Biol Psychiatrie. 2008 Dec 1; 64 (11): 941-50. Epub 2008 Jul 26.
Teegarden SL, Nestler EJ, Bale TL.
Zdroj
Katedra biologie živočichů, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104-6046, USA.
Abstraktní
POZADÍ:
Citlivost na odměnu byla zahrnutá jako předisponující faktor pro chování související s užíváním drog a přejídání. Základní mechanismy přispívající k odměňování citlivosti jsou však neznámé. Předpokládali jsme hypotézu, že dysregulace signalizace dopaminu může být hlavní příčinou zvýšené citlivosti na odměnu, díky čemuž by odměňující podněty mohly vést k normalizaci systému.
Metody:
Použili jsme genetický myší model se zvýšenou citlivostí na odměnu, myší s nadměrnou expresí Delta FosB, abychom mohli zkoumat změny odezvy v odezvě na chutnou stravu s vysokým obsahem tuku. Markery signalizace odměny u těchto myší byly vyšetřovány jak v zásadě, tak po 6 týdnech chutné dietní expozice. Myši byly vyšetřeny v behaviorálním testu po vysazení s vysokým obsahem tuku, aby se posoudila zranitelnost tohoto modelu k odstranění odměňujících podnětů.
Výsledky:
Naše výsledky demonstrují změnu aktivace dráhy odezvy podél jádra accumbens-hypotalamus-ventrální tegmentální oblastní obvody vyplývající z nadměrné exprese Delta FosB v nucleus accumbens a striatálních oblastech. Hladiny vazebného proteinu fosforylovaného cyklického adenosinmonofosfátu (cAMP) (pCREB), neurotrofický faktor pocházející z mozku (BDNF), a dopamin a cyklický adenosin monofosfát regulovaný fosfoprotein s molekulovou hmotností 32 kDa (DARPP-32) v nucleus accumbens byly sníženy u myší Delta FosB, což svědčí o snížené signalizaci dopaminu. Šest týdnů s vysokým obsahem tuku dieta expozice zcela zmírnila tyto rozdíly, odhalující silné odměňování schopnost chutné stravy. Myši Delta FosB také vykazovaly signifikantní vzestup lokomotorické aktivity a reakce související s úzkostí 24 hodin po vysazení s vysokým obsahem tuku.
Závěr:
Tyto výsledky potvrzují základní citlivost na změny v odměňování související s dysregulací Delta FosB a dopaminovou signalizací, která může být normalizována s chutnou stravou a může být predisponujícím fenotypem u některých forem obezity..
Úvod
Navzdory rostoucím znalostem nervových systémů, které kontrolují chuť k jídlu a sytosti, se ve Spojených státech stále zvyšuje míra obezity. Současná léčba léky má omezenou účinnost a modifikace chování mají minimální dlouhodobou shodu (1). Spotřeba kaloricky-hustých, chutných potravin byla spojena se změnami ve stresových a odměňovacích drahách v mozku, což naznačuje, že odměňující vlastnosti těchto potravin mohou převýšit signály energetické bilance (2-4). Potraviny s vysokým obsahem tuku fungují jako přirozené odměny, aktivují centra odměňování mozků způsobem podobným drogám zneužívání a jako takové se používají v paradigmatech samosprávy (5-8). Je tedy pravděpodobné, že chování a motivace k přejídání a zneužívání drog sdílejí společné základní mechanismy, potenciálně otevírající nové způsoby léčby pro obě podmínky.
Při studiu vztahu mezi chutnými jídly a cestami, které regulují odměnu a stres v mozku, dříve jsme identifikovali molekulární a biochemické markery snížené odměny a zvýšeného stresu po vysazení z chutné diety s vysokým obsahem tuku (HF). Podobně jako u návykových látek, vystavení chutné stravě v našich studiích vedlo ke zvýšeným hladinám transkripčního faktoru AFosB v nucleus accumbens (NAc), centrální struktuře odměn mozku (9, 10).. Myši, které indukovatelně nadměrně exprimují AFosB, vykazují zvýšenou instrumentální odezvu na potravinovou odměnu (11), což z nich činí hodnotný nástroj pro zkoumání úlohy citlivosti odměny a dlouhodobé dysregulace systému odměn v molekulárních a biochemických reakcích na chutnou stravu.
V této studii jsme použili myši s nadměrnou expresí AFosB, které zkoumaly dlouhodobé změny markerů odměny v neurocykuláře NAc-hypothalamus – ventrální tegmentální oblast (VTA) v reakci na chutnou dietu HF. Na základě předchozích studií u těchto myší citlivých na odměnu jsme předpokládali, že změny v citlivosti na odměny vyvolané AFosB zahrnují dysregulaci v signalizaci dopaminu, která je výsledkem zpětné vazby NAc k VTA. Dále jsme předpokládali, že vystavení přirozené odměně energeticky husté HF stravy by pak normalizovalo dopaminergní systém u těchto myší, což by vedlo k přehnané reakci na stres z vysazení této HF stravy.. Unikátní aspekt využití chutné stravy jako odměňující látky nám umožňuje zahrnout hypotalamické vstupy k odměňování obvodů ve fenotypu, který může být prediktivní pro populaci predisponovanou k obezitě rezistentní k léčbě. Pro zkoumání této hypotézy jsme studovali markery dopaminové neurotransmise, včetně pCREB, BDNF a DARPP-32 v NAc a tyrosinhydroxyláze a dopaminovém transportéru ve VTA po expozici HF. Také jsme zkoumali specifické markery energetické bilance, o kterých je známo, že ovlivňují výstup dopaminu, včetně receptorů leptinu a orexinu v expresi VTA a orexinu v laterálním hypotalamu.
