Ενδο- και δια-ιστικά δίκτυα συνέκφρασης των μεταγραφικών παραγόντων ERb (Estrogen Receptor β) και NFATc1 (Nuclear Factor of Activated T cells) και ο ρόλος κλειδί του συμπαράγοντα TIF2 στην κλινικά σοβαρή παχυσαρκία: μια συστημική προσέγγιση της παχυσαρκίας και των συνοδών καρδιομεταβολικών νοσημάτων

Abstract

Estrogen receptor β (ERβ) plays an important role in human metabolism and some of its metabolic actions are mediated by a positive “cross-talk” with Nuclear Factor of Activated T cells (NFAT) and the key metabolic transcriptional coregulator Transcriptional Intermediary Factor 2 (TIF2). Moreover, it has already been demonstrated that obesity is characterized by a chronic, low grade, systemic inflammation. However, little is known about the role of skeletal muscle, which represents an active metabolic organ whose activities need to be determined.Our study is an “in situ” morphological evaluation of the communication between ERβ, NFAT and TIF2 in morbid obesity. Furthermore, we want to detect the relationships between skeletal muscle and adipose tissue inflammation with nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) and diabetes, as well as to explore associations with clinicopathological parameters.Methods: Our population consists of 50 morbidly obese patients undergoing planned bariatric surgery, during which biopsies were taken from visceral adipose tissue (VAT), subcutaneous adipose tissue (SAT), skeletal muscle (SM), extramyocellular adipose tissue (EMAT) and liver. The differential protein expression of ERβ, NFATc1, TIF2, CD3, CD68, was evaluated by immunohistochemistry.Results: We demonstrated an extensive intra- and inter-tissue co-expression network, which confirms the tissue-specific and integral role of each one of the investigated proteins in morbid obesity. Moreover, a beneficial role of ERβ and NFATc1 against NAFLD is implicated, whereas the distinct roles of TIF2 still remain an enigma. A novel finding is the intricate cross-talk between SM, EMAT and the liver and the possible correlation between SM, EMAT inflammation and the presence of liver fibrosis.Conclusions: In summary, obesity should not be regarded as a “lone” entity but as part of a complex, highly interlinked disease network. In this context we should base our thinking and research in order to identify the common genetic origins and address the key biomarkers that need to be targeted so as to provide novel and efficient treatments. Our findings support the “disease network theory”, as we detected a complicated inter- and intra-tissue co-expression network that links obesity-induced inflammation in the investigated tissues with non-alcoholic fatty liver disease. Specifically, inflammatory biomarkers (CD68, CD3) in all adipose depots were found to be positively correlated with serum liver transaminases and the presence of NASH, whereas CD3 expression in skeletal muscle and EMAT is linked to liver fibrosis as assessed by biopsy.Moreover, ERβ, NFATc1 and TIF2 were identified as highly differentially co-expressed biomarkers across tissues, showing their potential role in obesity-induced disease such as type II diabetes and NAFLD. Specifically, our findings imply a beneficial role of ERβ and NFATc1 against NAFLD and a more equivocal role of TIF2 in the pathogenesis of diabetes and liver fibrosis. We also showed that these biomarkers were consistently clustering together within tissues in similar co-expression patterns and subnetworks, such as between SAT and VAT or between SM and EMAT. Moreover, the co-expressed biomarkers were found to be associated with plasma lipid and transaminases’ levels, which underlines their significance in lipid and glucose metabolism. Co-expression network analysis represents a new approach for systems-level analysis, which may facilitate the development of new diagnostics and therapeutics by targeting the interactions in several chronic diseases. Our results could be applied to understand the systemic details of obesity and its comorbidities, in the context of inter-organ interactions. For example, adipose or skeletal muscle biopsy, along with liver transaminases’ levels and novel imaging techniques, can accurately detect subtle hepatic disease and may substitute for liver biopsy in the near future. There is no doubt that further research is needed in order to advance our understanding of the molecular mechanisms that contribute to liver steatosis, NASH, and fibrosis in obese subjects and identify novel and promising therapeutic targets.

