Factors and signaling pathways implicated in the browning of white adipose tissue and in the effects of exercise on adipose tissue

Abstract

Metabolic diseases and related pathologies have been associated with adiposity and relatively recently genetic traits have been identified to have a specific link between white adipose tissue (WAT), cardiovascular disease, body mass index (BMI)-adjusted type 2 diabetes (T2D) and dyslipidemia. Brown adipose tissue (BAT) and beige adipocytes have been identified as major players in the battle against obesity and metabolic disorders. The main protein expressed in BAT and beige adipocytes is UCP1 and an unanswered question is which is the contribution of UCP1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) to susceptibility for cardiometabolic pathologies (CMP) and how their involvement in specific risk factors for these conditions varies across populations. Therefore I investigated the impact of UCP1 SNPs A-3826G, A-1766G, Ala64Thr and A-112C across Armenia, Greece, Poland, Russia and United Kingdom. In Armenia, GA genotype and A allele of Ala64Thr displayed ~2-fold higher risk for CMP compared to GG genotype and G allele, respectively (p<0.05). In Greece, A allele of Ala64Thr decreased risk of CMP by 39%. Healthy individuals with A-3826G GG genotype and carriers of mutant allele of A-112C and Ala64Thr had higher body mass index compared to those carrying other alleles. Heterozygosity of A-112C and Ala64Thr SNPs was related to lower WHR in CMP individuals compared to wild type homozygotes (p<0.05). Concluding, the studied SNPs could be associated with the most common CMP and their risk factors in some populations. Apart from UCP1 genetic profile in different populations and species, UCP1 expression is affected by external factors such as exercise, thus the effect of exercise on the formation of beige adipocytes has produced controversial results in human studies. My aim was to research- via an in vitro model of co-culturing of C2C12 myotubes and 3T3-L1 adipocytes under the stimuli of electrical pulse stimulation (EPS) mimicking muscle contraction- the impact of the the direct crosstalk between adipocytes and stimulated muscle cells. When EPS was applied, the t co-culturing led to increases in UCP1 (p = 0.044; d = 1.29) and IL-6 (p = 0.097; d = 1.13) protein expression in the 3T3-L1 adipocytes. In vitro co-culturing of C2C12 myotubes and 3T3-L1 adipocytes under the stimuli of EPS leads to increased expression of thermogenic proteins. I detected changes in the expression pattern of proteins related to browning of adipose tissue, supporting the use of this in vitro model to study the crosstalk between adipocytes and contracting muscle. Although, exercise benefits a wide spectrum of diseases and affects most tissues and organs, as proven by my previous study, many aspects of its underlying mechanistic effects remain unsolved. In vitro exercise, mimicking neuronal signals leading to muscle contraction, can be a valuable tool to address this issue. I performed a systematic review and metanalysis for relevant studies assessing in vitro exercise using electrical pulse stimulation to mimic exercise. I observed variability among existing protocols of in vitro exercise and heterogeneity among protocols of the same type of exercise. The analyses showed that biological indices in vitro followed the patterns of in vivo exercise, and that these effects were correlated with the duration of stimulation, leading to the conclusion that in vitro exercise follows motifs of exercise in humans, allowing biological parameters, such as the aforementioned, to be valuable tools in defining the types of in vitro exercise.