Materiály a metody
Zvířata
Mužské bitransgenní myši, které indukovatelně nadměrně exprimují AFosB v neuronech pozitivních na dynorfin v NAc a dorzálním striate (Kelz et al., 1999), byly vytvořeny na smíšeném pozadí (ICR: C57Bl6 / SJL) na University of Texas Southwestern Medical Center a udržovány a udržovány. testován na University of Pennsylvania. Všechny myši byly udržovány na doxycyklinu (100 μg / ml v pitné vodě) až do příjezdu na University of Pennsylvania. Pro vyvolání nadměrné exprese byl doxycyklin odstraněn (n = 23) (12). Kontrolní myši (n = 26) pokračovaly v přijímání léčiva. Myši byly zařazeny do dietních skupin osm týdnů po odstranění doxycylinu, kdy bylo prokázáno, že exprese dosahuje maximálních hladin (13). Myši byly udržovány na cyklu 12: 12 světlo-tma (světla na 0700) s potravou a vodou dostupnou ad libitum. Všechny studie byly prováděny podle experimentálních protokolů schválených Institutem pro péči a péči o zvířata na univerzitě v Pensylvánii a všechny postupy byly prováděny v souladu s institucionálními směrnicemi.
Dietní expozice
Myši byly udržovány na chow domu (n = 16) nebo umístěny na HF (n = 16-17) po dobu šesti týdnů. House chow (Purina Lab Diet, St. Louis, MO) obsahoval 4.00 kcal / g, sestávající z 28% proteinu, 12% tuku a 60% sacharidů. HF dieta (Research Diets, New Brunswick, NJ) obsahovala 4.73 kcal / g, sestávající z 20% proteinu, 45% tuku a 35% sacharidů.
Biochemie a genová exprese
Myši byly analyzovány po šesti týdnech vystavení dietě. Mozky byly odstraněny z lebky a buď zmrazené celé na suchém ledu, nebo NAc disected (přibližně 0.5 - 1.75 mm od bregma, v hloubce 3.5 - 5.5 mm) a zmrazené v kapalném dusíku. Tkáň byla skladována při -80 ° C až do testování.
Biochemické analýzy
Metody pro Western bloty jsou popsány v doplňkových materiálech. Použité protilátky byly: Cdk5, CREB a BDNF (1: 500, Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA) a fosfo-CREB (pCREB) (Ser 133) (1: 500, Cell Signaling Technology, Danvers, MA).
Receptorová autoradiografie
Podrobné metody autoradiografie jsou popsány v doplňkových materiálech. Použité ligandy byly 2 nM H3 - SCH 23390 a 5 nM H3 - spiperon (PerkinElmer, Boston, MA).
In situ hybridizace
Zpracování tkáně a hybridizace byly provedeny tak, jak bylo popsáno výše (14). Sonda DARPP-32 byla laskavě poskytnuta P. Greengardem (Rockefeller University) a sondou orexinů J. Elmquistem (University of Texas Southwestern Medical Center). Sklíčka testovaná na DARPP-32 byla aplikována na film po dobu 3 dnů a sklíčka testovaná na orexin byla aplikována na film po dobu 4 dnů. Kvantifikace filmových obrazů byla prováděna tak, jak bylo popsáno výše (10).
QRT-PCR
RNA byla izolována z VTA a exprese jednotlivých genů byla testována za použití TaqMan genových expresních testů (Applied Biosystems, Foster City, CA). Podrobné metody a statistické analýzy lze nalézt v doplňkových materiálech.
Behaviorální analýzy
Za účelem zkoumání účinků citlivosti odměny na změny chování vyvolané dietou byla podskupina myší odebrána z HF po čtyřech týdnech expozice a vrácena do domu chow (n = 9 kontrola, n = 8 AFosB). Dvacet čtyři hodin po vysazení byly myši vystaveny testu s otevřeným polem v souladu s naším dříve publikovaným paradigmatem dietního stažení (10). Stručně řečeno, myš byla umístěna do středu přístroje s otevřeným polem a monitorována po dobu pěti minut. Byly změřeny celkové řádkové kříže, fekální byli, čas ve středu a kříže do centra.
Statistika
Všechna data kromě Western blotů byla analyzována pomocí obousměrné ANOVA následované Fisherovým PLSD testem s ošetřením doxycyklinem (exprese AFosB) a dietními podmínkami jako nezávislými proměnnými. U analýz RT-PCR byla použita snížená hodnota P ke korekci vícenásobného srovnání v rámci skupin příbuzných genů (viz doplňkové materiály). Western bloty byly analyzovány pomocí studentova t-testu s léčbou doxycyklinem jako nezávislé proměnné, přičemž byly porovnány optické hustoty ve stejném blotu. Všechna data jsou uvedena jako průměr ± SEM.
výsledky
Základní biochemické rozdíly
Za účelem objasnění molekulárních drah, které jsou základem zvýšené citlivosti odměn u myší s nadměrnou expresí AFosB, byly v NAc zkoumány hladiny několika klíčových signálních molekul. Existoval trend ke zvýšeným hladinám Cdk5 v NAc myší ΔFosB ve srovnání s kontrolními zvířaty žijícími na spolubydlících udržovaných na doxycyklinu (F = 5.1, P = 0.08; obr. 1A). ΔFosB myši exprimovaly významně snížené hladiny pCREB (F = 7.4, P <0.05; obr. 1B), jakož i celkové hladiny CREB (F = 5.4, P = 0.05; obr. 1C). Významné snížení BDNF bylo také pozorováno u NAc myší AFosB (F = 10.6, P <0.05; obr. 1D).
Obrázek 1
Myši nadměrně exprimující AFosB vykazovaly biochemické markery snížené signalizace dopaminu v NAc
Příjem potravy a tělesná hmotnost na dietu s vysokým obsahem tuku
Dále jsme zkoumali účinky přirozeně odměňující se HF stravy na změny v signálních molekulách u myší s nadměrnou expresí ΔFosB. Nebyly zjištěny žádné rozdíly mezi myší ΔFosB a kontrolami v příjmu potravy ani v domě, ani v HF. Došlo však k celkovému snížení kalorického příjmu normalizovaného na tělesnou hmotnost při vystavení HF, které bylo specifické pro myši ΔFosB (F = 11.2, P <0.01; obr. 2A). Na konci šesti týdnů expozice dietě myši, které dostávaly HF, vážily významně více než myši na dietě s chow (F = 17.2, P <0.001) a ΔFosB myši vážily celkově méně než kontroly (F = 5.6, P <0.05; obr. 2B). Tento účinek byl specifický pro rozdíly mezi skupinami na krmné stravě (P <0.05).
