Investigação da atuação de mecanismos genéticos, epigenéticos e via das adipocitocinas na obesidade

Abstract

A obesidade é decorrente do desequilíbrio crônico entre a ingestão de calorias e o gasto energético. Sabe-se que é causada pela combinação de fatores genéticos, ambientais e epigenéticos. A metilação do DNA, uma das principais alterações epigenéticas, regula negativamente a expressão gênica em resposta a fatores ambientais. Por mais que alguns estudos sugiram que genes diferencialmente metilados (GDMs) estão associados ao desenvolvimento da obesidade, os resultados ainda são inconclusivos. Embora a suscetibilidade genética desempenhe um papel fundamental no estabelecimento da obesidade, fatores ambientais, como sedentarismo e padrões de dieta, são atualmente considerados fatores importantes por trás do aumento exponencial de doenças metabólicas relacionadas à obesidade. A exposição à dieta de cafeteria (CAF) em camundongos mimetiza os padrões de consumo alimentar humano e serve como modelo para estudo da obesidade; entretanto, as alterações metabólicas e genéticas nesse modelo são ainda pouco conhecidas. Sendo assim, realizou-se uma análise integrativa de dados de transcriptômica e metilação do DNA e um estudo experimental com um modelo animal de obesidade induzido com dieta de cafeteria. Os objetivos foram identificar perfis de metilação de DNA e expressão gênica associados à obesidade em pacientes com obesidade e o efeito da dieta CAF em parâmetros antropométricos, alterações metabólicas e de expressão gênica em camundongos C57BL/6. Na nossa análise in sílico de dados de expressão gênica e metilação obtidos do banco público GEO, identificamos 54 genes diferencialmente expressos regulados por metilação (MeGDEs) após a sobreposição dos 274 genes diferencialmente expressos (GDEs) e 11,556 GDMs encontrados. Entre eles, 25 genes apresentaram padrão hipermetilado-expressão reduzida e 29 apresentaram padrão hipometilado-expressão aumentada no tecido adiposo subcutâneo de indivíduos com obesidade. A rede de interação entre esses MeGDEs apresentou 3 genes hub-bottleneck (PTGS2, TNFAIP3 e FBXL20) e um módulo funcional. Além disso, os MeGDEs estão envolvidos na regulação da produção do fator de crescimento de fibroblastos, na função molecular do ácido araquidônico e na atividade da ubiquitina-proteína transferase. Dos 54 MeDGEs, 11 genes foram confirmados como envolvidos na obesidade com os dados coletados do DisGeNET. Os resultados desse estudo sugerem MeGDEs envolvidos na obesidade, bem como identifica as vias em que eles atuam, fornecendo uma compreensão mais profunda dos mecanismos reguladores da obesidade mediados pela metilação. No estudo experimental, após as 16 semanas de exposição a dieta CAF, o grupo CAF ganhou mais peso e apresentou uma glicemia média maior comparado aos controles. No teste oral de tolerância a glicose (TOTG), o grupo CAF exibiu níveis glicêmicos aumentados comparado ao controle. Níveis de insulina e índice homeostatic model assessment for insulin resistance (HOMA-IR) foram mais elevados no grupo CAF vs. controles. As expressões no tecido adiposo branco visceral dos genes Lep, Adipor, Cpt-1 e Tnf foram maiores no grupo CAF do que nos controles. Interessantemente, as expressões dos genes Adipo, Ins1 e Pgc-1α foram maiores no grupo controle do que no CAF. As expressões de Pparα, Lepr e Ins2 não diferiram entre os grupos. Além disso, os níveis séricos de Leptina e Adiponectina foram aumentados no grupo CAF. Portanto, a dieta de cafeteria induz um maior ganho de peso nos camundongos C57BL/6, causando obesidade, bem como alterações na homeostase glicêmica, resistência à insulina e na expressão de genes relacionados à rota das adipocitocinas.

Obesity is caused by a chronic imbalance between calorie intake and energy expenditure. A combination of genetic, environmental and epigenetic factors is known to cause obesity. DNA methylation, one of the main epigenetic alterations, negatively regulates gene expression in response to environmental factors. Even though some studies suggest that differentially methylated genes (DMGs) are associated with the development of obesity, the results are still inconclusive. Although genetic susceptibility plays a key role in the establishment of obesity, environmental factors, such as a sedentary lifestyle and diet patterns are currently considered to be important factors behind the exponential increase in obesity-related metabolic diseases. Exposure to cafeteria diet (CAFD) in mice mimics human food consumption patterns and serves as a model for the study of obesity; however, the metabolic and genetic alterations of this model are still poorly understood. Therefore, an integrative transcriptomics and DNA methylation data analysis and an experimental study with an animal model of CAFD induced-obesity were performed. The aims were to identify DNA methylation and gene expression profiles associated with obesity in patients with obesity and the effect of CAFD on anthropometric parameters, metabolism and gene expression alterations in C57BL/6 mice. In our in-silico analysis of gene expression and methylation from data obtained from the GEO public database, we identified 54 Methylation-regulated Differentially Expressed Genes (MeDEGs) after the overlap of 274 Differentially Expressed Genes (DEGs) and 11,556 DMGs found. Among them, 25 genes showed a hypermethylated-reduced expression pattern and 29 showed a hypomethylated-increased expression pattern in the subcutaneous adipose tissue of individuals with obesity. The interaction network between these MeGDEs presented 3 hub-bottleneck genes (PTGS2, TNFAIP3 and FBXL20) and a functional module. In addition, the MeGDEs are involved in the regulation of fibroblast growth factor production, the molecular function of arachidonic acid, and ubiquitin-protein transferase activity. Out of 54 MeDEGs, 11 genes were confirmed to be involved in obesity with data collected from DisGeNET. The results of this study suggest MeGDEs involved in obesity, as well as identify in which pathways they act, providing a deeper understanding of obesity regulatory mechanisms mediated by methylation. In the experimental study, after 16 weeks of exposure to CAFD, the CAFD group gained more weight and had higher mean glycemia compared to controls. In the oral glucose tolerance test (OGTT), the CAFD group exhibited increased glycemic levels compared to the controls. Insulin levels and HOMA-IR index were higher in the CAFD group vs. controls. Expressions in visceral white adipose tissue of the genes Lep, Adipor, Cpt-1 and Tnf were higher in the CAF group than in controls. Interestingly, the expressions of Adipo, Ins1 and Pgc-1α genes were higher in the control group than in the CAF. The expressions of Pparα, Lepr and Ins2 did not differ between groups. In addition, serum levels of Leptin and Adiponectin were increased in the CAFD group. Therefore, the cafeteria diet induces greater weight gain in C57BL/6 mice, causing obesity, as well as alterations in glycemic homeostasis, insulin tolerance/resistance and in the expression of genes related to adipocytokines pathways.