Regulation of body energy homeostasis by the selected retinoids and fatty acids

Abstract

[eng] Beside their general effects on satiety, ingested nutrients affect body control mechanisms that regulate energy balance and that include different processes involved in the control of food intake, energy expenditure and local tissue processes. Fatty acids (FA) and vitamin A related compounds are both nutrients with lipidic nature and already known to exert different effects on these processes. It is known that FAs are the ones responsible for the trigliceride effects in the central nervous system as well as in the gastrointestinal tract. Similarly vitamin A metabolites are higly active compounds required for a wide range of biological processes. However, due to the great variety of FA structures and their physicochemical properties as well as a number of vitamin A metabolites there are still many gaps in our knowledge on their effects, especially with regard to the underlying molecular mechanism. Thus, the general objective of this thesis was to study into more depth the effects of these two groups of nutrients on the processes involved in the body energy homeostasis and to profound the understanding of their molecular mechanisms. The first line of the thesis dealt with the FA effects on food intake. More further on, it revolved around the different satiating capacities of the long-chain saturated palmitic fatty acid and the unsaturated linoleic fatty acid. In particular, we were interested to explain the observed satiety differences through: a) FA central effects on the hipothalamic gene expression and the levels of neuropeptides involved in the short- term control of food intake, and b) FA gastrointestinal effects on the stomach protein expression and secretion. Special attention was given to stomach hormones leptin and ghrelin that are involved in the short-term control of satiety and hunger, respectively. The second line of the thesis dealing with the vitamin A metabolites had as an objective to investigate their effects on body energy expenditure and local tissue processes especially the ones associated with the biology and function of adipose tissue. In particular we explored: a) the effects of early vitamin A supplementation (in the form of retynil ester, RE) on the white adipose tissue (WAT) development and its consequences on the later propensity to obesity, b) effects of H-carotene on adipose tissue biology in the same life period, during lactation c) effects of all-trans retinoic acid (ATRA) on skeletal muscle secretoma, possible to have direct effects on adipose tissue and as such being another mechanism likely contributing to ATRA activation of WAT, and d) ATRA effects on mitochondriogenesis and the induction of WAT oxidative metabolism and thermogenesis in relation to ATRA induced process of browning. The results obtained inside the first line show different satiating capacities of palmitic and linoleic acid, which can be explained by their distinctive central effects affecting the expression of hypothalamic neuropeptides included in the control of food intake as well as distinct gastrointestinal effects, including gastrointestinal hormone expression and release. In concrete, stronger satiating capacities of linoleic acid could 14 be explained by its earlier and stronger activation of anorexigenic signalling in the hipotalamus as well as the decrease in ghrelin levels. However, in addition to these already known effects of ghrelin, our results point out the role of gastric leptin in the FA satiating action and indicate a possibility of this being a safety mechanism to counteract anorexigenic central actions induced by FFAs via inhibition of gastric ghrelin, especially in stress situations such as fasting. Results from the second line of investigation regarding vitamin A early supplementation on WAT development indicate that such supplementation (as RE) affects adipose cells to retain increased proliferation potential (higher expression of PCNA), which correlated with a reduced expression of adipogenic markers (e.g. PPARI). These changes facilitate fat storage and thus favor the increased adiposity gain upon a subsequent stimulus in the form of a high fat diet later in life, which was observed previously by our group. On the other hand, although its absorption was confirmed by significantly increased serum and liver levels, H-carotene supplementation in the same period did not affect adipose tissue development in young rats. In fact, H- carotene in the iWAT of these animals was not even detected. Furthermore in the same line of investigation, results of the ATRA treatments showed affected myokine production in the skeletal muscle cells, e.g. induced expression of FNDC5/irisin and FGF21, which were proved to exert effects upon adipose tissue, including browning. These changes in skeletal muscle contribute to the understanding of ATRA anti-obesity and anti-diabetic action and the enhancement of whole body fatty acid catabolism. Additionaly in the same line, our results indicate that ATRA induces mitochondria biogenesis and oxidative phosphorylation/thermogenic capacities in mature white adipocytes. This impact of ATRA could explain the possible remodeling of mature white adipocytes into mitochondria-rich more brown-fat like cells, described previously by our group. Taken together, these results show various effects of fatty acids and vitamin A metabolites on different body control processes that contribute to the organism’s energy homeostasis. Knowledge of FA effects with regard to the food intake can broaden our understanding of the metabolic effects of different diets and their effects on body weight control as well as open up possibilities for the design of new fat replacers with improved efficiency. Vitamin A research is a broad area each time showing more proofs of the importance of related nutrients in the adipose tissue biology and with this associated control of body weight. Results presented here contribute to the understanding of their effects on different tissue processes and the elements of energy expenditure that could be used in the prevention and treatment of obesity and associated metabolic disorders.