Ο οιστρογονικός υποδοχέας ERβ διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον ανθρώπινο μεταβολισμό και μερικές από τις δράσεις του διαμεσολαβούνται μέσω θετικής αλληλεπίδρασης (“positive cross-talk”) με το μεταγραφικό παράγοντα NFAT και το συν-ενεργοποιητή της μεταγραφής TIF2. Επιπλέον, έχει ήδη αποδειχθεί πως η παχυσαρκία χαρακτηρίζεται από χρόνια, χαμηλού βαθμού συστηματική φλεγμονή, αλλά λίγα είναι γνωστά για το ρόλο του σκελετικού μυός ως ενεργό μεταβολικό όργανο.Η μελέτη μας είναι μια “in-situ” μορφολογική εκτίμηση της λειτουργικής διαντίδρασης (“cross-talk”) των μεταγραφικών παραγόντων ERβ, NFATc1 και του συν-ρυθμιστή της μεταγραφής TIF2 στη νοσογόνο παχυσαρκία. Επιπλέον, θα διερευνήσουμε τη συσχέτιση ανάμεσα στη φλεγμονή του σκελετικού μυός και του λιπώδους ιστού με την ανάπτυξη μη αλκοολικής λιπώδους νόσου του ήπατος (NAFLD) και σακχαρώδη διαβήτη τύπου ΙΙ, καθώς και τη σχέση με διάφορες κλινικοπαθολογικές παραμέτρους. Υλικό και μέθοδος: Ο πληθυσμός της μελέτης μας αποτελείται από 50 νοσογόνα παχύσαρκους ασθενείς που υποβλήθηκαν σε προγραμματισμένο βαριατρικό χειρουργείο κατά τη διάρκεια του οποίου ελήφθησαν βιοψίες από σπλαγχνικό λιπώδη ιστό (visceral adipose tissue, VAT), υποδόριο λιπώδη ιστό (subcutaneous adipose tissue, SAT), σκελετικό μυ (skeletal muscle, SM), εξωμυοκυττάριο λιπώδη ιστό (extramyocellular adipose tissue, EMAT) κι ήπαρ. Η πρωτεϊνική έκφραση των υπό μελέτη παραγόντων (ERβ, NFAT, TIF2, CD3, CD68) εκτιμήθηκε με τη μέθοδο της ανοσοϊστοχημείας. Αποτελέσματα: Αναδείξαμε την ύπαρξη ενός εκτεταμένου ενδο- και δια-ιστικού δικτύου συνέκφρασης πρωτεϊνών, που επιβεβαιώνει το μοναδικό κι ιστοειδικό ρόλο καθενός εκ των υπό μελέτη βιοδεικτών στην νοσογόνο παχυσαρκία και τα συνοδά της νοσήματα.Επιπλέον, τα αποτελέσματά μας συνηγορούν υπέρ του ευεργετικού ρόλου του ERβ και του NFATc1 έναντι της μη αλκοολικής λιπώδους νόσου του ήπατος, ενώ ο ακριβής ρόλος του TIF2 συνεχίζει να παραμένει αδιευκρίνιστος. Καινοτόμο εύρημα αποτελεί η επικοινωνία (“cross-talk”) μεταξύ σκελετικού μυός (SM), του εξωμυοκυττάριου λιπώδους ιστού (ΕΜΑΤ) και του ήπατος κι η πιθανή συσχέτιση μεταξύ της φλεγμονής του σκελετικού μυός και του εξωμυοκυττάριου λιπώδους ιστού με την παρουσία ηπατικής ίνωσης. Συμπεράσματα: Συμπερασματικά, η παχυσαρκία δε θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως μια ξεχωριστή νοσολογική οντότητα, αλλά ως αναπόσπαστο τμήμα ενός αλληλοσυνδεόμενου δικτύου ασθενειών. Ως εκ τούτου, ο τρόπος σκέψης κι η