Afilieri Inserm, UMR1048, Laborator de cercetare a obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța

adipos

Afilieri Inserm, UMR1048, Laboratorul de Cercetare a Obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de Boli Metabolice și Cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța, Departamentele de Nutriție și Biochimie Clinică, Spitalele Universității din Toulouse, Toulouse, Franța

Afilieri Inserm, UMR1048, Laborator de cercetare a obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța, GeT, Platforma genomului și transcriptomului, GenoToul, Toulouse, Franţa

Afilieri Inserm, UMR1048, Laborator de cercetare a obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța

Afilieri Inserm, UMR1048, Laborator de cercetare a obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța

Afilieri Inserm, UMR1048, Laborator de cercetare a obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța

Afiliere SAMM, statistici, analize, modelare multidisciplinară, Universitatea din Paris 1, Paris, Franța

Afilieri Inserm, UMR1048, Laborator de cercetare a obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța, Platoul Bioinformatic, I2MC, Institutul de boli metabolice și cardiovasculare, Toulouse, Franța

Departamentul de afiliere pentru nutriție, știința alimentelor, fiziologie și toxicologie, Universitatea din Navarra, Pamplona, ​​Spania

Institutul de afiliere pentru medicină preventivă, Spitalele Universității din Copenhaga, Copenhaga, Danemarca

Departamentul de afiliere pentru nutriția umană, Facultatea de Științe ale Vieții, Universitatea din Copenhaga, Copenhaga, Danemarca

Afiliere Inserm, U1060, INRA, UMR1235, Universitatea Lyon, Oullins, Franța

Institutul de Afilieri pentru Cardiometabolism și Nutriție (ICAN), Spitalul Pitié-Salpêtrière, Paris, Franța, Inserm, U872, Nutriomică, Centrul de Cercetare Cordelier, Paris, Franța, Universitatea Pierre și Marie Curie-Paris 6, Paris, Franța

Afiliere CEA - Institutul de Genomică, Departamentul de Genetică Umană, Centrul Național de Genotipare, Evry, Franța

Departamentul de Afiliere al Institutului de Cercetare în Biologie Umană, Nutriție și Toxicologie (NUTRIM), Centrul Medical al Universității Maastricht, Maastricht, Olanda

Afilieri Inserm, UMR1048, Laboratorul de Cercetare a Obezității, Echipa 4, I2MC, Institutul de Boli Metabolice și Cardiovasculare, Toulouse, Franța, Universitatea din Toulouse, UMR1048, Universitatea Paul Sabatier, Toulouse, Franța, Departamentele de Nutriție și Biochimie Clinică, Spitalele Universității din Toulouse, Toulouse, Franța

  • Nathalie Viguerie,
  • Emilie Montastier,
  • Jean-José Maoret,
  • Balbine Roussel,
  • Marion Combes,
  • Carine Valle,
  • Nathalie Villa-Vialaneix,
  • Jason S. Iacovoni,
  • J. Alfredo Martinez,
  • Claus Holst

Cifre

Abstract

Rezumatul autorului

Citare: Viguerie N, Montastier E, Maoret J-J, Roussel B, Combes M, Valle C, și colab. (2012) Determinanți ai expresiei genei țesutului adipos uman: impactul dietei, sexului, stării metabolice și reglementării genetice Cis. PLoS Genet 8 (9): e1002959. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1002959

