Zvrat dysfunkce dopamínového systému v reakci na dietu s vysokým obsahem tuku (2013)

Abstraktní

Úvod

Nadměrná spotřeba široce dostupného kalorického jídla je považována za hlavní faktor přispívající k vysoké míře obezity v USA (1). Protože chutná jídla jsou často konzumována poté, co byly splněny energetické požadavky, prospěšné vlastnosti chutných potravin mohou potlačit signály homeostatické sytosti. Mnoho neurotransmiterů hraje roli v chování při krmení (např. Opioidy, dopamin, GABA, serotonin) a také při integraci periferních nutričních signálů (např. Leptin, inzulín, ghrelin). Dopaminová signalizace je klíčovým mediátorem jak při odměňování potravin, tak při hledání odměn, protože dopamin v mezolimbické / mezokortikální oblasti je spojován s prospěšnými vlastnostmi jídla, sexu a drogových závislostí (2). Akutně chutné jídlo způsobí výbuch dopaminu v centrálním systému odměn (3,4). Při chronické spotřebě odměnujících potravin může zvýšené uvolňování dopaminu v průběhu času vést k úpravám, které jsou spojeny s hypofunkcí odměny.

Několik řádků důkazů podporuje hypotézu o změně funkce dopaminu u obezity. Lidské zobrazovací studie odhalily otupenou aktivaci v oblastech odměňování obézních pacientů při pití vysoce chutného roztoku (mléčný koktejl) (5). Snížená odpověď na odměnu byla spojena s nižší dostupností D2 receptoru dopaminu v mozku. Ve skutečnosti byly mutace v lidském dopaminovém D2 receptoru spojeny s obezitou i závislostí (6). Obsah dopaminu v synapse je z velké části řízen absorpcí dopaminového transportéru (DAT). Hladiny dopaminového transportéru jsou negativně korelovány s indexem tělesné hmotnosti a genetické varianty DAT jsou také spojeny s obezitou (7,8). Zvířecí modely obezity prokázaly pokles bazální extracelulární dopaminu a sníženou neurotransmise dopaminu v nucleus accumbens a ventrální tegmentální oblasti (9,10,11). Snížení genů souvisejících s dopaminem po dietě s vysokým obsahem tuku (HF) naznačuje sníženou signalizaci v oblastech odměňování (12, 13,14,15). Toto snížení aktivity dopaminu po chronické stravě s vysokým obsahem tuků může snížit citlivost na přirozené přínosy a usnadnit pokračující nadměrnou spotřebu a další přírůstek hmotnosti.

Raný život je kritickým obdobím vývoje mozku a rané výživové prostředí může ovlivnit mozkové dráhy, které řídí příjem potravy a metabolismus energie. Včasné vystavení myší dietě s vysokým obsahem tuku po dobu pouhých jednoho týdne změnilo kalorický příjem dospělých a expresi signálních molekul souvisejících s dopaminem (16). Dále, časná postnatální výživa u myší, vedená malým počtem vrhu během laktace, predisponuje potomstvo k obezitě v dospělosti změnou hypothalamického vývoje (17). I když je zřejmé, že výživa v raném věku může ovlivnit vývoj mozku a riziko obezity, o relativní stálosti těchto změn po celou dobu života je známo jen málo. Kromě toho byly předchozí studie provedeny na samcích zvířat, ale v této souvislosti byly samice jen zřídka studovány. Za tímto účelem byly samce i samice myší studovány na změny v genové expresi a metabolismu dopaminu poté, co byly v raném životě obézní chronickou konzumací HF stravy od narození do 8 týdnů věku. Dopaminový systém byl také hodnocen 4 týdny po odstranění HF stravy, aby se zjistilo, zda změny přetrvávaly nebo se zvrátily.

Metody a postupy

výsledky

Myši měly nepřetržitý přístup ke kontrolní stravě (kontrola) nebo 60% stravě s vysokým obsahem tuku (HFD) až do věku 12 týdnů. Ve věku 12 týdnů byla polovina zvířat krmených HF umístěna na domácí krmivo na 4 týdny (zotavení HF +). U mužů i žen byla zvířata s HFD (kruhy) těžší než kontroly začínající ve věku 9 týdnů (p <05) a zůstala těžší než kontroly po celou dobu zotavení (Doplňkový obrázek 1).

