Pembalikan disfungsi sistem dopamin sebagai respons terhadap diet tinggi lemak (2013)

. Naskah penulis; tersedia dalam PMC 2014 Jun 1.

Diterbitkan dalam bentuk yang diedit akhir sebagai:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

Abstrak

Tujuan

Untuk menguji apakah diet tinggi lemak (HFD) mengurangi tonus dopaminergik di daerah hadiah otak dan mengevaluasi apakah perubahan ini terbalik setelah pengangkatan HFD.

Desain dan Metode

Tikus jantan dan betina diberi makan 60% HFD selama 12 minggu. Kelompok tambahan dievaluasi 4 minggu setelah pengangkatan HFD. Kelompok-kelompok ini dibandingkan dengan kontrol yang diberi makan, kontrol sesuai usia. Preferensi sukrosa dan sakarin diukur bersama dengan ekspresi mRNA gen terkait dopamin oleh RT-qPCR. Dopamin dan DOPAC diukur menggunakan kromatografi cair kinerja tinggi. Metilasi DNA promotor DAT diukur dengan immmunopresipitasi DNA teretilasi dan RT-qPCR.

Hasil

Setelah gagal jantung kronis, preferensi sukrosa berkurang, dan kemudian dinormalisasi setelah pengangkatan gagal jantung kronis. Penurunan ekspresi gen dopamin, penurunan kadar dopamin dan perubahan dalam metilasi promotor DAT diamati. Yang penting, respons terhadap HFD dan kegigihan perubahan tergantung pada jenis kelamin dan wilayah otak.

Kesimpulan

Data ini mengidentifikasi berkurangnya nada dopamin setelah HFD kronis awal kehidupan dengan pola pembalikan dan kegigihan yang kompleks yang bervariasi berdasarkan jenis kelamin dan wilayah otak. Perubahan SSP yang tidak membalik setelah penarikan HFD dapat berkontribusi pada kesulitan dalam mempertahankan penurunan berat badan setelah intervensi diet.

Kata kunci: Dopamin, diet tinggi lemak, DAT, perbedaan jenis kelamin, obesitas, penarikan, metilasi DNA

Pengantar

Konsumsi berlebihan makanan yang enak dan padat kalori dianggap sebagai faktor utama yang berkontribusi pada tingginya tingkat obesitas di AS (). Karena makanan enak sering dikonsumsi setelah kebutuhan energi terpenuhi, sifat menguntungkan makanan enak dapat mengesampingkan sinyal kenyang homeostatis. Banyak neurotransmiter berperan dalam perilaku makan (misalnya opioid, dopamin, GABA, serotonin) serta integrasi sinyal nutrisi perifer (misalnya, leptin, insulin, ghrelin). Pensinyalan dopamin adalah mediator utama dalam perilaku mencari makan dan mencari hadiah, karena dopamin di wilayah mesolimbik / mesokortikal dikaitkan dengan sifat-sifat bermanfaat dari makanan, seks, dan obat-obatan kecanduan (). Secara akut, makanan enak menyebabkan ledakan dopamin dalam sistem imbalan pusat (,). Dengan konsumsi kronis hadiah makanan, peningkatan pelepasan dopamin dari waktu ke waktu dapat menyebabkan adaptasi yang terkait dengan hadiah fungsi hipo.

Beberapa jalur bukti mendukung hipotesis perubahan fungsi dopamin pada obesitas. Studi pencitraan manusia mengungkapkan aktivasi tumpul di daerah hadiah pasien obesitas sambil minum solusi yang sangat enak (milkshake) (). Respons hadiah yang tumpul dikaitkan dengan lebih sedikit ketersediaan D2 reseptor dopamin otak. Bahkan, mutasi pada reseptor D2 dopamin manusia telah dikaitkan dengan obesitas dan kecanduan (). Konten dopamin dalam sinaps sebagian besar dikendalikan oleh penyerapan dopamin transporter (DAT). Tingkat transporter dopamin berkorelasi negatif dengan indeks massa tubuh dan varian genetik DAT juga terkait dengan obesitas (,). Hewan model obesitas telah menunjukkan penurunan dopamin ekstraseluler basal dan pengurangan neurotransmisi dopamin dalam nucleus accumbens dan daerah tegmental ventral (,,). Penurunan gen terkait dopamin setelah diet tinggi lemak kronis (HF) menunjukkan penurunan pensinyalan di wilayah hadiah (, ,,). Penurunan aktivitas dopamin ini setelah diet tinggi lemak kronis dapat mengurangi sensitivitas terhadap imbalan alami dan memfasilitasi konsumsi berlebih yang berkelanjutan dan penambahan berat badan lebih lanjut.