Τα μεταβολικά νοσήματα και οι συναφείς παθολογίες έχουν συσχετιστεί με το λιπώδη ιστό και σχετικά πρόσφατα εντοπίστηκαν γενετικά χαρακτηριστικά που έχουν ειδική σχέση μεταξύ του λευκού λιπώδους ιστού (ΛΛΙ), των καρδιαγγειακών νοσημάτων, του διαβήτη τύπου 2 (ΔΤ2) και της δυσλιπιδαιμίας, προσαρμοσμένου στο δείκτη μάζας σώματος (ΔΜΣ). Ο καφέ λιπώδης ιστός (ΚΛΙ) και τα μπεζ λιποκύτταρα έχουν αναγνωριστεί ως σημαντικοί παράγοντες στη μάχη κατά της παχυσαρκίας και των μεταβολικών διαταραχών. Η κύρια πρωτεΐνη που εκφράζεται στο ΚΛΙ και στα μπεζ λιποκύτταρα είναι η UCP1 και ένα αναπάντητο ερώτημα είναι ποια είναι η συμβολή των μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (SNPs) της UCP1 στις καρδιομεταβολικές παθολογίες (ΚΜΠ) και πώς η συμβολή τους σε συγκεκριμένους παράγοντες κινδύνου για αυτές ποικίλλει μεταξύ των πληθυσμών. Ως εκ τούτου, διερεύνησα την επίδραση των UCP1 SNPs A-3826G, A-1766G, Ala64Thr και A-112C στην Αρμενία, την Ελλάδα, την Πολωνία, τη Ρωσία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Στην Αρμενία, ο γονότυπος GA και το αλληλόμορφο A του Ala64Thr εμφάνισαν ~2 φορές υψηλότερο κίνδυνο για ΚΜΠ σε σύγκριση με τον γονότυπο GG και το αλληλόμορφο G, αντίστοιχα (p<0,05). Στην Ελλάδα, το αλληλόμορφο Α του Ala64Thr μείωσε τον κίνδυνο εμφάνισης ΚΜΠ κατά 39%. Τα υγιή άτομα με γονότυπο A-3826G GG και οι φορείς των μεταλλαγμένων αλληλόμορφων A-112C και Ala64Thr είχαν υψηλότερο δείκτη μάζας σώματος σε σύγκριση με εκείνους που έφεραν άλλα αλληλόμορφα. Η ετεροζυγωτία των SNPs A-112C και Ala64Thr σχετιζόταν με χαμηλότερο WHR σε άτομα με ΚΜΠ σε σύγκριση με τους ομοζυγώτες φυσιολογικού γονότυπου (p<0,05). Συμπερασματικά, τα SNPs που μελετήθηκαν θα μπορούσαν να συσχετιστούν με τις πιο συχνές ΚΜΠ και τους παράγοντες κινδύνου τους σε ορισμένους πληθυσμούς. Εκτός όμως, από το γενετικό προφίλ της UCP1 σε διαφορετικούς πληθυσμούς και είδη, η έκφραση της UCP1 επηρεάζεται από εξωτερικούς παράγοντες, όπως η άσκηση, η επίδραση της οποίας στο σχηματισμό μπεζ λιποκυττάρων είναι αμφιλεγόμενη με βάση μελέτες σε ανθρώπους. Σκοπός μου ήταν να ερευνήσω- μέσω ενός in vitro μοντέλου συγκαλλιέργειας μυοκυττάρων C2C12 και λιποκυττάρων 3T3-L1 υπό το ερέθίσμα της ηλεκτρικής παλμικής διέγερσης (EPS) που μιμείται τη μυϊκή συστολή- την άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ λιποκυττάρων και διεγερμένων μυϊκών κυττάρων. Όταν εφαρμόστηκε EPS, στη συγκαλλιέργεια αυξήθηκε η έκφραση των πρωτεϊνών UCP1 (p = 0,044- d = 1,29) και IL-6 (p = 0,097- d = 1,13) στα λιποκύτταρα 3T3-L1, δηλαδή η in vitro συγκαλλιέργεια μυοκυττάρων C2C12 και λιποκυττάρων 3T3-L1 υπό του EPS οδηγεί σε αυξημένη έκφραση θερμογόνων πρωτεϊνών. Οι αλλαγές στο πρότυπο έκφρασης πρωτεϊνών που σχετίζονται με τη φαιοποίηση του λιπώδους ιστού, υποστηρίζουν τη χρήση αυτού του in vitro μοντέλου. Παρόλο που η άσκηση ωφελεί ένα ευρύ φάσμα ασθενειών και επηρεάζει τους περισσότερους ιστούς και όργανα, όπως αποδείχθηκε από την προηγούμενη μελέτη μου, πολλές πτυχές των υποκείμενων μηχανιστικών επιδράσεών της παραμένουν άλυτες. Η άσκηση in vitro, που μιμείται τα νευρικά σήματα που οδηγούν σε μυϊκή συστολή, μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο εργαλείο έρευνας. Διεξήγαγα μια συστηματική ανασκόπηση και μετ-ανάλυση για σχετικές μελέτες που αξιολογούν την άσκηση in vitro με τη χρήση ηλεκτρικών παλμών και παρατήρησα ποικιλομορφία μεταξύ των υφιστάμενων πρωτοκόλλων άσκησης in vitro και ετερογένεια μεταξύ πρωτοκόλλων του ίδιου τύπου άσκησης. Οι αναλύσεις έδειξαν ότι οι βιολογικοί δείκτες in vitro ακολουθούσαν τα μοτίβα της άσκησης in vivo και ότι τα αποτελέσματα αυτά συσχετίζονταν με τη διάρκεια της διέγερσης, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η άσκηση in vitro ακολουθεί μοτίβα της άσκησης στον άνθρωπο, επιτρέποντας σε βιολογικές παραμέτρους, να αποτελέσουν πολύτιμα εργαλεία για τον καθορισμό των τύπων άσκησης in vitro.