[spa] Además de sus efectos generales sobre la saciedad, los nutrientes ingeridos afectan a los mecanismos de control del cuerpo que regulan el equilibrio de energía y que incluyen diferentes procesos implicados en el control de la ingesta de alimentos, gasto de energía y los procesos tisulares locales. Los ácidos grasos (AG) y los compuestos relacionados con vitamina A son nutrientes con la naturaleza lipídica y es sabido que ejercen efectos diferentes sobre estos procesos. Se sabe que los AG son los responsables de los efectos de los triglicéridos en el sistema nervioso central, así como en el tracto gastrointestinal. Del mismo modo metabolitos de la vitamina A son compuestos altamente activos necesarios para una amplia gama de procesos biológicos. Sin embargo, debido a la gran variedad de estructuras de los AG y sus propiedades físico-químicas, así como una serie de metabolitos de vitamina A todavía hay muchos huecos en el conocimiento sobre sus efectos, especialmente en relación con el mecanismo molecular subyacente. Por lo tanto, el objetivo general de esta tesis fue estudiar en mayor profundidad los efectos de estos dos grupos de nutrientes en los procesos implicados en la homeostasis de la energía del cuerpo y profundizar en la comprensión de sus mecanismos moleculares. La primera línea de la tesis aborda los efectos de los AG en la ingesta de alimentos. Así, se centra en torno a las diferentes capacidades saciantes de los AGs de cadena larga, el acido graso saturados palmítico y el ácido graso insaturado linoleico. En particular, nos intereso explicar las diferencias observadas en la saciedad a través de: a) efectos centrales de los AG sobre la expresión génica en el hipothalamo y los niveles de los neuropéptidos implicados en el control de la ingesta de alimentos a corto plazo, y b) efectos gastrointestinales de los AG en la expresión y secreción de las proteínaa del estómago. Se prestó especial atención a las hormonas leptina y grelina en el estómago que están involucrados en el control a corto plazo de la saciedad y el hambre, respectivamente. La segunda línea de la tesis que se centra en los metabolitos de la vitamina A tuvo como objetivo investigar sus efectos sobre el gasto energetico del cuerpo y los procesos locales en los tejidos especialmente relacionados con la biología y la función del tejido adiposo. En particular, hemos explorado: a) los efectos de la suplementacion con la vitamina A (en forma de retinil éster, RE) en el desarrollo del tejido adiposo blanco (TAB) y sus consecuencias sobre la propensión a la obesidad en la edad adula, b) los efectos de H-caroteno en la biología del tejido adiposo en el mismo período la vida, durante la lactancia, c) efectos del ácido retinoico (ATRA) en el secretoma del músculo esquelético, que posiblemente tiene efectos directos sobre el tejido adiposo y, como tal, constituye otro mecanismo probablemente contribuyendo a la activación de TAB con ATRA, y d) los efectos de ATRA sobre mitochondriogenesis y la inducción del metabolismo oxidativo y la termogénesis del WAT en relación con el proceso de ‘browning’ inducido por ATRA. 16 Los resultados obtenidos dentro de la primera línea muestran diferentes capacidades saciantes de ácido palmítico y linoleico, lo que puede explicarse por sus distintos efectos centrales que afectan a la expresión de neuropeptidos hipotalámicos relacionados con el control de la ingesta de alimentos, así como distintos efectos gastrointestinales, incluyendo la expresión y la liberación de las hormonas gastrointestinales. En