Biol Psychiatrie. 2008 Dez 1; 64 (11): 941-50. Epub 2008 Juli 26.
Teegarden SL, Nestler EJ, Ballen TL.
Quelle
Abteilung für Tierbiologie, Universität von Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104-6046, USA.
Abstrakt
HINTERGRUND:
Die Empfänglichkeit für Belohnung wurde als prädisponierender Faktor für Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Drogenmissbrauch sowie übermäßiges Essen in Verbindung gebracht. Die zugrunde liegenden Mechanismen, die zur Belohnungssensitivität beitragen, sind jedoch unbekannt. Wir stellten die Hypothese auf, dass eine Dysregulation in der Dopamin-Signalübertragung eine Ursache für eine erhöhte Belohnungssensitivität sein könnte, wobei lohnende Stimuli das System normalisieren könnten.
METHODEN:
Wir verwendeten ein genetisches Mausmodell mit erhöhter Belohnungssensitivität, die Delta FosB-überexprimierende Maus, um Änderungen des Belohnungswegs als Reaktion auf eine wohlschmeckende fettreiche Diät zu untersuchen. Marker der Belohnungssignalisierung in diesen Mäusen wurden sowohl basal als auch nach 6 Wochen einer schmackhaften Diät-Exposition untersucht. Die Mäuse wurden in einem Verhaltenstest untersucht, der auf die Entnahme von fettreichen Nahrungsmitteln folgte, um die Anfälligkeit dieses Modells für die Entfernung von Belohnungsreizen zu bewerten.
ERGEBNISSE:
Unsere Ergebnisse zeigen eine veränderte Aktivierung des Belohnungswegs entlang der Nucleus accumbens-hypothalamisch-ventralen Tegmental Area Schaltung, die aus der Überexpression von Delta FosB im Nucleus accumbens und Striatum resultiert. Mengen an phosphoryliertem cyclischen Adenosinmonophosphat (cAMP) -Reaktionselement-Bindungsprotein (pCREB), Gehirn-abgeleiteten neurotrophischen Faktor (BDNF), und Dopamin und cyclisches Adenosinmonophosphat-reguliertes Phosphoprotein mit einer Molekularmasse von 32 kDa (DARPP-32) im Nucleus accumbens waren in Delta FosB-Mäusen reduziert, was auf eine verminderte Dopamin-Signalisierung hindeutet. Eine sechswöchige fettreiche Ernährungsexposition verbesserte diese Unterschiede vollständig und offenbarte die potente Belohnungskapazität einer schmackhaften Ernährung. Delta-FosB-Mäuse zeigten auch einen signifikanten Anstieg der lokomotorischen Aktivität und der angstbedingten Reaktionen 24 Stunden nach dem Absetzen von hohem Fettgehalt.
FAZIT:
Diese Ergebnisse begründen eine zugrunde liegende Sensitivität gegenüber Belohnungsänderungen, die mit der Dysregulation von Delta FosB und Dopamin-Signalwegen zusammenhängen, die mit schmackhaften Diäten normalisiert werden können und bei einigen Formen von Fettleibigkeit einen prädisponierenden Phänotyp darstellen können.
Einleitung
Trotz unserer zunehmenden Kenntnis der neuronalen Systeme, die Appetit und Sättigung kontrollieren, steigen die Fettleibigkeitsraten in den Vereinigten Staaten weiter an. Gegenwärtige Arzneimittelbehandlungen haben eine begrenzte Wirksamkeit und Verhaltensänderungen leiden unter einer minimalen langfristigen Compliance (1). Der Verzehr kalorienreicher, wohlschmeckender Nahrungsmittel wurde mit Veränderungen der Stress- und Belohnungswege im Gehirn in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass die lohnenden Eigenschaften solcher Nahrungsmittel die Energiebilanzsignale (2-4) übersteuern können. Lebensmittel mit hohem Fettgehalt wirken als natürliche Belohnungen, aktivieren Gehirn-Belohnungszentren auf ähnliche Weise wie Drogen und wurden daher in Selbstverabreichungs-Paradigmen verwendet (5-8). Daher ist es wahrscheinlich, dass Verhalten und Motivation für übermäßiges Essen und Drogenmissbrauch gemeinsame zugrunde liegende Mechanismen teilen, was potenziell neue Behandlungsmöglichkeiten für beide Erkrankungen eröffnet.
Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen schmackhaften Lebensmitteln und Wegen, die Belohnung und Stress im Gehirn regulieren, Wir haben zuvor molekulare und biochemische Marker für reduzierte Belohnung und erhöhten Stress nach dem Rückzug aus einer schmackhaften fettreichen Diät (HF) identifiziert. Ähnlich wie Missbrauchsdrogen führte die Exposition gegenüber einer schmackhaften Ernährung in unseren Studien zu erhöhten Spiegeln des Transkriptionsfaktors ΔFosB im Nucleus Accumbens (NAc), einer zentralen Hirnbelohnungsstruktur (9, 10).. Mäuse, die ΔFosB induzierbar überexprimieren, zeigen eine gesteigerte instrumentelle Reaktion auf eine Nahrungsmittelbelohnung (11), was sie zu einem wertvollen Werkzeug für die Untersuchung der Rolle der Belohnungssensitivität und Langzeitdysregulation des Belohnungssystems bei den molekularen und biochemischen Reaktionen auf eine schmackhafte Ernährung macht.
