Exploring the peripheral crosstalk between dopamine and NPY in the regulation of energy balance

Abstract

Nos últimos anos, houve um aumento global marcante na prevalência da obesidade, elevando o estado desta doença a uma epidemia. Atualmente, a obesidade é conhecida por apresentar dois diferentes fenótipos, a obesidade metabolicamente saudável e a obesidade metabolicamente não saudável, esta última associada ao desenvolvimento da síndrome metabólica e da diabetes tipo 2. A forma não saudável está relacionada à disfunção do tecido adiposo e à desregulação dos sistemas que controlam a homeostase energética. O sistema NPY e o sistema dopaminérgico são importantes na regulação do equilíbrio energético a vários níveis. Centralmente, são dois sistemas extensivamente estudados e conhecidos por interagirem e se regularem um ao outro, em um importante “crosstalk” para a regulação do equilíbrio energético. Nos últimos anos, esses sistemas têm sido reconhecidos pelas suas funções a nível periférico, tendo um papel importante no metabolismo lipídico e glicolítico, na adipogênese e angiogênese, entre outras funções. No entanto, a existência de um “crosstalk” periférica entre estes sistemas e a sua importância para a regulação do equilíbrio energético ainda não foi demonstrado.O objetivo deste trabalho foi investigar essa comunicação periférica entre os sistemas NPYérgico e dopaminérgico, entender como um pode modular a ação do outro e desvendar a importância dessas interações para a regulação do equilíbrio energético periférico.Para alcançar este objetivo, foi realizada uma análise genética da expressão dos genes envolvidos no sistema do NPY e da dopamina, no tecido adiposo visceral de indivíduos obesos com desregulação metabólica, através de “high-throughput real-time polymerase chain reaction”. Além disso, avaliamos qual o efeito da modulação do sistema dopaminérgico, utilizando a bromocriptina, no sistema NPY de ratos Goto-Kakizaki alimentados com uma dieta rica em calorias. Os efeitos agudos da estimulação com dopamina e NPY foram investigados em amostras ex vivo de tecido adiposo epididimal e mesentérico. Seguidamente, investigámos o efeito da dopamina na acumulação lipídica nos adipócitos, utilizando uma linhagem celular de fibroblastos 3T3-L1. Por último, averiguamos qual o efeito da estimulação de adipócitos com NPY, na modulação do sistema dopaminérgico.O nosso grupo demonstrou que a progressão da desregulação metabólica em indivíduos obesos leva a uma profunda alteração da maquinaria NPYérgica e dopaminérgica no tecido adiposo visceral. Também observámos que esses dois sistemas estão correlacionados entre si no tecido adiposo humano e que também se encontrão relacionados com genes importantes envolvidos no metabolismo e plasticidade do tecido adiposo, sugerindo um possível envolvimento destes sistemas na regulação de funções importantes. Além disso, também demonstramos que essa comunicação existe no tecido adiposo de um modelo animal de rato obeso e diabético. A bromocriptina induziu uma remodelação no sistema NPY no tecido adiposo peri-epididimal, com aumentos significativos nos níveis das proteínas NPY1R, NPY5R e NPY. Em relação aos efeitos agudos dessa modulação, a condição em que amostras ex vivo foram incubadas com dopamina e NPY3-36 na presença de domperidona, resultou em aumentos acentuados da atividade catabólica tanto no tecido epididimal, com aumento significativos nos níveis de fosfo-ATGL e fosfo-AMPK, quanto no tecido mesentérico, com aumento apenas nos níveis de fosfo-ATGL. Seguidamente, a dopamina mostrou ser capaz de induzir acumulação lipídica nos adipócitos, em um efeito que parece estar relacionado com a sinalização via recetor D2R. Por fim, a estimulação com NPY3-36 não mostrou ser capaz de modular o sistema dopaminérgico nos adipócitos.O sistema do NPY e o sistema da dopamina estão correlacionados no tecido adiposo e parecem regular diversas funções metabólicas importantes. Com o agravamento da desregulação metabólica, esses sistemas são profundamente alterados, o que pode levar à desregulação dos processos que estes controlam. A modulação farmacológica desses sistemas, como observado no estudo animal, poderia ser uma estratégia terapêutica interessante para restaurar esses sistemas no tecido adiposo, melhorando a função correta do tecido e a saúde metabólica geral.

In the last years, there was a marked global rise in the prevalence of obesity, and their associated diseases. Obesity is believed to have two different phenotypes: metabolic healthy obesity and metabolic unhealthy obesity, which is the one associated with the development of metabolic syndrome and type 2 diabetes. The metabolically unhealthy one is associated with adipose tissue dysfunction and dysregulation of the systems that control energy homeostasis. NPY and dopamine system are two important systems that regulate energy balance at several levels. Centrally, they are extensively study, and they are known to interact and regulate each other, in an important crosstalk for the regulation of energy balance. In the last years, these systems have been acknowledged by their important peripheral functions, participating in lipid and glucose metabolism, adipogenesis and angiogenesis (etc.). However, the existence of a peripheral crosstalk between these systems and its importance for the regulation of energy balance has not been demonstrated yet. The aim of this work was to unravel this peripheral crosstalk between NPY and dopaminergic systems in the adipose tissue, to understand how they modulate each other, and to investigate the importance of this interaction for the regulation of peripheral energy balance and adipose tissue function. To achieve this, genetic expression profile of the NPY and dopaminergic system in the visceral adipose tissue of obese subjects with metabolic dysregulation was performed by a high-throughput real-time polymerase chain reaction. Additionally, we assessed the effect of dopaminergic system modulation through bromocriptine in the NPY system of Goto-Kakizaki rats fed a high-caloric diet. The acute effects off stimulation with dopamine and NPY were investigated in ex-vivo samples of epidydimal and mesenteric adipose tissue in the presence of specific dopamine receptors’ inhibitors. The direct effect of dopamine on lipid accumulation in the adipocytes were investigated in a 3T3-L1 fibroblasts cell line. The NPY modulation of dopaminergic system was also observed in these cells. Our group showed that the progression of metabolic dysregulation in obese individuals leads to a deep alteration of NPY and dopaminergic machinery in visceral adipose tissue. We also demonstrated that these two systems are correlated between each other in human visceral tissue and are also correlated with important genes involved in adipose tissue metabolism and plasticity. Furthermore, we also demonstrated that this crosstalk existed in the adipose tissue of a diabetic obese rat model. Bromocriptine induces a remodeling in NPY system in peri-epididymal adipose tissue, with significant increases in NPY1R, NPY5R and NPY protein levels. Regarding the acute effects of this modulation, the condition where AT samples were incubated ex vivo with dopamine and NPY3-36 in the present of domperidone, resulted in marked increases of catabolic activity in both epididymal, with increase in phospho-ATGL and phospho-AMPK levels, and mesenteric, with increase only in phospho-ATGL levels. Contrarily, dopamine induces lipid accumulation in adipocytes, in an effect that appears to be induced by D2R. Lastly, stimulation with NPY3-36 failed to modulate dopaminergic system in the adipocytes. The NPY and the dopaminergic system are indeed correlated in the adipose tissue, and they seem to regulate several important metabolic functions. With the aggravation of metabolic dysregulation these systems are profoundly altered, which could lead to the dysregulation of such AT metabolic functions. Pharmacological modulation of these systems, as we observed in the animal study, could be an interesting therapeutic strategy to restore these systems in the adipose tissue, improving overall metabolic health.