Profiles of metabolic gene expression in the white adipose tissue, liver and hypothalamus in leptin knockout (Lep^ΔI14/ΔI14 ) rats

Abstract

Leptin deficiency is principally linked to metabolic disorders. Leptin knockout (Lep^ΔI14/ΔI14) Sprague Dawley rats created by CRISPR/Cas9 is a new model to study metabolic disorders. We used a whole rat genome oligonucleotide microarray to obtain tissue-specific gene expression profiles of the white adipose tissue, liver and hypothalamus inLep^ΔI14/ΔI14 and wild-type (WT) rats. We found 1,651 differentially expressed (enriched) genes in white adipose tissue, 916 in the liver, and 306 in the hypothalamus in theLep^ΔI14/ΔI14 rats compared to WT. Gene ontology category and KEGG pathway analysis of the relationships among differentially expressed genes showed that these genes were represented in a variety of functional categories, including fatty acid metabolism, molecular transducers and cellular processes. The reliability of the data obtained from microarray was verified by quantitative real-time PCR on 14 representative genes. These data will contribute to a greater understanding of different metabolic disorders, such as obesity and diabetes.

Keywords

Lep^ΔI14/ΔI14 / microarray analysis / white adipose / liver / hypothalamus

References

[1] Narayan KM, Boyle  JP, Thompson TJ , Lifetime risk for diabetes mellitus in the United States[J]. JAMA, 2003, 290(14): 1884–1890

[2] Fernéndez-Formoso G ,  Párez-Sieira S ,  González-Touceda D , Leptin, 20 years of searching for glucose homeostasis[J]. Life Sci, 2015, 140: 4–9

[3] Bouyer K, Simerly  RB. Neonatal leptin exposure specifies innervation of presympathetic hypothalamic neurons and improves the metabolic status of leptin-deficient mice[J]. J Neurosci, 2013, 33(2): 840–851

[4] Xu J, Donepudi  AC, More VR , Deficiency in Nrf2 transcription factor decreases adipose tissue mass and hepatic lipid accumulation in leptin-deficient mice[J]. Obesity (Silver Spring), 2015, 23(2): 335–344

[5] Perfield JW 2nd, Ortinau LC, Pickering  RT, Altered hepatic lipid metabolism contributes to nonalcoholic fatty liver disease in leptin-deficient Ob/Ob mice[J]. J Obes, 2013, 2013: 296537

[6] Rodríguez A ,  Moreno NR ,  Balaguer I , Leptin administration restores the altered adipose and hepatic expression of aquaglyceroporins improving the non-alcoholic fatty liver of ob/ob mice[J]. Sci Rep, 2015, 5: 12067

[7] Zhang W, Ambati  S, Della-Fera MA , Leptin modulated changes in adipose tissue protein expression in ob/ob mice[J]. Obesity (Silver Spring), 2011, 19(2): 255–261

[8] Sennello JA, Fayad  R, Pini M , Transplantation of wild-type white adipose tissue normalizes metabolic, immune and inflammatory alterations in leptin-deficient ob/ob mice[J]. Cytokine, 2006, 36(5-6): 261–266

[9] Wang B, Chandrasekera  PC, Pippin JJ . Leptin- and leptin receptor-deficient rodent models: relevance for human type 2 diabetes[J]. Curr Diabetes Rev, 2014, 10(2): 131–145

[10] Holmström MH, Tom  RZ, Björnholm M , Effect of leptin treatment on mitochondrial function in obese leptin-deficient ob/ob mice[J]. Metabolism, 2013, 62(9): 1258–1267

[11] Hao Z, Münzberg  H, Rezai-Zadeh K , Leptin deficient ob/ob mice and diet-induced obese mice responded differently to Roux-en-Y bypass surgery[J]. Int J Obes (Lond), 2015, 39(5): 798–805

[12] Vaira S, Yang  C, McCoy A , Creation and preliminary characterization of a leptin knockout rat[J]. Endocrinology, 2012, 153(11): 5622–5628

[13] Xu S, Zhu  X, Li H , The 14th Ile residue is essential for Leptin function in regulating energy homeostasis in rat[J]. Sci Rep, 2016, 6: 28508

[14] Cong L, Ran  FA, Cox D , Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems[J]. Science, 2013, 339(6121): 819–823

[15] Wang H, Yang  H, Shivalila CS , One-step generation of mice carrying mutations in multiple genes by CRISPR/Cas-mediated genome  engineering[J]. Cell,  2013, 153(4): 910–918

[16] Swanson LW. Brain Maps: Structure of the Rat Brain. 3rd ed. Academic Press. (2003).