concreto, las capacidades saciantes más fuertes de ácido linoleico podrían explicarse por su activación más temprana y más fuerte de la señalización anorexígenica en el hipotálamo, así como la disminución en los niveles de grelina. Sin embargo, además de estos efectos ya conocidos de la grelina, nuestros resultados señalan el papel de la leptina gástrica, en el acción saciante de los ácidos grasos e indican una posibilidad de que esto sea un mecanismo de seguridad para contrarrestar las acciones centrales anorexígenicas inducidas por ácidos grasos libres a través de la inhibición de la grelina gástrica, especialmente en situaciones de estrés tales como el ayuno. Los resultados de la segunda línea de investigación con respecto al efecto de la suplementacion con vitamina A en la edad temprana en el desarrollo de TAB indican que tales suplementos (como RE) afectan a las células adiposas para retener aumentado potencial de proliferación (mayor expresión de PCNA), que se correlaciona con una expresión reducida de marcadores adipogénicos (por ejemplo, PPARI). Estos cambios facilitan el almacenamiento de grasa y por lo tanto favorecen ganancia de la adiposidad sobre un estímulo posterior en la forma de una dieta alta en grasas, más tarde en la vida, que se observó previamente por nuestro grupo. Por otro lado, a pesar de que su absorción fue confirmada por sus niveles en el suero y el hígado incrementados significativamente, la suplementacion con H-caroteno en el mismo período no afectó el desarrollo del tejido adiposo en ratas jóvenes. De hecho, H-caroteno en la TAB inguinal de estos animales ni siquiera se detectó. Además, en la misma línea de investigación, los resultados de los tratamientos con ATRA mostraron producción de miokinas afectada en las células del músculo esquelético, por ejemplo, inducida expresión de FNDC5/irisin y FGF21, que se ha demostrado que ejercen efectos sobre el tejido adiposo, incluyendo el ‘browning’. Estos cambios en el músculo esquelético contribuyen a la comprensión de los efectos de ATRA contra la obesidad y su acción anti-diabética y la mejora del catabolismo general de los ácidos grasos. Adicionalmente, en la misma línea, nuestros resultados indican que ATRA induce la biogénesis de las mitocondrias y las capacidades de fosforilación oxidativa y termogénica en adipocitos blancos maduros. Este impacto de ATRA podría explicar la posible remodelación de los adipocitos blancos maduros en las células más marrones ricas en mitocondrias, que se describió anteriormente por nuestro grupo. Tomados en conjunto, estos resultados muestran diversos efectos de los ácidos grasos y metabolitos de vitamina A en diferentes procesos corporales que contribuyen a la homeostasis de la energía del organismo. El conocimiento de los efectos de los AG con respecto a la ingesta de alimentos puede ampliar nuestra comprensión de los efectos metabólicos de diferentes dietas y sus efectos sobre el control del peso corporal, así como abrir nuevas posibilidades para el diseño de nuevos sustitutos de la grasa con mayor eficacia. El estudio de vitamina A es un área de investigación cada vez más amplia mostrando la importancia de los diferentes nutrientes relacionados en la biología del tejido adiposo y asi asociados efectos en el control de peso corporal. Los resultados presentados aquí contribuyen a la comprensión de sus efectos en diferentes procesos en los tejidos y en los elementos del gasto energetico que podrían utilizarse en la prevención y el tratamiento de la obesidad y trastornos metabólicos asociados.