A dopamin rendszer diszfunkciójának megfordítása a magas zsírtartalmú étrendre adott válaszként (2013)

. Szerzői kézirat; elérhető a PMC 2014 Jun 1.

Végleges szerkesztett formában megjelent:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

Absztrakt

Objektív

Annak vizsgálatához, hogy a magas zsírtartalmú étrend (HFD) csökkenti-e a dopaminerg tónust az agy jutalmazó régióiban, és értékelje, hogy ezek a változások a HFD eltávolítása után fordulnak-e vissza.

Tervezés és módszerek

A hím és nőstény egereket 60% HFD-vel tápláltuk 12 héten. Egy további csoportot a HFD eltávolítása után hetekben értékeltek 4. Ezeket a csoportokat összehasonlítottuk a kontroll táplált, életkorhoz illeszkedő kontrollokkal. A szacharózt és a szacharin preferenciát a dopaminhoz kapcsolódó gének mRNS-expressziójával és RT-qPCR-vel mértük. A dopamint és a DOPAC-ot nagynyomású folyadékkromatográfiával mértük. A DAT promoter DNS-metilezését metilált DNS-immunmolekuláris kicsapással és RT-qPCR-vel mértük.

Eredmények

A krónikus HFD után csökkent a szacharóz-preferencia, majd a HFD eltávolítása után normalizálódott. Megfigyeltük a dopamin-gének expressziójának csökkenését, a dopamin-tartalom csökkenését és a DAT-promóter metilációjának megváltozását. Fontos, hogy a HFD-re adott válasz és a változások tartóssága a szex és az agy régiójától függ.

Következtetések

Ezek az adatok a korai életkor krónikus HFD-jét követően csökkennek a dopamin tónusok csökkenésében, amely a nemi és agyi régióktól függően változó és megforduló komplex mintázattal rendelkezik. A központi idegrendszeri változások, amelyek nem fordultak elő a HFD visszavonása után, hozzájárulhatnak a fogyás fenntartásához az étrend beavatkozása után.

Kulcsszavak: Dopamin, nagy zsírtartalmú étrend, DAT, nemi különbségek, elhízás, visszavonás, DNS-metiláció

Bevezetés

A széles körben elterjedt, kalória-sűrű, ízletes ételek túlfogyasztását az USA-ban az elhízás magas arányához hozzájáruló fő tényezőnek tekintik.). Mivel az ízletes ételeket gyakran fogyasztják az energiaigény kielégítése után, az ízletes ételek előnyös tulajdonságai felülbírálhatják a homeosztatikus telítettségi jeleket. Számos neurotranszmitter szerepet játszik a táplálkozási viselkedésben (pl. Opioidok, dopamin, GABA, szerotonin), valamint a perifériás tápanyagjelek integrációjában (pl. Leptin, inzulin, ghrelin). A dopamin jelátvitel kulcsfontosságú közvetítő az élelmiszer-jutalom és a jutalom-kereső magatartás szempontjából, mivel a dopamin a mezolimbikus / mezokortikális régióban az élelmiszer, a szex és a függőség gyógyszereinek jutalmazó tulajdonságaihoz kapcsolódik.). Aktuálisan az ízletes ételek a központi jutalomrendszerben dopamin felszakadást okoznak (,). A hűsítő élelmiszerek krónikus fogyasztása esetén a fokozott dopamin felszabadulás idővel olyan kiigazításokhoz vezethet, amelyek a jutalom-függvényhez kapcsolódnak.

Számos bizonyíték támasztja alá az elhízás megváltozott dopamin funkciójának hipotézisét. Az emberi képalkotó vizsgálatok kimutatták, hogy az elhízott betegek jutalmazott régióiban elkeseredett aktiválódás történt, miközben egy nagyon ízletes oldatot fogyasztottunk (tejes turmix).). A tompított jutalom-válasz kisebb D2 receptor-agytartalommal rendelkezik. Valójában a humán dopamin D2 receptorban levő mutációk mind az elhízással, mind a függőséggel (). A szinapszisban a dopamin tartalmát nagymértékben szabályozza a dopamin transzporter (DAT) felvétele. A dopamin transzporter szintje negatívan korrelál a testtömegindexrel, és a DAT genetikai variánsai szintén összefüggnek az elhízással (,). Az elhízás állati modelljei kimutatták a bazális extracelluláris dopamin csökkenését és a dopamin neurotranszmisszió csökkenését a magvakban és a ventrális tegmentális területen (,,). A krónikus, magas zsírtartalmú étrend után a dopaminhoz kapcsolódó gének csökkenése a jutalmi régiókban történő csökkenést jelzi (, ,,). A krónikus, magas zsírtartalmú étrenddel végzett dopamin aktivitás csökkenése csökkentheti a természetes jutalmak érzékenységét, és megkönnyítheti a túlzott fogyasztást és a további súlygyarapodást.

A korai élet kritikus időszak az agy fejlődésében, és a korai táplálkozási környezet befolyásolhatja az agyi utakat, amelyek az élelmiszer-bevitel és az energia-anyagcserét szabályozzák. Az egerek korai expozíciója egy nagy zsírtartalmú étrendre mindössze egy héten át megváltozott felnőtt kalóriabevitelre és a dopaminhoz kapcsolódó jelző molekulák expressziójára (). Továbbá az egerekben a korai posztnatális táplálkozás a szoptatás ideje alatt kis alomszámmal vezérelte az utódokat a felnőttkori elhízáshoz, a hipotalamusz fejlődésének megváltoztatásával (). Bár egyértelmű, hogy a korai élet táplálása befolyásolhatja az agy fejlődését és az elhízás kockázatát, kevés tudomása van ezeknek a változásoknak a relatív tartósságáról az élettartam során. Ezen túlmenően, korábbi vizsgálatok készültek férfiaknál, de a nőstényeket ritkán tanulmányozták ebben az összefüggésben. E célból mind a hím, mind a nőstény egereket vizsgálták a génexpresszió és a dopamin metabolizmus változásai után, miután elhízottak voltak a korai életben, amikor a HF étrend krónikus fogyasztása született a 8 hetek korától. A dopamin rendszert 4 hetekben értékelték a HF étrend eltávolítása után is, hogy megvizsgáljuk, hogy a változások megmaradtak vagy megfordultak-e.