[17] Srivastava VK, Hiney  JK, Dees WL . Short-term alcohol administration alters KiSS-1 gene expression in the reproductive hypothalamus of prepubertal female rats[J]. Alcohol Clin Exp Res, 2009, 33(9): 1605–1614

[18] Guo Y, Guo  H, Zhang L , Genomic analysis of anti-hepatitis B virus (HBV) activity by small interfering RNA and lamivudine in stable HBV-producing cells[J]. J Virol, 2005, 79(22): 14392–14403

[19] Patterson TA, Lobenhofer  EK, Fulmer-Smentek SB , Performance comparison of one-color and two-color platforms within the MicroArray Quality Control (MAQC) project[J].Nat Biotechnol , 2006, 24(9): 1140–1150

[20] Alexa A, Rahnenführer  J, Lengauer T . Improved scoring of functional groups from gene expression data by decorrelating GO graph structure[J]. Bioinformatics, 2006, 22(13): 1600–1607

[21] Benjamini Y, Hochberg  Y. Controlling the False Discovery Rate A Practical and Powerful Approach to Multiple Testing[J]. Journal of the Royal Statistical Society Series., 1995, 57: 289–300.

[22] Lagor WR, Fields  DW, Khetarpal SA , The effects of apolipoprotein F deficiency on high density lipoprotein cholesterol metabolism in mice[J]. PLoS One, 2012, 7(2): e31616

[23] Singhal NS, Patel  RT, Qi Y , Loss of resistin ameliorates hyperlipidemia and hepatic steatosis in leptin-deficient mice[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2008, 295(2): E331–E338

[24] Dinh CH, Szabo  A, Yu Y , Bardoxolone Methyl Prevents Fat Deposition and Inflammation in Brown Adipose Tissue and Enhances Sympathetic Activity in Mice Fed a High-Fat Diet[J]. Nutrients, 2015, 7(6): 4705–4723

[25] Zhang X, Hu  D, Zhang C , [Overexpression of Wnt3 inhibits apoptosis of hepatic progenitor cells in vitro] [In Chinese]. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao, 2014, 34(1): 46–50

[26] Bao D, Ma  Y, Zhang X , Preliminary Characterization of a Leptin Receptor Knockout Rat Created by CRISPR/Cas9 System[J]. Sci Rep, 2015, 5: 15942

[27] Bray GA. The Zucker-fatty rat: a review[J]. Fed Proc, 1977, 36(2): 148–153

[28] Duan J, Choi  YH, Hartzell D , Effects of subcutaneous leptin injections on hypothalamic gene profiles in lean and ob/ob mice[J]. Obesity (Silver Spring), 2007, 15(11): 2624–2633

[29] Zhao M, Li  X, Qu H . EDdb: a web resource for eating disorder and its application to identify an extended adipocytokine signaling pathway related to eating disorder[J]. Sci China Life Sci, 2013, 56(12): 1086–1096

[30] Ducy P, Karsenty  G. The family of bone morphogenetic proteins[J]. Kidney Int, 2000, 57(6): 2207–2214

[31] Takeda S, Elefteriou  F, Levasseur R , Leptin regulates bone formation via the sympathetic nervous system[J]. Cell, 2002, 111(3): 305–317

[32] Aizawa-Abe M, Ebihara  K, Ebihara C , Generation of leptin-deficient Lepmkyo/Lepmkyo rats and identification of leptin-responsive genes in the liver[J]. Physiol Genomics, 2013, 45(17): 786–793

[33] Turenius CI, Htut  MM, Prodon DA , GABA(A) receptors in the lateral hypothalamus as mediators of satiety and body weight regulation[J]. Brain Res, 2009, 1262: 16–24

[34] Duan J, Choi  YH, Hartzell D , Effects of subcutaneous leptin injections on hypothalamic gene profiles in lean and ob/ob mice[J]. Obesity (Silver Spring), 2007, 15(11): 2624–2633

[35] Marcelin G, Liu  SM, Li X , Genetic control of ATGL-mediated lipolysis modulates adipose triglyceride stores in leptin-deficient mice[J]. J Lipid Res, 2012, 53(5): 964–972

[36] Altintas MM, Nayer  B, Walford EC , Leptin deficiency-induced obesity affects the density of mast cells in abdominal fat depots and lymph nodes in mice[J]. Lipids Health Dis, 2012, 11: 21–30

[37] Koziński K, Dobrzyń  A. Wnt signaling pathway--its role in regulation of cell metabolism[J]. Postepy Hig Med Dosw (Online), 2013, 67: 1098–1108

[38] Sherwood V. WNT signaling: an emerging mediator of cancer cell metabolism[J]? Mol Cell Biol, 2015, 35(1): 2–10

[39] Gao SC, Yin  HB, Liu HX , Research progress on MAPK signal pathway in the pathogenesis of osteoarthritis[J]. Zhongguo Gu Shang, 2014, 27(5): 441–444

[40] Martínez-Soto D ,  Ruiz-Herrera J . Regulation of the expression of the whole genome of Ustilago maydis by a MAPK pathway[J]. Arch Microbiol, 2015, 197(4): 575–588.

[41] Xu D, Yin  C, Wang S , JAK-STAT in lipid metabolism of adipocytes[J]. JAKSTAT, 2013, 2(4): e27203

Acknowledgments

We gratefully acknowledge the technical assistance of Ling Song. This work was supported by grants from the National Natural Science Foundation of China (No. 81470150).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 2017 by the Journal of Biomedical Research.