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Genome wide expression analysis and metabolic mechanisms predicting body weight maintenance

Genomweite Expressions-Analyse und metabolische Mechanismen bestimmen den Körpergewichtserhalt

  • Obesity is a major health problem for many developing and industrial countries. Increasing rates reach almost 50 % of the population in some countries and related metabolic diseases including cardiovascular events and T2DM are challenging the health systems. Adiposity, an increase in body fat mass, is a major hallmark of obesity. Adipose tissue is long known not only to store lipids but also to influence whole-body metabolism including food intake, energy expenditure and insulin sensitivity. Adipocytes can store lipids and thereby protect other tissue from lipotoxic damage. However, if the energy intake is higher than the energy expenditure over a sustained time period, adipose tissue will expand. This can lead to an impaired adipose tissue function resulting in higher levels of plasma lipids, which can affect other tissue like skeletal muscle, finally leading to metabolic complications. Several studies showed beneficial metabolic effects of weight reduction in obese subjects immediately after weight loss. However, weight regain isObesity is a major health problem for many developing and industrial countries. Increasing rates reach almost 50 % of the population in some countries and related metabolic diseases including cardiovascular events and T2DM are challenging the health systems. Adiposity, an increase in body fat mass, is a major hallmark of obesity. Adipose tissue is long known not only to store lipids but also to influence whole-body metabolism including food intake, energy expenditure and insulin sensitivity. Adipocytes can store lipids and thereby protect other tissue from lipotoxic damage. However, if the energy intake is higher than the energy expenditure over a sustained time period, adipose tissue will expand. This can lead to an impaired adipose tissue function resulting in higher levels of plasma lipids, which can affect other tissue like skeletal muscle, finally leading to metabolic complications. Several studies showed beneficial metabolic effects of weight reduction in obese subjects immediately after weight loss. However, weight regain is frequently observed along with potential negative effects on cardiovascular risk factors and a high intra-individual response. We performed a body weight maintenance study investigating the mechanisms of weight maintenance after intended WR. Therefore we used a low caloric diet followed by a 12-month life-style intervention. Comprehensive phenotyping including fat and muscle biopsies was conducted to investigate hormonal as well as metabolic influences on body weight regulation. In this study, we showed that weight reduction has numerous potentially beneficial effects on metabolic parameters. After 3-month WR subjects showed significant weight and fat mass reduction, lower TG levels as well as higher insulin sensitivity. Using RNA-Seq to analyse whole fat and muscle transcriptome a strong impact of weight reduction on adipose tissue gene expression was observed. Gene expression alterations over weight reduction included several cellular metabolic genes involved in lipid and glucose metabolism as well as insulin signalling and regulatory pathways. These changes were also associated with anthropometric parameters assigning body composition. Our data indicated that weight reduction leads to a decreased expression of several lipid catabolic as well as anabolic genes. Long-term body weight maintenance might be influenced by several parameters including hormones, metabolic intermediates as well as the transcriptional landscape of metabolic active tissues. Our data showed that genes involved in biosynthesis of unsaturated fatty acids might influence the BMI 18-month after a weight reduction phase. This was further supported by analysing metabolic parameters including RQ and FFA levels. We could show that subjects maintaining their lost body weight had a higher RQ and lower FFA levels, indicating increased metabolic flexibility in subjects. Using this transcriptomic approach we hypothesize that low expression levels of lipid synthetic genes in adipose tissue together with a higher mitochondrial activity in skeletal muscle tissue might be beneficial in terms of body weight maintenance.show moreshow less