Obrázek 2
Nadměrně exprimované myši AFosB nevykazovaly žádné rozdíly v příjmu potravy ani v potravě s krmivem, ani s vysokým obsahem tuku (HF)
Biochemické rozdíly na dietě s vysokým obsahem tuku
Aby se určilo, jak mohou být bazální rozdíly v signalizaci NAc změněny HF dietou, byly u zvířat, které dostávaly šest týdnů HF, zkoumány stejné signální proteiny studované na výchozích hodnotách. V hladinách Cdk5 nebyly žádné významné rozdíly (obr. 3A). Hladiny pCREB a celkového CREB se po šesti týdnech HF již nelišily (Obr. 3B, C). Hladiny BDNF byly signifikantně zvýšeny u AFosB myší po šesti týdnech HF expozice (F = 6.5, P = 0.05; Obr. 3D).
Obrázek 3
Dieta s vysokým obsahem tuku (HF) zlepšila signální rozdíly pozorované u NAc myší s nadměrnou expresí AFosB
Autorádiografie dopaminového receptoru
Použili jsme autoradiografii receptoru k posouzení, zda změny vyvolané ΔFosB v signalizaci dopaminu v NAc souvisejí se změnami v expresi dopaminového receptoru (obr. 4A). Zdá se, že strava s vysokým obsahem tuku mírně zvýšila hustotu vazby dopaminového receptoru Dl (P = 1) a tento rozdíl byl větší u myší AFOSB (obr. 0.14B). Rovněž byl trend směrem ke zvýšení vazebné oblasti D4 po HF (P = 1) a post hoc testování ukázalo, že to je významné u myší AFosB (P <0.06; obr. 0.05C). Na rozdíl od D4 receptorů, žádné změny v hustotě vazby na D1 receptory (kontrolní krmivo = 2 ± 97.6, kontrolní HF = 6.9 ± 101.1, ΔFosB krmivo = 8.2 ± 91.6, ΔFosB HF = 1.0 ± 94.8) nebo vazebná oblast (kontrolní krmivo = 9.5 ± 47.3, kontrolní HF = 3.4 ± 53.8, ΔFosB chow = 6.0 ± 51.9, .3.7FosB HF = 49.0 ± 3.3) byly pozorovány v NAc.
Obrázek 4
Dieta s vysokým obsahem tuku (HF) vedla ke změnám vazby D1 dopaminového receptoru a exprese DARPP-32 v nucleus accumbens (NAc) myší s nadměrnou expresí AFosB
Exprese DARPP-32 v NAc
Hybridizace in situ byla použita ke stanovení úrovní exprese DARPP-32 v NAc (obr. 4D). Dieta s vysokým obsahem tuku významně zvýšila expresi DARPP-32 v této oblasti mozku (F = 5.1, P <0.05) a došlo k významné interakci mezi dietou a expresí ΔFosB (F = 8.9, P <0.05), přičemž myši ΔFosB vykazovaly větší dietou vyvolaná změna (obr. 4E). Základní rozdíl v expresi DARPP-32 mezi kontrolní a myší ΔFosB byl odhalen post hoc testováním (P <0.01), stejně jako významné zvýšení exprese DARPP-32 u myší ΔFosB na HF (P <0.01).
Exprese genu ve VTA
QRT-PCR byla použita k vyhodnocení změn v genové expresi ve VTA se zaměřením na několik klíčových genů dříve zapojených do regulace odměny. Všechny vzorky byly normalizovány na p-aktin. Aby se zajistilo, že exprese β-aktinu nebyla změněna ošetřením, byl proveden samostatný test pro srovnání p-aktinu s druhou vnitřní kontrolou, GAPDH. Nebyly zjištěny žádné významné rozdíly v expresi β-aktinu (hodnoty ΔCT, β-aktin - GAPDH: kontrolní dávka = 2.29 ± 0.21, kontrolní hodnota HF = 2.01 ± 0.04, hodnota osFosB = 2.32 ± 0.49, ΔFosB HF = 2.37 ± 0.10).
Byl pozorován trend interakce mezi expresí ΔFosB a dietní léčbou pro expresi tyrosinhydroxylázy (F = 3.6, P <0.06; obr. 5A). Zdálo se, že šest týdnů expozice HF snižuje expresi tyrosinhydroxylázy u kontrolních myší a zvyšuje expresi u myší AFOSB. Byla pozorována významná interakce mezi expresí ΔFosB a expozicí dietě pro expresi dopaminového transportéru (F = 6.7, P <0.03; obr. 5B). Podobně jako u tyrosinhydroxylázy expozice HF snížila expresi dopaminového transportéru u kontrolních myší a významně zvýšila expresi u myší ΔFosB (P <0.05). Základní rozdíl v expresi dopaminového transportéru mezi kontrolní a ΔFosB myší nedosáhl významnosti (P = 0.16), ale po 6 týdnech HF, ΔFosB myši exprimovaly významně zvýšené hladiny dopaminového transportéru ve srovnání s kontrolami (P <0.05).
Obrázek 5
Expozice s vysokým obsahem tuku (HF) a exprese AFosB vedly ke změnám v expresi řady klíčových molekul ve VTA
Existoval trend indikující účinek zvýšené exprese ΔFosB na snížení hladin TrkB ve VTA (F = 5.7, P <0.04; obr. 5C). Ačkoli nebyly zjištěny žádné hlavní účinky na expresi κ-opioidního receptoru, byl zde trend směrem ke snížené expresi u myší AFOSB (P = 0.08; obr. 5D). Exprese leptinového receptoru byla také stanovena ve VTA. Byl nalezen významný účinek expozice dietě (F = 6.1, P <0.03), přičemž HF významně snižoval hladiny leptinového receptoru ve VTA jak u AFOSB, tak u kontrolních myší (obr. 5E). Rovněž byla zkoumána exprese orexinového receptoru 1 ve VTA. Došlo k významnému účinku stravy na expresi orexinového receptoru (F = 9.0, P <0.02), přičemž myši vystavené HF exprimovaly vyšší hladiny ve VTA (obr. 5F). U myší ΔFosB byl také trend k expresi celkově vyšších úrovní receptoru orexinu 1 v této oblasti mozku (P <0.05).
