Exercise, fitness and health in childhood obesity: a focus on transcriptomics, epigenomics, and proteomics

Abstract

The present Doctoral Thesis examines the relationships of metabolic health, fitness, and exercise with health performing high-throughput omics analyses in blood samples from children with overweight/obesity (OW/OB). Thus, the aims of this Doctoral Thesis were: 1) to examine the differences in the whole-blood transcriptome profiles (RNA-sequencing) of children with metabolic healthy OW/OB compared to metabolic unhealthy OW/OB; 2) to characterize whole-blood transcriptome profile differences between fit and unfit children with OW/OB; 3) to investigate the differences on plasma targeted proteomics between fit and unfit children with OW/OB; 4) To summarize the state-of-the-art of the effect of exercise on gene expression and epigenetic regulation in pediatric population; 5) to study the effects of a 20-week exercise intervention on wholeblood transcriptome profile in children with OW/OB; 6) to report the effects of a 20-week exercise intervention on whole-blood genome-wide DNA methylation profile in children with OW/OB. Six studies were performed within the ActiveBrains project (http://profith.ugr.es/activebrains?lang=en), which were organized into two sections. Section I, Metabolic health and cardiorespiratory fitness levels in children with overweight/obesity: a focus on transcriptomics and proteomics (Studies I, II, and III); and section II: Effects of exercise on transcriptome and epigenome in children with overweight/obesity (Studies IV, V, and VI). The main findings from this thesis were: I) Thirty-two genes were differentially expressed in children with metabolic healthy OW/OB compared to metabolic unhealthy OW/OB, which were mainly related to metabolism, mitochondrial, and immune functions (Study I); II) A different transcriptome profile (256 genes) was identified in fit compared to unfit children with OW/OB, which enriched several molecular pathways related to the immune system and inflammation (Study II); III) 16 proteins involved in neurogenesis, signal transduction, immune function, inflammatory response were differentially expressed in plasma of fit compared to unfit children with OW/OB (Study III); IV) A systematic review was performed, where we gathered the state-of-the-art of the effect of exercise on gene expression and epigenetic regulation, which gathered ten studies that used the candidate gene approach, while two studies performed high-throughput analyses. Most of the studies showed that exercise (acute and chronic effects) alter gene expression, and DNA methylation of candidate genes related to cardiovascular disease, asthma, and immune function (Study IV); V) a 20-week exercise intervention regulated gene pathways involved in immune processes in blood cells in children with OW/OB (Study V); VI) a 20-week exercise intervention demonstrated an impact on DNA methylation profiles of genes involved in metabolic and immune gene pathways. Also, changes of DNA methylation profiles were associated with changes on gene expression levels involved in immune pathways (Study VI). The effects exercise at transcriptomic and epigenomic levels generally did not persist after multiple corrections, so these findings should be considered preliminary and be confirmed in more powerful studies in the future.

La presente Tesis Doctoral examina la relación de la salud metabólica, la condición física y el ejercicio con la salud mediante la realización de análisis ómicos de alto rendimiento en muestras de sangre de niños con sobrepeso/obesidad. Así, los objetivos de esta Tesis Doctoral fueron: 1) examinar las diferencias en los perfiles de transcriptoma en sangre (secuenciación de ARN) de niños con sobrepeso/obesidad metabólicamente sanos en comparación a niños metabólicamente no sanos; 2) caracterizar las diferencias en el perfil del transcriptoma de sangre completa entre niños con “alto” y “bajo” nivel de condición física cardiorespiratoria; 3) investigar las diferencias en la proteómica dirigida en plasma entre niños con sobrepeso/obesidad con “alto” y “bajo” nivel de condición física cardiorespiratoria; 4) resumir la evidencia existente respecto al efecto del ejercicio sobre la expresión génica y la regulación epigenética en población pediátrica; 5) estudiar los efectos de una intervención de ejercicio de 20 semanas en el perfil del transcriptoma de sangre completa en niños con sobrepeso/obesidad; 6) investigar los efectos de una intervención de ejercicio de 20 semanas en el perfil de metilación del ADN de todo el genoma en sangre completa de niños con sobrepeso/obesidad. Se realizaron seis estudios dentro del proyecto ActiveBrains, que se organizaron en dos secciones. Sección I, Salud metabólica y condición física cardiorrespiratoria en niños con sobrepeso/obesidad: un enfoque en transcriptómica y proteómica (Estudios I, II y III); y sección II: Efectos del ejercicio sobre el transcriptoma y el epigenoma en niños con sobrepeso/obesidad (Estudios IV, V y VI). Los principales hallazgos de esta tesis fueron: I) Treinta y dos genes se expresaron diferencialmente en niños con sobrepeso/obesidad metabólicamente sanos en comparación a los niños con sobrepeso/obesidad metabólicos no saludables, estos genes se relacionaron principalmente con el metabolismo, las funciones mitocondriales e inmunes (Estudio I); II) Se identificó un perfil de transcriptoma diferente (256 genes) en los niños con sobrepeso/obesidad con “alto” nivel de condición física en comparación a los niños con sobrepeso/obesidad y “bajo” nivel de condición física. Este transcriptoma enriqueció varias vías moleculares relacionadas con el sistema inmunológico y la inflamación (Estudio II); III) 16 proteínas implicadas en la neurogénesis, la transducción de señales, la función inmunitaria y la respuesta inflamatoria se expresaron de forma diferencial en el plasma de los niños con “alto” nivel de condición física en comparación con los niños con “bajo” nivel de condición física (Estudio III); IV) Se realizó una revisión sistemática, donde recopilamos el estado del arte del efecto del ejercicio en la expresión génica y la regulación epigenética, que reunió diez estudios que utilizaron el enfoque del gen candidato, mientras que solo dos estudios emplearon enfoques ómicos de última generación. La mayoría de los estudios mostraron que el ejercicio (efectos agudos y crónicos) altera la expresión génica y la metilación del ADN de genes candidatos relacionados con enfermedades cardiovasculares, asma y función inmunológica (Estudio IV); V) una intervención de ejercicio físico de 20 semanas de duración puede regular procesos inmunitarios en las células sanguíneas de niños y niñas con sobrepeso/obesidad (Estudio V); VI) una intervención de ejercicio de 20 semanas demostró un impacto en los perfiles de metilación del ADN de los genes involucrados en rutas metabólicas e inmunes. Además, los cambios en los perfiles de metilación del ADN se asociaron con cambios en los niveles de expresión génica implicados en vías inmunes (Estudio VI). Los efectos del ejercicio a nivel transcriptómico y epigenómico generalmente no persistieron después de ajustes por comparaciones múltiples, por lo que estos hallazgos deben considerarse preliminares y confirmarse en estudios con mayor potencia estadística en el futuro.