Il trasportatore della serotonina sostiene la termogenesi del tessuto adiposo bruno umano

Nature Metabolism volume 5, pagine 1319–1336 (2023)Citare questo articolo

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L’attivazione del tessuto adiposo bruno (BAT) negli esseri umani è una strategia per trattare l’obesità e le malattie metaboliche. Qui mostriamo che il trasportatore della serotonina (SERT), codificato da SLC6A4, previene la soppressione mediata dalla serotonina della funzione BAT umana. Il sequenziamento dell'RNA degli adipociti primari marroni e bianchi umani mostra che SLC6A4 è altamente espresso negli adipociti bruni e nei BAT umani, ma non murini. La serotonina diminuisce la respirazione disaccoppiata e riduce la proteina disaccoppiante 1 tramite il recettore 5-HT2B. L'inibizione del SERT da parte della sertralina, un inibitore selettivo della ricaptazione della serotonina (SSRI), impedisce l'assorbimento della serotonina extracellulare, potenziando così l'effetto soppressivo della serotonina sugli adipociti bruni. Inoltre, vediamo che la sertralina riduce l'attivazione del BAT in volontari sani e i pazienti trattati con SSRI non dimostrano alcun assorbimento di 18F-fluorodeossiglucosio da parte del BAT a temperatura ambiente, a differenza dei controlli abbinati. L’inibizione della termogenesi del BAT può contribuire all’aumento di peso e alla disfunzione metabolica indotti dagli SSRI, e la riduzione dell’azione periferica della serotonina può essere un approccio per trattare l’obesità e le malattie metaboliche.

L’identificazione del BAT negli esseri umani adulti circa 15 anni fa ha riacceso l’interesse nell’attivazione di questo tessuto come una nuova strategia per trattare l’obesità e le malattie metaboliche associate come il diabete mellito di tipo 2 e la dislipidemia1. Il BAT è un organo termogenico che aumenta il dispendio energetico (EE) per generare calore in un processo chiamato termogenesi senza brividi, mantenendo la temperatura corporea in un ambiente freddo2. Ciò si ottiene principalmente attraverso l’esclusiva proteina termogenica di disaccoppiamento della proteina 1 (UCP1), che consente la trasduzione del gradiente protonico elettronico per disaccoppiare la produzione di energia dalla sintesi di adenosina trifosfato in BAT. Il BAT umano conserva molte somiglianze con il BAT dei roditori; ad esempio, il BAT umano contribuisce alla termogenesi senza brividi3, contiene UCP1 funzionale (rif. 4), viene attivato dal freddo5,6 ed è sottoposto a regolazione simpatica7. Il BAT umano dimostra un sostanziale assorbimento di glucosio, oltre all'utilizzo delle riserve locali di trigliceridi e di altri substrati energetici, per alimentare la termogenesi indotta dal freddo (CIT)8. Questo elevato assorbimento di glucosio viene sfruttato mediante l'uso della tomografia a emissione di positroni con 18F-fluorodesossiglucosio (18F-FDG-PET), solitamente in combinazione con CT (PET-CT), per quantificare la massa del BAT e agire come marcatore di attività nell'uomo9. Nell'uomo adulto, il BAT si trova in diverse sedi, come i depositi adiposi sopraclavicolari, ascellari, paravertebrali e peri-renali, e la massa e l'attività del BAT sono ridotte nell'obesità5,10,11. Oltre ad aumentare l'EE, l'attivazione del BAT negli esseri umani migliora la sensibilità all'insulina12 e la clearance dei lipidi13, e la presenza di BAT è associata a una riduzione della malattia cardiometabolica, in particolare negli individui obesi14. Pertanto, esiste un sostanziale interesse nell’attivazione delle BAT come nuovo trattamento per le malattie cardiometaboliche.

La prova iniziale del fatto che l'attività della BAT può essere aumentata negli esseri umani adulti è arrivata da studi che utilizzavano ripetute esposizioni intermittenti al freddo15,16. Tuttavia, l’esposizione al freddo richiede tempo e può causare disagio, quindi la farmacoterapia per attivare il BAT a temperatura ambiente può essere un approccio terapeutico più adatto. Ad oggi, gli studi sugli esseri umani adulti si sono limitati principalmente al simpaticomimetico mirabegron (un β3-agonista), che aumentava l’EE e migliorava i parametri metabolici; tuttavia, mirabegron ha aumentato la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca, il che limita la possibilità di una somministrazione cronica7,17,18. Sono stati identificati numerosi fattori che inducono l'imbrunimento e aumentano l'EE nei roditori, come il fattore di crescita dei fibroblasti 21 e diverse proteine morfogeniche ossee19; tuttavia, nessuno di questi agenti ha ancora portato a terapie di successo per i pazienti. È importante sottolineare che esistono differenze nella regolazione del BAT umano e murino, come esemplificato dai glucocorticoidi che aumentano acutamente l'attività del BAT negli esseri umani ma diminuiscono la termogenesi nei roditori20. Questi risultati evidenziano la necessità di analizzare la fisiologia delle BAT negli esseri umani per comprendere i percorsi che regolano l’attivazione delle BAT umane e sviluppare terapie sicure. I dati provenienti dagli adipociti bruni umani immortalizzati hanno fornito ulteriori conoscenze su questi percorsi21,22; tuttavia, l'immortalizzazione può alterare la firma molecolare delle cellule. Pertanto, gli adipociti bruni umani primari sono un modello importante in cui identificare nuovi geni e percorsi che regolano la funzione BAT umana in vivo.

