Η ετερογένεια του συστήματος των μονοπύρηνων φαγοκυττάρων στο λιπώδη ιστό και ο ρόλος τους στη φλεγμονή

Abstract

This study involves the investigation of the role of Notch signaling in obesity and the potential interplay between Notch and adipose tissue macrophages (ATMs) in the development of obesity-associated metabolic dysfunction and inflammation. Obesity poses significant health risks, including diabetes and cardiovascular diseases. Chronic inflammation in adipose tissue (AT) plays a key role, with ATMs being a major driver. These ATMs exhibit a range of functional differences, but their relationship with the Notch signaling pathway has been largely unexplored. Notch signaling is a vital pathway in development and immune regulation. Recent studies suggest its involvement in conditions like hepatic insulin resistance and atherosclerosis, but its role in obesity-related inflammation remains unclear. More importantly, Notch activation has been also linked to pro-inflammatory responses in macrophages. The current study describes the characteristics of macrophages in the epididymal white adipose tissue (epiWAT) using a diet-induced obesity (DIO) mouse model. Specifically, we identify ATMs both in the lean state, in which they express M2-like macrophages markers and, in the inflamed obese epiWAT, where ATMs are significantly increased. This increase is accompanied by elevated CD11c expression, commonly linked to M1-like macrophages, highlighting the phenotypic changes in ATMs during obesity-induced inflammation. Using RNA sequencing, we offer a comprehensive analysis of ATMs gene expression data from ATMs of mice fed either a normal diet (NCD) or a high-fat diet (HFD). Analysis shows distinct transcriptional profiles of ATMs in homeostasis and obesity-induced inflammation while proves that prolonged HFD exposure induces significant alterations in ATMs with various pro-inflammatory genes being overexpressed. Notably, Notch signaling emerges as a significant discriminator between NCD and HFD ATMs. This perturbed Notch cascade is associated with obesity-induced changes in macrophage function and insulin resistance. The current study, suggests that, deleting Notch1 and Notch2 receptors from myeloid cells (N1N2flCre) leads to significantly increased body weight, insulin resistance, elevated triglyceride levels, and altered metabolism in response to HFD. However, these effects are not observed in mice on NCD, suggesting that the Notch pathway selectively contributes to the development of obesity and insulin resistance in response to HFD, not during normal dietary conditions. More importantly, we show that, ATMs deficient in myeloid Notch1 and Notch2, present elevated pro-inflammatory gene expression (Nos2, Arg1, IFNγ) and reduced Il10. Furthermore, we show that genes related to insulin resistance and glucose handling (Irs1, Irs2, Igf1r, Hk2) are affected in these deficient ATMs, suggesting a potential interplay between impaired Notch signaling and metabolic disturbances. Notably, deletion of Notch1 and Notch2 leads to a distinct transcriptional profile in ATMs with ECM remodeling and immune response-related pathways to participate among the most affected processes. Over-represented pathways include also those related to immune cell proliferation, T cell differentiation, inflammation, and metabolic processes. These findings support the notion that the Notch pathway plays a crucial role in regulating the pro-inflammatory response and metabolic changes in ATMs during obesity-induced inflammation and suggest that targeting Notch signaling in ATMs or myeloid cells may be a potential therapeutic strategy for obesity-related metabolic disorders.