Módszerek és eljárások

Állatok és kísérleti modell

A C57BL / 6J nőstényeket DBA / 2J férfiakkal (The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME) tenyésztették. Minden gátat standard kontroll táplálékkal (# 5755; 18.5% fehérje, 12% zsír, 69.5% szénhidrát) tápláltak, amíg a patkányok / alomok felét magas zsírtartalmú étrendre helyezték (Test Diet, Richmond, IN #58G9; 18% fehérje, 60% zsír és 20.5% szénhidrát). Az utódokat 3-héttel elválasztottuk, és 12 hetes koráig a kontroll étrenden vagy a magas zsírtartalmú étrenden maradtak. A testtömegeket hetente rögzítettük, és mindkét hím (n = 5 – 10) és női (n = 5 – 10) egeret használtunk. A Pennsylvania Egyetem Intézményi Állatgondozási és Használati Bizottsága (IACUC) jóváhagyta az összes eljárást.

Szacharóz és szacharin-preferencia

Külön kísérletekben az egereket egyenként (n = 8 – 10 / csoport) helyeztük el standard ketrecekben 3 napokra, egy üveg 200 ml vizsgálati oldattal (4% szacharóz vagy 1% szacharin oldat (w / v)) és egy másik palack 200 ml-es csapvízzel. Elérhető volt a háziasszony ad libitum. A szacharózt (ml), a vizet (ml) és az élelmiszer-fogyasztást (g) mértük, és a palackok elhelyezése naponta megfordult. A preferenciát az utolsó 2 napokból származó mérések átlagával számítottuk ki: preferencia% = [(szacharóz-fogyasztás / szacharóz + vízfogyasztás) × 100].

Genomiális DNS és a teljes RNS izolálása az agyból

Az állatokat (n = 5 / csoport) széndioxid túladagolásával eutanizáljuk, majd a nyaki diszlokációt követjük; az American Veterinary Medical Association eutanázia bizottsága által ajánlott módszer. Az agyakat ezután gyorsan eltávolítottuk és RNSlaterbe (Ambion, Austin, TX) helyeztük 4 – 6 órákra a szétválás előtt. A prefrontális kéreg izolálásához, a magvakhoz és a ventrális tegmentális területhez az agyi disszekciókat előzetesen előformáltuk (,, ). A genomiális DNS-t és a teljes RNS-t egyidejűleg AllPrep DNS / RNA Mini Kit (Qiagen) alkalmazásával izoláltuk.

Gén expressziós analízis kvantitatív Real-Time PCR segítségével

Minden egyes minta esetében a teljes RNS 500ng értékét fordított transzkripcióban használtuk fel, nagy kapacitású fordított transzkripciós készlet alkalmazásával (ABI, Foster City, CA). A célgének expresszióját kvantitatív RT-PCR-rel határoztuk meg, az ABI7900HT Real-Time PCR Cycler génspecifikus Taqman-próbákkal, Taqman gén expresszióval, Master Mix (ABI) alkalmazásával. A génszondák a listában találhatók kiegészítő anyag. Az egyes transzkriptumok relatív mennyiségét delta CT értékekkel határoztuk meg, amint azt korábban (). A génexpresszió változásait a változatlan GAPDH-standard alapján számítottuk ki.

Ex vivo Dopamin és Dopamin Metabolitok

Nagy teljesítményű folyadékkromatográfiát (HPLC) alkalmaztunk a dopamin és metabolitjainak az agy mesolimbikus jutalmazási területein (n = 8 – 12) történő mérésére, amint azt korábban leírtuk (,). Agyakat gyűjtöttük össze állatokból, és jobb és bal félteke felé haladtuk. A NAc-t és a PFC-t kivágtuk és gyorsan jéggel fagyasztottuk, és -80 ° C-on tároltuk. A szövetet 0.1 N perklórsavban végzett homogenizálással analízisre állítottuk elő, 15,000 percenként 15 percen át centrifugáltuk 2-8 ° C-on, és a felülúszót szűrtük. A mintákat egy Bioanalytical Systems HPLC-vel (West Lafayette, IN, USA) elemeztük LC-4C elektrokémiai detektor alkalmazásával. A mintákat (12 ul) reverz fázisú mikrobór oszlopra injektáltuk 0.6 ml / perc áramlási sebességgel és + 0.6 V értékre állítottuk. A dopamin és dopamin metabolitok elválasztását egy mobil fázissal végeztük, amely 90-mM nátrium-acetátot tartalmazott. 35-mM citromsav, 0.34-mM etilén-diamin-tetraecetsav, 1.2-mM nátrium-oktil-szulfát és 15% metanol v / v 4.2 pH-nál. A minták csúcsmagasságát mértük, és összehasonlítottuk a dopamin és a metabolit 3,4-dihidroxi-fenil-ecetsav (DOPAC) standardjaival.

Metilált DNS immunprecipitációs (MeDIP) vizsgálat

A MeDIP-vizsgálatot MagMeDIP-készlet (Diagenode, Denville, NJ) alkalmazásával állítottuk elő. A metilezett DNS-t immunprecipitáltuk 0.15ul mágneses gyöngyökkel, amelyek anti-5-metil-citidin antitesttel (Diagenode) vagy egér pre-immunszérummal vannak bevonva. A MeDIP frakcióban a gazdagodást kvantitatív RT-PCR-rel határoztuk meg a ChIP-qPCR Assay Master Mix (SuperArray) alkalmazásával az ABI7900HT Real-Time Cycler-en. Valamennyi vizsgált gén esetében a SuperArray (ChIP-qPCR Assays (−01) kb csempe, SuperArray) primereket kaptunk a genom régiók amplifikálásához, amelyek a transzkripciós starthelyektől kezdve körülbelül 300-500 bp-re vonatkoznak. A MeDIP-eredményeket az immunprecipitált DNS-ek szeres dúsításával fejeztük ki minden egyes helyen. A differenciális kihasználtsági változás (% dúsítás) kiszámításához a MeDIP DNS-frakció CT-értékeit normalizáltuk a bemeneti DNS-frakció CT értékeihez.