  • Die Adipositas hat sich in den letzten Jahren zu einem deutlichen Gesundheitsproblem in Industrie- und Entwicklungsländern entwickelt. So sind in einigen Länder bis zu 50 % der Bevölkerung übergewichtig und Begleiterkrankungen wie Herzkreislauferkrankungen und Typ 2 Diabetes belasten das Gesundheitssystem. Ein Anstieg der Körperfettmasse spielt bei der Adipositas eine große Rolle. Mittlerweile ist bekannt, dass Fettgewebe nicht nur Lipide speichert, sondern auch den Gesamtmetabolismus wie Nahrungsaufnahme, Energieumsatz und Insulinsensitivität beeinflusst. Lipide werden in Adipozyten gespeichert und verhindern so eine vermehrte Fetteinlagerung in andere Gewebe. Somit stellt das Fettgewebe ein wichtiges Organ dar, das andere periphere Gewebe vor dem toxischen Effekt erhöhter Lipidspiegel schütz. Ist über einen längeren Zeitraum die Energiezufuhr höher als der Energieverbrauch, kommt es zu einer Expansion des Fettgewebes. Dies kann im weiteren Verlauf zu einer Dysfunktion der Adipozyten und des Fettgewebes führen. Erhöhte LipidspiegelDie Adipositas hat sich in den letzten Jahren zu einem deutlichen Gesundheitsproblem in Industrie- und Entwicklungsländern entwickelt. So sind in einigen Länder bis zu 50 % der Bevölkerung übergewichtig und Begleiterkrankungen wie Herzkreislauferkrankungen und Typ 2 Diabetes belasten das Gesundheitssystem. Ein Anstieg der Körperfettmasse spielt bei der Adipositas eine große Rolle. Mittlerweile ist bekannt, dass Fettgewebe nicht nur Lipide speichert, sondern auch den Gesamtmetabolismus wie Nahrungsaufnahme, Energieumsatz und Insulinsensitivität beeinflusst. Lipide werden in Adipozyten gespeichert und verhindern so eine vermehrte Fetteinlagerung in andere Gewebe. Somit stellt das Fettgewebe ein wichtiges Organ dar, das andere periphere Gewebe vor dem toxischen Effekt erhöhter Lipidspiegel schütz. Ist über einen längeren Zeitraum die Energiezufuhr höher als der Energieverbrauch, kommt es zu einer Expansion des Fettgewebes. Dies kann im weiteren Verlauf zu einer Dysfunktion der Adipozyten und des Fettgewebes führen. Erhöhte Lipidspiegel können dann nicht mehr im Fettgewebe gespeichert werden und es kommt zu einer Anreicherung in der Peripherie. Vor allem das Muskelgewebe und die Leber sind hiervon betroffen, was zu weiteren metabolischen Komplikationen führt. Eine Gewichtsreduktion führt in adipösen Personen zu einer Verbesserung zahlreicher metabolischer Parameter. Diverse Studien zeigten jedoch, dass nur ein geringer Anteil dieser Personen in der Lage waren, das reduzierte Körpergewicht zu erhalten. Diese Wiederzunahme des Körpergewichts führt unter anderem zu einer Erhöhung des kardiovaskulären Risikos. Im Allgemeinen ist eine hohe Variabilität bei der Gewichtsreduktion und der Wiederzunahme zu beobachten. Diese Arbeit basiert auf Daten einer Studie, die Effekte einer Gewichtsreduktion auf den Gewichtserhalt untersucht. Nach einer 3-monatigen Gewichtsreduktion mittels einer niederkalorischen Diät wurden die Probanden in Kontroll- und Interventionsgruppe eingeteilt. Anthropometrische sowie metabolische Parameter inklusive Muskel- und Fettgewebsbiopsien wurden erfasst. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass eine Gewichtsreduktion verschiedenste positive Auswirkungen auf den Metabolismus der Teilnehmer hat. Die Probanden zeigten nach 3-monatiger Gewichtsreduktion eine signifikante Reduktion des Körpergewichts und der Fettmasse, erniedrigte Triglyzerid Spiegel und eine verbesserte Insulinsensitivität. Mittels RNA-Seq konnten wir zusätzlich zeigen, dass eine Gewichtsreduktion deutliche Auswirkungen auf das Transkriptom des Fettgewebes besitzt. Unter anderem wurden Genexpressionsveränderungen im Bereich zell-metabolischer Gene wie Lipid- und Glukosestoffwechsel als auch im Bereich des Insulinsignalweges und regulatorischer Gene ermittelt. Diese Expressionsveränderungen zeigten auch einen Zusammenhang mit dem BMI. Unsere Daten weisen darauf hin, dass eine Gewichtsreduktion zu einer Erniedrigung der Expression von Genen im Fettstoffwechsel führt. Ein langfristiger Gewichtserhalt wird durch zahlreiche Parameter wie Hormone, Stoffwechselintermediate und vermutlich auch den transkriptionellen Zustand im metabolisch aktiven Gewebe beeinflusst. Die hier gezeigten Daten deuten darauf hin, dass Gene beteiligt in der Biosynthese von ungesättigten Fettsäuren den BMI 18 Monate nach einer Gewichtsreduktion beeinflussen. Weitere Analysen in Bezug auf den RQ und die FFA Spiegel bestätigen diese Daten. Wir konnten zeigen, dass der Gewichtserhalt mit einem erhöhten RQ und niedrigen FFA Spiegel korrelierten. Dies könnte auf eine erhöhte metabolische Flexibilität in Personen mit Gewichtserhalt hinweisen. Aufgrund dieser Daten spekulieren wir, dass eine niedrige Expression von Lipidsynthese-Genen im Fettgewebe zusammen mit einer erhöhten mitochondrialen Aktivität im Skeletmuskel einen positiven Einfluss auf einen langfristigen Gewichtserhalt besitzt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Maria BrachsGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-100767
Advisor:Joachim Spranger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2015
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/10/14
Release Date:2017/01/12
Tag:Adipositas; Körpergewichsterhalt; Körpergewichtsverlust; RNA Sequenzierung
RNA Sequencing; body weight loss; body weight maintenance; obesity
Pagenumber:106
RVK - Regensburg Classification:ZE 46500, YC 8104
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Ernährungswissenschaft
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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