Byly provedeny preferenční testy sacharózy a sacharinu, aby se vyhodnotila reakce zvířat na přirozené a nepotravinové odměňující stimuly. Preferovaná sacharóza, ale nikoli sacharinová preference, byla změněna po expozici HF dietě a po obnovení HFD u mužů a žen se vrátila k normálním hodnotám. Jednosměrná ANOVA odhalila, že preference sacharózy byla významně snížena u mužů (Obr. 1A) a směřovaly k poklesu počtu žen (Obr. 1B) po expozici HFD (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06, v daném pořadí). Po odstranění HFD se toto chování normalizovalo a preference sacharózy se již nelišila od kontrol. Preference sacharidů nebyla změněna ani u mužů (Obr. 1C) nebo ženy (Obr. 1D) v důsledku expozice HFD.

 

Obrázek 1

Preferovaná sacharóza, ale nikoli sacharinová preference, se změní po expozici dietě s vysokým obsahem tuků (HFD) a po obnovení HFD u mužů a žen se vrátí na kontrolní úroveň

Protože dopamin je klíčovým regulátorem odměnového chování, byla exprese genu souvisejícího s dopaminem zkoumána v rámci okruhu odměňování oddělené kohorty mužů a žen po 12 týdnech na HFD a v další skupině po 4 týdnech zotavení z HFD. Tabulka 1 shrnuje vzorce genové exprese a statistickou analýzu ve VTA, PFC a NAc. Ve VTA byly měřeny tři geny důležité pro regulaci hladin dopaminu na synaptických terminálech: katecholaminová methyltransferáza (COMT) zapojená do inaktivace katecholaminových neurotransmiterů; dopaminový transportér (DAT), membránová rozpínací pumpa, která čistí dopamin ze synapse, a tyrosinhydroxyláza (TH), enzym omezující rychlost syntézy dopaminu. Hodnoty změn záhybu pro každou skupinu byly stanoveny za použití starých kontrol (např. Oba kontrolní časové body jsou nastaveny na 1 a pro přehlednost je na grafu zobrazena pouze kontrola pro HFD). Studentův t-test (n = 5 / skupina) odhalil u samců VTA, že COMT, DAT a TH mRNA byly významně sníženy expozicí HFD (Obr. 2A) a vrátil se nebo překročil kontrolní úrovně po období zotavení mimo stravu (HF + zotavení).

 

Obrázek 2

Chronická dieta s vysokým obsahem tuků (HFD) a zotavení po HFD mění expresi genů souvisejících s dopaminem u mužů a žen

 

Tabulka 1

Shrnutí genů a statistika u mužů

V PFC a NAC byly zkoumány geny důležité pro signalizaci dopaminu a přeměnu dopaminu (n = 5 / skupina): COMT; proteinová fosfatáza 1 regulační podjednotka 1B (DARPP-32), signální protein downstream regulovaný stimulací receptoru; dopaminový receptor D1 (DRD1), postsynaptický receptor spojený s G-proteinem, který stimuluje adenylylcyklázu; a dopaminový receptor D2 (DRD2), postsynaptický receptor spojený s G-proteinem, který inhibuje adenylylcyklázu. V samci PFC (Obr. 2B), DARPP-32 byl zvýšen, zatímco DRD1 a DRD2 byly po expozici HFD sníženy a tyto změny přetrvávaly i po odstranění HFD (ačkoli zvýšení mRNA DARPP-32 nebylo statisticky spolehlivé). V samci NAC (Obr. 2C), COMT, DRD1 a DRD2 byly sníženy expozicí HFD a po odstranění HFD zůstaly pod kontrolními hladinami. Hladiny DARPP-32 byly zvýšeny pomocí HFD, ale významně se snížily od kontrol po 4 týdnech mimo HFD.