In der vorliegenden Studie verwendeten wir die ΔFosB-überexprimierenden Mäuse, um langfristige Veränderungen der Belohnungsmarker im NAc-Hypothalamus-ventralen Tegmental Area (VTA) Neurokreislauf als Antwort auf eine schmackhafte HF-Diät zu untersuchen. Basierend auf früheren Studien an diesen belohnungssensitiven Mäusen stellten wir die Hypothese auf, dass ΔFosB-induzierte Veränderungen in der Belohnungsempfindlichkeit eine Dysregulation in der Dopamin-Signalgebung beinhalten, die aus NAc-Feedback an die VTA resultiert. Weiterhin stellten wir die Hypothese auf, dass die Exposition gegenüber einer natürlichen Belohnung einer energiereichen HF-Diät dann das dopaminerge System in diesen Mäusen normalisieren würde, was zu einer übertriebenen Reaktion auf den Stress des Entzugs aus dieser HF-Diät führt. Der einzigartige Aspekt der Verwendung einer schmackhaften Ernährung als lohnende Substanz erlaubt es uns, die hypothalamischen Inputs in einen Belohnungsschaltkreis in einem Phänotyp einzuschließen, der eine Population vorhersagen kann, die für behandlungsresistente Fettleibigkeit prädisponiert ist. Um diese Hypothese zu untersuchen, untersuchten wir Marker der Dopamin-Neurotransmission, einschließlich pCREB, BDNF und DARPP-32 in der NAc und Tyrosin-Hydroxylase und dem Dopamin-Transporter in der VTA nach HF-Exposition. Wir untersuchten auch spezifische Marker der Energiebilanz, von denen bekannt ist, dass sie den Dopamin-Output beeinflussen, einschließlich Leptin- und Orexin-Rezeptoren in der VTA- und Orexin-Expression innerhalb des lateralen Hypothalamus.
Materialen und Methoden
Tiere
Männliche bitransgene Mäuse, die ΔFosB in Dynorphin-positiven Neuronen in NAc und dorsalem Striatum (Kelz et al., 1999) induzierbar überexprimieren, wurden auf einem gemischten Hintergrund (ICR: C57Bl6 / SJL) am Southwestern Medical Center der Universität von Texas erzeugt und gehalten getestet an der Universität von Pennsylvania. Alle Mäuse wurden bis zur Ankunft an der Universität von Pennsylvania auf Doxycyclin (100 & mgr; g / ml im Trinkwasser) gehalten. Um eine Überexpression zu induzieren, wurde Doxycyclin entfernt (n = 23) (12). Kontrollmäuse (n = 26) erhielten weiterhin das Arzneimittel. Die Mäuse wurden acht Wochen nach der Entfernung von Doxycyclin Diätgruppen zugeteilt, wobei zu diesem Zeitpunkt gezeigt wurde, dass die Expression maximale Werte erreichte (13). Die Mäuse wurden in einem 12: 12-Hell-Dunkel-Zyklus (Licht auf 0700) gehalten, wobei Nahrung und Wasser ad libitum zur Verfügung standen. Alle Studien wurden nach experimentellen Protokollen durchgeführt, die vom Institutional Animal Care and Use Committee der University of Pennsylvania genehmigt wurden, und alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen Richtlinien durchgeführt.
Diät-Exposition
Die Mäuse wurden sechs Wochen lang auf Hausfutter (n = 16) gehalten oder auf HF (n = 16-17) gelegt. House Chow (Purina Lab Diät, St. Louis, MO) enthielt 4.00 kcal / g, bestehend aus 28% Protein, 12% Fett und 60% Kohlenhydrat. HF-Diät (Research Diets, New Brunswick, NJ) enthielt 4.73 kcal / g, bestehend aus 20% Protein, 45% Fett und 35% Kohlenhydrat.
Biochemie und Genexpression
Die Mäuse wurden nach sechs Wochen Diät-Exposition analysiert. Die Gehirne wurden aus dem Schädel entfernt und entweder auf Trockeneis vollständig eingefroren oder der NAc zerlegt (ungefähr 0.5 - 1.75 mm von Bregma, in einer Tiefe von 3.5 - 5.5 mm) und in flüssigem Stickstoff eingefroren. Das Gewebe wurde bis zum Test bei -80 ° C gelagert.
Biochemische Analysen
Methoden für Western Blots werden in ergänzenden Materialien beschrieben. Die verwendeten Antikörper waren: Cdk5, CREB und BDNF (1: 500, Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA) und Phospho-CREB (pCREB) (Ser 133) (1: 500, Cell Signaling Technology, Danvers, MA).
Rezeptor-Autoradiographie
Detaillierte Methoden für die Autoradiographie sind in ergänzenden Materialien beschrieben. Die verwendeten Liganden waren 2 nM H3 - SCH 23390 und 5 nM H3 - Spiperon (PerkinElmer, Boston, MA).
