O papel das proteínas desacopladoras e suas proteínas regulatórias na obesidade e diabetes mellitus

Abstract

Em vista do forte envolvimento de fatores genéticos na patogênese da obesidade e diabetes mellitus tipo 2 (DM2), grandes esforços têm sido realizados para se identificar genes associados a estas doenças. Neste contexto, diversos estudos têm sido focados em genes relacionados ao gasto energético, como os genes para as proteínas desacopladoras (UCPs), receptor 3-adrenérgico ( 3-AR) e, mais recentemente, irisina. As UCPs estão presentes na membrana mitocondrial interna e, apesar de terem similaridades nas suas estruturas, possuem uma expressão tecidual diferente. Estas proteínas desacoplam a oxidação dos substratos na mitocôndria da síntese de ATP, dissipando a energia do potencial de membrana e, consequentemente, diminuindo a produção de ATP pela cadeia respiratória mitocondrial (CRM). Este desacoplamento está associado a funções tecido-específicas como regulação do gasto energético e do metabolismo de ácidos graxos livres e diminuição da secreção de insulina e da formação de espécies reativas de oxigênio (EROs), mecanismos associados à patogênese da obesidade e DM2. Sendo assim, as associações entre polimorfismos nos genes UCP1-3 e suscetibilidade a estas doenças têm sido investigadas em diversas populações. No entanto, o impacto destes polimorfismos na obesidade e DM2 ainda está em debate, com resultados contraditórios sendo relatados. Deste modo, realizou-se um estudo de caso-controle na nossa população, seguido de uma revisão sistemática e metanálise dos estudos disponíveis na literatura para avaliar se os seguintes polimorfismos nos genes UCP1-3 estavam associados com a suscetibilidade à obesidade: -3826A/G (UCP1); -866G/A, Ala55Val e Ins/Del (UCP2) e -55C/T (UCP3). Os resultados do estudo de caso-controle foram incluídos na metanálise. No estudo de caso-controle, não encontramos nenhuma associação dos polimorfismos analisados com suscetibilidade à obesidade em pacientes com DM2. Quarenta e sete estudos foram incluídos na metanálise e os resultados mostraram que os polimorfismos -866G/A (UCP2) e -55C/T (UCP3) estão associados com proteção para obesidade em europeus. Por outro lado, os polimorfismos Ala55Val e Ins/Del (UCP2) foram associados com risco para obesidade em asiáticos e europeus, respectivamente. Considerando que polimorfismos nos genes UCP1-3 podem estar associados a pequenas variações no índice de massa corporal (IMC) sem estarem, necessariamente, associados à obesidade, realizou-se outra revisão sistemática e metanálise com o objetivo de investigar se os polimorfismos descritos acima estavam associados com variações no IMC. A metanálise de 56 estudos mostrou que os polimorfismos Ins/Del (UCP2) e -55C/T (UCP3) estão associados a um aumento no IMC em asiáticos, enquanto o polimorfismo Ala55Val (UCP2) está associado a um aumento do IMC em europeus. Entretanto, o polimorfismo -866G/A (UCP2) parece estar associado a uma diminuição do IMC em europeus. As duas metanálises sugerem que o polimorfismo - 3826A/G (UCP1) não está associado com obesidade ou IMC. Interações entre polimorfismos nos genes UCP1-3 com polimorfismos nos genes de suas proteínas regulatórias (como, por exemplo, nos genes ADRB3 e FNDC5) podem influenciar as suas associações com obesidade e DM2. O gene ADRB3 codifica o receptor 3-AR, um importante regulador da expressão de UCP1 e mediador da lipólise. O gene FNDC5 codifica o hormônio irisina, uma nova miocina associada à redução de obesidade visceral e melhora no metabolismo da glicose em camundongos. A irisina atua no tecido adiposo branco, estimulando a expressão de UCP1, a qual induz a transformação do tecido em um fenótipo mais parecido com o do tecido adiposo marrom, aumentando o gasto energético. Em vista do exposto, investigamos se os polimorfismos -3826A/G (UCP1) e Trp64Arg (ADRB3), sozinhos ou em combinação, estavam associados com DM2 ou características associadas. Os dois polimorfismos não foram associados ao DM2; entretanto, em pacientes com DM2, o alelo 64Arg foi associado com proteção para sobrepeso e obesidade [IMC W 25 Kg/m²; razão de chances (RC) = 0,598; p = 0,014]. Interessantemente, a prevalência de sobrepeso/obesidade foi menor em portadores de W3 alelos raros dos dois polimorfismos quando comparados a portadores de <3 alelos raros (54,5% vs. 79,1%; RC = 0,288; p = 0,007). Os portadores de W3 alelos raros destes polimorfismos também tiveram os níveis do colesterol HDL aumentados (p = 0,018). Em