U samic myší byly vyšetřeny stejné mozkové oblasti a geny (n = 5 / skupina). Jak je uvedeno v Tabulka 2byly pozorovány významné rozdíly ve struktuře genové exprese v odezvě na HFD, jakož i na zotavení ze stravy. Podobně jako muži, ve VTA byly hladiny mRNA COMT a TH po expozici HFD významně sníženy (Obr. 2D). Na rozdíl od mužů však tyto změny přetrvávaly i po odstranění HFD. Dále, v přímé opozici vůči vzoru pozorovanému u mužů, expozice HFD zvýšila expresi DAT mRNA ve VTA u žen a po odstranění hladin HFD byly dokonce nižší než kontroly odpovídající věku. V PFC byl chronický HFD ovlivněn pouze DARPP-32, s významným zvýšením hladin mRNA po 12 týdnu HFD a návratem k kontrolním hladinám po odstranění HFD. Jak mRNA COMT, tak D1R byly významně sníženy po 4 týdnech od HFD. U žen NAC, COMT, DRD1 a DRD2 byly po expozici HFD sníženy (Obr. 2F). DRD1 a DRD2 se po odstranění stravy zotavily do kontrolních hladin, zatímco COMT zůstaly hladiny po obnovení 4wk významně sníženy.

 

Tabulka 2

Souhrn genové exprese a statistika u žen

Vzhledem ke stálému snížení genové exprese pro regulující geny dopaminu ve VTA byly metabolity dopaminu a dopaminu kvantifikovány v regionech, které dostávají projekce z VTA, PFC a NAC. Obrázek 3 ukazuje dopamin (DA) a metabolit dopaminu (DOPAC) z PFC a NAC u mužů (Obr. 3A, 3C) a žen (Obr. 3B, 3D). U mužů způsobila expozice HFD snížení hladin dopaminu v PFC (Obr. 3A) a NAC (Obr. 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), který se zotavil po odstranění HFD pouze v NAC. Obrat dopaminu (poměr DOPAC: DA) se zvýšil u mužského PFC (F (2,12) = 3.85, p <05) a NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Naproti tomu byl účinek HFD na DA a DOPAC u žen kvalitativně odlišný než u mužů. V PFC neovlivňoval HFD hladiny DA ani DOPAC. V NAc byly hladiny DA sníženy u zvířat krmených HFD a zůstaly sníženy i po odstranění HFD (Obr. 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). Hladiny DOPAC se nezměnily v NAc žen, což mělo za následek zvýšení obratu DA (poměr DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <01).

 

Obrázek 3

Snížení hladin dopaminu v PFC a NAC po HFD od narození a smíšené zotavení po odstranění HFD

Vzhledem k tomu, že transkripci DAT lze regulovat rozdílnou methylací DNA a pozorováním výrazného rozdílu pohlaví v expresi DAT ve VTA, byla zkoumána methylace DNA v promotorové oblasti DAT. v Obrázek 4A, 4C Exprese genu DAT ve VTA je znovu uvedena pro přehlednost (převzata z Obr. 2A a 2D). U mužů byla významně zvýšena methylace DAT promotoru (Obr. 4B) po HFD a vrátili se na kontrolní úrovně u mužů s HFD + zotavením (F (2,11) = 23.64, p <01). U žen methylace promotoru DAT směřovala k poklesu u zvířat s HFD (D) a byla významně snížena u samic s HFD + zotavením (obr. 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

 

Obrázek 4

Změny ve stavu methylace DNA DAT promotoru paralelně mění expresi genu ve VTA

Aby bylo možné posoudit, zda odstranění HFD v období zotavení bylo stresorem, byly kontrolní hladiny základní plazmatické hladiny kortikostonu (ug / dl) odebrány jako kontrola, HFD exponované (12 týdny), HFD + 1wk zotavovací skupiny a HFD + 4wk zotavovací skupiny (n = 5 /skupina, Doplňkový obrázek 2). Jednosměrná ANOVA neodhalila žádné významné rozdíly mezi skupinami u samců (F (3,16) = 3.21, ns).