Editor: Greg Gibson, Georgia Institute of Technology, Statele Unite ale Americii

Primit: 20 februarie 2012; Admis: 25 iulie 2012; Publicat: 27 septembrie 2012

Finanțarea: Studiul a fost susținut de finanțare din partea Comunităților Europene (DiOGenes FP6-513946, MolPAGE LSHG-CT-2004-512066 și ADAPT HEALTH-F2-2008-2011 00), Fondation pour la Recherche Médicale ANR LIPOB și OBELIP și Région Midi -Pirinei. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Obezitatea se caracterizează printr-un exces de grăsime depusă în țesutul adipos (AT) sub formă de trigliceride. O creștere a adipozității este asociată cu un risc crescut de tulburări cardiovasculare și anomalii metabolice, inclusiv hipertensiune, rezistență la insulină, diabet de tip 2, apnee obstructivă în somn și cancere. Scăderea în greutate indusă de dietă previne riscul diabetului de tip 2 și al sindromului metabolic [1], [2], subliniind rolul esențial al AT în complicațiile legate de obezitate. Fiind un țesut-țintă cheie al intervenției dietetice și un nod de integrare între metabolism și imunitate, adaptările care apar în AT pot avea un impact profund asupra răspunsului întregului corp [3], [4].

Studiul DiOGenes este una dintre cele mai mari intervenții dietetice longitudinale la nivel mondial care constă într-o dietă de scădere în greutate de 8 săptămâni și o fază de control al greutății de 26 de săptămâni cu diferite regimuri dietetice [9], [10]. Proiectarea prospectivă pe termen lung, randomizată, controlată a oferit o oportunitate unică de a aplica tehnologia genomică intervenției dietetice menite să mențină pierderea în greutate. În acest studiu, am aplicat un preparat ARN total îmbunătățit de la AT la mii de probe disponibile în timpul studiului DiOGenes. Folosind o tehnologie microfluidică nouă, analiza expresiei cantitative a genelor AT a fost efectuată la indivizi din această cohortă. A fost investigată relația dintre nivelurile de ARNm și datele bio-clinice și genetice. Aceste analize integrative oferă dovezi ale controlului compozit al expresiei genelor AT prin nutriție, sindrom metabolic, indicele de masă corporală (IMC), sex și genotip.

Rezultate

Optimizarea extracției totale a ARN-ului și normalizarea expresiei genelor în țesutul adipos uman

În ciuda dezvoltării recente a tehnicilor cu un singur pas dedicate probelor îmbogățite cu lipide, extracția totală de ARN din AT a trebuit îmbunătățită înainte de aplicarea la analiza AT în studiul clinic DiOGenes. Fiecare etapă de extracție totală a ARN-ului din cantități mici de probe AT umane a fost optimizată pentru a preveni pierderea probelor prețioase (Tabelul S1, Figura S1). În contextul programelor clinice la scară largă, am investigat, de asemenea, dacă depozitarea pe termen lung a probelor de grăsime poate avea un impact negativ asupra integrității totale a ARN-ului. Probele AT congelate în azot lichid pot fi stocate la -80 ° C până la 3 ani fără a afecta randamentul total al ARN-ului (Figura S1) sau calitatea (datele nu sunt prezentate). Congelarea rapidă în azot lichid înainte de depozitare se dovedește la fel de eficientă ca înmuierea probelor în soluții de conservare. Acesta este un punct critic, deoarece permite utilizarea probelor de grăsime pentru alte aplicații decât transcriptomica. Au fost utilizate diferite abordări pentru normalizarea datelor în timp real qPCR. Utilizarea metodei simple de 2 −ΔCt cu GUSB ca transcript de referință s-a dovedit a fi cea mai bună pentru normalizare în AT subcutanat uman (Figura S2).

Studiu DiOGenes

Intervenția dietetică DiOGenes a constat în două faze [9], [10]. Prima fază a fost o dietă hipocalorică de 8 săptămâni (LCD) cu obiectivul de a pierde în greutate ≥8%. În cea de-a doua fază, pacienții de succes au fost randomizați într-una din cele cinci diete de menținere a greutății ad libitum (WMD): patru diete care combină conținut ridicat și scăzut de proteine ​​cu indicele glicemic ridicat și scăzut de carbohidrați și o dietă de control conform ghidurilor dietetice naționale privind sănătatea diete. Investigațiile clinice, inclusiv microbiopsiile AT subcutanate, au fost efectuate înainte și la sfârșitul fiecărei faze.