outro estudo de caso-controle avaliamos se os polimorfismos rs1746661 e rs3480 no gene FNDC5 estavam associados ao DM2 e características associadas. As frequências alélicas, genotípicas e haplotípicas destes polimorfismos foram similares em casos e controles. Entretanto, mulheres com DM2 portadoras do alelo G do polimorfismo rs3480 apresentaram um aumento na hemoglobina glicada (HbA1c) quando comparadas ao genótipo A/A. O alelo T do polimorfismo rs1746661 foi associado com o aumento da pressão sistólica, colesterol total e colesterol LDL e diminuição do colesterol HDL em mulheres com DM2. Essas associações não foram observadas em homens. A UCP2 parece ter também um papel importante na regulação da apoptose das células-beta pancreáticas; entretanto, se este papel é anti-apoptótico ou pró-apoptótico ainda precisa ser melhor definido. Recentemente, um estudo do nosso grupo demonstrou que a expressão de Ucp2 estava aumentada no pâncreas de um modelo murino de morte encefálica (ME), possivelmente devido ao aumento da inflamação e estresse oxidativo associado à ME. Sendo assim, um dos objetivos do presente estudo foi avaliar a expressão da UCP2 no pâncreas de doadores de órgãos em ME. Também foi realizado um estudo experimental em células INS-1E, uma linhagem de células-beta de ratos, para avaliar o papel do bloqueio da Ucp2 na apoptose das células-beta submetidas à inflamação. Em concordância com nossos resultados prévios em ratos, a expressão de UCP2 foi aumentada no pâncreas de doadores de órgãos em ME comparado aos controles (1,73 ± 0,93 vs. 0,75 ± 0,66 fold change; p< 0,05). O bloqueio de Ucp2 reduziu em 30% a apoptose e a produção de óxido nítrico em células INS-1E incubadas com citocinas pró-inflamatórias. Dados obtidos sugerem que esta proteção está associada à via intrínseca de apoptose. Em conclusão, nossos resultados sugerem que polimorfismos nos genes UCP2 e UCP3 estão associados à obesidade em diferentes populações. Os alelos G do polimorfismo -3826A/G (UCP1) e Arg do polimorfismo Trp64Arg (ADRB3) parecem interagir na modulação do sobrepeso/obesidade e níveis de colesterol HDL em indivíduos com DM2. Além disso, o alelo G do polimorfismo rs3480 (FNDC5) está associado com níveis aumentados de HbA1c, enquanto que o alelo T do polimorfismo rs1746661 parece estar associado com pressão sistólica aumentada e dislipidemia em mulheres com DM2. Por último, nossos dados experimentais sugerem que a UCP2 tem um efeito apoptótico em células-beta submetidas a condições pró-inflamatórias, por meio da regulação da via intrínseca de apoptose.

In view of the strong involvement of genetic factors in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes mellitus (T2DM), great efforts have been done to identify genes associated with these diseases. In this context, several studies have been focused on genes encoding proteins related to energy expenditure, such as uncoupling proteins (UCPs), 3-adrenergic receptor ( 3-AR) and, more recently, irisin. UCPs are located in the mitochondrial inner membrane and, despite similarities in their structures, they have different tissue expressions. These proteins uncouple substrate oxidation in mitochondria from ATP synthesis, thereby dissipating the membrane potential energy and, consequently, decreasing ATP production by mitochondrial respiratory chain (MRC). The uncoupling is associated with tissuespecific functions such as energy expenditure and free-fatty acids regulation and decreasing insulin secretion and reactive oxygen species (ROS) production, all mechanisms associated with obesity and T2DM pathogenesis. Thus, the relationship between UCP1-3 polymorphisms and susceptibility to these diseases has been investigated in several populations. However, the impact of these polymorphisms on obesity and T2DM is still under debate, with contradictory results being reported. Therefore, we performed a case-control study in our population followed by a systematic review and meta-analysis of published studies in order to evaluate whether the following polymorphisms were associated with susceptibility to obesity: -3826A/G (UCP1); -866G/A, Ala55Val and Ins/Del (UCP2), and -55C/T (UCP3). Results obtained in our case-control study were also included in the meta-analysis. In the casecontrol study, we did not found any association between the analyzed polymorphisms and obesity. Forty-seven studies were included in the meta-analysis, and results showed that UCP2 -866G/A and UCP3 -55C/T polymorphisms are associated with protection to obesity