έρευνά μας πρέπει να στρέφονται ως προς αυτή την κατεύθυνση ώστε ν’ αναδειχθούν οι κοινοί γενετικοί σύνδεσμοι κι οι κατάλληλοι βιοδείκτες που μπορούν να αποτελέσουν καινοτόμους, μελλοντικούς, θεραπευτικούς στόχους. Τα ευρήματά μας υποστηρίζουν τη θεωρία της ιατρικής των δικτύων. Συγκεκριμένα, αναδείξαμε ένα περίπλοκο ενδο- και δια-ιστικό δίκτυο συνέκφρασης πρωτεϊνών που συνδέει την επαγόμενη από παχυσαρκία φλεγμονή με τη μη αλκοολική λιπώδη νόσο του ήπατος (NAFLD). Αναλυτικότερα, διαπιστώσαμε πως η έκφραση των φλεγμονωδών βιοδεικτών (CD3, CD68) σε όλα τα λιπώδη διαμερίσματα εμφανίζει θετική συσχέτιση με τα επίπεδα ηπατικών τρανσαμινασών και την παρουσία NASH στη βιοψία ήπατος, ενώ η έκφραση του CD3 στο σκελετικό μυ και το εξωμυοκυττάριο λίπος (ΕΜΑΤ) σχετίζεται με την ίνωση του ήπατος. Επιπλέον, παρατηρήθηκε πως οι παράγοντες ERβ, NFATc1 και TIF2 συνεκφράζονται στους υπό μελέτη ιστούς υποδηλώνοντας τη συμμετοχή τους στην παθοφυσιολογία της παχυσαρκίας και των σχετιζόμενων με αυτή νοσημάτων όπως ο σακχαρώδης διαβήτης τύπου ΙΙ κι η μη αλκοολική λιπώδης νόσος του ήπατος (NAFLD). Ειδικότερα, τα αποτελέσματά μας συνηγορούν υπέρ του ευεργετικού ρόλου των ERβ και NFATc1 έναντι της NAFLD, ενώ ο ρόλος του TIF2 στην παθογένεση του διαβήτη και της ηπατικής ίνωσης συνεχίζει να παραμένει διφορούμενος. Επίσης, διαπιστώθηκε πως η έκφραση των βιοδεικτών σχετίζεται με τα επίπεδα τρανσαμινασών και λιπιδίων πλάσματος, κατοχυρώνοντας το ρόλο τους στο μεταβολισμό των λιπιδίων και της γλυκόζης. Η ανάλυση των δικτύων συνέκφρασης αντιπροσωπεύει μια καινοτόμο συστημική προσέγγιση, που ενδεχομένως διευκολύνει την ανάπτυξη νέων διαγνωστικών τεχνικών και θεραπειών στοχεύοντας στους συνδετικούς κρίκους ενός δικτύου ασθενειών. Τα αποτελέσματά μας μπορούν να συμβάλλουν στην κατανόηση της παχυσαρκίας και των συνοδών νοσημάτων της στο πλαίσιο της συστημικής ανάλυσης κι ολιστικής προσέγγισης των νοσημάτων. Για παράδειγμα, η βιοψία λιπώδους ιστού ή σκελετικού μυός σε συνδυασμό με τα επίπεδα ηπατικών τρανσαμινασών πλάσματος κι απεικονιστικές τεχνικές, μπορούν ν’ανιχνεύσουν με μεγάλη ακρίβεια λανθάνουσα ηπατική νόσο κι ενδεχομένως μελλοντικά να υποκαταστήσουν τη βιοψία ήπατος. Αναμφισβήτητα, περαιτέρω έρευνα απαιτείται για την πλήρη κατανόηση των μοριακών μηχανισμών και των δικτύων συνέκφρασης που ενέχονται στην παχυσαρκία και τα συνοδά της νοσήματα με τελικό σκοπό την ανάδειξη νέων βιοδεικτών, διαγνωστικών τεχνικών κι ελπιδοφόρων θεραπευτικών στόχων στο εγγύς μέλλον.