Statisztika

A gén expressziós analízist Student T-próbával végeztük, összehasonlítva az idősített kontrollokat HF ​​és HF + helyreállítási csoportokkal. Az alfa szintet a vizsgált több agyrégióhoz igazítottuk. Az egyik agyi régióban használt gén jelentősége p = .05; két régióban, p = 0.025, az 3 agyterületeken p = .016. A szacharóz-preferencia, a szacharin-preferencia, a HPLC és a MEDIP, a testtömegek és a kortikoszteron-vizsgálat elemzése egyirányú ANOVA-val történt a kontroll, HF és HF + helyreállítási csoportok összehasonlítására. A post-hoc Bonferonni több összehasonlító teszteket használtuk a csoportok közötti párok közötti különbségek összehasonlítására. Ezeknek a teszteknek a jelentőségét p = .05 alfa-szintre állítottuk be.

Eredmények

Az egerek 60 hetes korukig folyamatosan hozzáférhettek a kontroll étrendhez (kontroll) vagy a 12% magas zsírtartalmú étrendhez (HFD). 12 hetes korban a HF-vel táplált állatok felét 4 hétre a házi chow-ra helyezték (HF + gyógyulás). Mind a hímeknél, mind a nőknél a HFD állatok (körök) nehezebbek voltak, mint a kontrollok a 9. hét korától kezdődően (p <05), és nehezebbek maradtak a kontrolloknál a teljes gyógyulási időszak alatt (Kiegészítő ábra 1).

Szacharóz és szacharin preferencia teszteket alkalmaztunk az állatok természetes és nonnutritív jutalmazó ingerekre adott válaszának értékelésére. A szacharóz preferenciát, de nem szacharin preferenciát a HF diétás expozíció után megváltoztatták, és a HFD visszanyerése után a férfiak és nők esetében visszatért a normál szintre. Az egyirányú ANOVA kimutatta szacharóz-preferenciát, jelentősen csökkent a férfiaknál (1A) és a nőstények csökkenése felé irányult (1B) HFD-expozíció után (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06). A HFD eltávolítása után ez a viselkedés normalizálódott, és a szacharózpreferencia már nem különbözött a kontrollaktól. A szacharinpreferencia egyik férfiakban sem változott (1C) vagy nőstények (1D) a HFD-expozíció következtében.

ábra 1 

A nagy zsírtartalmú (HFD) expozíció után a szacharóz-preferencia, de nem szacharin-preferencia megváltozik, és a HFD visszanyerése után visszatér a férfiak és nők esetében.

Mivel a dopamin kulcsfontosságú szabályozója a jutalom viselkedésének, a dopaminhoz kapcsolódó génexpressziót a HFD-n végzett 12 hetek után egy különálló hím és nőstény kohorsz, és egy további csoportban vizsgálták a HFD-ből származó 4 hetek után. Táblázat 1 a VTA, PFC és NAc gén expressziós mintázatát és statisztikai elemzését foglalja össze. A VTA-ban a szinaptikus terminálok dopaminszintjének szabályozásában fontos géneket mértünk: katekolamin-metil-transzferázt (COMT), amely részt vett a katekolamin neurotranszmitterek inaktiválásában; dopamin transzporter (DAT), membrán-átfedő szivattyú, amely a dopamint a szinapszisból eltávolítja, és a tirozin-hidroxiláz (TH), a dopamin szintézis sebességkorlátozó enzimje. Az egyes csoportok hajtásváltozási értékeit idősített kontrollok segítségével határoztuk meg (pl. Mindkét vezérlési időpontot 1 értékre állítottuk be, és az egyértelműség érdekében a grafikonon csak a HFD vezérlése látható). Diák t-próbája (n = 5 / csoport) a férfiak VTA-ban kimutatható, hogy a COMT, DAT és TH mRNS szignifikánsan csökkent a HFD expozícióval (2A), és visszaállt a kontroll szintekre, vagy meghaladta az étrendből való helyreállítási időszakot (HF + helyreállítás).

ábra 2 

Krónikus, magas zsírtartalmú étrend (HFD) és a HFD utáni helyreállítás megváltoztatja a dopaminhoz kapcsolódó génexpressziót férfiak és nők esetében
Táblázat 1 

Gén expressziós összefoglaló és statisztikák a férfiaknál

A PFC-ben és a NAC-ban vizsgáltuk a dopamin-jelzés és a dopamin-forgalom szempontjából fontos géneket (n = 5 / csoport): COMT; 1B (DARPP-1) fehérje-foszfatáz 32 szabályozó alegység, a receptor stimuláció által szabályozott lefelé irányuló jelző fehérje; dopamin receptor D1 (DRD1), egy posztszinaptikus G-fehérjéhez kapcsolt receptor, amely stimulálja az adenilil-ciklázt; és D2 dopamin receptor (DRD2), egy posztszinaptikus G-fehérje kapcsolt receptor, amely gátolja az adenilil-ciklázt. A férfi PFC-ben (2B), A DARPP-32-et megnövekedett, míg a DRD1 és a DRD2 csökkent a HFD expozíció után, és ezek a változások a HFD eltávolítása után is fennálltak (bár a DARPP-32 mRNS növekedése nem volt statisztikailag megbízható). A férfi NAC-ban (2C), A COMT, a DRD1 és a DRD2 csökkentette a HFD expozíciót, és a HFD eltávolítása után a kontroll szint alatt maradt. A DARPP-32 szinteket a HFD fokozta, de az 4 hetek utáni kontrollok után jelentősen csökkent a HFD-től.