In-situ-Hybridisierung
Gewebeverarbeitung und Hybridisierung wurden wie zuvor beschrieben (14) durchgeführt. Die DARPP-32-Sonde wurde freundlicherweise von P. Greengard (Rockefeller University) und die Orexin-Sonde von J. Elmquist (Southwestern Medical Center der Universität von Texas) bereitgestellt. Die auf DARPP-32 getesteten Objektträger wurden für die 3-Tage filmen gelassen, und die auf Orexin getesteten Objektträger wurden für die 4-Tage gefilmt. Die Quantifizierung von Filmbildern wurde wie zuvor beschrieben (10) durchgeführt.
QRT-PCR
RNA wurde aus dem VTA isoliert und die Expression einzelner Gene wurde unter Verwendung von TaqMan-Genexpressionsassays (Applied Biosystems, Foster City, CA) bewertet. Detaillierte Methoden und statistische Analysen können in ergänzenden Materialien gefunden werden.
Verhaltensanalysen
Um die Effekte der Belohnungssensitivität auf ernährungsinduzierte Verhaltensänderungen zu untersuchen, wurde eine Teilmenge von Mäusen nach vierwöchiger Exposition aus der HF entnommen und in das Hausfutter zurückgeführt (n = 9-Kontrolle, n = 8 & Dgr; FosB). Vierundzwanzig Stunden nach dem Entzug wurden die Mäuse dem Freiland-Test in Übereinstimmung mit unserem zuvor veröffentlichten Diätentzugsparadigma (10) ausgesetzt. Kurz gesagt wurde die Maus in die Mitte der Freifeldvorrichtung gebracht und fünf Minuten lang überwacht. Die Gesamtlinienkreuze, Fäkalboli, Zeit in der Mitte und Kreuze in die Mitte wurden gemessen.
Statistiken
Alle Daten mit Ausnahme von Western Blots wurden unter Verwendung einer Zweiwege-ANOVA analysiert, gefolgt von einem Fisher-PLSD-Test mit Doxycyclin-Behandlung (ΔFosB-Expression) und Ernährungszustand als unabhängigen Variablen. Für RT-PCR-Analysen wurde ein reduzierter P-Wert verwendet, um Mehrfachvergleiche innerhalb von Gruppen verwandter Gene zu korrigieren (siehe ergänzende Materialien). Western Blots wurden unter Verwendung eines Student-T-Tests mit Doxycyclin-Behandlung als unabhängige Variable analysiert, wobei die optischen Dichten innerhalb desselben Blots verglichen wurden. Alle Daten sind als Mittelwert ± SEM dargestellt.
Die Ergebnisse
Basale biochemische Unterschiede
Um die molekularen Wege aufzuklären, die der erhöhten Belohnungsempfindlichkeit bei ΔFosB-überexprimierenden Mäusen zugrunde liegen, wurden die Spiegel mehrerer wichtiger Signalmoleküle in der NAc untersucht. Es gab einen Trend zu erhöhten Cdk5-Spiegeln in der NAc von ΔFosB-Mäusen im Vergleich zu Wurfgeschwister-Kontrolltieren, die auf Doxycyclin gehalten wurden (F = 5.1, P = 0.08; Fig. 1A). ΔFosB-Mäuse exprimierten signifikant reduzierte pCREB-Spiegel (F = 7.4, P <0.05; Fig. 1B) sowie Gesamtspiegel von CREB (F = 5.4, P = 0.05; Fig. 1C). Eine signifikante Verringerung des BDNF wurde auch in der NAc von ΔFosB-Mäusen beobachtet (F = 10.6, P <0.05; Fig. 1D).
Figure 1
Mäuse, die ΔFosB überexprimierten, zeigten biochemische Marker von reduzierter Dopamin-Signalisierung im NAc
Nahrungsaufnahme und Körpergewicht bei fettreicher Ernährung
Als nächstes untersuchten wir die Auswirkungen einer natürlich lohnenden HF-Diät auf Veränderungen der Signalmoleküle in den ΔFosB-überexprimierenden Mäusen. Es gab keine Unterschiede zwischen ΔFosB-Mäusen und Kontrollen bei der Nahrungsaufnahme bei Haus oder HF. Es gab jedoch eine Gesamtabnahme der auf das Körpergewicht normalisierten Kalorienaufnahme, wenn sie HF ausgesetzt wurde, die spezifisch für die ΔFosB-Mäuse war (F = 11.2, P <0.01; Fig. 2A). Am Ende von sechs Wochen Diät-Exposition wogen Mäuse, die HF erhielten, signifikant mehr als diejenigen, die eine Chow-Diät erhielten (F = 17.2, P <0.001), und ΔFosB-Mäuse wogen insgesamt weniger als die Kontrollen (F = 5.6, P <0.05; Fig. 2B). Dieser Effekt war spezifisch für Unterschiede zwischen Gruppen auf der Chow-Diät (P <0.05).
