Зміни експресії генів FTO та IRX3 у підлітків чоловіків із ожирінням та надмірною вагою, які проходять інтенсивне втручання у спосіб життя, та роль генотипу FTO у цій взаємодії

Саїд Доаей

1 Дослідницький центр охорони здоров'я та навколишнього середовища, Університет медичних наук Гуйлана, Рашт, Іран

2 Центр дослідження раку, Університет медичних наук Шахіда Бехешті, Тегеран, Іран

Насер Калантарі

3 Кафедра громадського харчування, Школа харчування та харчових наук, Університет медичних наук Шахіда Бехешті, Тегеран, Іран

Пантея Ізаді

4 Кафедра медичної генетики Медичної школи Тегеранського університету медичних наук, Тегеран, Іран

Туїр Салонурмі

5 Кафедра внутрішньої медицини, Університетська лікарня Оулу та Університет Оулу, Оулу, Фінляндія

Аліреза Мосаві Джаррахі

6 Факультет медичної школи Університету медичних наук Шахіда Бехешті, Тегеран, Іран

Шахрам Рафіейфар

7 Департамент сприяння здоров’ю та освіти, Міністерство охорони здоров’я, Тегеран, Іран

Гасем Азізі Табеш

8 Кафедра медичної генетики, Медична школа, Університет медичних наук Шахіда Бехешті, Тегеран, Іран

Газале Рахімзаде

9 Інститут досліджень та інновацій інтелектуальних систем (IISRI), Університет Дікін, Гелонг Варн Пондс, Австралія

Мар’ям Голамалізаде

10 Студентський дослідницький комітет, Центр дослідження раку, Університет медичних наук Шахіда Бехешті, Тегеран, Іран

Марк О. Гударзі

11 Відділ ендокринології, діабету та метаболізму, Медичний факультет, Медичний центр Седарс-Сінай, Лос-Анджелес, Каліфорнія, США

Пов’язані дані

Дані отримані з дослідження взаємодії генетики, способу життя та антропометрії або дослідження IGLA. З огляду на обмежену географічну область та ідентифікаційну інформацію набору даних, дані не можуть бути загальнодоступними. Комітет з питань етики Національного науково-дослідного інституту харчування та харчових технологій, Тегеран, Іран, спеціально наклав ці обмеження. Дані можна отримати в Національному науково-дослідному інституті харчування та харчових технологій, Тегеран, зв’язавшись з [email protected]

Анотація

Передумови

Втручання у спосіб життя може мати критичний вплив на зв'язок між генетикою та ожирінням. Це дослідження мало на меті дослідити зміни експресії генів FTO та IRX3 у підлітків чоловіків із ожирінням та надмірною вагою, які проходять втручання у спосіб життя, та роль генотипу FTO у цій взаємодії.

Методи

Це дослідження було польовим випробуванням 62 підлітків із середніх шкіл для хлопчиків у Тегерані, Іран. Дві школи були випадковим чином розподілені як інтервенційні (n = 30) та контрольні (n = 32) школи. SNP rs9930506 у FTO генотипували на вихідному рівні та рівні експресії FTO та IRX3 в мононуклеарних клітинах периферичної крові (PBMC). Антропометричні вимірювання оцінювали на початковому рівні та після 18 тижнів інтенсивного втручання у спосіб життя.

Результати

Наші результати показали, що експресія IRX3 у групі втручання значно регулюється в порівнянні з базовим рівнем (P = 0,007) та порівняно з контрольною групою (P = 0,011). Група втручання має суттєво регульовані транскрипти IRX3 лише при ризику rs9930506 носії алелів групи втручання порівняно з носіями алелів ризику контрольної групи (Р = 0,017). Більше того, наші дані показали, що експресія FTO регулюється вгору у носіїв генотипу АА і знижує у носіїв генотипу AG/GG (P = 0,017).

Висновок

Модифікація способу життя може впливати на ожиріння через зміни рівня експресії генів FTO та IRX3. Однак генотип FTO відіграє певну роль у ступені впливу впливу способу життя на експресію генів. Подальші дослідження мають вирішальне значення для кращого розуміння взаємодії між способом життя, генетикою та антропометричними вимірами.

Реєстрація випробувань Цей документ повідомляє про всебічне втручання (Дослідження взаємодій генетики, способу життя та антропометрії або дослідження IGLA), яке ретроспективно зареєстровано в Іранському реєстрі клінічних випробувань як IRCT2016020925699N2. Дата реєстрації: 24 квітня 2016 р. (Https://www.irct.ir/searchresult.php?id=25699&number=2)

Електронний додатковий матеріал

Інтернет-версія цієї статті (10.1186/s12967-019-1921-4) містить додаткові матеріали, доступні для авторизованих користувачів.