Diskuse

Chronická konzumace stravy s vysokým obsahem tuku (HFD), která byla zahájena v raném životě, byla použita pro stanovení obezity u myší vyvolané dietou. Myši vykazovaly sníženou preferenci sacharózy a známky sníženého dopaminergního tónu v oblastech odměňování mozku. Po 4 týdnech mimo HFD byla preferována sacharóza normalizovaná u mužů i žen, nicméně některé změny exprese genu pro dopamin přetrvávaly. Tyto experimenty poskytují důležitá nová data popisující účinek chronické HFD na systém odměňování mozku, zdůrazňující schopnost zotavení a klíčové rozdíly v pohlaví mezi samci a samice myší.

U zvířat krmených HFD byla pozorována snížená preference sacharózy, která se po zotavení zvrátila. Tato zjištění rozšiřují naši předchozí zprávu o příjmu HFD snižující preference sacharózy (23) prokázáním, že k tomu může dojít s kratší dobou expozice HFD (12 týdny versus 22 týdny), a co je důležité, že odpověď se obnoví v nepřítomnosti HFD. Samice myší vykazovaly stejné vzorce odezvy jako samci. Tato zjištění jsou v souladu s ostatními v literatuře, která ukázala začleněním párové krmené skupiny, že chronická HFD, a nikoli obezita sama o sobě, utlumí odpověď na sacharózu v operativním úkolu (24). Podobně se v současné studii preference sacharózy obnovila po 4 týdnech od HFD, zatímco tělesná hmotnost zůstala významně zvýšená, což podporuje závěr, že snížená preference sacharózy byla poháněna expozicí HFD a nikoli průvodním přírůstkem tělesné hmotnosti. Obzvláště zajímavé bylo, že nedošlo k žádné změně v preferenci sacharidů. To může naznačovat, že chronická HFD odlišně ovlivňuje reakci na kalorické a nekalorické sladké odměny. Ukázalo se, že postgestivní účinky ovlivňují preferenci nezávisle na chutnosti, protože se ukázalo, že příjem sacharózy indukuje uvolňování dopaminu u myší se „sladkým slepým“ knockoutovým receptorem (25), nutriční hodnota je vyžadována pro odměnu a posílení (26) a metabolické snímací cesty nezávislé na chuti byly definovány v drosophila (27). Sacharin je významně sladší než sacharóza, takže bylo vynaloženo úsilí na stanovení rovnocennosti sladkosti (obvykle 4 – 10x vyšší koncentrace sacharózy (26)), nicméně celková preference pro sacharin byla nižší než u sacharózy u těchto zvířat. Proto může být alternativním vysvětlením, že HFD odlišně ovlivňovala preferenci sacharózy, protože to bylo relativně prospěšnější než sacharin (odměna s vysokou hodnotou proti nízké hodnotě), ačkoli zvířata stále vykazovala silnou preferenci pro sacharin (~ 75 – 80% prefence pro sacharin ve srovnání s sacharinem ve srovnání až ~ 85 – 90% preferencí pro sacharózu).

Celkově byla exprese dopaminergních genů ve VTA, NAc a PFC snížena u samců myší po chronické HFD. Tato zjištění jsou v souladu s jinými studiemi, které pozorovaly pokles genů souvisejících s dopaminem v reakci na HFD (12,13,15). Ve zobrazovacích studiích na lidech byly pozorovány poklesy exprese a funkce receptoru dopaminu D2 (5, 28) a modely obezity hlodavců (14, 29). Snížená signalizace dopaminem snižuje citlivost na přirozené výhody, a proto může usnadnit pokračující nadměrnou spotřebu chutných potravin a další přírůstek hmotnosti (30,31). Dále je známo, že přerušená homeostáza dopaminu řízená sníženou povrchovou expresí DAT způsobuje zvýšený příjem stravy s vysokým obsahem tuků (32). Výjimka z tohoto vzorce byla pozorována u DARPP-32, dopaminem a cyklickým AMP-regulovaným fosfoproteinem, který se zvýšil po HFD v NAc a PFC. DARPP-32 hraje klíčovou roli při integraci různých biochemických a behaviorálních reakcí řízených dopaminem. Je možné, že upregulace DARPP-32 byla kompenzační v reakci na chronickou down-regulaci D1R. V podobném modelu (12 wk HFD u myší) se ukázalo, že D1R down regulace byla doprovázena zvýšením fosforylace DARPP-32 v NAc (33).