Ugyanazokat az agyi régiókat és géneket vizsgáltuk nőstény egerekben (n = 5 / csoport). Ahogy látható Táblázat 2, a HFD-re adott válaszként a génexpresszió mintázatában szignifikáns különbségeket figyeltek meg, valamint a táplálkozás visszanyerését. A férfiakhoz hasonlóan a VTA-ban a COMT és a TH mRNS-szintje jelentősen csökkent a HFD-expozíció után.2D). A férfiaktól eltérően azonban ezek a változások a HFD eltávolítása után is fennmaradtak. Továbbá, a férfiaknál megfigyelt mintával szemben, a HFD expozíció nőtt a DAT mRNS expressziója a VTA-ban a nőknél, és a HFD eltávolítása után még alacsonyabbak voltak az életkorhoz igazított kontrollok. A PFC-ben csak a DARPP-32 volt hatással a krónikus HFD-re, az 12 heti HFD utáni mRNS-szintek jelentős növekedésével, és a HFD eltávolítása után a kontroll szintek visszatérésével. Mind a COMT, mind a D1R mRNS szignifikánsan csökkent az 4 hetek után a HFD-től. A nőstény NAC-ban a COMT, a DRD1 és a DRD2 mind a HFD expozíció után csökkentek (2F). A DRD1 és a DRD2 az étrend-eltávolítást követően a kontroll szintre emelkedett, míg a COMT szintje továbbra is jelentősen csökkent az 4wk gyógyulása után.

Táblázat 2 

Gén expressziós összefoglaló és statisztikák a nőkben

Mivel a VTA-ban a dopamin szabályozó gének gén expressziójának következetes csökkenése figyelhető meg, a dopamin és dopamin metabolitok mennyiségét a VTA, a PFC és a NAC vetületeit tartalmazó régiókban számszerűsítettük. ábra 3 a dopamin (DA) és a dopamin-metabolit (DOPAC) a PFC-ből és a NAC-ból a férfiaknál \ t3A, 3C) és nőstények (3B, 3D). A férfiaknál a HFD expozíciója csökkentette a dopaminszintet a PFC-ben (\ t3A) és NAC (3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), amely a HFD eltávolítása után csak a NAC-ban állt helyre. A dopaminforgalom (DOPAC: DA arány) nőtt a férfi PFC-ben (F (2,12) = 3.85, p <05) és a NAC-ban (F (2,17) = 4.69, p <05). Ezzel szemben a HFD hatása a DA-ra és a DOPAC-ra nőstényekben minőségileg más volt, mint a férfiaknál. A PFC-ben a HFD nem befolyásolta a DA vagy a DOPAC szintet. Az NAc-ben a DA-szint csökkent a HFD-vel táplált állatokban, és a HFD eltávolítása után is csökkent (3DF (2,23) = 4.79, p <05). A DOPAC szintek a nők NAc-jében változatlanok voltak, ami a DA forgalom növekedését eredményezte (DOPAC: DA arány) (F (2,23) = 7.00, p <01).

ábra 3 

A DFC-szint csökkenése a PFC-ben és a NAC-ban a HFD után a születéstől és a vegyes gyógyulást követően a HFD eltávolítása után

Tekintettel arra, hogy a DAT transzkripció szabályozható differenciált DNS-metilálással és a VAT-ben a DAT expressziójában megfigyelhető nemi különbség megfigyelésével, a DAT promoter régiójában a DNS-metilációt vizsgáltuk. Ban ben 4A, 4C A DTA gén expressziója a VTA-ban ismét az egyértelműség érdekében kerül bemutatásra 2A és 2D). A DAT promoter metilációja jelentősen nőtt a férfiaknál (4B) HFD után, és visszatért a kontroll szintre a HFD + helyreállítási hímeknél (F (2,11) = 23.64, p <01). Nőstényekben a DAT promoter metilációja a HFD állatok csökkenésének irányába fordult (D), és szignifikánsan csökkent a HFD + helyreállító nőstényekben (5D. Ábra, F (2,12) = 5.70, p <05).

ábra 4 

A DAT promoter DNS-metilációs állapotának változása párhuzamosan változik a gén expressziójában a VTA-ban

Ahhoz, hogy felmérjük, hogy a HFD eltávolítása a gyógyulási időszakban stresszor volt-e, a plazma kortikoszteronszintjének alapszintjét (ug / dl) a kontroll, HFD expozíció (12 hét), HFD + 1wk helyreállítási és HFD + 4wk helyreállítási csoportok (n = 5) /csoport, Kiegészítő ábra 2). Az egyirányú ANOVA nem mutatott szignifikáns különbséget a hím állatok csoportjai között (F (3,16) = 3.21, ns).

Megbeszélés

A korai életkorban kezdődő, magas zsírtartalmú étrend (HFD) krónikus fogyasztását az étrend-indukált elhízás megállapítására használták egerekben. Az egerek csökkent szacharóz preferenciát mutatnak, és az agy jutalmú régióiban csökkent dopaminerg tónus bizonyult. A HFD-t követő 4 hetek után mind a férfiak, mind a nők esetében normalizálódott a szacharóz-preferencia, de néhány dopamin-génexpresszió változatlan maradt. Ezek a kísérletek fontos új adatokat szolgáltatnak, amelyek leírják a krónikus HFD hatását az agy jutalmazási rendszerére, kiemelve a helyreállítási kapacitást és a hím és nőstény egerek közötti legfontosabb nemi különbségeket.

A HFD-ben táplált állatoknál csökkent szacharóz-preferencia volt megfigyelhető, ami a gyógyulási időszak után megfordult. Ezek az eredmények kiterjeszti az előző jelentésünket a csökkentett szacharóz-preferenciát kiváltó HFD-bevitelről () annak bizonyításával, hogy ez a HFD-expozíció rövidebb időtartamával (12 hetek és 22 hetek) jelentkezhet, és fontos, hogy a válasz a HFD hiányában helyreálljon. A nőstény egerek ugyanolyan válaszmintákat mutattak, mint a férfiak. Ezek az eredmények összhangban vannak a szakirodalomban másokkal, amelyek azt mutatták, hogy a páros táplálkozási csoportba beletartozik, hogy a krónikus HFD, és nem önmagában az elhízás csökkenti a szacharózra adott reakciót egy operáns feladatban (). Hasonlóképpen, a jelenlegi vizsgálatban a szacharóz-preferencia az 4 hetek elteltével a HFD-ből, míg a testtömeg jelentősen megemelkedett, ami arra a következtetésre jutott, hogy a csökkent szacharóz-preferenciát a HFD-expozíció, nem pedig a kísérő testtömeg-növekedés okozza. Különösen érdekes volt, hogy a szacharin-preferencia nem változott. Ez arra utalhat, hogy a krónikus HFD differenciáltan befolyásolja a kalória- és a nem kalória édes jutalmakra adott választ. A lenyelés utáni hatásokról kimutatták, hogy befolyásolják az ízléstől független preferenciát, mivel a szacharóz bevitelről kimutatták, hogy a dopamin felszabadulását „édes-vak” íz receptor receptor kiütés egerekben indukálja (), a táplálkozási érték szükséges a jutalom és a \ t) és a drosophilában meghatározták az íz-független metabolikus érzékelési útvonalakat (). A szacharin jelentősen édesebb, mint a szacharóz, ezért erőfeszítést tettek az édesség egyenértékűségének megállapítására (jellemzően 4 – 10x nagyobb szacharózkoncentráció).)) azonban a szacharin általános preferenciája alacsonyabb volt, mint a szacharóz esetében. Ezért egy alternatív magyarázat lehet, hogy a HFD a szacharóz-preferenciát eltérő módon befolyásolta, mert viszonylag előnyösebb volt, mint a szacharin (magas és alacsony értékű jutalom), bár az állatok még mindig erősen preferáltak a szacharinra (~ 75 – 80% szacharinhoz képest) a ~ 85 – 90% preferencia a szacharózra).

