularly the number of orexigenic NPY cells in arcuate nucleus, associated with normalization of gene expression patterns in this tissue. Moreover, leptin-treated male animals displayed restored sympathetic drive into white adipose tissue (WAT), accompanied by amelioration of catabolic capacity in this tissue. Microarray analysis performed in PBMCs from male pups showed that, out of the 224 genes which expression was altered due to maternal undernutrition during gestation, leptin treatment normalized the expression of 218 of them to control levels. These markers may be useful for early identification and subsequent monitoring of individuals who are at risk of later diseases and would specifically benefit with the intake of appropriate amounts of leptin during lactation. Unlike the effects of maternal calorie restriction during gestation, moderate maternal calorie restriction of 20% during lactation in rats programs the offspring for better metabolic health in terms of body weight and lipid handling. This condition during lactation affected lipogenic and oxidative capacity in WAT and liver and increased their sensitivity to the peripheral effects of leptin and insulin. These adaptations were partially maintained throughout life but were particularly evident when animals were exposed to high-fat diet feeding. Microarray analysis of PBMCs from weaned rat identified a number of 278 genes, which expression was different in the offspring of dams submitted to calorie restriction during lactation compared to controls. Among lipid metabolism-related genes, Cpt1a, Fasn and Star emerged as particularly interesting, as their expression levels in PBMCs were significantly correlated with expression profiles in WAT and/or liver. All in all, results from this PhD thesis enabled to identify a number of easily accessible predictive biomarkers of metabolic health and dysfunction, which may potentially provide a valid biological readout for the study of metabolic processes in humans.