Cinci sute șaizeci și opt de indivizi obezi, cu vârsta cuprinsă între 24 și 63 de ani (greutate medie: 99,6 ± 17,1 kg) aveau date clinice disponibile și probe de ARN AT de bună calitate. Au fost definite două grupuri de pacienți (Figura S3). Primul grup, grupul A, a inclus 311 indivizi obezi (107 bărbați și 204 femei) cu date de expresie genetică disponibile la fiecare zi de investigație clinică. Al doilea, grupul B, avea 204 de indivizi cu date privind expresia genelor disponibile la momentul inițial și după LCD. Subiecții au fost, de asemenea, clasificați în funcție de apariția sindromului metabolic la momentul inițial [11]. Grupul A avea 125 de sindromuri metabolice și 186 de sindromuri nemetabolice indivizi la momentul inițial. Grupul B a avut 81 indivizi sindrom metabolic și 123 indivizi nemetabolici indivizi la momentul inițial. Toate caracteristicile antropometrice și plasmatice de bază sunt descrise în Tabelul S2. Atât la bărbați, cât și la femei, tensiunea arterială, trigliceridele, HDL-colesterolul, proteina C reactivă, adiponectina, glucoza de post și insulina au fost semnificativ diferite în sindromul metabolic comparativ cu persoanele cu sindrom non-metabolic. În plus, femeile cu sindrom metabolic au avut o greutate mai mare, IMC, masa grasă și circumferința taliei.

Expresia genei țesutului adipos este reglementată în timpul diferitelor faze ale programului dietetic DiOGenes

PCR cantitativ cu transcriere inversă masivă (RT-qPCR) a fost efectuat pe AT din studiul DiOGenes utilizând un dispozitiv qPCR microfluidic [8]. Datele de expresie AT de la 271 de gene de interes (Tabelul S3) au fost investigate pe 1341 probe de la 515 subiecți. Genele au fost selectate din analizele noastre de microarray de ADN publicate anterior și nepublicate pe un număr limitat de indivizi. Alegerea a fost făcută utilizând următoarele criterii: reglarea în timpul programelor dietetice de scădere în greutate [12] - [14], inclusiv studiul DiOGenes [14], și expresia diferențială în funcție de prezența sau absența obezității și a sindromului metabolic [15], [ 16]. Patruzeci la sută dintre aceste gene au codificat proteinele implicate în metabolism și 23% au participat la răspunsul imun. Această listă a cuprins 38 de macrofage AT [15], [16] și 84 de markeri adipocitari [12], [15], adică gene exprimate în aceste tipuri de celule la niveluri mult mai ridicate decât în ​​orice alt tip de celule AT.

Expresia genei țesutului adipos a fost evaluată la momentul inițial (BAS) și în timpul unui studiu dietetic, incluzând o dietă de 8 săptămâni cu conținut scăzut de calorii (LCD) urmată de o dietă de întreținere a greutății de 26 săptămâni (ADM) (bărbați, pătrate negre n = 107; femei, pătrate deschise n = 204). (‡) Comparație între BAS și sfârșitul LCD, P Figura 2. Markerii țesutului adipos de recuperare în greutate și pierdere în greutate în timpul dietei de întreținere a greutății de 26 de săptămâni.

Modificările nivelurilor de ARNm între sfârșitul dietei cu conținut scăzut de calorii și sfârșitul dietei de menținere a greutății de 26 de săptămâni au fost comparate la femeile care au revenit (bare deschise n = 31) sau au pierdut (bare negre n = 29).