Összességében a dopaminerg gén expressziója a VTA, NAc és PFC-ben a hím egerekben csökkent a krónikus HFD után. Ezek az eredmények összhangban vannak más vizsgálatokkal, amelyek a dopaminhoz kapcsolódó gének csökkenését figyelték meg a HFD hatására (,,). A dopamin D2 receptor expressziójának és működésének csökkenését figyelték meg a humán képalkotó vizsgálatokban (, ) és rágcsáló elhízás modellek (, ). A csökkent dopamin-jelzés csökkenti a természetes jutalmak érzékenységét, és ezáltal elősegítheti az ízletes élelmiszerek túlzott fogyasztását és további súlygyarapodást (,). Ismert, hogy a csökkent DAT felületi expresszió által kiváltott, megszakított dopamin homeosztázis növeli a magas zsírtartalmú étrend bevitelét (). A DARPP-32, egy dopamin- és ciklikus AMP-szabályozott foszfoprotein, amely a NAF-ben és a PFC-ben HFD után nőtt, kivételt jelentett ebből a mintából. A DARPP-32 kulcsszerepet játszik a dopamin által szabályozott biokémiai és viselkedési válaszok sokféle integrálásában. Előfordulhat, hogy a DARPP-32 felépítés kompenzáló hatással volt a D1R krónikus leállítására. Hasonló modellben (12 wk HFD egerekben) kimutatták, hogy a D1R le-szabályozást a DARPP-32 foszforilációjának növekedése egy NAc-ben ().

Kevés tanulmány vizsgálta meg ezeket a változásokat a HFD eltávolítása után. Ugyanakkor két közelmúltbeli jelentésben a génexpressziós változások és a jutalomrendszer-hibák továbbra is fennálltak egy rövid megvonási idő után (14 – 18d) (, ). Ezzel ellentétben az elhízott betegeknél a gyomor bypass műtét előtt és után végzett vizsgálatok a dopaminerg változások megfordulását mutatják hosszabb fogyás után (). A férfiaknál a regenerálódási mintázat agyi régióban változott. A VTA-ban a megfigyelt COMT, DAT és TH csökkenések normalizálódtak a HFD eltávolításával. Ezzel szemben a NAc-ben és a PFC-ben megfigyelt összes génexpressziós változás nem normalizálódott. A jelenlegi vizsgálatban a krónikus HFD jelentős súlygyarapodáshoz vezetett, és az 4 hetek elteltével az étrendből az állatok még mindig jelentősen nehezebbek voltak, mint a kontrollok. Ezért az elhízással járó későbbi metabolikus és hormonális változások (pl. Megnövekedett leptin, emelkedett adipokinek) valószínűleg még mindig jelen voltak az 4 héten az étrendtől. Ezért a génexpressziós változásokat, amelyek normalizálódtak (pl. A VTA-ban), elsősorban a HFD vezérelte, míg a fenntartott (NAc-ben és PFC-ben) változások szorosabban kapcsolódhatnak az elhízáshoz. A fogyás étrenddel történő fenntartása jellemzően alacsony (az 67% -kal () 80% -ra () az elveszett súlyt visszanyerő betegek). Ez a génexpresszió változása a jutalmazási régiókban fontos lehet a közös előfordulás részben magyarázata. Fontos továbbá megjegyezni, hogy a megfigyelt viselkedési és génexpressziós változások nem valószínűleg a változó étrenddel kapcsolatos stressz következményei, mivel a HFD-n vagy az 1wk vagy az 4wk gyógyulása után nem volt jelentős változás a bazális plazma kortikoszteronszintekben.

Érdekes nemi különbségeket mutattak ki mind a krónikus HFD-re adott válasz, mind a táplálkozás eltávolítása során. A nőstények hasonlóak voltak a férfiakhoz, hogy a dopaminhoz kapcsolódó gének általános csökkenését mutatták, ami a DA aktivitás csökkenését jósolta, különösen a VTA-ban és a NAc-ben. Az egyik figyelemre méltó nemi különbség a DAT mRNS expressziójának növekedése a női VTA-ban a HFD után. Ez a különbség a génexpresszióban, a TH gén expressziójának hasonló csökkenésével párosítva mindkét nem esetében, jelentős eltéréseket mutatna a dopamin neurotranszmisszióban a NAc-ben, mind a HFD expozíció végén, mind a gyógyulási időszak után. E különbségek funkcionális jelentőségének nagyobb elismerése a jövőbeli kutatások fontos eleme.