Передумови

Ожиріння у молодих людей різко зросло за останні роки [1]. Поширеність ожиріння серед молодих людей у країнах, що розвиваються, коливається від 2,3 до 12%, а показники надмірної ваги сягають 28,8% [2]. Люди, що страждають ожирінням, мають більший ризик багатьох хронічних захворювань, таких як діабет, серцево-судинні захворювання, рак, психологічний стан та смертність [3]. Отже, необхідні практичні комплексні заходи для пом’якшення ожиріння у молодих людей.

Ожиріння - це багатофакторний розлад, спричинений як генетичними факторами, так і факторами навколишнього середовища [4, 5]. Недавні дослідження показали, що ожиріння успадковується на 25–40% [5]. Багато генетичних локусів асоціюються з ожирінням, і локус FTO має найбільший ефект [6]. Повідомляється, що генотип FTO мав сильний зв'язок з масою тіла та складом тіла [6]. Ці результати залишались значними після коригування споживання калорій та фізичної активності. Здається, вплив генотипу FTO на антропометричні показники не залежить від споживання калорій та витрат енергії (BMC). Однак точний механізм цих змін ще не визначений, але пропонується, щоб FTO здійснював свої ефекти, змінюючи рівень експресії гена homeobox 3, пов'язаного з ірокезами (IRX3). IRX3 є членом сімейства генів гомеобокса ірокезів і відіграє важливу роль на ранніх етапах нервового розвитку. Повідомляється, що рівень експресії цього гена в гіпоталамусі пов'язаний із споживанням калорій та складом тіла [7].

З іншого боку, фактори зовнішнього середовища, включаючи дієтичне харчування та фізичну активність, відіграють вирішальну роль у визначенні маси тіла та індексу маси тіла (ІМТ) [4]. Недавні дослідження показують, що зміни способу життя можуть змінити величину ефекту генетичної схильності до ожиріння [7]. Наприклад, надмірне харчування та фізична бездіяльність збільшують ожиріння в останні десятиліття за допомогою різних механізмів, наприклад підвищити рівень експресії гена FTO [8]. Також дієтичні зміни можуть впливати на мікробіом і, отже, змінювати метилювання господаря, що є важливим при ожирінні, спричиненому дієтою [8]. Більше того, люди з алелем ризику в FTO можуть бути більш вразливими до ожиріння, пов'язаного з дієтою [9]. Тому нам потрібно визначити оптимальні втручання, які можуть зменшити поширеність ожиріння за допомогою прямих (за рахунок зменшення споживання та збільшення витрат калорій) та непрямих (завдяки взаємодії з генами, пов’язаними з ожирінням). Це дослідження мало на меті дослідити зміни експресії генів FTO та IRX3 у підлітків чоловіків із ожирінням та надмірною вагою, які проходять інтенсивне втручання у спосіб життя, та вплив генотипу FTO на ці зміни.

Методи

Контекст дослідження та набір предметів

Кількісна ПЛР в режимі реального часу

Генотипування

Набір для вилучення ДНК, виготовлений GeneAll, використовувався для вилучення та очищення зразків ДНК. Для кількісної оцінки концентрації ДНК використовували пристрій NanoDrop (Thermo Scientific, Wilmington, DE, США). Оптичну щільність (OD) зразків вимірювали при довжині хвилі 260–280 нм. Якість вилученої ДНК перевіряли за допомогою електрофорезу в агарозному гелі. Коротше кажучи, геномну ДНК ампліфікували за допомогою ПЛР, використовуючи Taq DNA Pol 2X Master Mix Red (Cat. No. A180301; Ampliqon, Данія). Продукти ПЛР секвенували GeneAll. SNP rs9930506 у FTO генотипували у всіх суб’єктів, а якість та середню довжину бібліотеки послідовностей для кожного зразка оцінювали за допомогою програмного забезпечення Chromas (версія 2.33, https://www.Technelysium.com.au/chromas.html).