Exprese orexinu v laterálním hypotalamu
Měřili jsme hladiny orexinu v laterálním hypotalamu, původ orexinergní inervace VTA, in situ hybridizací (obr. 6A). Došlo k významné interakci mezi expresí ΔFosB a expozicí dietě na expresi orexinu (F = 9.1, P <0.01), přičemž HF významně zvyšoval hladiny orexinu u kontrolních myší (P <0.05) a snižoval expresi u myší osFosB (obr. 6B). Ačkoli nebyly zjištěny žádné významné rozdíly v expresi orexinu v bazálním stavu, po 6 týdnech HF, ΔFosB myši exprimovaly významně snížené hladiny orexinu ve srovnání s kontrolami (P <0.05).
Obrázek 6
Dieta s vysokým obsahem tuku (HF) měla rozdílné účinky na expresi orexinu v kontrolních myších (Ctrl) a AFosB.
Behaviorální analýzy
Aby se vyhodnotily změny vzrušení a emocionalita způsobené změnou stravy, byly myši vystaveny testu v otevřeném poli 24 hodin po vysazení vysokofrekvenční stravy (10). Celkové křížení čar, které bylo hodnoceno jako měřítko vzrušení, bylo významně ovlivněno expresí AFosB (F = 6.6, P <0.05) a dietou (F = 4.6, P <0.05; obr. 7A). ΔFosB myši byly v novém prostředí aktivnější než kontroverzní a post hoc testování ukázalo, že myši odebrané z HF byly významně aktivnější než ty, které byly vystaveny chow (P <0.05). Fekální boli byly počítány jako míra chování podobného úzkosti (10). Došlo k hlavnímu účinku exprese AFosB (F = 10.2, P <0.01), přičemž myši s nadměrnou expresí AFosB produkující více fekálních boli v novém prostředí, zejména ve skupinách domácí chow a HF odběru (obr. 7B). ΔFosB myši udržované na HF dietě produkovaly méně fekálních bolů než ty, které byly udržovány na jídle a ty, které byly odebrány 24 hodin před testem. Ukázalo se, že kontrolní myši nebyly ovlivněny dietou. Nebyly zaznamenány žádné významné účinky exprese ΔFosB ani stravy na čas strávený ve středu otevřeného pole (kontrolní krmivo = 14.5 ± 3.1 s, kontrolní HF = 18.0 ± 3.2 s, kontrolní W / D = 15.4 ± 1.9 s, krmivo ΔFosB = 16.9 ± 2.4 s, ΔFosB HF = 13.1 ± 3.9 s, ΔFosB W / D = 19.8 ± 2.6 s).
Obrázek 7
Myši nadměrně exprimující AFosB byly citlivější k účinkům abstinence s vysokým obsahem tuku (HF)
Diskuse
Při léčbě obezity existuje kritická potřeba identifikovat faktory, které ovlivňují náchylnost k přejídání a přibývání na váze. Mozkové cesty hrají důležitou roli v motivaci a reakci na chutné potraviny a dietní změny (6, 10, 15, 16). Vzhledem k tomu, že orexigenní a anorexigenní signály mohou přímo ovlivňovat signalizaci odměny prostřednictvím okruhu hypotalamus-VTA-NAc, může objasnění genů, které reagují na energeticky bohaté stravitelné diety v rámci center odměn, poskytnout nové terapeutické cíle při léčbě obezity (17, 18). Proto jsme zkoumali biochemické a molekulární markery signalizace odměny a energetické bilance v okruhu hypotalamu-VTA-NAc v reakci na HF dietu u myší s nadměrnou expresí AFosB jako modelu zvýšené citlivosti na změny odměn (13, 19, 20) a behaviorální citlivost po vysazení potravy. Předpokládali jsme, že bazální dysregulace dopaminové signalizace u AFosB myší by byla normalizována odměňujícími účinky HF stravy, zahrnující průnik signálů energetické bilance a dopaminového systému.
Pro zkoumání markerů indikujících dysregulaci v signalizaci dopaminu v NAc jsme vyšetřili hladiny receptoru D1 a downstream efektory. Ačkoli nebyly žádné významné rozdíly ve vazbě na receptor D1, \ t existuje tendence k expozici HF, aby se zvýšila vazebná plocha u myší AFosB. To je zajímavé, protože indukce AFosB léky a přirozenými odměnami se jeví jako převládající v podtypu pozitivním na dynorfin středních ostnatých neuronů, které primárně exprimují receptory D1 (9, 21). Hladiny downstream signalizačního cílového cíle pCREB byly signifikantně sníženy u AFosB myší, což podporuje sníženou aktivaci D1 receptoru v této oblasti mozku (22, 23). Zajímavé je, že jsme také zjistili signifikantní snížení celkových hladin CREB u myší s AFosB, což naznačuje další sníženou kapacitu pro transdukci dopaminového signálu, která může být sekundární k zpětné vazbě vyplývající z prodlouženého poklesu pCREB (24). Exprese BDNF je regulována pCREB, je zvýšena aktivací D1 a je důležitým mediátorem neuroplasticity související s odměnou v NAc (25, 26). V souladu s tím jsme zjistili významný pokles BDNF proteinu v NAc myší AFosB.
Všechny střední ostnaté neurony v NAc exprimují DARPP-32 (27). Jeho četné následní efektory dělají tomu životně důležitého hráče v cestách odměny (28), a to bylo zapletené v drogové závislosti a v jiných nepořádkách zahrnovat systém dopaminu včetně afektivních poruch a schizofrenie \ t (27, 29). Zjistili jsme hluboké bazální snížení exprese DARPP-32 v NAc myší AFosB. Exprese DARPP-32 je regulována BDNF, a proto může být snížená exprese přímo spojena se snížením hladin BDNF detekovaných u AFosB myší (27, 29, 30). Dokonce i mírné změny ve fosforylačním stavu DARPP-32 mohou vést k podstatným změnám intracelulární signalizace uvnitř NAc (27). Předchozí studie nezaznamenaly žádnou změnu v proteinu DARPP-32 u myší AFOSB po odstranění 12-wk z doxycyklinu, když bylo provedeno širší striatální hodnocení (31), což naznačuje, že účinky AFosB na DARPP-32 mohou být časově a oblastně specifické.
