The role of thyroid stimulating hormone receptor and novel candidate genes FAM13a and POM121c in adipocyte dysfunction

This thesis aimed to investigate the role of thyroid stimulating hormone receptors (TSHRs) in adipose tissue (AT) and their role in AT dysfunction and obesity-related metabolic complications. Furthermore, we aimed to functionally evaluate novel candidate genes associated with insulin resistance, a marker of dysfunctional adipose tissue. Study I report that in a cohort of Swedish children with obesity, thyroid stimulating hormone was associated with the degree of obesity and metabolic risk markers such as fasting serum insulin levels and blood lipids. In Study II, the TSHR in AT was functionally evaluated by investigating the effect of partially removing TSHRs from the adipocytes on body weight and body temperature, in animals on both normal and high-fat diets. Mice with reduced TSHR-expression gained weight at a faster rate than corresponding wild-type mice. Several genes central to adipogenesis and adipocyte function were down-regulated, in both white AT (WAT) and brown AT (BAT) in TSHR knockout mice. Study III. From a genome-wide association study (GWAS) meta-analysis which identified SNPs for fasting insulin, we identified FAM13A and POM121C as novel candidate genes for obesity-related insulin resistance. Using expression quantitative trait (eQTL) analysis of SNPs associated with fasting insulin, we identified candidate genes for disease. Functional analysis of the candidate genes using siRNA knockdown in human mesenchymal stem cells revealed them to be important for lipolysis and adipogenesis and they might therefore be involved in the genetic control of insulin sensitivity. Study IV, report that expression of the TSHR in human WAT is affected by weight change. We also report that TSHR-expression in WAT is associated with the expression of genes central to adipocyte functions such as lipolysis and insulin sensitivity. The results revealed that, independent of BMI, individuals with higher TSHR expression had a lower basal lipolysis rate and higher hormone stimulated lipolysis, suggesting that TSHRs in human WAT are involved in the regulation of adipocyte metabolism. In summary, a reduction of TSHR led to dysfunctional AT regarding the regulation of adipocyte metabolism and adipogenesis. Our findings implicate that TSHRs have a regulatory role in both WAT and BAT, and thus having a role in the regulation of wholebody energy homeostasis. Furthermore, we identified two novel genes with potential regulatory roles in adipocyte lipolysis and adipogenesis, and might thereby be involved in the genetic control of systemic insulin sensitivity. POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING Den höga förekomsten av fetma har blivit ett hot mot folkhälsan. Hos vuxna med fetma ökar risken för en rad följdsjukdomar, bland annat diabetes typ 2, hjärtoch kärlsjukdomar och cancer. Fetma är en sjukdom som definieras av överflödig tillväxt av fettväven. Fettväven är inte bara en vävnad som lagrar energi, den har också viktiga endokrina funktioner eftersom fett utsöndrar hormoner och andra signaler, till både hjärnan och perifera vävnader, som i sin tur reglerar kroppens energijämvikt. Fettväven delas in i vitt och brunt fett vilka har motsatta funktioner. Det vita fettet lagrar energi och vid ökat energibehov kan fettmolekyler brytas ner genom lipolys, vilket ger fria fettsyror som används som energisubstrat till andra vävnader. Vitt fett finns fördelat under huden, så kallat subkutant fett, och runt organen, invärtes fett. En ökning av mängden invärtes fett och subkutant bukfett, är associerat med fetmarelaterade följdsjukdomar. Brunt fett är en energiförbrukande vävnad som gör av med lagrad energi genom att producera värme och är därför ett intressant mål för fetmabehandling. Det övergripande syftet med avhandlingen är att få bättre förståelse för de biologiska mekanismer som orsakar de metabola komplikationer som fetma medför. Specifikt har den tyroidea stimulerande hormonreceptorn (TSHR) studerats för att utröna vilken roll den utgör i fettväven. Nya underliggande gener till insulinresistens har även undersökts med syftet att identifiera gener som på verkar fettcellens funktion och där igenom systemisk insulinkänslighet. Genom att identifiera underliggande mekanismer till fetmarelaterade metabola komplikationer kan nya behandlingssätt tas fram för fetma-relaterade sjukdomar. I Studie I undersöktes associationer mellan TSH och metabola riskfaktorer hos svenska barn med fetma. Vi såg ett samband mellan TSH-nivåer och metabola riskfaktorer så som fasteinsulin och lipidnivåer i blodet. I Studie II undersöktes funktionen av TSHR i en genetiskt modifierad musmodell. Vi såg att avsaknad av denna receptor påverkar fettvävens utveckling och funktioner som insulinkänslighet i vitt fett, och värmeproduktion i brunt fett. Studie III identifierades två nya kandidatgener som verkar påverka fettcellens utveckling och funktion, och därmed systemisk insulinkänslighet. FAM13A och POM121C visade sig i studien ha en skyddande effekt mot metabol sjukdom och kan därmed vara intressanta mål för behandling. Studie IV visade att genuttrycket av TSHR i fett hos människa, är associerat med BMI och även lipolys. Detta innebär att det vi såg i musmodellen kan även vara relevant i människa. LIST OF SCIENTIFIC PAPERS I. Veroniqa Lundbäck, Kerstin Ekbom, Emilia Hagman, Ingrid Dahlman and Claude Marcus Thyroid-Stimulating Hormone, Degree of Obesity, and Metabolic Risk Markers in a Cohort of Swedish Children with Obesity. Hormone Research in Paediatrics 2017;88(2): 140–146. II. Veroniqa Lundbäck, Agné Kulyté, Ingrid Dahlman and Claude Marcus Adipose tissue-specific inactivation of thyroid stimulating hormone receptors in mice modifies body weight, body temperature and adipocytespecific gene expression in brown and white adipocytes. Manuscript III. Veroniqa Lundbäck, Agné Kulyté, Rona J Strawbridge, Mikael Rydén, Peter Arner, Claude Marcus and Ingrid Dahlman FAM13A and POM121C are candidate genes for fasting insulin: functional follow-up analysis of a genome-wide association study. Diabetologia 2018 May;61(5): 1112–1123. IV. Veroniqa Lundbäck, Claude Marcus and Ingrid Dahlman Thyroid stimulating hormone receptors in human white adipose tissue: association with BMI, adipose tissue phenotypes and gene expression. Manuscript