Perfil transcriptômico e lipidômico de tecidos adiposos subcutâneos e viscerais em 15 vertebrados

Dados científicos volume 10, número do artigo: 453 (2023) Citar este artigo

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O armazenamento de lipídios como energia no tecido adiposo (TA) foi conservado ao longo da evolução. No entanto, diferenças substanciais nas atividades fisiológicas dos ATs foram relatadas entre as espécies. Assim, estabelecer os mecanismos que moldam a divergência evolutiva nos transcriptomas das ATs poderia fornecer uma compreensão mais profunda da regulação da AT e dos seus papéis nas doenças relacionadas com a obesidade. Embora estudos anteriores tenham realizado comparações anatômicas, fisiológicas e morfológicas entre ATs em diferentes espécies, pouco se sabe atualmente nos níveis fenotípicos moleculares. Aqui, caracterizamos perfis transcricionais e lipidômicos de amostras de ATs subcutâneas e viscerais disponíveis em 15 espécies de vertebrados, abrangendo mais de 300 milhões de anos de evolução, incluindo mamíferos placentários, aves e répteis. Fornecemos descrições detalhadas dos conjuntos de dados produzidos neste estudo e relatamos a expressão gênica e os perfis lipídicos nas amostras. Nós demonstramos que esses dados são robustos e revelamos que o transcriptoma e o lipidoma AT variam maior entre as espécies do que dentro da mesma espécie. Esses conjuntos de dados podem servir como recurso para estudos futuros sobre as diferenças funcionais entre TAs em espécies de vertebrados.

O tecido adiposo (TA) é um dos órgãos mais importantes que garantem a homeostase energética e metabólica nos vertebrados1. Nos últimos anos, a AT ganhou atenção científica sustentada devido ao aumento significativo nas taxas globais de obesidade e distúrbios metabólicos nas populações humanas, em particular diabetes tipo II e doenças cardiovasculares. Estudos recentes mostraram que o TA é um órgão notavelmente complexo que desempenha papéis importantes no armazenamento de energia, na fisiopatologia e em uma variedade de processos biológicos, como controle da pressão arterial, reprodução e defesa do hospedeiro2,3. O TA está distribuído por todo o corpo4 e pode ser dividido em TA intra-abdominal visceral (VAT) – localizado ao redor do omento, intestinos, gônadas, pericárdio e áreas perirrenais, e TA subcutâneo (SAT) – localizado nas nádegas, coxas e abdômen. TAs de diferentes locais possuem propriedades distintas, incluindo diferentes funções metabólicas, papéis estruturais ou associação com doenças5,6,7,8.

Um estudo anterior sugeriu que a raiz da complexidade da AT surgiu durante o curso da evolução9 devido a diferenças nas propriedades da AT entre as espécies10, que podem ser avaliadas através da realização de comparações entre espécies. Uma comparação recente entre humanos e camundongos identificou diferentes proporções de uma subpopulação de adipócitos que regulam a termogênese entre as duas espécies, explicando parcialmente as diferenças observadas na atividade termogênica. Além disso, análises comparativas bem documentadas do transcriptoma entre filogenias podem promover a medicina translacional, identificando novos alvos terapêuticos . Por exemplo, um estudo anterior descobriu que o miR-26a, um microRNA envolvido na proliferação de cardiomiócitos, é regulado negativamente em corações de peixe-zebra feridos, mas permanece constante em camundongos12. O knockdown do miR-26a em corações de camundongos pós-natais prolongou a janela proliferativa dos cardiomiócitos, indicando que este miRNA poderia ser um alvo terapêutico para o tratamento de lesões cardíacas . Consequentemente, a avaliação das alterações da AT a nível molecular entre as espécies melhorará a nossa compreensão da função e da base genética da AT e da sua associação com diferentes doenças.