Ezen túlmenően, míg a COMT és TH csökkenés a férfiak VTA-ban jelentkezett, ezek a csökkenések a nőstényekben a HFD-t követő 4-hét után jelentkeztek. Még meg kell határozni, hogy ezek a különbségek megfordulnak-e az étrend hosszabb idejével, azonban azt a következtetést vonja le, hogy a nőstények legalább lassabban állnak helyre, ha egyáltalán helyreállnak. Továbbá a D1R és a D2R génexpressziós változásai NAc-ben és PFC-ben nagyon eltérőek voltak a férfiak és a nők között. Férfiaknál mindkét régióban általánosságban csökkent a génexpresszió, ami nagymértékben fennmaradt az étrend eltávolítása után. A nőstényekben a D1R és a D2R csökkent a NAc-ben, majd helyreállt, de a HFD nem volt hatással a PFC dopamin receptoraira. A jelenlegi vizsgálatokban a nőstény állatokat leöljük anélkül, hogy számításba vennék az erekciós stádiumot. Míg a megfigyelt végpontok némelyike ​​ismert, hogy változik az estrus ciklusban, ebben a vizsgálatban a nőstény állatok nem mutattak fokozott varianciát a végpontok között, különösen az étrend-manipulációk hatásával összehasonlítva.

A génexpressziós eredmények kiegészítéséhez a dopamin a VTA elsődleges vetületi régióiban, azaz a PFC-ben és a NAc-ben volt mérve. A dopamin szintek a THMRNS-ben megfigyelt párhuzamos változásokra vonatkoztak a VTA-ban. A férfiak és a nők NAc-jében a DA szintje csökkent a HFD étrendre adott válaszként; a férfiaknál, de nem a nőknél fellépő válasz. A PFC-ben a dopaminszint is csökkent a HFD-vel, azonban a PFC-ben nem volt kimutatható a táplálkozás. Továbbá a nőknél a prefrontális kéregben a férfiaknál alacsonyabb volt a dopaminszint. A nemi különbségek a DAT expressziójában és funkciójában jól ismertek az irodalomban, a nőstények nagyobb DAT-expressziót mutatnak () és funkció (), és ezek a különbségek hozzájárulhatnak a dopamin különböző alapszintjeihez férfiak és nők között. A DOPAC: DA arány vizsgálata is informatív. Ennek az aránynak a növekedése tükrözi a kompenzációs reakciót, amelyet a DA csökkenése vezérel. A dopamin metabolizmusban bekövetkezett változások hosszú távú funkcionális jelentőségét a dopamin felszabadulás változásainak mérésével megvilágítanák in vivo mikrodialízissel.

Ezenkívül ezek az adatok azonosítják a DNS-metiláció dinamikus szabályozását a DAT-gén promóterében, különösen a férfiaknál. Nemrégiben kimutattuk, hogy a DAT-expresszió dinamikusan szabályozható a differenciált DNS-metilálással a HFD-re válaszul (), és hogy a megnövekedett DAT promoter metiláció korrelál a génexpresszió csökkenésével. Itt azonosítjuk ennek a válasznak a plaszticitását, mivel a HFD eltávolításakor a férfiaknál megfigyelt megnövekedett DNS-metiláció (és az mRNS expressziójának csökkenése) megfordul. Az epigenetikus génszabályozás, például a DNS-metiláció változásai révén, egy olyan utat jelent, amelyben a szervezetek könnyen alkalmazkodhatnak a környezeti kihívásokhoz. Az epigenetikus jeleket az egész élettartam alatt lehet fenntartani (), és a tenyésztett embrionális őssejtekben mind a reverzibilis, mind a perifériás DNS-metiláció mintáit a változó környezeti feltételekre figyelemmel figyelték meg (). Ezek az adatok bizonyítják az elsőt in vivo dinamikus metilációs minta, amely környezeti kihívás jelenlétével vagy hiányával változik. Figyelemre méltó volt, hogy ez a minta nem figyelhető meg a nőknél. Míg a kezdeti válasz a HFD-re az előrejelzett volt (csökkent DNS-metiláció, ami fokozta a génexpressziót), ez a minta nem állt fenn a gyógyulás során. Ez arra utal, hogy a DNS-metiláció és a génexpresszió a HFD-t követő négy hét alatt szétkapcsolódhat, vagy arra utalhat, hogy a DAT mRNS-t más módon szabályozzák a nőknél.

A férfiaknál a szacharóz-preferencia, a DA-val összefüggő génexpresszió a VTA-ban és a dopamin a NAc-ben következetes mintázatot mutat, az elnyelés után visszanyert krónikus HFD-re reagálva. Érdekes, hogy míg a szacharózra adott viselkedési válaszok hasonlóak a nőknél, mind a génexpressziós mintázat, mind a NAc dopamin szintje a HFD eltávolítása után nem mutat helyreállítást. A jutalmakkal kapcsolatos viselkedést egyértelműen befolyásolják további neurotranszmitter rendszerek, mint például az opioidok, és talán a nőknél, a szacharózra adott viselkedési válasz erősebben kapcsolódik az opioidok változásához. Összességében a jelenlegi adatok arra utalnak, hogy a nemi különbségek a HFD kezdeti válaszában, valamint a HFD eltávolítását követő helyreállításban a dopaminhoz kapcsolódó génexpresszió tekintetében fontos irányt jelentenek a jövőbeni kutatások számára, amelyek arra irányulnak, hogy a krónikus fogyasztás milyen mértékben történik. a HFD hatással van az agyi jutalmazási rendszerre. Leginkább ezek az adatok a HFD-re adott dopaminerg válasz jelentős plaszticitását mutatják, ami arra utal, hogy míg a krónikus HFD-fogyasztás és / vagy elhízás káros hatásai jelentősek, a gyógyulás lehetősége létezik.

Mi már ismert a témáról

  • Az elhízott betegekben a dopamin receptor expressziója és funkciója csökken
  • A magas zsírtartalmú étrend krónikus expozíciója megváltoztatja a dopaminhoz kapcsolódó géneket és a jutalom viselkedését
  • A dopamin neurotranszmisszió megváltozik az elhízott rágcsálókban.

Amit ez a kézirat hozzáteszi a témához

  • A nemi különbségek azonosítása a magas zsírtartalmú étrendre adott központi idegrendszeri válaszban.
  • A dopaminerg változások plaszticitásának értékelése a magas zsírtartalmú étrend eltávolításakor.
  • A dinamikus DNS-metilációs változások azonosítása a magas zsírtartalmú étrendre adott válaszként

Kiegészítő anyag

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát az alábbi támogatások támogatták: MH087978 (TMR), MH86599 (IL) és T32 GM008076 (JLC).