Figure 2
ΔFosB-überexprimierende Mäuse zeigten keine Unterschiede in der Nahrungsaufnahme bei entweder Futter- oder fettreicher (HF) Diät
Biochemische Unterschiede bei fettreicher Diät
Um zu bestimmen, wie basale Unterschiede in der NAc-Signalisierung durch HF-Diät verändert werden könnten, wurden die gleichen zu Studienbeginn untersuchten Signalproteine in Tieren untersucht, die sechs Wochen HF erhalten hatten. Es gab keine signifikanten Unterschiede in den Cdk5-Spiegeln (Abb. 3A). Die Konzentrationen von pCREB und Gesamt-CREB unterschieden sich nach sechs Wochen HF nicht mehr (Fig. 3B, C). Die Spiegel von BDNF waren nach sechswöchiger HF-Exposition bei ΔFosB-Mäusen signifikant erhöht (F = 6.5, P = 0.05; Fig. 3D).
Figure 3
Hochfett (HF) Diät verbesserte Signalisierungsunterschiede, die in der NAc von ΔFosB überexprimierenden Mäusen beobachtet wurden
Dopamin-Rezeptor-Autoradiographie
Wir verwendeten eine Rezeptorautoradiographie, um zu bewerten, ob die ΔFosB-induzierten Veränderungen der Dopaminsignalisierung in der NAc mit Veränderungen der Dopaminrezeptorexpression zusammenhängen (Fig. 4A). Eine fettreiche Ernährung schien die Dichte der D1-Dopaminrezeptorbindung leicht zu erhöhen (P = 0.14), und dieser Unterschied war bei ΔFosB-Mäusen größer (Fig. 4B). Es gab auch einen Trend zu einer Vergrößerung der D1-Bindungsfläche nach HF (P = 0.06), und Post-hoc-Tests zeigten, dass dies bei den ΔFosB-Mäusen signifikant war (P <0.05; Fig. 4C). Im Gegensatz zu D1-Rezeptoren gibt es keine Änderungen der D2-Rezeptorbindungsdichte (Kontrollfutter = 97.6 ± 6.9, Kontroll-HF = 101.1 ± 8.2, ΔFosB-Futter = 91.6 ± 1.0, ΔFosB-HF = 94.8 ± 9.5) oder des Bindungsbereichs (Kontrollfutter = 47.3) ± 3.4, Kontroll-HF = 53.8 ± 6.0, ΔFosB-Futter = 51.9 ± 3.7, ΔFosB-HF = 49.0 ± 3.3) in der NAc wurden beobachtet.
Figure 4
Hochfettdiät (HF) führte zu Veränderungen der D1-Dopaminrezeptorbindung und der DARPP-32-Expression im Nucleus accumbens (NAc) von ΔFosB-überexprimierenden Mäusen
DARPP-32-Ausdruck in der NAc
In-situ-Hybridisierung wurde verwendet, um die Expressionsniveaus von DARPP-32 in der NAc zu bestimmen (4D). Eine fettreiche Ernährung erhöhte die DARPP-32-Expression in dieser Gehirnregion signifikant (F = 5.1, P <0.05), und es gab eine signifikante Wechselwirkung zwischen der Ernährung und der ΔFosB-Expression (F = 8.9, P <0.05), wobei ΔFosB-Mäuse eine größere zeigten diätbedingte Veränderung (Abb. 4E). Ein basaler Unterschied in der DARPP-32-Expression zwischen Kontroll- und ΔFosB-Mäusen wurde durch Post-hoc-Tests (P <0.01) sowie ein signifikanter Anstieg der DARPP-32-Expression in den ΔFosB-Mäusen auf HF (P <0.01) festgestellt.
Genexpression in der VTA
QRT-PCR wurde verwendet, um Veränderungen in der Genexpression in der VTA zu bewerten, wobei mehrere Schlüsselgene untersucht wurden, die zuvor an der Regulierung der Belohnung beteiligt waren. Alle Proben wurden auf β-Actin normalisiert. Um sicherzustellen, dass die β-Actin-Expression durch die Behandlung nicht verändert wurde, wurde ein separater Assay durchgeführt, um β-Actin mit einer zweiten internen Kontrolle, GAPDH, zu vergleichen. Es gab keine signifikanten Unterschiede in der β-Actin-Expression (ΔCT-Werte, β-Actin - GAPDH: Kontrollfutter = 2.29 ± 0.21, Kontroll-HF = 2.01 ± 0.04, ΔFosB-Chow = 2.32 ± 0.49, ΔFosB-HF = 2.37 ± 0.10).
Ein Trend für eine Wechselwirkung zwischen der & Dgr; FosB-Expression und der Diätbehandlung wurde für die Expression von Tyrosinhydroxylase beobachtet (F = 3.6, P <0.06; 5A). Sechs Wochen Exposition gegenüber HF schienen die Tyrosinhydroxylase-Expression in Kontrollmäusen zu verringern und die Expression in ΔFosB-Mäusen zu erhöhen. Eine signifikante Wechselwirkung zwischen der & Dgr; FosB-Expression und der Exposition gegenüber der Nahrung wurde für die Expression des Dopamintransporters beobachtet (F = 6.7, P <0.03; 5B). Ähnlich wie bei Tyrosinhydroxylase verringerte die Exposition gegenüber HF die Dopamintransporterexpression in Kontrollmäusen und erhöhte die Expression in ΔFosB-Mäusen signifikant (P <0.05). Der basale Unterschied in der Dopamintransporterexpression zwischen Kontroll- und ΔFosB-Mäusen erreichte keine Signifikanz (P = 0.16), aber nach 6 Wochen HF exprimierten ΔFosB-Mäuse signifikant erhöhte Dopamintransporterspiegel im Vergleich zu Kontrollen (P <0.05).