Втручання

Групі втручання було призначено 18-тижневу комплексну модифікацію способу життя. На цьому рівні для кожного учасника було впроваджено персоналізовану дієту та втручання у фізичну активність. Крім того, батькам було проведено навчальний сеанс щодо здорового харчування та створення сприятливого середовища вдома для здорового харчування та фізичної активності для хлопчиків-підлітків. Метод правильного вживання дієти був проінструктований батьками та учнями через очне навчання, а потім буклети та телефонні дзвінки. Була прийнята персоналізована дієта для управління вагою для кожного учасника. Безкоштовні корисні закуски також пропонували в шкільні дні дослідники. Крім того, було проведено інтервальне тренування високої інтенсивності для поліпшення фізичної активності в школах. За цим методом студенти брали участь у вправах високої інтенсивності мінімум 30 хв 3 дні на тиждень. Більше того, було проведено три навчальні сесії, присвячені здоровому способу життя. Суб'єктам контролю було дозволено продовжувати звичну щоденну діяльність та дієту. Деталі втручання були опубліковані в іншому місці [10].

Оцінка інших змінних

Звичайні дієтичні споживання учасників досліджували перевіреним напівкількісним FFQ із 168 пунктів. FFQ складався зі 168 продуктів харчування зі стандартними розмірами порцій, які зазвичай споживають іранці. Були проаналізовані добові споживання груп продуктів та калорій для кожної людини. Міжнародна анкета з фізичної активності (IPAQ) була використана для вимірювання фізичної активності учасників за допомогою очного опитування. Усі результати IPAQ були виражені та проаналізовані як метаболічні еквіваленти на хвилину (MET-хвилини на тиждень).

Статистичний аналіз

Усі значення подаються як середнє значення ± S.E.M. Для виявлення генів, рівень експресії яких суттєво змінився в кожній групі, було проведено парний аналіз t-тесту. Незалежний t-тест використовували для порівняння середнього значення споживання калорій та витрати калорій між двома групами.

ІМТ-асоційований SNP асоціюється з експресією FTO, але не IRX3, у PBMC. Сірий колір використовується для графіків суб'єктів з генотипом AG/GG rs9930506, а чорний - для графіків суб'єктів з генотипом AA. Алель rs9930506, пов'язаний із збільшенням ІМТ (алель ризику), корелює зі зниженням експресії FTO, а не з експресією IRX3

Ми також оцінили роль генотипу FTO у зміні експресії IRX3 та FTO для групи втручання та контролю окремо. Частота генотипів AA, AG та GG у групі втручання становила 32%, 38%, 30% та у контрольній групі відповідно 23%, 42%, 35%. 63 відсотки суб'єктів втручання (n = 19) та 78 відсотків контрольних суб'єктів (n = 25) мали принаймні один алель ризику (AG 42% та GG 35%). Істотних відмінностей між двома групами не виявлено. Експресія FTO суттєво регулювалася у носіїв алелів G у групі втручання (P = 0,017). Цікаво, що експресія FTO регулювалася вгору у носіїв генотипу АА, а внизу - у носіїв генотипу AG/GG у контрольній групі. Не було знайдено значущої асоціації ні між генотипом FTO, ні експресією IRX3, ні в експресії FTO контрольної групи (рис. 3 a, a, b). б). Взяті разом, наші дані показали, що ефект втручання на FTO, але не IRX3, виражає залежність від генотипу FTO.

Роль генотипу FTO у експресії IRX3 та FTO. Сірий колір використовується для графіків суб'єктів з генотипом AG/GG rs9930506, а чорний - для графіків суб'єктів з генотипом AA. Експресія FTO регулювалася вгору у носіїв АА, а внизу - у носіїв алелів G у групі втручання

Далі ми проаналізували ефект втручання окремо у носіїв AA та AG/GG. Група втручання мала суттєво регульовані транскрипти гена IRX3 у PBMC (P = 0,017) лише у носіїв алелів ризику втручаної групи порівняно з носіями алелів ризику контрольної групи (рис. 4, а, б).

Ефект інтервенційних категорій генотипу. Сірий колір використовується для графіків групи втручання, а чорний - для графіків контрольної групи. У носіїв алелів ризику експресія IRX3 була незмінною у контрольній групі та регулювалася вгору в групі втручання (P = 0,017)

Обговорення

Наскільки нам відомо, даний звіт про дослідження вперше характеризує зміни в експресії генів FTO та IRX3 у PBMC після інтенсивного втручання у спосіб життя. Ми спостерігали, що експресія IRX3 у групі втручання значно регулюється в порівнянні з базовою лінією та порівняно з контрольною групою. Група втручання мала суттєво регульовані транскрипти гена IRX3 у PBMC лише у носіїв алелів ризику rs9930506 групи втручання порівняно з носіями алелів ризику контрольної групи. Більше того, наші дані показали, що ефект втручання на FTO, але не на експресію IRX3, залежить від генотипу FTO.