Předpokládali jsme, že dramatické snížení indexů signalizace dopaminu v NAc myší AFosB pravděpodobně zahrnovalo změny v neuronech pro projekci dopaminových dopaminů VTA, i když AFosB není v těchto neuronech nadměrně exprimován.. Proto jsme zkoumali expresi genů souvisejících s dopaminem ve VTA, včetně tyrosinhydroxylázy a transportéru dopaminu. Hladiny transportéru tyrosinhydroxylázy a dopaminu jsou pozitivně korelovány s výstupem dopaminu. U myší AFosB bylo pozorováno, že vykazují sníženou tyrosinhydroxylázu a významnou redukci dopaminového transportéru v souladu s dysregulací dopaminové signalizace v NAc.. Vzhledem k tomu, že tyto bazální redukce genů souvisejících s dopaminem ve VTA myší AFosB pravděpodobně odráží pozměněnou zpětnou vazbu od NAc během dlouhodobé nadměrné exprese AFosB, jsme zkoumali expresi BDNF receptoru, TrkB, jako možného mechanismu zpětné vazby NAc k VTA (32). Podobně jako transportér tyrosinhydroxylázy a dopaminu, exprese TrkB také vykazovala tendenci být v podstatě redukována u myší AFosB, které nedosáhly významnosti, když byly korigovány pro vícenásobná srovnání. Komplex BDNF-TrkB může být retrográdně transportován a působit uvnitř VTA, aby ovlivnil expresi lokálního genu a podpořil růst a udržování buněk (33). BDNF aktivace presynaptického TrkB uvnitř NAc může přímo stimulovat dopaminovou neurotransmisi (32), což podporuje základní zmenšení dopaminové signalizace u těchto myší.
Aktivace Dynorphinu κ-opioidních receptorů reguluje dopaminovou signalizaci a je dalším mechanismem, kterým NAc poskytuje zpětnou vazbu VTA (34). Zjistili jsme, že exprese κ-opioidního receptoru ve VTA ukázala tendenci ke snížení u myší AFosB. Protože bylo prokázáno, že nadměrná exprese AFosB snižuje expresi dynorfinu v NAc (20), myši AFosB mají pravděpodobně hluboké snížení čisté VTAK-aktivace opioidů. Ačkoli signalizace dynorphinem má obvykle inhibiční účinek na dopaminové neurony (35), potkany, které vykazují zvýšené samopodávání návykových látek, vykazují snížené hladiny dynorphinu v NAc, což ukazuje na úlohu zásadně snížené dynorphinové signalizace při zvyšování citlivosti na odměnu (36) , 37). Dysregulace systému dynorphin - κ-opioid byla spojena se získáváním a přetrváváním zneužívání drog, což podporuje kritickou rovnováhu signalizace opioidů v normalizaci dopaminových drah (38).
Na základě odměny za energeticky hustou stravu HF jsme předpokládali, že dysregulace v signalizaci dopaminu a odměny opioidů u myší AFF by předurčovala tyto myši ke zvýšeným odezvám odměny na takovou dietu, čímž by se systém odměňování normalizoval aktivací hypotalamu. -VTA-NAc obvod. Během šestitýdenní dietní expozice nebyly pozorovány žádné rozdíly v příjmu potravy mezi AFosB a kontrolními myšmi, což naznačuje, že změny nalezené v biochemických a molekulárních markerech signalizace odměny u AFosB myší nebyly způsobeny rozdíly v spotřebovaných kaloriích. Jak se očekávalo, bazální rozdíly zjištěné v pCREB, celkových hladinách CREB, BDNF, DARPP-32 a κ-opioidních receptorech mezi AFosB a kontrolními myšmi byly oslabeny, pravděpodobně v důsledku zvýšeného výstupu dopaminu u AFosB myší na HF (29, 39-41) .
Vyšetření jak tyrosinhydroxylázy, tak dopaminového transportéru ve VTA odhalilo překvapivé protichůdné reakce AFosB a kontrolních myší po HF. Kontrolní myši vykazovaly snížení exprese tyrosinhydroxylázy a dopaminu, zatímco myši AFosB vykazovaly zvýšenou expresi obou těchto genů souvisejících s dopaminem. Je zajímavé, že exprese tyrosinhydroxylázy je změněna ve VTA chronickým podáváním kokainu nebo metamfetaminu (42-44), což naznačuje, že myši AFosB mohou najít přirozenou odměnu HF více výrazné než kontrolní myši.
Za účelem zkoumání, jak potenciální hypotalamický vstup do VTA může být přenos signálů, které odrážejí energetickou bilanci, byla také zkoumána exprese receptoru leptinu a receptoru orexinu-1. Hladiny cirkulujícího leptinu jsou zvýšeny HF a leptin může zase působit na VTA pro změnu dopaminové signalizace (18, 45). Exprese VTA leptinového receptoru byla podobně snížena HF jak u AFosB, tak u kontrolních myší, v souladu s podobným přírůstkem hmotnosti a příjmem potravy, zatímco na HF. Vysoký tuk také zvýšil expresi orexinového receptoru-1 ve VTA jak AFosB, tak kontrolních myší. Orexin aktivuje dopaminové neurony ve VTA, podporuje plasticitu VTA a zvyšuje hladiny dopaminu v NAc (46-48). Bylo prokázáno, že dieta s vysokým obsahem tuku zvyšuje expresi orexinu u myší v souladu s našimi pozorováními (49, 50). Zvýšená exprese receptoru orexinu, stejně jako změny v signalizaci leptinu ve VTA by tak mohly podpořit dietní odměnu jak u AFOSB, tak u kontrolních myší, což by podpořilo disociaci mezi cestami, které přenášejí signály energetické bilance a ty, které jsou přímo vázány na odměnu.