Figure 5
Eine Exposition gegenüber einer fettreichen Diät (HF) und eine ΔFosB-Expression führten zu Veränderungen der Expression einer Anzahl von Schlüsselmolekülen in der VTA
Es gab einen Trend, der auf einen Effekt einer erhöhten ΔFosB-Expression hinweist, um die TrkB-Spiegel in der VTA zu verringern (F = 5.7, P <0.04; Fig. 5C). Obwohl es keine Haupteffekte auf die Expression des κ-Opioidrezeptors gab, gab es einen Trend zu einer verringerten Expression in ΔFosB-Mäusen (P = 0.08; Fig. 5D). Die Expression des Leptinrezeptors wurde auch im VTA bestimmt. Es wurde ein signifikanter Effekt der Ernährungsexposition gefunden (F = 6.1, P <0.03), wobei HF sowohl bei ΔFosB- als auch bei Kontrollmäusen die Spiegel des Leptinrezeptors im VTA signifikant reduzierte (Fig. 5E). Die Expression von Orexinrezeptor 1 im VTA wurde ebenfalls untersucht. Es gab einen signifikanten Effekt der Diät auf die Expression des Orexinrezeptors (F = 9.0, P <0.02), wobei Mäuse, die HF ausgesetzt waren, höhere Spiegel im VTA exprimierten (5F). Es gab auch einen Trend für ΔFosB-Mäuse, insgesamt höhere Spiegel an Orexinrezeptor 1 in dieser Hirnregion zu exprimieren (P <0.05).
Orexin-Expression im lateralen Hypothalamus
Wir haben die Orexinspiegel im lateralen Hypothalamus, dem Ursprung der orexinergen Innervation des VTA, durch In-situ-Hybridisierung gemessen (Abb. 6A). Es gab eine signifikante Wechselwirkung zwischen der & Dgr; FosB-Expression und der Exposition gegenüber der Nahrung bei der Orexinexpression (F = 9.1, P <0.01), wobei HF die Orexinspiegel in Kontrollmäusen signifikant erhöhte (P <0.05) und die Expression in & Dgr; FosB-Mäusen verringerte (6B). Obwohl es im Grundzustand keine signifikanten Unterschiede in der Orexinexpression gab, exprimierten ΔFosB-Mäuse nach 6 Wochen HF signifikant verringerte Orexinspiegel im Vergleich zu Kontrollen (P <0.05).
Figure 6
Hochfett (HF) Diät hatte differentielle Effekte auf Orexin Expression in Kontrolle (Strg) und ΔFosB überexprimierenden Mäusen
BeVerhaltensanalysen
Um Veränderungen der Erregung und Emotionalität aufgrund einer Ernährungsumstellung zu bewerten, wurden die Mäuse 24 Stunden nach Absetzen der HF-Diät dem Freilandtest ausgesetzt (10). Die Gesamtlinienkreuze, die als Maß für die Erregung bewertet wurden, wurden signifikant durch die ΔFosB-Expression (F = 6.6, P <0.05) und die Ernährung (F = 4.6, P <0.05; Fig. 7A) beeinflusst. ΔFosB-Mäuse waren in der neuen Umgebung aktiver als Kontrile, und Post-hoc-Tests zeigten, dass aus HF entnommene Mäuse signifikant aktiver waren als solche, die Futter ausgesetzt waren (P <0.05). Fäkale Boli wurden als Maß für das angstähnliche Verhalten gezählt (10). Es gab einen Haupteffekt der & Dgr; FosB-Expression (F = 10.2, P <0.01), wobei & Dgr; FosB-überexprimierende Mäuse in der neuen Umgebung mehr fäkale Boli produzierten, insbesondere in den Hausfutter- und HF-Entzugsgruppen (7B). ΔFosB-Mäuse, die auf HF-Diät gehalten wurden, produzierten weniger fäkale Boli als diejenigen, die auf Futter gehalten wurden und diejenigen, die 24 Stunden vor dem Test entnommen wurden. Kontrollmäuse schienen von der Ernährung nicht betroffen zu sein. Es gab keine signifikanten Auswirkungen der ΔFosB-Expression oder der Diät auf die im Zentrum des offenen Feldes verbrachte Zeit (Kontrollfutter = 14.5 ± 3.1 s, Kontroll-HF = 18.0 ± 3.2 s, Kontroll-W / D = 15.4 ± 1.9 s, ΔFosB-Futter = 16.9 ± 2.4 s, ΔFosB HF = 13.1 ± 3.9 s, ΔFosB W / D = 19.8 ± 2.6 s).
