Impact of obesity on hypothalamic microRNAs: from pathophysiology to gene therapy approach

Abstract

A obesidade é uma preocupação emergente da nossa sociedade relacionada com o consumo de uma dieta hipercalórica que causa alterações metabólicas e homeostáticas. No sistema nervoso central, o regulador chave do metabolismo é o hipotálamo, que controla o comportamento alimentar, temperatura corporal, ciclo circadiano, entre outros. Os neurónios do hipotálamo recebem e integram sinais de órgãos periféricos que regulam funções fisiológicas e comportamentais de modo a manter a homeostasia corporal. De destaque, em obesidade há disfunção hipotalâmica. Na verdade, a inflamação observada nos primeiros dias de dieta hipercalórica em modelos de obesidade quando continuada pode levar a morte de células neuronais no hipotálamo. Aliás, no hipotálamo está presente um nicho neurogénico cuja actividade é alterada dependendo do estado energético. Foi observada que a actividade de células neuroprogenitoras é estimulada nos primeiros dias de dieta hipercalórica. Contudo se a dieta for mantida a neurogénese fica comprometida. MiRNAs são uma classe de RNAs endógenos, pequenos e não-codificantes com funções pós transcripcionais. MiRNAs interagem com mRNAs alvo para diminuir os níveis de expressão da proteína correspondente. Em órgãos periféricos foram observadas alterações de expressão de miRNAs em doenças metabólicas. Contudo o seu envolvimento na regulação metabólica pelo hipotálamo é desconhecido. Um estudo anterior no nosso laboratório revelou expressão alterada de microRNAs let-7 no hipotálamo de ratos após dieta hiper calórica. A família de microRNAs let-7 está envolvida em vários mecanismos celulares incluindo maturação durante o desenvolvimento neuronal, processos inflamatórios e metabolismo da glicose. Visto que estas vias estão comprometidas no hipotálamo em obesidade a nossa hipótese é que o microRNA let-7 possa ser regulador destas alterações. Neste projecto investigamos o efeito da obesidade na via dos microRNAs hipotalâmicos e exploramos os possíveis efeitos do let-7b em obesidade associado a alterações metabólicas e disfunção neuropatológica. Observamos que os níveis de microRNAs let-7 e proteína relacionada Lin28b estão alterados no hipotálamo de ratos que antes estiveram em dieta hipercalórica por períodos diferentes; e que estas alterações estão relacionadas com as mudanças em marcadores de neurogénese. Além disso, mostramos que inflamação consegue alterar o sistema let-7/Lin28b no hipotálamo ao induzir inflamação com LPS em culturas hipotalâmicas. Ainda, a sobre expressão de let-7b no hipotálamo de ratinhos em dieta hipercalórica revelou melhorias relativamente à função metabólica, incluindo redução no ganho de peso, redução no consumo calórico e na melhoria na tolerância a glucose. Também, induzidos pelo consumo de dieta hipercalórica no hipotálamo danos neuropatológicos, foram parcialmente prevenidos pelo let-7b, em particular alterações na neuroinflamação e neurogénese. Em conclusão identificamos o let-7b como um novo alvo anti-obesidade requerendo mais estudos para apoiar seu potencial terapêutico.

Obesity is an emerging concern in our society and it is related to high-fat diet (HFD) consumption that causes metabolic changes and alterations of body homeostasis. In the central nervous system, the hypothalamus is the key regulator of metabolism because it controls feeding behavior, body temperature, circadian cycle, among others. Neurons in the hypothalamus receive and integrate signals from peripheral organs that will regulate physiological and behavioral functions in order to maintain body homeostasis. Importantly, hypothalamic function is altered in obesity. In fact, inflammation was observed in the first days of HFD in obesity animal models that, if continued, led to neuronal cell death in the hypothalamus. Moreover, in the hypothalamus is present a neurogenic niche whose activity is altered depending on the energetic state. The activity of neural progenitor cells was observed to be stimulated in the first days of HFD. However a sustained high fat intake led to impaired hypothalamic neurogenesis. MiRNAs are a class of endogenous, small, non-coding RNAs with post-transcriptional functions. MiRNAs interact with target mRNA to decrease the expression levels of corresponding protein. Alterations in miRNAs expression in peripheral organs were observed in metabolic diseases but their involvement in the central regulation of metabolism in the hypothalamus is unknown. A previous study from our laboratory revealed altered expression levels of let-7 microRNAs in the rat hypothalamus after HFD regime. Let-7 miRNAs are a family of miRNAs involved in several cellular mechanisms including maturation during neurodevelopment, inflammatory processes and glucose metabolism. Since these pathways are impaired in the hypothalamus in obesity we hypothesize that let-7 microRNA could be the regulator of these alterations. In this project we investigated the impact of obesity on hypothalamic microRNA pathway and explored the putative protective effect of let-7b in obesity associated metabolic alterations and neuropathological dysfunction. We observed that let-7 microRNAs levels and related protein Lin28b are altered in the rat hypothalamus after different periods of HFD; and that these alterations are related to alterations in neurogenesis markers. Moreover, we showed that inflammation can alter the let-7/Lin28b system in the hypothalamus, by inducing inflammation with LPS in hypothalamic slice cultures. Furthermore, the overexpression of let-7b in the hypothalamus of mice in a HFD regime showed ameliorations regarding metabolic function, including decreased body weight gain, decreased caloric intake and improved glucose tolerance. Moreover, neuropathological impairment induced by HFD consumption in the hypothalamus was partially prevented by let-7b, in particular neuroinflammation and neurogenesis changes. In conclusion, we identified let-7b as a new anti-obesity target warranting further studies to support its therapeutic potential.