Expression of obesity-related genes in testes and sperm of rats subjected to caloric restriction and to GLP-1 administration

Abstract

Caloric restriction (CR), due to its negative energy balance and GLP-1, for being an incretin, constitute two weight loss protocols that remain poorly investigated, particularly its impact on male reproductive function, whose proper functioning depends on a balanced energy homeostasis. That energy homeostasis has been related to genes linked to energy metabolism control, namely the obesity-related genes (ORGs), such as fat mass and obesity associated (FTO), melanocortin-4 receptor (MC4R), glucosamine-6- phosphate deaminase 2 (GNPDA2) and transmembrane protein 18 (TMEM18). Thus, this project aimed to use an animal model to study the potential of CR and GLP-1 administration in the regulation of those ORGs expression in testes and sperm of Wistar rats and verify if there is an impact on sperm quality. Firstly, we observed that CR promoted a lower weight gain and a decrease in insulin resistance. On the other hand, GLP-1 administration, beyond the expected increase in active GLP-1 levels, did not promote any change in glucose metabolism, hormonal profile and consequently in body weight. Furthermore, CR promoted an increase in sperm head defects, while the GLP-1 administration improved sperm morphology. Regarding the ORGs we observed the presence of FTO, MC4R and TMEM18 transcripts in rat testes and identified those transcripts, for the first time, in rat sperm. Additionally, we identified, for the first time, the presence of GNPDA2 transcripts in rat testes and sperm. The corresponding proteins were also identified in rat testes, being that they all presented distinct cellular locations. CR and GLP-1 administration promoted an increase in the expression of the ORGs in testes, however in spermatozoa the expression was not altered. We also identified the presence of NFE2L2 (encodes for an important antioxidant transcription factor) transcripts in rat testes and sperm and verified that their abundance is increased, in testes, by CR and GLP-1 administration. Then we explored, individually, the role the ORGs at the testicular and sperm levels, namely in the response to CR and GLP-1 administration and we obtained some clues related to the potential involvement of each of the ORGs in the male reproductive function. Overall, we were able to perceive that CR and GLP-1 administration promoted a general association of all ORGs with an improvement in oxidative status both in testes and sperm.

A restrição calórica (CR), pelo seu balanço energético negativo e o GLP-1, por ser uma incretina, constituem dois protocolos de perda de peso, que permanecem pouco investigados, principalmente no que toca ao seu impacto na função reprodutiva masculina, cujo correto funcionamento depende de uma homeostase energética equilibrada. Essa homeostase energética tem sido relacionada a genes ligados ao controlo do metabolismo energético, nomeadamente os genes relacionados à obesidade (ORGs), como gene de obesidade e de massa de gordura associada (FTO), recetor de melanocortina-4 (MC4R), glucosamina-6-fosfato desaminase 2 (GNPDA2) e proteína transmembranar 18 (TMEM18). Assim, este projeto teve como objetivo utilizar um modelo animal para estudar o potencial da CR e da administração de GLP-1 na regulação da expressão desses ORGs nos testículos e esperma de ratos Wistar e verificar se há impacto na qualidade espermática. Primeiramente, observamos que a CR promoveu menor ganho de peso e diminuição da resistência à insulina. Por outro lado, a administração de GLP-1, além do esperado aumento nos níveis de GLP-1 ativo, não promoveu qualquer alteração no metabolismo da glucose, no perfil hormonal e consequentemente no peso corporal. Para além disso, a CR promoveu um aumento nos defeitos da cabeça dos espermatozoides, enquanto a administração de GLP-1 melhorou a morfologia espermática. Em relação aos ORGs, observamos a presença de transcritos de FTO, MC4R e TMEM18 em testículos de ratos e identificamos esses transcritos, pela primeira vez, em esperma de ratos. Além disso, identificamos, pela primeira vez, a presença de transcritos GNPDA2 em testículos e esperma de ratos. As proteínas correspondentes também foram identificadas em testículos de ratos, sendo que todas apresentavam localizações celulares distintas. A CR e a administração de GLP-1 promoveram um aumento na expressão dos ORGs nos testículos, porém no esperma a expressão não foi alterada. Também identificamos a presença de transcritos de NFE2L2 (codifica para um importante fator de transcrição antioxidante) em testículos e esperma de ratos e verificamos que sua abundância é aumentada nos testículos, pela CR e administração de GLP-1. Em seguida, exploramos, individualmente, o papel dos ORGs nos níveis testicular e espermático, nomeadamente na resposta à CR e à administração de GLP-1 e obtivemos algumas pistas relacionadas com o envolvimento potencial de cada um dos ORGs na função reprodutiva masculina. No geral, pudemos perceber que as duas intervenções promoveram uma associação geral de todos os ORGs com uma melhoria no estado oxidativo dos testículos e esperma.