Figure 7
Mäuse, die ΔFosB überexprimierten, waren empfindlicher gegenüber den Auswirkungen des Entzugs der fettreichen Diät (HF)
Diskussion
Bei der Adipositas-Behandlung besteht ein kritischer Bedarf für die Identifizierung von Faktoren, die die Anfälligkeit für Überessen und Gewichtszunahme beeinflussen. Belohnungswege im Gehirn spielen eine wichtige Rolle bei der Motivation und Reaktion auf schmackhafte Nahrungsmittel und Ernährungsumstellungen (6, 10, 15, 16). Da orexigene und anorexigene Signale die Belohnungssignalisierung über einen Hypothalamus-VTA-NAc-Kreislauf direkt beeinflussen können, könnte die Aufklärung von Genen, die auf energiereiche, wohlschmeckende Diäten in Belohnungszentren reagieren, neue therapeutische Ziele in der Adipositasbehandlung liefern (17, 18). Daher untersuchten wir biochemische und molekulare Marker der Belohnungs- und Energiebilanzsignalisierung entlang des Hypothalamus-VTA-NAc-Kreislaufs als Antwort auf eine HF-Diät in ΔFosB-überexprimierenden Mäusen als Modell einer erhöhten Sensitivität gegenüber Veränderungen der Belohnung (13, 19, 20). und die Verhaltensempfindlichkeit nach Diätentzug. Wir stellten die Hypothese auf, dass die basale Dysregulation der Dopamin-Signalübertragung in ΔFosB-Mäusen durch die belohnenden Effekte einer HF-Diät normalisiert werden könnte, die die Überschneidung von Energiebilanzsignalen und dem Dopaminsystem umfasst.
Um Marker zu untersuchen, die auf eine Dysregulation in der Dopamin-Signalgebung im NAc hinweisen, untersuchten wir D1-Rezeptor-Level und Downstream-Effektoren. Obwohl es keine signifikanten Unterschiede in der D1-Rezeptorbindung gab, Es gab einen Trend zur HF-Exposition, um die Bindungsfläche in den ΔFosB-Mäusen zu erhöhen. Dies ist insofern interessant, als die Induktion von ΔFosB durch Arzneimittel und natürliche Belohnungen in dem Dynorphin-positiven Subtyp von Medium-Spiny-Neuronen, die hauptsächlich D1-Rezeptoren exprimieren, zu dominieren scheint (9, 21). Die Spiegel des Downstream-Dopamin-Signalziels pCREB waren in ΔFosB-Mäusen signifikant reduziert, was eine verminderte D1-Rezeptoraktivierung in dieser Hirnregion (22, 23) unterstützte. Interessanterweise fanden wir auch eine signifikante Abnahme der gesamten CREB-Spiegel in ΔFosB-Mäusen, was auf eine weiter verringerte Kapazität für die Dopamin-Signaltransduktion hinweist, die sekundär zu einer Rückkopplung sein kann, die aus einer verlängerten Abnahme von pCREB (24) resultiert. BDNF-Expression wird durch pCREB reguliert, ist mit D1-Aktivierung erhöht und ist ein wichtiger Mediator der Belohnung-bezogene Neuroplastizität in der NAc (25, 26). Dementsprechend fanden wir eine signifikante Abnahme des BDNF-Proteins in der NAc von ΔFosB-Mäusen.
Alle mittelgroßen stacheligen Neuronen im NAc exprimieren DARPP-32 (27). Seine zahlreichen nachgeschalteten Effektoren machen es zu einem wichtigen Akteur in Belohnungswegen (28), und es wurde in Drogenabhängigkeit und in anderen Störungen, die das Dopaminsystem einschließen, einschließlich affektiver Störungen und Schizophrenie, verwickelt (27, 29). Wir fanden tiefgreifende basale Reduktionen der DARPP-32-Expression in der NAc von ΔFosB-Mäusen. Die DARPP-32-Expression wird durch BDNF reguliert, und daher kann die reduzierte Expression direkt mit den in ΔFosB-Mäusen (27, 29, 30) nachgewiesenen Verringerungen der BDNF-Spiegel in Beziehung stehen. Selbst moderate Veränderungen im Phosphorylierungszustand von DARPP-32 können zu erheblichen Veränderungen der intrazellulären Signalgebung innerhalb der NAc (27) führen. Frühere Studien haben keine Veränderung des DARPP-32-Proteins in ΔFosB-Mäusen nach einer 12-wk-Entfernung von Doxycyclin berichtet, wenn eine breitere striatale Beurteilung durchgeführt wurde (31). was nahelegt, dass Effekte von ΔFosB auf DARPP-32 zeit- und regionsspezifisch sein können.