Kehidupan awal adalah periode kritis dalam perkembangan otak, dan lingkungan nutrisi awal dapat memengaruhi jalur otak mengendalikan asupan makanan dan metabolisme energi. Paparan awal tikus pada diet tinggi lemak hanya selama satu minggu mengubah asupan kalori orang dewasa dan ekspresi molekul pensinyalan terkait dopamin (). Lebih lanjut, nutrisi pascakelahiran lebih awal pada tikus, didorong oleh jumlah serasah kecil selama masa menyusui, merupakan predisposisi keturunan untuk obesitas dewasa dengan mengubah perkembangan hipotalamus (). Meskipun jelas bahwa nutrisi awal kehidupan dapat memengaruhi perkembangan otak dan risiko obesitas, sedikit yang diketahui tentang keabadian relatif dari perubahan-perubahan ini sepanjang umur. Selain itu, penelitian sebelumnya telah dilakukan pada hewan jantan tetapi betina jarang dipelajari dalam konteks ini. Untuk tujuan ini, tikus jantan dan betina dipelajari untuk perubahan ekspresi gen dan metabolisme dopamin setelah mereka mengalami obesitas di awal kehidupan melalui konsumsi kronis diet HF sejak lahir hingga usia 8 minggu. Sistem dopamin juga dievaluasi 4 minggu setelah penghapusan diet HF, untuk memeriksa apakah perubahan bertahan atau dibalik.

Metode dan Prosedur

Hewan dan model eksperimental

C57BL / 6J betina dikawinkan dengan jantan DBA / 2J (Laboratorium Jackson, Bar Harbor, ME). Semua bendungan diberi diet kontrol standar (#5755; protein 18.5%, 12% lemak, 69.5% karbohidrat) hingga proses kelahiran ketika setengah bendungan / litter ditempatkan pada diet tinggi lemak (Tes Diet, Richmond, IN #58G9; 18% protein, 60% lemak, dan 20.5% karbohidrat). Keturunan disapih pada usia 3 minggu dan tetap pada diet kontrol atau diet tinggi lemak sampai usia 12 minggu. Bobot tubuh dicatat setiap minggu, dan tikus jantan (n = 5 – 10) dan betina (n = 5 – 10) digunakan. Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan Institusional (IACUC) dari Universitas Pennsylvania menyetujui semua prosedur.

Preferensi sukrosa dan sakarin

Dalam percobaan terpisah, tikus secara individual ditempatkan (n = 8-10 / kelompok) dalam kandang standar selama 3 hari dengan satu botol 200 ml larutan uji (4% sukrosa atau 1% larutan sakarin (b / v)) dan lainnya botol dengan 200 ml air keran. House chow tersedia ad libitum. Sukrosa (ml), air (ml), dan konsumsi makanan (g), diukur dan penempatan botol dibalik setiap hari. Preferensi dihitung menggunakan rata-rata pengukuran dari 2 hari terakhir sebagai berikut: preferensi% = [(konsumsi sukrosa / sukrosa + konsumsi air) × 100].

DNA Genomik dan isolasi RNA Total dari otak

Hewan (n = 5 / kelompok) di-eutanasia dengan overdosis karbon dioksida, diikuti oleh dislokasi serviks; sebuah metode yang direkomendasikan oleh Panel tentang Euthanasia dari American Veterinary Medical Association. Otak kemudian dengan cepat dihapus dan ditempatkan di RNAlater (Ambion, Austin, TX) selama 4-6 jam sebelum diseksi. Diseksi otak untuk mengisolasi korteks prefrontal, nukleus accumbens dan daerah tegmental ventral dibentuk seperti yang dijelaskan sebelumnya (,, ). DNA Genomik dan RNA total diisolasi secara bersamaan menggunakan AllPrep DNA / RNA Mini Kit (Qiagen).

Analisis ekspresi gen dengan PCR kuantitatif Waktu-Nyata

Untuk setiap sampel individu, 500ng dari total RNA digunakan dalam transkripsi terbalik menggunakan Kit Transkripsi Kapasitas Tinggi (ABI, Foster City, CA). Ekspresi gen target ditentukan oleh RT-PCR kuantitatif menggunakan Probe Taqman spesifik gen dengan ekspresi gen Taqman Master Mix (ABI) pada ABI7900HT Real-Time PCR Cycler. Probe gen terdaftar di bahan tambahan. Jumlah relatif setiap transkrip ditentukan menggunakan nilai CT delta seperti yang dijelaskan sebelumnya dalam (). Perubahan ekspresi gen dihitung terhadap standar GAPDH yang tidak berubah.

