Different Transcriptional Control of Metabolism and Extracellular Matrix in Visceral and Subcutaneous Fat of Obese and Rimonabant Treated Mice

BACKGROUND: The visceral (VAT) and subcutaneous (SCAT) adipose tissues play different roles in physiology and obesity. The molecular mechanisms underlying their expansion in obesity and following body weight reduction are poorly defined. METHODOLOGY: C57Bl/6 mice fed a high fat diet (HFD) for 6 months developed low, medium, or high body weight as compared to normal chow fed mice. Mice from each groups were then treated with the cannabinoid receptor 1 antagonist rimonabant or vehicle for 24 days to normalize their body weight. Transcriptomic data for visceral and subcutaneous adipose tissues from each group of mice were obtained and analyzed to identify: i) genes regulated by HFD irrespective of body weight, ii) genes whose expression correlated with body weight, iii) the biological processes activated in each tissue using gene set enrichment analysis (GSEA), iv) the transcriptional programs affected by rimonabant. PRINCIPAL FINDINGS: In VAT, "metabolic" genes encoding enzymes for lipid and steroid biosynthesis and glucose catabolism were down-regulated irrespective of body weight whereas "structure" genes controlling cell architecture and tissue remodeling had expression levels correlated with body weight. In SCAT, the identified "metabolic" and "structure" genes were mostly different from those identified in VAT and were regulated irrespective of body weight. GSEA indicated active adipogenesis in both tissues but a more prominent involvement of tissue stroma in VAT than in SCAT. Rimonabant treatment normalized most gene expression but further reduced oxidative phosphorylation gene expression in SCAT but not in VAT. CONCLUSION: VAT and SCAT show strikingly different gene expression programs in response to high fat diet and rimonabant treatment. Our results may lead to identification of therapeutic targets acting on specific fat depots to control obesity

Leptin Contributes to the Adaptive Responses of Mice to High-Fat Diet Intake through Suppressing the Lipogenic Pathway

Background: Leptin is an adipocyte-derived hormone that plays a critical role in energy homeostasis and lipid metabolism. Overnutrition-associated obesity is known to be accompanied by hyperleptinemia. However, the physiological actions of leptin in the metabolic responses to high-fat diet (HFD) intake remain to be completely elucidated. Here we characterized the metabolic features of mice fed high-fat diets and investigated the impact of leptin upon the lipogenic program which was found to be suppressed by HFD feeding through a proteomics approach. Results: When maintained on two types of high-fat diets for up to 16 weeks, mice with a higher fat intake exhibited increased body fat accumulation at a greater pace, developing more severely impaired glucose tolerance. Notably, HFD feeding at 4 weeks elicited the onset of marked hyperleptinemia, prior to the occurrence of apparent insulin resistance and hyperinsulinemia. Proteomic analysis revealed dramatically decreased expression of lipogenic enzymes in the white adipose tissue (WAT) from HFD-fed mice, including ATP-citrate lyase (ACL) and fatty acid synthase (FAS). The expression of ACL and FAS in the liver was similarly suppressed in response to HFD feeding. By contrast, HFD-induced downregulation of hepatic ACL and FAS was significantly attenuated in leptin receptor-deficient db/db mice. Furthermore, in the liver and WAT of wild type animals, intraperitoneal leptin administration was able to directly suppress the expression of these two lipogenic enzymes, accompanied by reduced triglyceride levels both in the liver and serum. Conclusions: These results suggest that leptin contributes to the metabolic responses in adaptation to overnutrition through suppressing the expression of lipogenic enzymes, and that the lipogenic pathway represents a key targeted peripheral component in exerting leptin's liporegulatory actions. © 2009 Jiang et al

Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II

Résumé tout public : Le développement du diabète de type II et de l'obésité est causé par l'interaction entre des gènes de susceptibilité et des facteurs environnementaux, en particulier une alimentation riche en calories et une activité physique insuffisante. Afín d'évaluer le rôle de l'alimentation en absence d'hétérogénéité génétique, nous avons nourri une lignée de souris génétiquement pure avec un régime extrêmement gras. Ce régime a conduit à l'établissement de différents phénotypes parmi ces souris, soit : un diabète et une obésité (ObD), un diabète mais pas d'obésité (LD) ou ni un diabète, ni une obésité (LnD). Nous avons fait l'hypothèse que ces adaptations différentes au stress nutritionnel induit par le régime gras étaient dues à l'établissement de programmes génétiques différents dans les principaux organes impliqués dans le maintien de l'équilibre énergétique. Afin d'évaluer cette hypothèse, nous avons développé une puce à ADN contenant approximativement 700 gènes du métabolisme. Cette puce à ADN, en rendant possible la mesure simultanée de l'expression de nombreux gènes, nous a permis d'établir les profils d'expression des gènes caractéristiques de chaque groupe de souris nourries avec le régime gras, dans le foie et le muscle squelettique. Les données que nous avons obtenues à partir de ces profils d'expression ont montré que des changements d'expression marqués se produisaient dans le foie et le muscle entre les différents groupes de souris nourries avec le régime gras. Dans l'ensemble, ces changements suggèrent que l'établissement du diabète de type II et de l'obésité induits par un régime gras est associé à une synthèse accrue de lipides par le foie et à un flux augmenté de lipides du foie jusqu'à la périphérie (muscles squelettiques). Dans un deuxième temps, ces profils d'expression des gènes ont été utilisés pour sélectionner un sous-ensemble de gènes suffisamment discriminants pour pouvoir distinguer entre les différents phénotypes. Ce sous-ensemble de gènes nous a permis de construire un classificateur phénotypique capable de prédire avec une précision relativement élevée le phénotype des souris. Dans le futur, de tels « prédicteurs » basés sur l'expression des gènes pourraient servir d'outils pour le diagnostic de pathologies liées au métabolisme. Summary: Aetiology of obesity and type II diabetes is multifactorial, involving both genetic and environmental factors, such as calory-rich diets or lack of exercice. Genetically homogenous C57BL/6J mice fed a high fat diet (HFD) up to nine months develop differential adaptation, becoming either obese and diabetic (ObD) or remaining lean in the presence (LD) or absence (LnD) of diabetes development. Each phenotype is associated with diverse metabolic alterations, which may result from diverse molecular adaptations of key organs involved in the control of energy homeostasis. In this study, we evaluated if specific patterns of gene expression could be associated with each different phenotype of HFD mice in the liver and the skeletal muscles. To perform this, we constructed a metabolic cDNA microarray containing approximately 700 cDNA representing genes involved in the main metabolic pathways of energy homeostasis. Our data indicate that the development of diet-induced obesity and type II diabetes is linked to some defects in lipid metabolism, involving a preserved hepatic lipogenesis and increased levels of very low density lipoproteins (VLDL). In skeletal muscles, an increase in fatty acids uptake, as suggested by the increased expression of lipoprotein lipase, would contribute to the increased level of insulin resistance observed in the ObD mice. Conversely, both groups of lean mice showed a reduced expression in lipogenic genes, particularly stearoyl-CoA desaturase 1 (Scd-1), a gene linked to sensitivity to diet-induced obesity. Secondly, we identified a subset of genes from expression profiles that classified with relative accuracy the different groups of mice. Such classifiers may be used in the future as diagnostic tools of each metabolic state in each tissue. Résumé Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II L'étiologie de l'obésité et du diabète de type II est multifactorielle, impliquant à la fois des facteurs génétiques et environnementaux, tels que des régimes riches en calories ou un manque d'exercice physique. Des souris génétiquement homogènes C57BL/6J nourries avec un régime extrêmement gras (HFD) pendant 9 mois développent une adaptation métabolique différentielle, soit en devenant obèses et diabétiques (ObD), soit en restant minces en présence (LD) ou en absence (LnD) d'un diabète. Chaque phénotype est associé à diverses altérations métaboliques, qui pourraient résulter de diverses adaptations moléculaires des organes impliqués dans le contrôle de l'homéostasie énergétique. Dans cette étude, nous avons évalué si des profils d'expression des gènes dans le foie et le muscle squelettique pouvaient être associés à chacun des phénotypes de souris HFD. Dans ce but, nous avons développé une puce à ADN métabolique contenant approximativement 700 ADNc représentant des gènes impliqués dans les différentes voies métaboliques de l'homéostasie énergétique. Nos données indiquent que le développement de l'obésité et du diabète de type II induit par un régime gras est associé à certains défauts du métabolisme lipidique, impliquant une lipogenèse hépatique préservée et des niveaux de lipoprotéines de très faible densité (VLDL) augmentés. Au niveau du muscle squelettique, une augmentation du captage des acides gras, suggéré par l'expression augmentée de la lipoprotéine lipase, contribuerait à expliquer la résistance à l'insuline plus marquée observée chez les souris ObD. Au contraire, les souris minces ont montré une réduction marquée de l'expression des gènes lipogéniques, en particulier de la stéaroyl-CoA désaturase 1 (scd-1), un gène associé à la sensibilité au développement de l'obésité par un régime gras. Dans un deuxième temps, nous avons identifié un sous-ensemble de gènes à partir des profils d'expression, qui permettent de classifier avec une précision relativement élevée les différents groupes de souris. De tels classificateurs pourraient être utilisés dans le futur comme outils pour le diagnostic de l'état métabolique d'un tissu donné

Transcript profiling suggests that differential metabolic adaptation of mice to a high fat diet is associated with changes in liver to muscle lipid fluxes.

Genetically homogenous C57Bl/6 mice display differential metabolic adaptation when fed a high fat diet for 9 months. Most become obese and diabetic, but a significant fraction remains lean and diabetic or lean and non-diabetic. Here, we performed microarray analysis of "metabolic" transcripts expressed in liver and hindlimb muscles to evaluate: (i) whether expressed transcript patterns could indicate changes in metabolic pathways associated with the different phenotypes, (ii) how these changes differed from the early metabolic adaptation to short term high fat feeding, and (iii) whether gene classifiers could be established that were characteristic of each metabolic phenotype. Our data indicate that obesity/diabetes was associated with preserved hepatic lipogenic gene expression and increased plasma levels of very low density lipoprotein and, in muscle, with an increase in lipoprotein lipase gene expression. This suggests increased muscle fatty acid uptake, which may favor insulin resistance. In contrast, the lean mice showed a strong reduction in the expression of hepatic lipogenic genes, in particular of Scd-1, a gene linked to sensitivity to diet-induced obesity; the lean and non-diabetic mice presented an additional increased expression of eNos in liver. After 1 week of high fat feeding the liver gene expression pattern was distinct from that seen at 9 months in any of the three mouse groups, thus indicating progressive establishment of the different phenotypes. Strikingly, development of the obese phenotype involved re-expression of Scd-1 and other lipogenic genes. Finally, gene classifiers could be established that were characteristic of each metabolic phenotype. Together, these data suggest that epigenetic mechanisms influence gene expression patterns and metabolic fates