Lábjegyzetek

 

Érdekütközési nyilatkozat

A szerzőknek nincsenek konfliktusai a nyilvánosságra hozatalhoz.

 

Referenciák

1. Swinburn B, zsákok G, Ravussin E. A megnövekedett élelmiszer-energiaellátás több mint elegendő ahhoz, hogy megmagyarázza az amerikai elhízás járványát. Am J Clin Nutr. 2009; 90: 1453-1456. [PubMed]
2. Fibiger HC, Phillips AG. Mesokortikolimbikus dopamin rendszerek és jutalom. Ann NY Acad Sci. 1988; 537: 206-215. [PubMed]
3. Hernandez Luis, Hoebel Bartley G. Élelmiszer-jutalom és kokain növeli az extracelluláris dopamint a Nucleus Accumbens-ben, mikrolízissel mérve. Élettudományok. 1988; 42 (18): 1705-1712. [PubMed]
4. Sahr Allison E, Sindelar Dana K, Alexander-Chacko Jesline T, Eastwood Brian J, Mitch Charles H, Statnick Michael A. A mezolimbikus dopaminneuronok aktiválását az ízletes ételek újszerű és napi korlátozott hozzáférése során az opioid antagonista LY255582 blokkolja. American Journal of Physiology - Szabályozó, integratív és összehasonlító élettan. 2008. augusztus 1.; 295 (2): R463 – R471. [PubMed]
5. E stice, Spoor S, Bohon C, kis DM. Az elhízás és a táplálékra adott tompa striatális válasz közötti kapcsolatot a TaqIA A1 allél szabályozza. Tudomány. 2008; 322: 449-452. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
6. Noble EP, Blum K, Ritchie T, Montgomery A, Sheridan PJ. A D allelikus összefüggése2 dopamin receptor gén, amely receptor-kötő tulajdonságokkal rendelkezik az alkoholizmusban. Arch Gen Psychiatr. 1991; 48: 648-654. [PubMed]
7. Chen PS, Yang YK, Yeh TL, Lee IH, Yao WJ, Chiu NT et al. A testtömeg-index és a striatális dopamin transzporter elérhetősége egészséges önkéntesek között - A SPECT vizsgálat. Neuroimage. 2008; 40 (1): 275-279. [PubMed]
8. Szükséges AC, Ahmadi KR, Spector TD, Goldstein DB. Az elhízás a dopamin elérhetőségét megváltoztató genetikai változatokhoz kapcsolódik. Annals of Human Genetics. 2006 május, 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Geiger BM, Frank LE, Caldera-siu AD, Stiles L, Pothos EN. A központi dopamin hiánya több elhízás modellben. Étvágy. 2007; 49 (1): 293.
10. Geiger BM, Haburcak M, Avena NM, Moyer MC, Hoebel BG, Pothos EN. A mezolimbikus dopamin neurotranszmisszió hiányosságai patkány táplálék elhízásában. Neuroscience. 2009 április 10; 159 (4): 1193 – 119. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
11. Cone JJ, Robbins HA, Roitman JD, Roitman MF. A magas zsírtartalmú étrend fogyasztása befolyásolja a fázisos dopamin felszabadulást és az újrafelvételt a magban. Étvágy. 2010 Jun; 54 (3): 640.
12. Vucetic Zivjena, Carlin Jesselea, Totoki Kathy, Reyes Teresa M. A dopamin rendszer epigenetikus diszregulációja az étrend-indukált elhízásban. Journal of Neurochemistry. 2012 Jan 5; [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Dopamin D1 receptor gén expresszió csökkenése a magban Accumbens hosszútávú kitettséggel, és a táplálék-indukált elhízás fenotípusától függően. Neuroscience. 2010 Dec 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Johnson Paul M, Kenny Paul J. Dopamin D2 Receptorok függőség-szerű jutalmi diszfunkcióban és kompulzív étkezésben az elhízott patkányokban. Nature Neuroscience. 2010 május, 13 (5): 635 – 641. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
15. Huang Xu-Feng, Yu Yinghua, Zavitsanou Katerina, Han Mei, Storlien Len. A dopamin D2 és D4 receptor és tirozin-hidroxiláz mRNS differenciális expressziója egerekben, amelyek hajlamosak vagy rezisztensek a krónikus, magas zsírtartalmú étrend-indukált elhízáshoz. Molekuláris agykutatás. 2005 április 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Teegarden SL, Scott AN, Bale TL. A magas zsírtartalmú étrendre való korai élettartam elősegíti a táplálkozási preferenciák hosszú távú változását és a központi jutalomjelzést. Neuroscience. 2009 szeptember 15, 162 (4): 924 – 932. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
17. Bouret SG. A korai hormonális és táplálkozási tapasztalatok szerepe a táplálkozási viselkedés kialakításában és a hipotalamikus fejlődésben. A Táplálkozás Napja. 2010 Jan 1; [PubMed]
18. Vucetic Z, Kimmel J, Totoki K, Hollenbeck E, Reyes TM. Az anyai nagy zsírtartalmú étrend a dopamin és az opioidhoz kapcsolódó gének metilezését és gén expresszióját eredményezi. Endokrinológia. 2010 okt., 151 (10): 0000 – 0000. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
19. Reyes Teresa M, Walker John R, DeCino Casey, Hogenesch John B, Sawchenko Paul E. kategorikusan megkülönböztetett akut stresszorok Eltérő transzkripciós profilok kiküszöbölése a hypothalamus paraventricularis magjában. The Neuroscience Journal: A Neurotudományi Társaság Hivatalos Lapja. 2003 Jul 2, 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Cleck Jessica N, Ecke Laurel E, Blendy Julie A. Endokrin és gén expresszió változások az erőszakos úszó stressz-expozíció után egereknél a kokainmegtartóztatás során. Psychopharmacology. 2008 Nov; 201 (1): 15 – 28. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
21. Pfaffl MW. Egy új matematikai modell a relatív mennyiségi meghatározáshoz valós idejű rt-pcr-ben. Nucleic Acids Res. 2001; 20: e45. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