Sexul, sindromul metabolic și obezitatea influențează expresia genei țesutului adipos

Analiza componentelor principale a datelor privind expresia genelor de la subiecții din grupa A și grupa B la momentul inițial a indicat faptul că componenta principală care explică distribuția datelor de expresie a genei AT a fost sexul. Figura S4a prezintă o analiză parțială cel mai puțin discriminantă a pătratului a genelor AT cu specificitate de sex. Pentru a enumera genele AT cu expresie orientată spre sex, a fost construit mai întâi un model de amestec care controlează centrul cu datele din grupul A. O sută optzeci și șase de gene au prezentat specificitate sexuală. Același model a fost apoi rulat cu date din grupul B, oferind o listă de 158 de gene. Specificitatea sexului pentru 109 transcrieri a persistat în timpul intervenției dietetice (Tabelul S7). O expresie mai mare la AT de sex feminin a fost găsită pentru toate genele, cu excepția CCL19, care a prezentat o expresie mai mare la AT de sex masculin (Figura 3). Masa grasă fiind mai mare la femei decât la bărbați ar putea explica acest dimorfism sexual marcat. Cu toate acestea, 88 de gene au rămas diferite la controlul masei grase. Doar 5 gene au fost localizate pe cromozomii sexuali (Tabelul S7). SAA4, AZGP1, CDKN2C și CES1 au fost cele mai bine clasate gene cu un nivel de expresie de peste două ori mai mare la femeie decât la masculin AT (Figura 3).

Bărbați, bare deschise (n = 180). Femei, bare negre (n = 323). Sunt prezentate cele mai reprezentative gene ale țesutului adipos (vezi Tabelul S7). Barele de eroare reprezintă S.E.M.

Analiza exploratorie a expresiei genei AT a indicat, de asemenea, un efect discriminatoriu în funcție de prezența sau absența sindromului metabolic (Figura S4b). Deoarece prezentarea clinică a sindromului metabolic este diferită la bărbați și femei și ar putea fi cel puțin parțial originară din AT [16], [17], am analizat separat cele 2 populații pentru a evalua caracteristicile moleculare ale AT de la pacienții cu sindrom metabolic. . S-a găsit o semnătură a sindromului metabolic pentru 22 de gene (Tabelul S8). CCL3 și AZGP1 au prezentat o expresie de două ori mai mare și mai mică, respectiv, la femeile cu sindrom metabolic, comparativ cu femeile fără sindrom metabolic (Figura 4). Diferența, deși mai puțin pronunțată, a fost prezentă și la bărbați.

Expresia genei țesutului adipos la indivizii obezi cu (bare negre n = 206) și fără (bare deschise n = 309) sindromul metabolic (vezi Tabelul S8). Barele de eroare reprezintă S.E.M.

Pentru a evalua contribuția obezității la exprimarea genei AT, impactul IMC a fost studiat la bărbați și femei separat la momentul inițial și de-a lungul intervenției dietetice. La femei, 51 de gene au prezentat o dependență semnificativă a IMC care a persistat pe parcursul întregii intervenții dietetice (Tabelul S9). La bărbați, o singură genă, AZGP1, a fost dependentă de IMC la fiecare moment al intervenției (datele nu sunt prezentate).

Interconectări funcționale ale țesutului adipos uman

Două rețele de dependență au fost construite din date bio-clinice selectate și expresia genei din modulul lipogenic. Fiecare nod este o genă sau un parametru bio-clinic. Gradul nodului este indicat cu dimensiunea. Culoarea nodului indică măsura centralității între care calculează cât de des apare un nod pe cele mai scurte căi dintre alte două noduri din rețea; nodurile roșii sunt variabile cu interval între mare și nodurile verzi sunt variabile cu interval între cele mici. Centralitatea între dimensiuni indică noduri care sunt cele mai susceptibile de a deconecta rețeaua dacă sunt eliminate. Variabilele sunt conectate printr-o margine numai dacă corelația lor parțială este semnificativ diferită de zero. Grosimea muchiei este proporțională cu puterea corelației. Culoarea muchiei indică o corelație de la cel mai pozitiv (roșu) la negativ (verde). (a) Rețea de dependență a modificărilor de la momentul inițial la sfârșitul dietei cu conținut scăzut de calorii. (b) Rețeaua de dependență a modificărilor de la momentul inițial la sfârșitul dietei de menținere a greutății.

