TRANSCRIPTIONAL CHARACTERIZATION OF OBESITY AND TYPE 2 DIABETES: A FOCUS ON NON-CODING RNAS

Obesity is defined by the World Health Organization as a condition of abnormal or excessive accumulation of body fat that presents a risk to health. This disease can lead to an increase in associated morbidities for many chronic diseases such as type 2 diabetes, hypertension, coronary artery disease, dyslipidemia, stroke, osteoarthritis, and even certain forms of cancer, with a subsequent increase in mortality rate. The relative contribution of either genetic or the environment in obesity onset and co-morbidities development is not yet completely defined, and RNA biology might play a central role in elucidating new targetable pathways. The aim of this research was the characterization of the transcriptional differences present in the sottocutaneous adipose tissue of obese and obese with type 2 diabetes subjects. Moreover, the work focused on the role of the non-coding part of the genome in disease development, as these molecules are becoming more and more relevant for their function in physiological processes and disease mechanisms. To this aim, RNA-sequencing was performed on sottocutaneous adipose tissue obtained from 5 healthy normal weight females, 5 obese females, and 5 obese females with type 2 diabetes. Three experimental conditions were subsequently analyzed: the differences occurring between obese and healthy subjects, the differences occurring between obese with type 2 diabetes and healthy subjects, and moreover the differences occurring between obese with type 2 diabetes and obese subjects. For each condition, a global bioinformatics characterization of the differentially expressed RNAs and the pathways in which they are involved was performed. These analyses extensively characterized the differentially expressed RNAs, highlighting their localization, interaction, and transcriptional regulation. Gene ontology analysis highlighted the gene-specific molecular functions and biological processes involved, and the most significant pathways in which the differentially expressed RNAs are involved were identified. Moreover, disease-related databases were interrogated and a screening of the gene relations with immunological, oncogenic and metabolic diseases were characterized. Moreover, a special attention was given to non-coding RNAs, whose prevalence increases when switching from a “pure” obesogenic condition to a comorbidity with diabetes. Specifically, whilst non-coding genes are 6.43% of the differentially expressed RNAs in obese subjects, this percentage increases to up to 32.43% in diabetic subjects, and when considering the molecular underlining responsible for the additional diabetic phenotype (diabetic vs. obese), more than 50% of the differentially expressed RNAs are non-coding RNAs. This highlights how the non-coding epigenome could be of crucial relevance in the development of specific comorbidities, highlighting the possibility of new markers and targets for future therapeutic intervention and prevention. Lastly, functional experiments were performed on long-non coding RNAs deregulated in sottocutaneous adipose tissue from obese subjects, and results highlight how these are highly expressed in differentiated adipocytes, and predominantly regulated by adipogenesis transcription factors such as PPARy, C/EBPa, C/EBPb and C/EBPd. The results clearly highlight the role of the non-coding component in the development of the diabetic co-morbidity, and the investigation of this molecules could be of crucial relevance in understanding a new disease-mechanism never before analyzed, and even highlight why certain patients present a higher risk for diabetes development, paving the way for early intervention and precision medicine strategies.

L’obesità è definita dall’Organizzazione Mondiale della Sanità come una condizione di accumulo di grasso corporeo anormale o eccessivo che può presentare un rischio per la salute. Questa malattia può portare all’insorgenza di comorbidità associate quali il diabete di tipo 2, l’ipertensione, malattie cardiovascolari, dislipidemia, infarto, artrite e anche alcuni tipi di cancro, con un conseguente aumento della mortalità. Il contributo relativo di fattori genetici o dell’ambiente nell’insorgenza dell’obesità non è ancora chiaramente definito, e gli RNA regolatori potrebbero avere una funzione fondamentale nell’identificazione di nuovi meccanismi di malattia. Lo scopo di questo lavoro è la caratterizzazione delle differenze trascrizionali presenti nel tessuto adiposo sottocutaneo di pazienti obesi e obesi con diabete di tipo 2. Il lavoro si è inoltre focalizzato sull’analisi del ruolo del genoma non codificante nello sviluppo della malattia, per la loro rilevanza in numerosi processi fisiologici e patologici. A questo scopo è stato effettuato il sequenziamento dell’RNA presente nel tessuto adiposo sottocutaneo di 5 donne normopeso, 5 donne obese e 5 donne obese con diabete di tipo 2. Tre condizioni sperimentali sono state analizzate: le differenze presenti tra le donne obese e le normopeso, quelle tra le donne obese con il diabete di tipo 2 e le normopeso e quelle tra le donne obese con diabete di tipo 2 e le donne obese senza questa comorbidità. Per ogni condizione è stata effettuata un’analisi bioinformatica globale. Questa analisi ha previsto una caratterizzazione estensiva dei trascritti differenzialmente espressi, indicandone la loro localizzazione, interazione e regolazione trascrizionale. L’analisi di ontologia genica ha permesso di identificare le funzioni molecolari specifiche e i processi biologici in cui essi sono coinvolti, insieme ai loro processi di appartenenza. Sono stati consultati inoltre specifici database contenenti informazioni su numerose malattie, in modo da identificare l’implicazione dei trascritti in malattie immunologiche, oncologiche e metaboliche. Un’attenzione particolare è stata posta sul ruolo degli RNA non codificanti, la cui presenza aumenta significativamente passando da una condizione di obesità “pura” a quella di un’obesità associata alla compresenza di diabete di tipo 2. I trascritti differenzialmente espressi non codificanti sono il 6,43% dei deregolati nella condizione di obesità versus normopeso, il 32,43% nei soggetti diabetici versus normopeso e addirittura più del 50% nell’analisi di soggetti obesi diabetici versus obesi. Questo dimostra come il genoma non codificante potrebbe essere di importanza fondamentale nell’insorgenza di specifiche comorbidità e potrebbe rappresentare un bersaglio per futuri interventi terapeutici e di prevenzione. In questo lavoro sono stati svolti esperimenti funzionali in modo da caratterizzare il ruolo di alcuni RNA non codificanti “a catena lunga” (long non-coding RNAs) nell’obesità, e i risultati hanno dimostrato come questi sono espressi negli adipociti e strettamente regolati da fattori trascrizionali implicati nell’adipogenesi quali PPARy, C/EBPa, C/EBPb e C/EBPd. I risultati dimostrano chiaramente il ruolo della componente non codificante del genoma nello sviluppo della comorbidità diabetica e un’analisi futura di queste molecole potrebbe essere di cruciale rilevanza nella comprensione di nuovi meccanismi di malattia mai prima caratterizzati. I risultati potrebbero inoltre spiegare perché alcune classi di pazienti obesi hanno un rischio maggiore di sviluppo di comorbidità specifiche, aprendo le porte a possibili strategie terapeutiche preventive e di medicina di precisione.