Ex vivo Dopamine dan Dopamine Metabolites

Kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC) digunakan untuk mengukur kandungan dopamin dan metabolitnya di area hadiah mesolimbik otak (n = 8-12), seperti dijelaskan sebelumnya (,). Otak dikumpulkan dari hewan dan dibagi dua ke belahan kanan dan kiri. NAc dan PFC dibedah dan dibekukan dengan cepat menggunakan es kering dan disimpan pada suhu −80 ° C. Jaringan disiapkan untuk analisis dengan homogenisasi dalam asam perklorat 0.1 N, disentrifugasi pada 15,000 rpm selama 15 min pada 2-8 ° C, dan supernatan disaring. Sampel dianalisis oleh Sistem Bioanalitik HPLC (West Lafayette, IN, USA) menggunakan detektor elektrokimia LC-4C. Sampel (12 ul) disuntikkan ke kolom mikrob fase fase terbalik pada laju aliran 0.6 ml / mnt dan setel elektroda pada + 0.6 V. Pemisahan untuk dopamin dan metabolit dopamin dilakukan oleh fase gerak yang terdiri dari 90-mM natrium asetat, 35-mM asam sitrat, 0.34-mM etilenadiamin tetraasetat asam, 1.2-mM natrium oktil sulfat, dan 15% metanol v / v pada pH 4.2. Ketinggian puncak sampel diukur dan dibandingkan dengan standar untuk dopamin dan metabolitnya 3,4-dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC).

Uji Methylated Immunoprec presipitasi (MeDIP)

Uji MeDIP dibuat menggunakan kit MagMeDIP (Diagenode, Denville, NJ). DNA yang dimetilasi di imunopresipitasi menggunakan 0.15ul dari manik-manik magnetik yang dilapisi dengan antibodi anti-5methylcytidine (Diagenode) atau serum pra-imun tikus. Pengayaan dalam fraksi MeDIP ditentukan oleh RT-PCR kuantitatif menggunakan Campuran Master ChIP-qPCR (SuperArray) pada ABI7900HT Real-Time Cycler. Untuk semua gen yang diperiksa, primer diperoleh dari SuperArray (ChIP-qPCR Assays (−01) kb tile, SuperArray) untuk amplifikasi wilayah genom yang mencakup situs CpG yang terletak sekitar 300-500 bp di hulu dari lokasi awal transkripsi. Hasil MeDIP diekspresikan sebagai pengayaan lipatan dari DNA yang diimunopresipitasikan untuk setiap lokasi. Untuk menghitung perubahan lipat hunian diferensial (% pengayaan), nilai CT fraksi DNA MeDIP dinormalisasi menjadi nilai CT fraksi DNA input.

statistika

Analisis ekspresi gen dilakukan dengan menggunakan Student T-test membandingkan kontrol cocok tua untuk kelompok pemulihan HF dan HF +. Tingkat alpha disesuaikan untuk beberapa daerah otak yang disurvei. Signifikansi gen yang digunakan dalam satu wilayah otak adalah p = .05; untuk dua wilayah, p = 0.025, untuk 3 wilayah otak p = .016. Preferensi sukrosa, preferensi sakarin, HPLC dan MEDIP, bobot tubuh dan uji kortikosteron dianalisis menggunakan ANOVA satu arah untuk membandingkan kelompok kontrol, HF, dan pemulihan HF +. Uji Perbandingan Berganda Bonferonni Post-hoc digunakan untuk membandingkan perbedaan pasangan-kelompok. Signifikansi untuk tes ini ditetapkan pada tingkat alpha p = .05.

Hasil

Tikus memiliki akses terus menerus untuk mengontrol diet (kontrol) atau 60% diet tinggi lemak (HFD) sampai usia 12 minggu. Pada usia 12 minggu, setengah dari hewan yang diberi HF ditempatkan di kandang selama 4 minggu (pemulihan HF +). Pada jantan dan betina, hewan (lingkaran) HFD lebih berat daripada kontrol yang dimulai pada usia 9 minggu (p <.05) dan tetap lebih berat daripada kontrol selama periode pemulihan (Gambar Tambahan 1).

Tes preferensi sukrosa dan sakarin diberikan untuk menilai respons hewan terhadap rangsangan penghargaan alami dan non-gizi. Preferensi sukrosa tetapi bukan preferensi sakarin diubah setelah paparan diet HF dan kembali ke tingkat normal setelah pemulihan HFD pada pria dan wanita. Satu arah ANOVA mengungkapkan preferensi sukrosa menurun secara signifikan pada laki-laki (Fig. 1A) dan cenderung menurun pada wanita (Fig. 1B) setelah paparan HFD (F (2,16) = 4.82, p <.05; F (2,16) = 5.41, p <.06, masing-masing). Setelah pengangkatan HFD, perilaku ini dinormalisasi dan preferensi sukrosa tidak lagi berbeda dari kontrol. Preferensi sakarin tidak berubah pada laki-laki (Fig. 1C) atau perempuan (Fig. 1D) sebagai hasil paparan HFD.