in Europeans. On the other hand, UCP2 Ala55Val and Ins/Del polymorphisms were associated with obesity in Asians and Europeans, respectively. Considering that UCP1-3 polymorphisms may be associated with small changes in body mass index (BMI) without being, necessarily, associated with obesity, we performed another systematic revision with meta-analysis aiming to evaluate if the polymorphisms described above are associated with BMI changes. Meta-analysis of 56 studies showed that UCP2 Ins/Del and UCP3 -55C/T polymorphisms were associated with increased BMI in Asians, while the UCP2 Ala55Val polymorphism was associated with increased BMI in Europeans. However, the UCP2 -866G/A polymorphism seems to be associated with decreased BMI in Europeans. Both meta-analyses suggest that the UCP1 -3826A/G polymorphism is not associated with obesity or BMI. Interactions between polymorphisms in UCP1-3 genes with polymorphisms in genes for their regulatory proteins (such as in ADRB3 and FNDC5 genes) could influence their associations with obesity or T2DM. ADRB3 gene codifies for `3-AR, an important UCP1 regulator and mediator of lipolysis. FNDC5 gene codifies for the hormone irisin, a novel myokine which reduces visceral obesity and improves glucose metabolism in mice. Irisin acts on white adipose cells, stimulating UCP1 expression, which induces the transformation of these cells in brown fat-like cells, increasing energetic expenditure. In view of the foregoing, we investigated if UCP1 -3826A/G and ADRB3 Trp64Arg polymorphisms, individually or in combination, were associated with T2DM or related characteristics. Both polymorphisms were not associated with T2DM; however, in T2DM patients, the 64Arg allele was associated with protection against overweight and obesity [BMI W25 kg/m2; odds ratio (OR) = 0.598; P = 0.014). Interestingly, prevalence of overweight/obesity was lower among carriers of at least three minor alleles of the two polymorphisms than among patients with fewer than three minor alleles (54.5% vs. 79.1%; OR = 0.288; P = 0.007). Subjects with at least three minor alleles also had higher HDL-cholesterol levels (P = 0.018). In another case-control study, we evaluated if rs1746661 and rs3480 polymorphisms in the FNDC5 gene were associated with T2DM or related features. Genotype, allele and haplotype frequencies of both polymorphisms were similar between case and control subjects. Nevertheless, women with T2DM carrying the rs3480G allele showed increased HbA1c levels compared with A/A carriers. The rs1746661T allele was associated with increased systolic blood pressure, total cholesterol and LDL-cholesterol and decreased HDL-cholesterol in women with T2DM. These associations were not observed in men. There is increasing evidence that UCP2 also plays a role in regulating apoptosis in pancreatic beta-cells; however, if this role is proapoptotic or anti-apoptotic still needs to be better defined. Recently, a study from our group showed increased Ucp2 expression in pancreas from a rat brain-death (BD) model, possibly due to BDassociated increased inflammation and oxidative stress. Therefore, one aim of the present study was to evaluate UCP2 expression in pancreas from human BD donors. Also, an experimental study was conducted in INS-1E cells (lineage of murine betacells) to analyze the role of Ucp2 knockdown in beta-cell apoptosis submitted to inflammation. In agreement with our previous results in rats, UCP2 expression was increased in pancreas from BD donors compared to controls (1.73 ± 0.93 vs. 0.75 ± 0.66 fold change; P< 0,05). Ucp2 knockdown was able to reduce by 30% cytokine-induced apoptosis and nitric-oxide production in INS-1E cells. Our data suggest that this protection was associated to the intrinsic apoptotic pathway. In conclusion, our results indicate that polymorphisms in UCP2 and UCP3 genes are associated to obesity in different populations. The G allele of -3826A/G (UCP1) polymorphism and Arg allele of Trp64Arg (ADRB3) polymorphism seem to interact in the modulation of overweight/obesity and HDL cholesterol levels in T2DM subjects. Moreover, the G allele of the rs3480 (FNDC5) polymorphism is associated to higher HbA1c levels, while the T allele of the rs1746661 polymorphism seems to be associated with higher systolic blood pressure and dyslipidemia in women with T2DM. Lastly, our experimental data suggest that UCP2 has an apoptotic effect in beta-cells exposed to pro-inflammatory conditions through regulation of the intrinsic apoptosis pathway.