Expresia genei țesutului adipos uman este sub control genetic prin semnale cis

Am identificat 2953 polimorfisme cu nucleotide unice (SNP) care se aflau în imediata apropiere a 252 de gene. La momentul inițial, 118 SNP reprezentând 46 de gene au prezentat asociere cu expresia genei AT (Tabelul S12). Cele mai puternice asociații (P-10) au fost găsite pentru ALDOB, MARCO, MMP9 și HLA-A (Figura 6). Patru SNP-uri situate în regiunile intronice ale MARCO, care codifică un marker specific macrofagului AT reglementat de obezitate [15] și intervenție dietetică (Tabelul S5), au arătat asocieri cu P -20. A fost observat un efect moderat al sexului și al IMC pentru 3 și, respectiv, 13 SNP. Cu toate acestea, aceste efecte nu au fost consistente în rândul SNP-urilor cu asociații semnificative cu expresia genei AT în genele corespunzătoare. Majoritatea asociațiilor observate la momentul inițial au rămas semnificative atunci când au fost luate în considerare expresia după LCD și WMD (Tabel S13). De remarcat, niciun SNP nu a arătat asociere cu variații ale nivelului de ARNm induse de dietă (P> 0,5).

Sunt prezentate cele mai multe gene reprezentative ale țesutului adipos (vezi Tabelul S12). Barele de eroare reprezintă S.E.M.

Discuţie

Atunci când privim de-a lungul programului dietetic DiOGenes, modelul principal a fost o reglare opusă a expresiei genei AT între fazele LCD și WMD. Genele reglate în jos în timpul LCD și reglate în sus în timpul ADM au fost în mare parte gene adipocite asociate cu funcții metabolice [12]. Genele de top au codificat enzime implicate în desaturarea acizilor grași [31]. O tendință inversă a fost observată pentru genele legate de imunitate. Ca urmare a reglării opuse între LCD și WMD, majoritatea genelor au avut o expresie similară la sfârșitul intervenției, comparativ cu valoarea inițială. Cu toate acestea, un subset de gene a prezentat o reglare descendentă la sfârșitul intervenției dietetice. Lista a inclus mai multe gene caracterizate anterior ca markeri specifici macrofagilor AT umani (CD68, CD163, CD209, IL10, LIPA, MARCO, MS4A4A, PLA2G7, SPP1) [12], [15]. Această reglare descendentă coordonată reflectă cel mai probabil o scădere a numărului de macrofage AT, așa cum sa observat într-o intervenție de reducere a greutății de 6 luni [32]. Nivelurile de mARN ale leptinei au fost, de asemenea, mai mici la sfârșitul intervenției dietetice. Suprapunerea datelor LEP și HOMA-IR susține ipoteza noastră că variația exprimării LEP contribuie la îmbunătățirea sensibilității la insulină observată în timpul pierderii în greutate induse de dietă [3].

Ca exemple prototipice, nivelurile de ARNm ACSL1, ECHDC3 și HSDL2 au fost influențate de toți factorii investigați (Figura 7). SNP-urile au arătat asociații cu nivelurile AT mARN, deoarece abundența transcrierilor a variat în timpul intervenției dietetice. De asemenea, a diferit în funcție de sex și de sindromul metabolic. Intervenția dietetică nu a modificat dimorfismul sexual în expresia genelor. ACSL1, care catalizează conversia acizilor grași cu lanț lung în acil-CoAs, este cea mai abundentă izoformă ACSL exprimată în AT. Ablația specifică AT a Acsl1 la șoareci arată că enzima joacă un rol crucial în direcționarea acil-CoA către β-oxidare în celulele adipoase [44]. Aici, expresia genei ACSL1 a fost mai mică la persoanele cu sindrom metabolic. Recent a fost raportată o asociere între polimorfismele genei ACSL1 și sindromul metabolic [45]. Aceste date sugerează că afectarea oxidării acizilor grași adipocitari din cauza defectului ACSL1 poate constitui o caracteristică a sindromului metabolic.