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση του ρόλου της σηματοδότησης Notch στην παχυσαρκία και την πιθανή αλληλεπίδραση μεταξύ Notch και μακροφάγων του λιπώδους ιστού (ΜΛΙ) στην ανάπτυξη μεταβολικής δυσλειτουργίας και φλεγμονής που σχετίζονται με την παχυσαρκία. Η παχυσαρκία ενέχει σημαντικούς κινδύνους για την υγεία, συμπεριλαμβανομένου του διαβήτη και των καρδιαγγειακών νοσημάτων. Κεντρικό ρόλο στην παχυσαρκία διαδραματίζει η χρόνια φλεγμονή του λιπώδους ιστού, με τα ΜΛΙ να αποτελούν σημαντικό ρυθμιστή. Τα ΜΛΙ παρουσιάζουν μια σειρά ιδιοτήτων και λειτουργειών και παρότι ο ρόλος τους στην παχυσαρκία έχει μελετηθεί αρκετά, η σχέση τους με το σηματοδοτικό μονοπάτι Notch παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη. Η σηματοδότηση Notch αποτελεί ένα ζωτικής σημασίας μονοπάτι στην ανάπτυξη και τη ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος. Πρόσφατες μελέτες υποδηλώνουν τη συμμετοχή του μονοπατιού σε καταστάσεις όπως η ηπατική αντίσταση στην ινσουλίνη και η αθηροσκλήρωση, αλλά ο ρόλος του στη φλεγμονή που σχετίζεται με την παχυσαρκία παραμένει ασαφής. Το πιο σημαντικό είναι ότι η ενεργοποίηση του Notch έχει επίσης συνδεθεί με προφλεγμονώδεις αποκρίσεις στα μακροφάγα. Η παρούσα μελέτη περιγράφει τα χαρακτηριστικά των μακροφάγων στο λευκό λιπώδη ιστό της επιδιδυμίδας (ΛΙΕ) σε ένα πειραματικό μοντέλο μυός με προκαλούμενη από δίαιτα παχυσαρκία. Συγκεκριμένα, περιγράφει τα ΜΛΙ τόσο σε κατάσταση ομοιόστασης, κατά την οποία εκφράζουν δείκτες τύπου «Μ2», όσο και κατά τη φλεγμονή του ΛΙΕ, όπου αυξάνονται σημαντικά και ταυτόχρονα αυξάνουν την έκφραση του CD11c, δείκτη που συνδέεται με μακροφάγα τύπου «M1». Επιπροσθέτως, με τη βοήθεια της RNA αλληλούχισης, προσφέρουμε μια ολοκληρωμένη ανάλυση των δεδομένων γονιδιακής έκφρασης των ΜΛΙ από μύες που τρέφονται με κανονική δίαιτα και μύες που έχουν υποβληθεί σε παχυσαρκία. Η ανάλυση αποκαλύπτει διακριτά μεταγραφικά προφίλ των ΜΛΙ στην ομοιόσταση και στη φλεγμονή που προκαλείται από την παχυσαρκία, ενώ υποδεικνύει το σηματοδοτικό μονοπάτι Notch ως έχον εξέχοντα ρόλο στη παθογένεια της παχυσαρκίας. Πιο συγκεκριμένα, αποκαλύπτει ότι η ταυτόχρονη διαγραφή των υποδοχέων Notch1 και Notch2 από τα μυελοειδή κύτταρα (N1N2flCre) οδηγεί σε σημαντικά πιο αυξημένο σωματικό βάρος, αντίσταση στην ινσουλίνη, αυξημένα επίπεδα τριγλυκεριδίων και διαταραγμένο μεταβολικό προφίλ ως απόκριση στη μεσολαβούμενη από δίαιτα παχυσαρκία. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτές οι αλλαγές δεν παρατηρούνται στη ομοιόσταση, γεγονός που υποδηλώνει ότι το μονοπάτι Notch συμβάλλει επιλεκτικά στην ανάπτυξη της παχυσαρκίας και της αντίστασης στην ινσουλίνη. Ειδικότερα, η παρούσα μελέτη δείχνει ότι, τα ΜΛΙ με ανεπάρκεια στους υποδοχείς Notch1 και Notch2, παρουσιάζουν αυξημένη έκφραση προφλεγμονωδών γονιδίων (Nos2, Arg1, IFNγ) και ταυτόχρονη μειωμένη έκφραση αντιφλεγμονωδών γονιδίων (Il10). Ακόμη, καταδεικνύει γονίδια που σχετίζονται με την αντίσταση στην ινσουλίνη και το μεταβολισμό της γλυκόζης (Irs1, Irs2, Igf1r, Hk2) ως σημαντικά επηρεαζόμενα στα ανεπαρκή Notch1 και Notch2 ΜΛΙ, γεγονός που υποδηλώνει μια πιθανή αλληλεπίδραση μεταξύ της διαταραγμένης σηματοδότησης Notch και των μεταβολικών διαταραχών. Τέλος, το διαφορετικό μεταγραφικό προφίλ των συγκεκριμένων ΜΛΙ συνοδεύεται από διαταραγμένες βιολογικές διεργασίες όπως η αναδιαμόρφωση της εξωκυττάριας μήτρας, η ανοσολογική απόκριση και ο πολλαπλασιασμός των ανοσοκυττάρων, η διαφοροποίηση των Τ λεμφοκυττάρων, η φλεγμονή και διάφορες μεταβολικές διεργασίες. Συνοψίζοντας, αυτή η μελέτη παρέχει μια λεπτομερή εξέταση της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ της σηματοδότησης Notch και των ΜΛΙ, αποδεικνύοντας ότι η σηματοδότηση Notch στα μυελοειδή κύτταρα εμπλέκεται καθοριστικά στην πρόληψη της φλεγμονής του λιπώδους ιστού και της μεταβολικής δυσλειτουργίας που συνοδεύει την παχυσαρκία. Συνεπώς, προτείνει ότι η στόχευση της σηματοδότησης Notch στα ΜΛΙ μπορεί να αποτελέσει μια πιθανή θεραπευτική στρατηγική για την ανοσολογική δυσλειτουργία και τις μεταβολικές διαταραχές που συνοδεύουν την παχυσαρκία.