Jen málo studií zkoumalo schopnost obnovy těchto změn po odstranění HFD. Ve dvou posledních zprávách však změny genové exprese a defekty systému odměn přetrvávaly i po krátké době stažení (14 – 18d) (13, 14). Naproti tomu studie u obézních pacientů před a po operaci žaludečního bypassu prokázaly zvrat dopaminergních změn po delším období hubnutí (34). U mužů se způsob zotavení lišil podle oblasti mozku. Ve VTA byly pozorované poklesy COMT, DAT a TH normalizovány s odstraněním HFD. Naproti tomu všechny změny genové exprese pozorované v NAc a PFC nebyly normalizovány. V současné studii vedla chronická HFD k významnému nárůstu hmotnosti a po 4 týdnech mimo stravu byla zvířata stále výrazně těžší než kontroly. Následné metabolické a hormonální změny, které provázejí obezitu (např. Zvýšený leptin, zvýšené adipokiny), byly pravděpodobně stále přítomny v 4 týdnech mimo stravu. Proto změny genové exprese, které se normalizovaly (např. Ve VTA), mohly být primárně poháněny HFD, zatímco ty, které byly udržovány (v NAc a PFC), mohou být pevněji spojeny s obezitou. Udržování hubnutí dietou je charakteristicky nízké (u 67% (35) do 80% (36) u pacientů, kteří znovu ztratili hubnutí). Tato přetrvávání změn genové exprese v oblastech odměňování by mohla být důležitá pro částečné vysvětlení tohoto běžného výskytu. Je také důležité poznamenat, že pozorované změny chování a genové exprese nejsou pravděpodobně způsobeny stresem spojeným se změnou stravy, protože nedošlo k žádným významným změnám bazálních plazmatických hladin kortikosteronu na HFD nebo po zotavení 1wk nebo 4wk.

Byly odhaleny zajímavé rozdíly v pohlaví, a to jak v odpovědi na chronickou HFD, tak v reakci na odstranění stravy. Samice byly podobné mužům v tom, že vykazovaly celkové snížení genů souvisejících s dopaminem, které by předpovídaly pokles aktivity DA, zejména u VTA a NAc. Jeden pozoruhodný rozdíl v pohlaví byl nárůst exprese DAT mRNA v ženské VTA po HFD. Tento rozdíl v genové expresi, spojený s podobným snížením exprese TH genu u obou pohlaví, by naznačoval významné rozdíly v neurotransmisi dopaminu v NAc, a to jak na konci expozice HFD, tak i po období zotavení. Větší uznání funkčního významu těchto rozdílů je důležitým zaměřením budoucího výzkumu.

Navíc, zatímco poklesy COMT a TH se zotavovaly v samčím VTA, tyto poklesy přetrvávaly u žen po 4-týdnu mimo HFD. Ještě je třeba určit, zda by se tyto rozdíly zvrátily s delším časem mimo stravu, podporuje však závěr, že ženy se zotavují, přinejmenším pomaleji, pokud se vůbec zotaví. Dále, změny genové exprese D1R a D2R v NAc a PFC byly mezi muži a ženami zcela odlišné. U mužů došlo k obecnému snížení genové exprese v obou regionech, které po odstranění stravy převážně přetrvávaly. U žen byly D1R a D2R v NAc sníženy a poté obnoveny, ale nebyl pozorován žádný účinek HFD na dopaminové receptory v PFC. V současných studiích byla samice zvířat utracena, aniž by byla zahrnuta etapa stádia. I když je známo, že některé z pozorovaných koncových bodů se v rámci estrusového cyklu liší, samice v této studii neprokázaly zvýšenou odchylku v koncových bodech, zejména ve srovnání s účinkem manipulace se stravou.

