Modulation of TG/(GL+FFA) cycle as a therapeutic strategy to obesity

Abstract

Obesity is one of the leading causes of health care issues all over the world. A large slice of the worldwide population develops co-morbidities as a consequence of this condition, such as type 2 diabetes mellitus (T2DM), atherosclerosis, fatty liver, cardiovascular diseases and even some cancers, conditions that are associated with reduced life expectancy. The inefficiency of current therapies that aim to treat obesity leads to further investigation on novel therapeutic targets for this condition, including modulation of white adipose tissue (WAT). In WAT, glucose and lipid metabolism converge into triglyceride/ glycerol + free fatty acid (TG/ (GL + FFA)) cycle, which is considered a futile cycle since it doesn’t generate products while consuming energy substrates. The decreased activity of this cycle in obesity, decreases substrates oxidation and increases free fatty acids (FFA) storage in WAT. If coupled to increased mitochondrial β-oxidation, modulation of TG/ (GL+FFA) cycling provides an attractive therapeutic target to stimulate fat mobilization and prevent WAT dysfunction. Currently there are no known strategies that simultaneously stimulate both these processes. Chenodeoxycholic acid (CDCA) is a bile acid known for its anti-obesity effects; however the mechanism of action is still controversial. CDCA activates both peroxisome proliferator activating receptor (PPAR) α and PPARγ, regulators of the transcription of key metabolic genes involved in the TG/ ( GL+FFA) cycle, mitochondrial oxidative capacity and FFA oxidation. As such, we hypothesized that CDCA mediates the coupling of futile cycles with energy expenditure in WAT, increasing simultaneously futile acid activity and mitochondrial substrates oxidation. This work focused on evaluating the metabolic alterations of TG/ (GL+FFA) cycle, in culture 3T3-L1 cells exposed to CDCA. Specifically, we addressed if CDCA supplementation alters the TG/ (GL+FFA) cycle activity, if this was related to improved metabolic status and if mitochondrial metabolism was involved. Cultured 3T3-L1 cells exposed to CDCA exhibit decreased lipid accumulation and an increase in uncoupling protein-1 (UCP-1) content, which in turn leads to a decrease in reactive oxygen species (ROS) generation. CDCA also leads to an increase in glyceroneogenesis, suggesting an increase activity in TG/ (GL+FFA) cycle activity. Indeed, these results show that administration of CDCA seems to be an attractive therapy to obesity and T2DM. However, a question still remains, what leads to a reduction in triglycerides (TG) accumulation? Based on our results CDCA up-regulates genes involved in β-oxidation and mitochondrial biogenesis, but there are no differences in fatty acid oxidation between control and cell exposed to CDCA. A possible explanation is that lipids are being exported to the medium. However this is an in vitro study, it would be interesting understand the destination of this lipids in vivo. Finally the possible occurrence of metabolic compartmentalization opens new perspectives in futures works.

A obesidade é um dos principais problemas de saúde pública a nível mundial. A grande maioria da população obesa desenvolve patologias associadas que consequentemente levam à diminuição da esperança média de vida. Estas incluem diabetes tipo 2 (T2DM), aterosclerose, esteatose hepática, doenças cardiovasculares e ainda alguns tipos de cancro, Dado que as estratégias atuais são ainda pouco eficazes, no que se refere ao tratamento da obesidade, é urgente que se investiguem novas terapias, nomeadamente a modulação do tecido adiposo branco (WAT). No WAT, as vias metabólicas da glicose e dos lípidos convergem no ciclo dos glicerolípidos/ácidos gordos livres (TG/ (GL+FFA)), sendo este considerado um ciclo fútil dado que não gera produtos enquanto consome substratos energéticos. A diminuição da atividade deste ciclo em situações de obesidade e diabetes diminui a oxidação de substratos e aumenta o armazenamento de ácidos gordos (FFA) no WAT. Assim, a estimulação deste ciclo fútil surge como um potencial alvo terapêutico. Porém, a oxidação de substratos implica a estimulação simultânea do ciclo fútil e da função mitocondrial sendo que, até à data, não existe um mecanismo capaz de acoplar estes processos. O ácido quenodesoxicólico (CDCA) é um ácido biliar conhecido pelos seus efeitos anti-obesidade, no entanto, o seu mecanismo de ação é ainda controverso. O CDCA activa dois reguladores da transcrição de genes metabólicos envolvidos no ciclo TG/ (GL+FFA), na capacidade oxidativa mitocondrial e na β-oxidação, o PPARα e o PPARγ. Assim, a nossa hipótese propõe que o CDCA medeia o acoplamento do ciclo fútil com o gasto energético no WAT, aumentando simultaneamente as taxas de atividade do ciclo fútil e de oxidação mitocondrial de substratos. Este trabalho foca-se na avaliação das alterações metabólicas no ciclo TG/ (GL+FFA), na linha celular 3T3-L1, induzidas pelo CDCA. Especificamente, avaliou-se se a exposição ao CDCA altera a atividade deste ciclo, se essa alteração está relacionada com uma melhoria no perfil metabólico e ainda se o metabolismo mitocondrial está envolvido. As células expostas ao CDCA demonstraram uma diminuição na acumulação de lípidos e um aumento no conteúdo de proteína desacopladora-1 (UCP-1), o que por sua vez diminui a produção de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Adicionalmente, a exposição ao CDCA induziu um aumento na gliceroneógenese, sugerindo, assim, um aumento na atividade do ciclo TG/ (GL+FFA). Dessa forma, a administração de CDCA parece ser uma estratégia terapêutica atrativa no combate à obesidade e à T2DM. No entanto, uma questão mantém-se, o que leva à redução da acumulação dos triglicerídeos (TG)? Com base nos resultados obtidos, o CDCA aumenta a expressão dos genes envolvidos na β-oxidação e na biogénese mitocondrial, mas não existem diferenças na oxidação dos FFA entre o controlo e as células expostas ao CDCA. Uma possível explicação é que os lípidos estejam a ser exportados para o meio. No entanto, este é um estudo in vitro, logo seria interessante perceber o destino destes lípidos in vivo. Finalmente a possível ocorrência de compartimentalização metabólica abre novas perspectivas para trabalhos futuros.