22. Mayorga AJ, Dalvi A, oldal ME, Zimov-Levinson S, Hen R, Lucki I. Antidepresszáns-szerű viselkedési hatások 5-hidroxi-triptamin (1A) és 5-hidroxitriptamin (1B) receptor mutáns egerekben. J Pharmacol Exp Ther. 2001; 298: 1101-110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Reyes TM. A krónikus nagy zsírtartalmú étrend az μ-Opioid Receptor posztnatális epigenetikai szabályozását teszi lehetővé az agyban. Neuropsychop. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. előzetes online kiadvány 16 február 2011. [PMC ingyenes cikk] [PubMed] [Cross Ref]
24. Davis JF, Tracy AL, Schurdak JD, Tschöp MH, Lipton JW, Clegg DJ és mtsai. A magas zsírsavszintnek való kitettség csökkenti a pszichostimuláns jutalmat és a mezolimbikus dopamin forgalmat a patkányokban. Behav Neurosci. 2008; 122 (6) [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
25. de Araujo Ivan E, Oliveira-Maia Albino J, Sotnikova Tatyana D, Gainetdinov Raul R, Caron Marc G, Nicolelis Miguel AL, Simon Sidney A. Élelmiszer-jutalom az íze-receptor jelzés hiányában. Idegsejt. 2008 Mar 27; 57 (6): 930 – 941. [PubMed]
26. Beeler Jeff A, McCutcheon James E, Cao Zhen FH, Murakami Mari, Alexander Erin, Roitman Mitchell F, Zhuang Xiaoxi. A táplálkozásból leválasztott íz nem tart fenn az élelmiszer megerősítő tulajdonságait. Az Európai Neurotudományi folyóirat. 2012 Aug; 36 (4): 2533 – 2546. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
27. Dus Monica, Min SooHong, Keene Alex C, Lee Ga Young, Suh Greg SB. A cukor kalóriatartalmának Drosophilában történő ízléstől független észlelése. Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának eljárása. 2011 július 12; 108: 11644 – 11649. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
28. Wang Gene-Jack, Volkow Nora D, Logan Jean, Pappas Naoml R, Wong Christopher T, Zhu Wel, Netusll Noelwah, Fowler Joanna S. Brain dopamin és elhízás. A Lancet. 2001; 357 (9253): 354-357. [PubMed]
29. Huang XF, Zavitsanou K, Huang X, Yu Y, Wang H, Chen F et al. Dopamin transzporter és D2 receptor kötődési sűrűsége egerekben, amelyek hajlamosak vagy rezisztensek a krónikus, magas zsírtartalmú étrend által okozott elhízásra. Behav Brain Res. 2006; 175 (2): 415-419. [PubMed]
30. Fortuna Jeffrey L. Az elhízás-járvány és az élelmiszer-függőség: klinikai hasonlóságok a drogfüggőséggel. Journal of Psychoactive Drugs. 2012 Mar; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Koob George F, Moal Michel Le. Függőség és az agy antireward rendszer. A pszichológia éves felülvizsgálata. 2008; 59: 29-53. [PubMed]
32. Speed ​​Nicole, Saunders Christine, Davis Adeola R, Anthony Owens W, Matthies Heinrich JG, Saadat Sanaz, Kennedy Jack P és mtsai. Csökkent Striat Akt Signaling megzavarja a dopamin homeosztázist és növeli a táplálkozást. PLoS ONE. 2011 szeptember 28, 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [PMC ingyenes cikk] [PubMed] [Cross Ref]
33. Sharma S, Fulton S. A diéta által kiváltott elhízás elősegíti a depresszív viselkedést, amely összefügg a neuronális adaptációval az agyi jutalom-áramkörben. Az International of Obesity 2005. 2012 április 17; [PubMed]
34. Steele Kimberley E, Prokopowicz Gregory P, Schweitzer Michael A, Magunsuon Thomas H, Lidor Anne O, Kuwabawa Hiroto, Kumar Anil, Brazília James, Wong Dean F. A központi dopamin receptorok módosítása a gyomor bypass műtét előtt és után. Elhízás sebészet. 2009 okt. 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Phelan Suzanne, Wing Rena R, Loria Catherine M, Kim Yongin, Lewis Cora E. A testsúlycsökkenés fenntarthatóságának előfordulása és előrejelzői egy biraciális kohorszban: a koronária artériás kockázat fejlődésének eredményei a fiatal felnőttek vizsgálatában. American Journal of Preventive Medicine. 2010 Dec; 39 (6): 546 – 554. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
36. AE mező, Wing RR, Manson JE, Spiegelman DL, Willett WC. A nagy súlyveszteség és a hosszú távú súlyváltozás közötti kapcsolat a fiatal és középkorú amerikai nők között. Az elhízás és a kapcsolódó metabolikus zavarok nemzetközi folyóirata: Az elhízás tanulmányozásának nemzetközi szövetsége. 2001 Aug; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Morissette M, Di Paolo T. Szex és estikus ciklus variációk a patkány striatális dopamin felvételi helyekről. Neuroendokrinológia. 1993 Jul; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Bhatt Sandeep D, Dluzen Dean E. Dopamin transzporter funkció Különbségek a férfi és a női CD-1 egerek között. Agykutatás. 2005 Feb 28, 1035 (2): 188 – 195. doi: 10.1016 / j.brainres.2004.12.013. [PubMed] [Cross Ref]
39. Ollikainen Miina, Smith Katherine R, Joo Eric Ji-Hoon, Hong Kiat Ng, Andronikos Roberta, Novakovic Boris és munkatársai. Az újszülött ikrek többszörös szövetének DNS-metilációs elemzése feltárja mind a genetikai, mind az intrauterin komponenseket az emberi újszülöttkori epigenómában. Emberi molekuláris genetika. 2010 Nov 1; 19 (21): 4176 – 4188. [PubMed]
40. Tompkins Joshua D, Christine Hall, Chen Vincent Chang-yi, Li Arthur Xuejun, Wu Xiwei, Hsu David és mtsai. Epigenetikus stabilitás, alkalmazkodóképesség és reverzibilitás az emberi embrionális őssejtekben. Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának eljárása. 2012 Jul 31, 109 (31): 12544 – 12549. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]