У кількох попередніх звітах не вдалося продемонструвати зв'язок поліморфізму FTO з рівнем експресії гена FTO [11–13]. Наприклад, Barton et al. досліджував зв'язок варіантів гена FTO з експресією FTO і повідомляв, що генотип FTO не асоціюється з експресією FTO плаценти. Однак Вільялобос-Компаран та співавт. [14] дослідив різницю у відносних рівнях експресії генів FTO у біопсіях підшкірної жирової тканини людини згідно генотипів FTO rs9939609 за домінантною моделлю та виявив, що експресія генів FTO була вищою для генотипів ризику "TA/AA", ніж у тих, що мають дикі "TT" генотип у осіб із дуже ожирінням (ІМТ ≥ 40 кг/м 2). Можна підняти гіпотезу про те, що потенційний вплив генотипу на рівні експресії гена FTO тканини може бути розкритим при ожирінні.

Недавні дослідження, що вивчали зв'язок між генотипом FTO та експресією гена IRX3, показали різні результати. Наприклад, Ragvin et al. [21] показали, що некодуючі ділянки гена FTO впливають на ожиріння через вплив на фактори транскрипції гена IRX3 у підшлунковій залозі. Більше того, Smemo et al. [11] виявив, що асоційовані з ожирінням однонуклеотидні поліморфізми пов'язані з експресією IRX3, але не FTO, в мозку людини. Однак це дослідження проводилось на PBMC, а не на жировій тканині чи мозку. З огляду на всюдисущу експресію FTO, роль FTO у кожній тканині може відрізнятися від інших тканин. Таким чином, очікується, що на експресію гена FTO в різних тканинах можуть впливати різні фактори та різна метаболічна та секреторна активність цих тканин.

Ми не спостерігали впливу змін способу життя на експресію гена FTO у PBMC. Однак, розглянувши генотип FTO, експресія FTO регулювалася вгору у носіїв генотипу AA та знижувалась у носіїв генотипу AG/GG лише в групі втручання. Більше того, Landgraf та ін. [15] повідомив, що зв'язок між варіантами ризику FTO та експресією IRX3 обмежений лише для худих дітей, а на експресію гена IRX3 не впливають варіанти ризику FTO у дітей із ожирінням. У нашому дослідженні підлітків із надмірною вагою та ожирінням ми спостерігали, що на експресію гена IRX3 варіанти ризику FTO впливали лише в групі втручання. Не дивно, що в контрольній групі не було виявлено жодної асоціації SNP, оскільки експресія генів не зазнала значних змін у контрольній групі.

Ми припускаємо, що рівні експресії генів FTO та IRX3 залежать від різних факторів і можуть зазнавати змін протягом коротких періодів часу. Гулаті та ін. [22] повідомляв, що FTO діє як клітинний датчик для деяких поживних речовин і відіграє роль у зв'язуванні рівнів амінокислот із ціллю ссавців сигналізації комплексу 1 рапаміцину. Таким чином, не виключено, що рівень вираженості FTO може змінюватися кілька разів навіть протягом одного дня. Якщо ця гіпотеза правильна, майбутні зусилля повинні визначити всі гени та сигнальні шляхи, на які впливає FTO, а також дієтичні фактори, що впливають на експресію гена FTO. Ці результати наголошують на важливості модифікації способу життя у носіїв алелей ризику FTO. Це дослідження мало деякі обмеження. Широку специфічну для тканин модель експресії неповнолітніх генів FTO та IRX3 неможливо вивчити у людини, але цілком вірогідно, що модифікація способу життя впливає на експресію генів FTO та IRX3 у мозку та адипоцитах. Цілком ймовірно, що вплив модифікації способу життя на експресію цих генів може бути різним у різних тканинах. Наша вибірка обмежувалась хлопчиками-підлітками, що ускладнює узагальнення результатів для інших вікових та статевих груп.

Висновок

Вважається, що гени FTO та IRX3 відіграють вирішальну роль у визначенні ваги та ІМТ у хлопчиків-підлітків. Модифікація способу життя може впливати на ожиріння через зміни рівня експресії генів FTO та IRX3. Однак генотип FTO відіграє певну роль у ступені впливу впливу способу життя на експресію генів. Різні алелі гена FTO впливають на експресію генів, що може призвести до різного результату модифікації способу життя. Потрібні подальші дослідження, щоб глибше зрозуміти взаємодію між способом життя, генетикою, масою тіла та складом тіла.