Pro zkoumání stresu vyvolaných účinků stažení odměny byly myši vyšetřeny v otevřeném poli 24 hodin po odstranění HF. Myši AFosB byly citlivější na akutní účinky upřednostňovaného odběru potravy, což ukázalo zvýšenou aktivitu vzrušení a fekální výrobu v nové otevřené aréně ve srovnání se všemi ostatními kontrolními a dietními skupinami. Myši AFosB také vykazovaly v tomto testu zajímavý vzor chování, který naznačuje odezvu a citlivost na stres, přičemž dieta HF zpočátku snižovala fekální hodnoty produkce v porovnání s krmivem a abstinenční příznaky opět zvyšovaly tuto reakci související s úzkostí. Toto pozorované zvýšení aktivity v otevřeném poli nekoreluje se změnami v expresi orexinu, což naznačuje vztah ke vzrušení vyvolanému stresem, které není pouze vlivem změn v signalizaci zprostředkované orexinem. Celkově tyto údaje podporují naši hypotézu, že myši AFosB by byly citlivější na akutní účinky upřednostňovaného odběru stravy z důvodu zvýšené citlivosti na odměnu..
Jak vede dlouhodobá nadměrná exprese AFosB v NAc k takovým změnám v signalizaci chování a odměny? Navrhli jsme model koincidenční detekce VTA, kdy změněná zpětná vazba od NAc a hypotalamu předává signály týkající se stavu odměny, aby se určila regulace dopaminového systému, který může podpořit vazbu mezi dysregulací dráhy odškodnění a predispozicí k obezitě (Obr. 8). Během HF expozice se na vstupu VTA sbíhá více vstupů odrážejících energetickou bilanci i stav odměn. Zvýšení signalizace leptinu a orexinu, jakož i pozměněná zpětná vazba z NAc na laterální hypotalamus může ovlivnit, jak tyto orexigenní signály reagují na HF u myší AFosB (17, 18, 45, 47, 51-53). Zvýšení BDNF vyvolané stravou s vysokým obsahem tuku může poskytnout VTA zpětnou vazbu, což dále podporuje změny genové exprese související s dopaminem.
Obrázek 8
Dieta s vysokým obsahem tuku (HF) normalizuje dysregulovanou signalizaci odměny u myší AFosB
Tyto výsledky vymezují molekulární markery citlivosti na odměnu a ukazují, že dlouhodobá dysregulace dopaminového systému může predisponovat jedince k závislosti a obezitě. Dále tato data představují důležitý krok směrem k určení potenciálních nových terapeutických cílů v léčbě a prevenci obezity a dalších poruch, které se mohou soustředit na systém odměn. V budoucnu bude důležité prozkoumat, jak tento systém reaguje na odstranění HF stravy, a také zkoumat rozdíly mezi pohlavími v citlivosti na odměnu a expozici s vysokým obsahem tuku.
Doplňkový materiál
Supp. Metody
Klikněte zde pro zobrazení. (61K, doc)
Poděkování
Autoři chtějí poděkovat Cathy Steffenové za pomoc při chovu a transferu zvířat. Tato práce byla podpořena grantem Centra diabetické diagnózy University of Pennsylvania (DK019525) a grantů Národního institutu duševního zdraví (R01 MH51399 a P50 MH66172) a Národního institutu pro zneužívání drog (R01 DA07359).
Poznámky pod čarou
Finanční zveřejnění: Všichni autoři prohlašují, že nemají žádné biomedicínské finanční zájmy ani možné střety zájmů.
Reference
1. Wadden TA, Berkowitz RI, Womble LG, Sarwer DB, Phelan S, Cato RK, Hesson LA, Osei SY, Kaplan R, Stunkard AJ. Náhodná studie modifikace životního stylu a farmakoterapie obezity. N Engl J Med. 2005; 353 (20): 2111 – 20. [PubMed]
2. Blendy JA, Strasser A, Walters CL, Perkins KA, Patterson F, Berkowitz R, Lerman C. Snížená odměna za nikotin při obezitě: křížové srovnání u lidí a myší. Psychofarmakologie (Berl) 2005
3. Franken IH, Muris P. Individuální rozdíly v citlivosti na odměny se týkají touhy po potravinách a relativní tělesné hmotnosti u zdravých žen. Chuť. 2005; 45 (2): 198 – 201. [PubMed]
4. Kelley AE, Berridge KC. Neurovědy přirozených odměn: význam pro návykové látky. J Neurosci. 2002; 22 (9): 3306 – 11. [PubMed]
5. Cagniard B, Balsam PD, Brunner D, Zhuang X. Myši s chronicky zvýšeným dopaminem vykazují zvýšenou motivaci, ale ne učení, pro potravinovou odměnu. Neuropsychofarmakologie. 2006; 31 (7): 1362 – 70. [PubMed]
6. Liang NC, Hajnal A, Norgren R. Sham krmení kukuřičného oleje zvyšuje atopens dopamin u potkanů. Am. J. Physiol Regul Integr Comp. Physiol. 2006; 291 (5): R1236 – 9. [PubMed]
7. Mendoza J, Angeles-Castellanos M, Escobar C. Strhování chutným jídlem vyvolává potravinovou předvídatelnou aktivitu a expresi c-Fos v oblastech mozku spojených s odměnou. Neurověda. 2005; 133 (1): 293 – 303. [PubMed]
8. Schroeder BE, Binzak JM, Kelley AE. Běžný profil prefrontální kortikální aktivace po vystavení kontextovým pokynům spojeným s nikotinem nebo čokoládou. Neurověda. 2001; 105 (3): 535 – 45. [PubMed]
9. Nestler EJ, Barrot M, Self DW. DeltaFosB: trvalý molekulární přepínač pro závislost. Proc Natl Acad Sci US A. 2001, 98 (20): 11042 – 6. [PMC volný článek] [PubMed]
