Estudio de la expresión y el patrón de metilación de genes del metabolismo energético en modelos dietéticos de obesidad con diferente distribución de macronutrientes

Abstract

La obesidad puede definirse como una acumulación excesiva de grasa corporal, que se atribuye a un estado crónico de desequilibrio entre la ingesta y las necesidades energéticas inducidas por varios factores, como los hábitos alimenticios poco saludables, la reducción de actividad física y las interacciones genéticas. Diversos estudios experimentales han demostrado que no sólo la ingesta calórica, sino también la distribución de macronutrientes en la dieta puede jugar un papel importante en la regulación de los niveles de insulina, los cuales pueden constituir un factor de riesgo asociado a la obesidad, la diabetes y otros trastornos metabólicos. Entre los diferentes mecanismos que podrían conducir al desarrollo de obesidad, la regulación epigenética de la expresión génica ha emergido en los últimos años como un factor potencialmente importante. En estos acontecimientos epigenéticos se ha postulado que la exposición a factores nutricionales, físicos y químicos puede contribuir a modificar el perfil de expresión génica y alteran potencialmente el riesgo de enfermedad. Así, los cambios en los patrones de metilación del ADN podrían ser el resultado de la interacción de diversos factores dietéticos y ambientales y también la causa de las diferencias interindividuales, relativa a la propensión a desarrollar obesidad y otras enfermedades metabólicas.

Por todo lo anterior, la presente tesis doctoral tiene como objetivo evaluar si la distinta proporción en macronutrientes de diferentes dietas isocalóricas podrían estar relacionadas con el inicio de la obesidad afectando a la expresión génica y a la regulación epigenética de genes clave en las vías de la glucólisis (glucoquinasa; GCK), β-oxidación (hidrohiacil-coA deshidrogenasa; HADHB); lipogénesis (ácido graso sintasa; FAS) y oxidación mitocondrial (NADH deshidrogenasa [ubiquinona] 1 beta subcomplejo 6; NDUFB6).

Para ello se partió de 48 ratas Wistar macho que fueron distribuidas en 4 grupos dietéticos: dieta rica en grasa (HFD), azúcares simples y grasa (HFS), azúcares simples (HS) y dieta control (C). Durante 10 semanas se suministró a cada animal el alimento en la modalidad de pair-fed, estudiándose la oxidación de nutrientes in vivo por calorimetría indirecta, diversos marcadores bioquímicos, expresión de genes y patrones de metilación del ADN relacionados con el metabolismo lipídico, glucídico y oxidativo en hígado y tejido adiposo.

En este contexto, los resultados obtenidos confirman que la distribución y el tipo de macronutrientes ingeridos juegan un papel importante en el inicio de la obesidad y desarrollo de complicaciones metabólicas asociadas. Así, en relación con la ganancia de peso (g/día) de los distintos grupos dietéticos, aunque fue similar entre sí, mostró mayor adiposidad visceral y total en los grupos HFD (p<0,01), HFS (p<0,001) y HS (p<0,05) respecto a C. En cuanto a los valores bioquímicos, se observó una reducción significativa del colesterol y HDL colesterol (p<0,001) en el grupo HS y en HFS (p<0,001) respecto a C. El tratamiento dietético provocó una reducción significativa de los triglicéridos séricos y un incremento significativo de los niveles de malondialdehído en el grupo HFS y de triglicéridos hepáticos en el grupos HFS y HFD (p<0,001) referido a C. Los estudios de expresión génica en hígado muestran un incremento de HADHB (β-oxidación) en el grupo HFS (p<0,05) respecto al grupo C. La expresión génica en el tejido adiposo epididimal mostró una reducción significativa de NDUFB6 en el grupo HS y HFD (p<0,05) en comparación con el grupo C. En relación a los estudios epigenéticos, solo se observaron variaciones en los promotores de los genes FAS y NDUFB6 en tejido adiposo epididimal del grupo HFD en relación al grupo C.

Estos resultados sugieren que la ingesta de dietas con exceso en grasas, grasas y azúcares simples o alta proporción de azúcares simples y baja de complejos produce exceso de peso de forma independiente de la ingesta total de energía. Estas dietas también pueden inducir algunas modificaciones epigenéticas (metilación del ADN) en el patrón de metilación de genes clave que podrían influir en la expresión de genes y explicar algunas de las alteraciones metabólicas.

Obesity can be defined as an excessive accumulation of body fat, which is attributed to a state of chronic positive energy balance induced by several factors, such as inadequate dietary habits, sedentary physical activity patterns and genetic interactions. Experimental studies have demonstrated that not only the amount of energy, but also the dietary macronutrient composition may be involved in obesity development. In this sense, nutritional, chemical and physical factors have the potential to alter gene expression and modify adult disease susceptibility in various ways through changes in the epigenome such as DNA methylation. Recent studies indicate that environmental factors and diet can perturb the way genes are controlled by DNA methylation and covalent histone modifications. In order to assess whether the macronutrient composition of the diet could be related to the gene expression and epigenetic regulation in obesity development, male Wistar rats were randomly assigned to four different dietary groups with different macronutrient proportions: control (C; n=12), high sucrose diet (HS; n=13), high fat-sucrose diet (HFS; n=12) and high fat diet (HFD; n=11). These diets were supplied during eight weeks as a pair-fed model. After sacrifice, gene expression related to lipid, glucose and oxidative metabolism, as well as epigenetic changes in these genes were studied in liver and epididymal fat. Our HFD, HFS and HS groups showed higher body weight gain and adiposity compared to C. Regarding biochemical values, we observed a significant reduction in cholesterol and HDL cholesterol in the HS and HFS groups compared to C. Dietary treatment caused a significant reduction in serum triglycerides and a significant increase in levels of hepatic malondialdehyde in HFS group and liver triglycerides in the HFS and HFD groups. Hepatic gene expression studies showed an increase in HADHB (β-oxidation) in the HFS group than in C Group. Gene expression in epididymal adipose tissue showed a significant reduction in NDUFB6 in the groups HS and HFD compared to C group. Regarding epigenetic studies, changes in FAS and NDUFB6 promoter methylation were observed in epididymal adipose tissue in HFD group compared to C group. These results suggest that the intake of excess fat diets, fat and simple sugars or high proportion of simple sugars and low of complex sugars induces excess weight gain independently of total energy intake. These diets can also produce epigenetic modifications (DNA methylation) in the methylation pattern of key metabolic genes in adipose tissue that may influence their gene expression and explain some of the metabolic alterations.