Wir stellten die Hypothese auf, dass die dramatischen Reduktionen der Dopamin-Signalindizes in der NAc von ΔFosB-Mäusen wahrscheinlich Veränderungen in den VTA-Dopamin-Projektionsneuronen mit sich bringen, obwohl ΔFosB in diesen Neuronen nicht überexprimiert wird. Daher untersuchten wir die Expression von Dopamin-verwandten Genen in der VTA, einschließlich der Tyrosin-Hydroxylase und des Dopamin-Transporters. Die Werte der Tyrosinhydroxylase und des Dopamintransporters korrelieren positiv mit der Dopaminproduktion. Es gab einen Trend für ΔFosB-Mäuse, reduzierte Tyrosin-Hydroxylase und eine signifikante Reduktion des Dopamin-Transporters zu zeigen, in Übereinstimmung mit der Dysregulation der Dopamin-Signalgebung in der NAc. Da diese basalen Reduktionen in Dopamin-verwandten Genen in der VTA von ΔFosB-Mäusen vermutlich eine veränderte Rückkopplung von der NAc während der Langzeit-ΔFosB-Überexpression widerspiegelnuntersuchten wir die Expression des BDNF-Rezeptors TrkB als möglichen Mechanismus der NAc-Rückkopplung an die VTA (32). Ähnlich wie die Tyrosin-Hydroxylase und der Dopamin-Transporter zeigte die TrkB-Expression auch eine Tendenz zur basalen Reduktion in ΔFosB-Mäusen, die keine Signifikanz erreichten, wenn sie für Mehrfachvergleiche korrigiert wurden. Der BDNF-TrkB-Komplex kann retrograd transportiert werden und innerhalb der VTA wirken, um die lokale Genexpression zu beeinflussen und das Zellwachstum und die Zellerneuerung (33) zu fördern. Weiterhin kann die BDNF-Aktivierung von präsynaptischem TrkB innerhalb des NAc direkt die Dopamin-Neurotransmission (32) stimulieren, was eine zugrundeliegende Verminderung der Dopamin-Signalgebung in diesen Mäusen unterstützt.
Dynorphin-Aktivierung von & kgr; -Opioid-Rezeptoren reguliert die Dopamin-Signalübertragung und ist ein weiterer Mechanismus, bei dem die NAc eine Rückkopplung zu der VTA bereitstellt (34). Wir fanden heraus, dass die κ-Opioidrezeptor-Expression in der VTA einen Trend zeigte, in ΔFosB-Mäusen reduziert zu werden. Da gezeigt wurde, dass die ΔFosB-Überexpression die Dynorphin-Expression in der NAc (20) verringert, haben ΔFosB-Mäuse wahrscheinlich eine starke Verringerung der Netto-VTA κ-Opioid-Aktivierung. Obwohl die Dynorphin-Signalübertragung normalerweise eine hemmende Wirkung auf Dopamin-Neuronen ausübt (35), weisen Ratten, die eine verstärkte Selbstverabreichung von Missbrauchsdrogen zeigen, verringerte Dynorphin-Spiegel in der NAc auf, was auf eine Rolle für die basal reduzierte Dynorphin-Signalübertragung bei der Erhöhung der Belohnungsempfindlichkeit hinweist (36) 37). Eine Dysregulation des Dynorphin - κ-Opioidsystems wurde mit dem Erwerb und der Persistenz von Drogenmissbrauch in Verbindung gebracht, was ein kritisches Gleichgewicht der Opioidsignale bei der Normalisierung der Dopaminwege unterstützt (38).
Basierend auf der Belohnungsfähigkeit einer energiereichen HF-Diät stellten wir die Hypothese auf, dass eine Dysregulation von Dopamin- und Opioid-Belohnungssignalen in ΔFosB-Mäusen diese Mäuse für erhöhte Belohnungsreaktionen auf eine solche Diät prädisponiert und somit das Belohnungssystem über die Aktivierung des Hypothalamus normalisiert -VTA-NAc-Schaltung. Während der sechswöchigen Diät-Exposition wurden keine Unterschiede in der Nahrungsaufnahme zwischen ΔFosB und Kontrollmäusen beobachtet, was nahe legt, dass die Veränderungen in den biochemischen und molekularen Markern der Belohnungssignalisierung in ΔFosB-Mäusen nicht auf Unterschiede in den verbrauchten Kalorien zurückzuführen waren. Wie erwartet, wurden basale Unterschiede in pCREB-, Gesamt-CREB-, BDNF-, DARPP-32- und κ-Opioidrezeptorspiegeln zwischen ΔFosB und Kontrollmäusen abgeschwächt, wahrscheinlich aufgrund einer erhöhten Dopaminproduktion in ΔFosB-Mäusen an HF (29, 39-41). .
Die Untersuchung sowohl der Tyrosinhydroxylase als auch des Dopamintransporters in der VTA zeigte überraschende entgegengesetzte Reaktionen von ΔFosB und Kontrollmäusen nach HF. Kontrollmäuse zeigten eine Abnahme der Expression von Tyrosinhydroxylase und Dopamintransporter, während ΔFosB-Mäuse eine erhöhte Expression dieser beiden mit Dopamin verwandten Gene zeigten. Interessanterweise ist die Tyrosin-Hydroxylase-Expression in der VTA durch chronische Kokain- oder Methamphetamin-Verabreichung (42-44) verändert, was nahelegt, dass ΔFosB-Mäuse die natürliche Belohnung von HF stärker hervorheben als Kontrollmäuse.