10. Teegarden SL, Bale TL. Snížení preferencí ve stravě má za následek zvýšenou emocionalitu a riziko relapsu potravy. Biol Psychiatrie. 2007; 61 (9): 1021 – 9. [PubMed]
11. Olausson P, Jentsch JD, Tronson N, Nestler EJ, Taylor JR. dFosB v Nucleus Accumbens reguluje instrumentální chování a motivaci posilující potraviny. Journal of Neuroscience. 2006; 26 (36): 9196 – 9204. [PubMed]
12. Chen J, Kelz MB, Zeng G, Sakai N, Steffen C, Shockett PE, Picciotto MR, Duman RS, Nestler EJ. Transgenní zvířata s indukovatelnou, cílenou genovou expresí v mozku. Mol Pharmacol. 1998; 54 (3): 495 – 503. [PubMed]
13. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, Steffen C, Zhang YJ, Marotti L, Self DW, Tkatch T, Baranauskas G, Surmeier DJ, Neve RL, Duman RS, Picciotto MR, Nestler EJ. Exprese transkripčního faktoru deltaFosB v mozku řídí citlivost na kokain. Příroda. 1999; 401 (6750): 272 – 6. [PubMed]
14. Bale TL, Dorsa DM. Rozdíly mezi pohlavími a účinky estrogenu na expresi oxytocinového receptoru ribonukleové kyseliny ve ventromediálním hypotalamu. Endokrinologie. 1995; 136 (1): 27 – 32. [PubMed]
15. Avena NM, Long KA, Hoebel BG. Potkani závislí na cukru vykazují zvýšenou reakci na cukr po abstinenci: důkaz deprivace cukru. Physiol Behav. 2005; 84 (3): 359 – 62. [PubMed]
16. Will MJ, Franzblau EB, Kelley AE. Nucleus accumbens mu-opioidy regulují příjem diety s vysokým obsahem tuku prostřednictvím aktivace distribuované sítě mozku. J Neurosci. 2003; 23 (7): 2882 – 8. [PubMed]
17. Zheng H, Patterson LM, Berthoud HR. Signalizace orexinů ve ventrální tegmentální oblasti je nutná pro apetit s vysokým obsahem tuku vyvolaný opioidní stimulací nucleus accumbens. J Neurosci. 2007; 27 (41): 11075 – 82. [PubMed]
18. Hommel JD, Trinko R, Sears RM, Georgescu D, Liu ZW, Gao XB, Thurmon JJ, Marinelli M, DiLeone RJ. Signalizace receptoru leptinu v dopaminových neuronech středního mozku reguluje krmení. Neuron. 2006; 51 (6): 801 – 10. [PubMed]
19. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Nadměrná exprese DeltaFosB specifická pro Striatální buněčný typ zvyšuje motivaci pro kokain. J Neurosci. 2003; 23 (6): 2488 – 93. [PubMed]
20. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, Shaw-Lutchman T, Berton O, Sim-Selley LJ, Dileone RJ, Kumar A, Nestler EJ. Zásadní role DeltaFosB v nucleus accumbens při působení morfinu. Nat Neurosci. 2006; 9 (2): 205 – 11. [PubMed]
21. Lee KW, Kim Y, Kim AM, Helmin K, Nairn AC, Greengard P. Kokainem indukovaná tvorba dendritické páteře u D1 a D2 dopaminového receptoru obsahujícího střední spiny neurony v nucleus accumbens. Proc Natl Acad Sci US A. 2006, 103 (9): 3399 – 404. [PMC volný článek] [PubMed]
22. Blendy JA, Maldonado R. Genetická analýza drogové závislosti: úloha vazebného proteinu cAMP odezvového prvku. J Mol Med. 1998; 76 (2): 104 – 10. [PubMed]
23. Nestler EJ. Molekulární mechanismy drogové závislosti. Neurofarmakologie. 2004; 47 1: 24 – 32. [PubMed]
24. Tanis KQ, Duman RS, Newton SS. Vazba a aktivita CREB v mozku: regionální specifičnost a indukce elektrokonvulzivním záchvatem. Biol Psychiatrie. 2007
25. Kumar A, Choi KH, Renthal W, Tsankova NM, Theobald DE, Truong HT, Russo SJ, Laplant Q, Sasaki TS, Whistler KN, Neve RL, Self DW, Nestler EJ. Remodelace chromatinu je klíčovým mechanismem, který je základem plasticity vyvolané kokainem ve striatu. Neuron. 2005; 48 (2): 303 – 14. [PubMed]
26. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, Dileone RJ, Rios M, Self DW. Dynamická aktivita BDNF v nucleus accumbens s užíváním kokainu zvyšuje vlastní podávání a relaps. Nat Neurosci. 2007; 10 (8): 1029 – 37. [PubMed]
27. Svenningsson P, Nairn AC, Greengard P. DARPP-32 zprostředkovává akce více drog zneužívání. Aaps J. 2005, 7 (2): E353 – 60. [PMC volný článek] [PubMed]
28. Palmer AA, Verbitsky M, Suresh R, Kamens HM, Reed CL, Li N, Burkhart-Kasch S, McKinnon CS, Belknap JK, Gilliam TC, Phillips TJ. Rozdíly genové exprese u myší divergentně vybraných pro metamfetaminovou citlivost. Mamm Genome. 2005; 16 (5): 291 – 305. [PubMed]
29. Bogush A, Pedrini S, Pelta-Heller J, Chan T, Yang Q, Mao Z, Sluzas E, Gieringer T, Ehrlich ME. AKT a CDK5 / p35 zprostředkovávají indukci DARPP-32 vyvolanou neurotrofickým faktorem v mozku in vitro u středně velkých spinálních neuronů. J. Biol. Chem. 2007; 282 (10): 7352 – 9. [PubMed]
30. Benavides DR, Bibb JA. Role Cdk5 v užívání drog a plasticitě. Ann NY Acad Sci. 2004; 1025: 335 – 44. [PubMed]
31. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, Yan Z, Sagawa ZK, Ouimet CC, Nairn AC, Nestler EJ, Greengard P. Účinky chronické expozice kokainu jsou regulovány neuronálním proteinem Cdk5. Příroda. 2001; 410 (6826): 376 – 80. [PubMed]