25-fold more highly in human brown compared with white adipocytes (Fig. 1a and Extended Data Fig. 1b). We performed pathway analysis to identify canonical pathways whose components were more highly expressed in brown adipocytes (Fig. 1b). Of most interest was the serotonin degradation pathway, highlighting a possible role for serotonin metabolism in BAT function (Fig. 1b). This led us to prioritize and investigate the role of serotonin uptake by SLC6A4 in human BAT./p>2 and adjusted P values (Padj) <0.05), DIO2 is highlighted in grey owing to the log2(fold change) being 1.99. b, Top canonical pathways enriched in paired human white and brown adipocytes with z scores >2. eNOS, endothelial nitric oxide synthase; RXR, retinoid X receptor; VDR, vitamin D receptor; VEGF, vascular endothelial growth factor. c,d, qPCR of paired human white (yellow columns) and brown adipocytes (red columns; n = 12 biologically independent samples per group) (c) and paired murine inguinal/beige (blue columns) and brown adipocytes (red columns; n = 4 biologically independent animals per group) (d). e, 3H-serotonin uptake with and without increasing concentrations of the SERT inhibitor sertraline (1 nM to 10 μM) in paired human white and brown adipocytes (n = 6 biologically independent samples per group). ***P < 0.0001 for sertraline concentrations ≥10 nM versus brown adipocyte vehicle. Data are mean ± s.e.m. Data were analysed using DESeq2 (a), Ingenuity Pathway Analysis (Qiagen) (b), multiple paired t-test (Holm–Sidak) (c,d) or two-way repeated measures ANOVA with Sidak multiple comparisons (e). Significant P values are detailed in the respective panels. IC, internal control./p>200-fold greater in human brown compared with white adipocytes (Fig. 1c). The serotonin-metabolizing enzyme monoamine oxidase A (MAO-A) was also more highly expressed in brown adipocytes (Fig. 1c). Both the serotonin 2A and 2B receptors (5-HT2A/2B; HTR2A/B) were expressed in human brown and white adipocytes, although 5-HT2A mRNA levels were lower in brown adipocytes (Fig. 1c). The 5-HT2C (HTR2C), 5-HT3A-E (HTR3A-E), 5-HT6 and 5-HT7 receptors were not expressed in either cell type; the lack of 5-HT3A expression is of note because this receptor has been implicated in serotonin-mediated suppression of murine BAT thermogenesis28. There was no substantial expression of other 5-HT receptor subtypes in human brown adipocytes in the RNA-seq data (Extended Data Table 1)./p> 0.3) (Fig. 3i). The difference in 18F-FDG uptake by BAT between the SSRI and placebo phases correlated with the difference in CIT (Extended Data Fig. 4j). Circulating sertraline and its active metabolite norsertraline (Extended Data Fig. 4k,l) were detected only on the sertraline phase, but concentrations did not correlate with any measurements of BAT activity (see Source data for Fig. 3 and Extended Data Fig. 4)./p>

1.5 g ml−1 normalized to body mass, which corresponded to tissues with a radio density on the CT scan with Hounsfield units between −190 and −109. Participants were classified into ‘BAT-positive’ or ‘BAT-negative’ based on the above analysis. The mean SUV and the volume of BAT with detectable 18F-FDG uptake were calculated for the BAT-positive patients./p>

2) were generated using Prism v.9 (GraphPad). RNA-seq data generated this study have been uploaded to ArrayExpress (E-MTAB-101123; details in Source data for Fig. 1)./p>

2 log2-fold change and adjusted P value < 0.05) in paired human (a) white and (b) brown adipocytes. Transcripts are presented from top to bottom in decreasing order of differential expression between cell types, while the colour scale ranges from red (highest expression) to white (lowest expression). Log10 values ≤ 0 are presented as 0 on the heatmap./p>