Um zu untersuchen, wie ein potentieller hypothalamischer Input an die VTA Signale weiterleiten könnte, die die Energiebilanz widerspiegeln, wurde auch die Expression des Leptinrezeptors und des Orexinrezeptors 1 untersucht. Die zirkulierenden Leptinspiegel werden durch HF erhöht, und Leptin kann wiederum an der VTA wirken, um die Dopamin-Signalgebung zu verändern (18, 45). Die VTA-Leptin-Rezeptor-Expression wurde in ähnlicher Weise durch HF in sowohl ΔFosB- als auch Kontrollmäusen verringert, wobei eine ähnliche Gewichtszunahme und Diät-Aufnahme während der HF erhalten wurde. Ein hohes Fett erhöhte auch die Expression des Orexin-Rezeptors 1 in der VTA von sowohl ΔFosB- als auch Kontrollmäusen. Orexin aktiviert Dopaminneuronen in der VTA, fördert die VTA-Plastizität und erhöht die Dopaminspiegel in der NAc (46-48). Laut unserer Beobachtungen (49, 50) wurde gezeigt, dass eine fetthaltige Ernährung die Orexin-Expression in Mäusen erhöht. Daher könnten eine erhöhte Expression des Orexin-Rezeptors sowie Veränderungen der Leptin-Signalgebung in der VTA die Futterbelohnung sowohl bei ΔFosB- als auch bei Kontrollmäusen fördern, was eine Dissoziation zwischen Signalwegen, die Energiebilanzsignale vermitteln, und solchen, die direkt an Belohnung gebunden sind, unterstützt.
Um die stressauslösenden Effekte des Belohnungsabzugs zu untersuchen, wurden die Mäuse in einem Freilandtest 24 Stunden nach der Entfernung von HF untersucht. ΔFosB-Mäuse reagierten empfindlicher auf die akuten Effekte einer bevorzugten Nahrungsentnahme, was eine erhöhte Erregungsaktivität und eine erhöhte Produktion von Fäkalboli in der neuartigen offenen Arena im Vergleich zu allen anderen Kontroll- und Diätgruppen zeigte. ΔFosB-Mäuse zeigten in diesem Test ebenfalls ein interessantes Verhaltensmuster, das auf Belohnungs- und Stresssensitivität hindeutet, wobei die HF-Diät anfänglich die Fäkalboliproduktion im Vergleich zu Chow reduziert und der Entzug diese angstbezogene Reaktion wieder verstärkt. Diese beobachtete Zunahme der Aktivität im offenen Feld korrelierte nicht mit Veränderungen der Orexin-Expression, was auf eine Beziehung zu stressinduzierter Erregung hindeutet, die nicht nur eine Auswirkung von Veränderungen der Orexin-vermittelten Signalgebung ist. Insgesamt stützen diese Daten unsere Hypothese, dass & Dgr; FosB-Mäuse aufgrund ihrer erhöhten Belohnungssensitivität empfindlicher auf die akuten Effekte einer bevorzugten Nahrungsentnahme reagieren würden.
Wie führt die langfristige Überexpression von ΔFosB im NAc zu solchen Veränderungen im Verhalten und in der Belohnungssignalisierung?? Wir haben ein Modell der VTA-Koinzidenzdetektion vorgeschlagen, bei dem eine veränderte Rückkopplung von NAc und Hypothalamus Signale bezüglich des Belohnungszustands zur Bestimmung der Regulation des Dopaminsystems überträgt, die eine Verbindung zwischen Dysregulation des Belohnungsweges und einer Prädisposition für Fettleibigkeit unterstützen kann (Abb. 8). Während der HF-Exposition konvergieren mehrere Eingaben, die sowohl die Energiebilanz als auch den Belohnungszustand widerspiegeln, auf der VTA. Erhöhungen der Leptin- und Orexin-Signalisierung sowie eine veränderte Rückkopplung von der NAc zum lateralen Hypothalamus können beeinflussen, wie diese orexigenen Signale auf HF in den ΔFosB-Mäusen reagieren (17, 18, 45, 47, 51-53). Fettreiche ernährungsinduzierte Erhöhungen von BDNF können eine Belohnungsrückmeldung an die VTA liefern, was die Veränderungen in der Dopamin-verwandten Genexpression weiter fördert.
Figure 8
Eine fettreiche (HF) Diät normalisiert die dysregulierte Belohnungssignalisierung in ΔFosB-Mäusen
Diese Ergebnisse beschreiben molekulare Marker der Belohnungssensitivität und weisen darauf hin, dass eine langfristige Dysregulation des Dopaminsystems ein Individuum für Sucht und Fettleibigkeit prädisponieren kann. Darüber hinaus liefern diese Daten einen wichtigen Schritt zur Identifizierung potentieller neuer therapeutischer Ziele bei der Behandlung und Prävention von Fettleibigkeit und anderen Störungen, die sich auf das Belohnungssystem konzentrieren können. In Zukunft wird es wichtig sein, zu untersuchen, wie dieses System auf die Entfernung der HF-Diät reagiert, sowie auf geschlechtsspezifische Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber Belohnung und fettreicher Ernährungsexposition zu untersuchen.
Ergänzungsmaterial
Supp. Methoden
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Anerkennungen
Die Autoren möchten Cathy Steffen für die Unterstützung bei der Tierzucht und -übertragung danken. Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium des Diabetes Centers der Universität von Pennsylvania (DK019525) und durch Zuschüsse des National Institute of Mental Health (R01 MH51399 und P50 MH66172) und des Nationalen Instituts für Drogenmissbrauch (R01 DA07359) unterstützt.
Fußnoten
Finanzielle Angaben: Alle Autoren erklären, dass sie keine biomedizinischen finanziellen Interessen oder potenzielle Interessenkonflikte haben.
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