A informação transcricional é importante para elucidar os fenótipos e a função do AT, mas até agora a maioria dos estudos concentrou-se apenas nas comparações do AT entre humanos e roedores . É importante ressaltar que a análise transcriptômica comparativa de AT em larga escala entre várias espécies distantemente relacionadas e múltiplas localizações anatômicas é necessária para compreender completamente a evolução transcriptômica de AT. Para este propósito, realizamos uma análise transcriptômica comparativa da AT subcutânea e/ou visceral disponível em 15 espécies e locais de vertebrados (de 1 a 7 por espécie) (Fig. 1, Tabela Suplementar 1), incluindo 10 mamíferos (primatas: humanos [ Homo sapiens] e macaco [Macaca mulatta]; roedores: camundongo [Mus musculus], rato [Rattus norvegicus] e porquinho-da-índia [Cavia porcellus]; lagomorfos: coelho [Oryctolagus cuniculus]; artiodáctilos: porco [Sus scrofa] e ovelha [ Ovis aries]; e carnívoros: gato [Felis catus] e cachorro [Canis lupus familiaris]), 4 aves (galiformes: galinha [Gallus gallus]; anseriformes: pato [Anas platyrhynchos] e ganso [Anser anser]; e columbiformes: pombo [Columba livia]), e um réptil (testudines: tartaruga [Pelodiscus sinensis]) como grupo externo. Geramos um total de 59 bibliotecas de RNA-seq depletadas de rRNA emparelhadas e analisadas em combinação com 48 bibliotecas que foram publicadas anteriormente , totalizando 107 bibliotecas (Fig. 1, Tabela Suplementar 1 ). A composição do lipidoma dos ATs pode impactar múltiplos aspectos da homeostase energética, como metabolismo de glicose e lipídios, disponibilidade de substrato e gasto energético22,23,24,25. Assim, compreender as diferenças na composição lipídica entre ATs é essencial para estudar suas funções especializadas e explorar os potenciais mecanismos que levam às heterogeneidades de AT. A lipidômica foi aplicada com sucesso anteriormente para esclarecer alterações no perfil lipídico de TAs após vários tratamentos (como treinamento físico de resistência26, exposição ao frio27 e dieta rica em gordura28) ou entre diferentes localizações anatômicas29. No entanto, as mudanças entre as espécies permanecem pouco compreendidas. Para obter mais informações sobre as mudanças metabólicas que ocorreram durante a evolução do AT, realizamos análise não direcionada de espectrometria de massa em tandem por cromatografia líquida (LC-MS/MS) do lipidoma celular de 131 amostras de SAT e VAT em cinco espécies representativas, incluindo quatro mamíferos ( camundongo, rato, porco, ovelha) e um pássaro (ganso) (Fig. 1, Tabela Suplementar 2). Em conjunto, estes conjuntos de dados fornecem um recurso valioso para o estudo da diversidade genética e metabólica da TA entre espécies e localizações anatómicas, e uma oportunidade sem precedentes para analisar alterações moleculares durante a evolução da TA.

7) were used for sequencing. The RNA-seq libraries were then generated using an rRNA depletion method18. All libraries were sequenced on a HiSeq X Ten platform (Illumina) using paired-end sequencing reads of 150 bp in length./p> 0.5 TPM in all replicates of at least one AT./p> 50% of QC samples and > 20% of the replicates of at least one AT. The missing values were imputed using the k-nearest neighbor (KNN) method35,36. Next, the probabilistic quotient normalization (PQN) method37 was performed for data normalization and the QC-robust spline batch correction (QC-RSC) method38 applied to correct for batch effects. Finally, the ions with a relative standard deviation (RSD) > 30% in QC samples were removed, as are fluctuated greatly in the experiment. The retained ions were used in downstream statistical analysis./p>0.5 TPM across all replicates in at least one AT to identify transcribed PCGs for each species, we observed comparable amounts of transcribed PCGs between mammal (~12,324 per species) and bird species (~11,973 per species) (Table 1). However, remarkably few transcribed genes were detected in the ATs of turtle (4037 PCGs), implying the AT transcriptomes of mammals and birds vary significantly from reptiles. To assess the reproducibility of the different biological replicates, we calculated pairwise Spearman’s r of PCGs expression profiles between the samples of each species. In general, gene expression was highly correlated between biological replicates (median Spearman’s r = 0.96), and similarities significantly reduced between the ATs obtained from different anatomical locations within each species (P = 9.76 × 10−16, Wilcoxon rank-sum test) (Fig. 2b). Principal component analysis and hierarchical clustering of the expression levels of 3878 single-copy orthologous PCGs (detailed information is list in file ‘Detailed information on single-copy orthologous PCGs across 15 vertebrate species’ on Figshare41) among 15 vertebrates revealed that samples primarily clustered according to the species with the highest number of biological replicates (Fig. 2c,d and figure ‘PCA plot of PC1 versus PC3 and PC2 versus PC3 based on the expression levels of single-copy orthologous PCGs among 15 vertebrate species’ on Figshare42). These results highlight the consistency among biological replicates and the robustness of experimental design./p>50% of the QC samples (102 QC samples in negative ion mode and 96 QC samples in positive ion mode) and >20% of the experimental samples in at least one AT. To ensure the reliability of the acquired lipidomics data, two quality control steps were performed based on the intensity of the detected ions. First, we assessed the clustering of QC samples using principal component analysis (PCA). In both ion modes, we observed that the QC samples clustered distinctively (Fig. 3b), suggesting absence of significant non-biological induced variation in the experiment. Second, we measured the relative standard deviation (RSD) of detected ions in all QC samples (Fig. 3c). We found that most of the negative (67.42%, 1788 of 2652) and positive ions (81.15%, 3676 of 4530) had an RSD < 30% among the QC samples, indicating ion intensity changed little between QC samples. Overall, these findings confirmed the reproducibility and robustness of the generated lipidomics data./p>