Pro doplnění zjištění genové exprese byl dopamin měřen v primárních projekčních oblastech VTA, konkrétně v PFC a NAc. Hladiny dopaminu měly tendenci k paralelním změnám pozorovaným v TH mRNA ve VTA. U NAc mužů i žen hladiny DA poklesly v reakci na HFD stravu; odpověď, která se zotavila u mužů, ale nikoli u žen. V PFC byly hladiny dopaminu také sníženy pomocí HFD, avšak v PFC nedošlo ke zotavení ze stravy. Navíc ženy měly nižší hladinu dopaminu v prefrontální kůře než muži. Sexuální rozdíly v expresi a funkci DAT jsou v literatuře dobře známy, přičemž ženy projevují zvýšenou expresi DAT (37) a funkce (38) a tyto rozdíly mohou přispět k rozdílným výchozím hladinám dopaminu mezi muži a ženami. Zkoumání poměru DOPAC: DA je také informativní. Zvýšení tohoto poměru mohlo odrážet kompenzační reakci vyvolanou poklesem DA. Dlouhodobý funkční význam těchto změn metabolismu dopaminu by byl osvětlen měřením změn uvolňování dopaminu pomocí in vivo mikrodialýzou.

Tato data navíc identifikují dynamickou regulaci methylace DNA v promotoru genu DAT, zejména u mužů. Nedávno jsme prokázali, že exprese DAT může být dynamicky regulována diferenciální methylací DNA v reakci na HFD (12) a že zvýšená methylace DAT promotoru koreluje se snížením genové exprese. Zde identifikujeme plasticitu této reakce, protože zvýšená methylace DNA (a snížená exprese mRNA) pozorovaná u mužů se obrátí po odstranění HFD. Regulace epigenetických genů, například prostřednictvím změn v methylaci DNA, představuje cestu, kterou se organismy mohou snadno přizpůsobit environmentálním výzvám. Epigenetické značky lze udržovat po celou dobu životnosti (39) a v kultivovaných embryonálních kmenových buňkách byly pozorovány jak reverzibilní, tak perzistentní vzorce diferenciální methylace DNA v reakci na měnící se podmínky prostředí40). Tato data jsou první, která prokáží in vivo dynamický vzorec methylace, který se mění s přítomností nebo nepřítomností environmentální výzvy. Bylo pozoruhodné, že stejný vzorec nebyl pozorován u žen. Zatímco počáteční odpověď na HFD byla podle předpovědi (snížená methylace DNA, která vedla ke zvýšené expresi genů), tento vzorec nebyl udržován po celou dobu zotavení. To naznačuje, že během čtyř týdnů od HFD může dojít k oddělení methylace DNA a exprese genu, nebo to může naznačovat, že mRNA DAT je u žen regulována jinými prostředky.

U mužů je preferencí sacharózy, DA související genová exprese ve VTA a dopamin v NAc důsledná struktura potlačení v reakci na chronickou HFD, která se zotaví po odstranění stravy. Je zajímavé, že zatímco behaviorální reakce na sacharózu jsou u žen podobné, jak genová expresní struktura, tak hladiny NAc dopaminu, vykazují po odstranění HFD nedostatek zotavení. Chování související s odměnou je jasně ovlivněno dalšími neurotransmiterovými systémy, jako jsou opioidy, a možná u žen je behaviorální reakce na sacharózu silněji spojena se změnami v opioidech. Celkově současné údaje naznačují, že rozdíly v pohlaví jak v počáteční odpovědi na HFD, tak i na zotavení po odstranění HFD, s ohledem na expresi genů souvisejících s dopaminem, představují důležitý směr pro budoucí výzkum zaměřený na to, jak chronická konzumace HFD ovlivňuje systém odměňování mozku. Tyto údaje zejména identifikují významnou plasticitu v dopaminergní odpovědi na HFD, což naznačuje, že zatímco nepříznivé účinky chronické spotřeby HFD a / nebo obezity jsou významné, existuje potenciál pro zotavení.

Doplňkový materiál

Poděkování

Poznámky pod čarou

Reference