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Effect of Cpt1a deletion in the mediobasal hypothalamus in response to physical activity and aging

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Universitat de Barcelona. Facultat de Farmàcia i Ciències de l'Alimentació

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[eng] Food intake and energy homeostasis are tightly regulated by the brain through a complex neuronal network located in the hypothalamus. Within this region, the mediobasal hypothalamus (MBH) acts as an interface between metabolic signals and neuroendocrine pathways governing energy balance in the central nervous system. The MBH includes two hypothalamic nuclei involved in energy balance: the ventromedial nucleus (VMN) and the arcuate nucleus (ARC). In the VMN, steroidogenic factor 1 (SF1) neurons play a critical role in the feeding and energy control. In addition, agouti-related protein (AgRP) neurons in the ARC participate in the regulation of food intake and energy expenditure.
Lipid metabolism in the MBH can modulate the whole-body energy balance. However, how changes in this pathway influence specific neuronal activity remains unclear. Carnitine palmitoyltransferase 1a (Cpt1a), which regulates the rate-limiting step in the mitochondrial fatty acid oxidation, is one of key enzymes involved in this regulation. In this work, we have analysed (1) the metabolic phenotype of mice lacking specifically Cpt1a in SF1 neurons (SF1 Cpt1a KO), and (2) the effect of Cpt1a in AgRP neurons on exercise and cognition using a mutant mouse model lacking Cpt1a in AgRP neurons (AgRP Cpt1a KO) in adult and aged mice.
Our results demonstrate that both male and female SF1 Cpt1a KO mice show a mild reduction in food intake without affecting body weight. Moreover, only female SF1 Cpt1a KO mice exhibit enhanced brown adipose tissue (BAT) activity, while this is not observed in SF1 Cpt1a KO male mice. Under high fat diet (HFD) conditions, male SF1 Cpt1a KO mice lost completely this moderate feeding phenotype. Because of that phenotype, we did not continue with these studies.
Exercise, the main component of energy expenditure, has a powerful action on metabolism. Specifically, in the skeletal muscle, exercise induces signalling pathways that modify the metabolism and physiological properties of muscle fibres. Regular exercise is strongly associated with increased lifespan and decreased risk of metabolic and mental disorders during aging. In the present study, we have evaluated the physical and cognitive abilities of AgRP Cpt1a KO mice. Adult AgRP Cpt1a KO mice exhibit an improvement in endurance, motor coordination, locomotion, and exploration, without changes in anxiety-related behaviour, cognition, and strength. AgRP Cpt1a KO mice also show a reduction in muscle mass related to a smaller cross-sectional area (CSA) and myofibre transition from glycolytic to oxidative fibres in the gastrocnemius (GAS) and tibialis anterior (TA) muscles compared to the control group. This improvement in physical performance and muscle fibres remodelling are maintained in aged AgRP Cpt1a KO mice, minimising the loss of physical capacity during aging. In addition, aged AgRP Cpt1a KO mice displayed better cognition skills and a reduction of inflammation and oxidative stress in the hypothalamus and the hippocampus. At a central level, the deletion of Cpt1a in AgRP neurons from adult ZsGreen mice alters mitochondrial motility.
 
At a cellular level, the molecular effect produced by the silencing of Cpt1a were tested by two different non-coding RNAs in two AgRP hypothalamic cell lines (mHypoE-41 and E-46). Our results revealed that miRNA 6540-5p has a potential role in inhibiting Cpt1a gene expression. Future studies will allow us to understand the mechanisms implicated in this modulation in response to exercise and aging.
In conclusion, Cpt1a in AgRP neurons results essential to modulate exercise performance, myofibre remodelling and cognition. Nonetheless, future studies are needed to clarify the specific role of Cpt1a as a potential anti-aging candidate for the treatment of a wide-diversity disorders, where memory or physical activity are affected such as obesity, Parkinson’s, and Alzheimer’s diseases.