32. Blochl A, Sirrenberg C. Neurotrofiny stimulují uvolňování dopaminu z krysích mesencefalických neuronů prostřednictvím receptorů Trk a p75Lntr. J. Biol. Chem. 1996; 271 (35): 21100 – 7. [PubMed]
33. Berton O, McClung CA, Dileone RJ, Krishnan V, Renthal W, Russo SJ, Graham D, Tsankova NM, Bolanos CA, Rios M, Monteggia LM, Self DW, Nestler EJ. Základní úloha BDNF v mezolimbické dopaminové dráze v sociálním porážkovém stresu. Věda. 2006; 311 (5762): 864 – 8. [PubMed]
34. Nestler EJ, Carlezon WA., Jr Mezolimbický dopaminový odměňovací okruh v depresi. Biol Psychiatrie. 2006; 59 (12): 1151 – 9. [PubMed]
35. Ford CP, Beckstead MJ, Williams JT. Kapa opioidní inhibice postsynaptických proudů somatodendritických inhibitorů dopaminu. J. Neurophysiol. 2007; 97 (1): 883 – 91. [PubMed]
36. Nylander I, Vlaskovska M, Terenius L. Systémy dynorfinu mozku a enkefalinu u krys Fischer a Lewis: účinky tolerance morfinu a abstinence. Brain Res. 1995; 683 (1): 25 – 35. [PubMed]
37. Nylander I, Hyytia P, Forsander O, Terenius L. Rozdíly mezi alkoholem preferujícími (AA) a alkoholem vylučujícími (ANA) krysy v systémech prodynorphinu a proenkephalinu. Alcohol Clin Exp Res. 1994; 18 (5): 1272 – 9. [PubMed]
38. Kreek MJ. Kokain, dopamin a endogenní opioidní systém. J Addict Dis. 1996; 15 (4): 73 – 96. [PubMed]
39. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. Mnoho tváří CREB. Trendy Neurosci. 2005; 28 (8): 436 – 45. [PubMed]
40. Dudman JT, Eaton ME, Rajadhyaksha A, Macias W, Taher M, Barczak A, Kameyama K, Huganir R, Konradi C. Dopaminové receptory D1 zprostředkovávají fosforylaci CREB fosforylací NMDA receptoru na Ser897-NR1. J Neurochem. 2003; 87 (4): 922 – 34. [PubMed]
41. Vlastní DW. Regulace užívání léků a hledání chování neuroadaptací v mesolimbickém dopaminovém systému. Neurofarmakologie. 2004; 47 1: 242 – 55. [PubMed]
42. Beitner-Johnson D, Nestler EJ. Morfin a kokain mají společné chronické účinky na tyrosinhydroxylázu v oblastech dopaminergního odměňování mozku. J Neurochem. 1991; 57 (1): 344 – 7. [PubMed]
43. Lu L, Grimm JW, Shaham Y, Hope BT. Molekulární neuroadaptace v akumulaci a ventrální tegmentální oblasti během prvních 90 dnů nucené abstinence od kokainového podání u potkanů. J Neurochem. 2003; 85 (6): 1604 – 13. [PubMed]
44. Shepard JD, Chuang DT, Shaham Y, Morales M. Vliv samosprávy metamfetaminu na hladiny tyrosinhydroxylázy a dopaminu v mesolimbických a nigrostriatálních dopaminových drahách potkanů. Psychofarmakologie (Berl) 2006, 185 (4): 505 – 13.
45. Fulton S, Pissios P, Manchon RP, Stiles L, Frank L, Pothos EN, Maratos-Flier E, Flier JS. Leptinová regulace mezoaccumbens dopaminové dráhy. Neuron. 2006; 51 (6): 811 – 22. [PubMed]
46. Narita M, Nagumo Y, Miyatake M, Ikegami D, Kurahashi K, Suzuki T. Implikace protein kinázy C v orexinem indukovaném zvýšení extracelulárních hladin dopaminu a jeho odměňování. Eur J Neurosci. 2007; 25 (5): 1537 – 45. [PubMed]
47. Narita M., Nagumo Y, Hashimoto S., Khotib J, Miyatake M., Sakurai T, Yanagisawa M., Nakamachi T, Shioda S, Suzuki T. Přímé zapojení orexinergních systémů do aktivace mezolimbické dopaminové cesty a souvisejících chování vyvolaných morfinem. J Neurosci. 2006; 26 (2): 398 – 405. [PubMed]
48. Borgland SL, Taha SA, Sarti F, Fields HL, Bonci A. Orexin A ve VTA je kritický pro indukci synaptické plasticity a behaviorální senzibilizace na kokain. Neuron. 2006; 49 (4): 589 – 601. [PubMed]
49. Park ES, Yi SJ, Kim JS, Lee HS, Lee IS, Seong JK, Jin HK, Yoon YS. Změny v expresi orexinu-A a neuropeptidu Y v hypotalamu potkanů krmených nalačno a s vysokým obsahem tuku. J Vet Sci. 2004; 5 (4): 295 – 302. [PubMed]
50. Wortley KE, Chang GQ, Davydova Z, Leibowitz SF. Peptidy, které regulují příjem potravy: exprese genů orexinu je zvýšena během stavů hypertriglyceridemie. Am. J. Physiol Regul Integr Comp. Physiol. 2003; 284 (6): R1454 – 65. [PubMed]
51. Zheng H, Corkern M, Stoyanova I, Patterson LM, Tian R, Berthoud HR. Peptidy, které regulují příjem potravy: manipulace s jídlem indukující akumulace aktivuje hypotalamické orexinové neurony a inhibuje POMC neurony. Am. J. Physiol Regul Integr Comp. Physiol. 2003; 284 (6): R1436 – 44. [PubMed]
52. Baldo BA, Gual-Bonilla L, Sijapati K, Daniel RA, Landry CF, Kelley AE. Aktivace subpopulace hypotalamických neuronů obsahujících orexin / hypokretin pomocí inhibice jádra accumbens, zprostředkované receptorem GABAA, ale ne vystavením novému prostředí. Eur J Neurosci. 2004; 19 (2): 376 – 86. [PubMed]
53. Harris GC, Wimmer M, Aston-Jones G. Úloha pro laterální hypotalamické orexinové neurony v hledání odměny. Příroda. 2005; 437 (7058): 556 – 9. [PubMed]
;