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[spa] La ingesta de alimentos y la homeostasis energética están reguladas por el cerebro a través de una red neuronal compleja ubicada en el hipotálamo. Dentro de esta región se encuentra el hipotálamo mediobasal (MBH) que actúa como una interfaz entre las señales metabólicas y las vías neuroendocrinas que rigen el equilibrio energético. El MBH incluye dos núcleos hipotalámicos involucrados en el balance energético: el núcleo ventromedial (VMN) y el núcleo arcuato (ARC). En el VMN, las neuronas del factor esteroidogénico 1 (SF1) juegan un papel fundamental en el control de la alimentación y el balance energético, al igual que las neuronas de la proteína relacionada con agutí (AgRP) del ARC.
El metabolismo lipídico del MBH es capaz de modular el equilibrio energético de todo el cuerpo. Sin embargo, aún se desconoce cómo los cambios en esta vía influyen en la actividad de estas neuronas. La enzima carnitina palmitoil-transferasa 1a (Cpt1a) regula el paso limitante en la oxidación de ácidos grasos en la mitocondria. En este trabajo, hemos analizado (1) el fenotipo metabólico de ratones que carecen específicamente de Cpt1a en neuronas SF1 (SF1 Cpt1a KO), y (2) el efecto de Cpt1a en neuronas AgRP sobre el ejercicio y la cognición usando un modelo de ratón mutante que carece de Cpt1a en las neuronas AgRP (AgRP Cpt1a KO) de ratones adultos y viejos.
Nuestros resultados han demuestrado que, tanto los ratones SF1 Cpt1a KO machos como las hembras, muestran una leve reducción en la ingesta de alimentos sin afectar el peso corporal. Además, solo los ratones hembra SF1 Cpt1a KO exhiben una mayor actividad del tejido adiposo marrón (BAT), que no se observa en los ratones macho. Bajo condiciones de dieta alta en grasa (HFD), los ratones macho SF1 Cpt1a KO pierden completamente la reducción en la ingesta. Debido a ello fenotipo, no se continuo con este estudio.
El ejercicio, principal componente del gasto energético, tiene una potente acción sobre el metabolismo. En el músculo esquelético, el ejercicio induce vías de señalización que modifican el metabolismo y las propiedades fisiológicas de las fibras musculares. El ejercicio regular está fuertemente asociado con una mayor esperanza de vida y un menor riesgo de trastornos metabólicos y mentales durante el envejecimiento. En este estudio, se han evaluado las capacidades físicas y cognitivas de los ratones AgRP Cpt1a KO. Estos ratones exhiben una mejora de la resistencia, la coordinación motora, la locomoción y la exploración, sin cambios en comportamiento, cognición y fuerza durante la etapa adulta. Los ratones AgRP Cpt1a KO también mostraron una reducción en la masa muscular que está relacionada con un área transversal más pequeña (CSA) y una transición de fibras glucolíticas a oxidativas en el músculo gastrocnemio (GAS) y tibial anterior (TA) en comparación con el grupo de control. Esta mejora en el rendimiento físico y la remodelación de las fibras musculares se mantiene en ratones envejecidos. Además, los ratones AgRP Cpt1a KO envejecidos mostraron mejores habilidades cognitivas y una reducción de la inflamación y el estrés oxidativo en el hipotálamo e hipocampo.
A nivel central, la eliminación de Cpt1a en neuronas AgRP altera la motilidad mitocondrial. A nivel celular, el efecto molecular del silenciamiento de Cpt1a fue testado con dos ARN no codificantes diferentes en dos líneas hipotalámicas (mHypoE-41 y E-46). Nuestros resultados revelaron que el miRNA 6540-5p tiene un papel potencial en la inhibición de la expresión del gen Cpt1a. Se necesitan futuros estudios para comprender los mecanismos implicados en esta modulación en respuesta al ejercicio y al envejecimiento.
En conclusión, la enzima Cpt1a en las neuronas AgRP resulta esencial para modular el rendimiento del ejercicio, la remodelación de fibras y la cognición. No obstante, se necesitan más estudios para aclarar el papel específico de Cpt1a como un posible candidato para el envejecimiento y el tratamiento de una amplia diversidad de trastornos en los que la memoria o la actividad física se vean afectados, como la obesidad, el Parkinson o el Alzheimer.

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Tesis Doctorals - Facultat - Farmàcia i Ciències de l'Alimentació

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Effect of Cpt1a deletion in the mediobasal hypothalamus in response to physical activity and aging