Gambar 1 

Preferensi sukrosa tetapi bukan preferensi sakarin diubah setelah paparan diet tinggi lemak (HFD) dan kembali ke tingkat kontrol setelah pemulihan HFD pada pria dan wanita

Karena dopamin adalah pengatur utama perilaku penghargaan, ekspresi gen yang terkait dopamin diperiksa dalam sirkuit hadiah dari kohort laki-laki dan perempuan yang terpisah setelah minggu 12 pada HFD, dan dalam kelompok tambahan, setelah minggu 4 pemulihan dari HFD. Tabel 1 merangkum pola ekspresi gen dan analisis statistik dalam VTA, PFC dan NAc. Dalam VTA, tiga gen yang penting dalam mengatur kadar dopamin pada terminal sinaptik diukur: katekolamin metil transferase (COMT) yang terlibat dalam inaktivasi neurotransmiter katekolamin; dopamin transporter (DAT), pompa spanning membrane yang membersihkan dopamin dari sinaps, dan tirosin hidroksilase (TH), enzim pembatas laju untuk sintesis dopamin. Lipat nilai perubahan untuk setiap kelompok ditentukan menggunakan kontrol cocok yang sudah tua (mis. Kedua titik waktu kontrol diatur ke 1, dan untuk kejelasan hanya kontrol untuk HFD yang digambarkan pada grafik). Uji-t siswa (n = 5 / kelompok) mengungkapkan dalam VTA laki-laki bahwa COMT, DAT, dan TH mRNA secara signifikan menurun oleh paparan HFD (Gambar 2A) dan kembali ke atau melebihi level kontrol setelah periode pemulihan dari diet (HF + pemulihan).

Gambar 2 

Diet tinggi lemak kronis (HFD) dan pemulihan setelah HFD mengubah ekspresi gen terkait dopamin pada pria dan wanita
Tabel 1 

Ringkasan dan Statistik Ekspresi Gen pada Pria

Dalam PFC dan NAC, gen yang penting untuk pensinyalan dopamin dan pergantian dopamin diperiksa (n = 5 / kelompok): COMT; protein fosfatase 1 subunit pengatur 1B (DARPP-32), protein pensinyalan aliran bawah yang diatur oleh stimulasi reseptor; reseptor dopamin D1 (DRD1), reseptor berpasangan G-protein postsinaptik yang merangsang adenylyl cyclase; dan reseptor dopamin D2 (DRD2), reseptor berpasangan G-protein postsinaptik yang menghambat adenylyl cyclase. Di PFC pria (Fig. 2B), DARPP-32 meningkat, sementara DRD1, dan DRD2 menurun setelah paparan HFD, dan perubahan ini bertahan setelah penghapusan HFD (walaupun peningkatan mRNA DARPP-32 tidak dapat diandalkan secara statistik). Di NAC jantan (Fig. 2C), COMT, DRD1, dan DRD2 berkurang oleh paparan HFD, dan tetap di bawah level kontrol setelah penghapusan HFD. Tingkat DARPP-32 meningkat oleh HFD, tetapi secara signifikan menurun dari kontrol setelah 4 minggu setelah HFD.

Daerah dan gen otak yang sama diperiksa pada tikus betina (n = 5 / kelompok). Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, ada perbedaan signifikan yang diamati dalam pola ekspresi gen dalam menanggapi HFD, serta pemulihan dari diet. Mirip dengan laki-laki, dalam VTA, tingkat mRNA COMT, dan TH menurun secara signifikan setelah paparan HFD (Gambar 2D). Namun, tidak seperti laki-laki, perubahan ini bertahan setelah penghapusan HFD. Lebih lanjut, dalam oposisi langsung terhadap pola yang diamati pada pria, paparan HFD meningkatkan ekspresi mRNA DAT dalam VTA pada wanita, dan setelah pengangkatan level HFD bahkan lebih rendah daripada kontrol yang cocok dengan usia. Di PFC, hanya DARPP-32 yang dipengaruhi oleh HFD kronis, dengan peningkatan kadar mRNA yang signifikan setelah 12 minggu HFD, dan kembali ke tingkat kontrol setelah pengangkatan HFD. Baik COMT dan D1R mRNA secara signifikan menurun setelah 4 minggu dari HFD. Pada NAC wanita, COMT, DRD1, dan DRD2 semuanya menurun setelah paparan HFD (Fig. 2F). DRD1 dan DRD2 pulih untuk mengontrol level setelah penghilangan diet, sementara COMT tetap level tetap menurun secara signifikan setelah 4wk pulih.

Tabel 2 

Ringkasan dan Statistik Ekspresi Gen pada Wanita

Mengingat penurunan konsisten dalam ekspresi gen untuk gen pengatur dopamin dalam VTA, metabolit dopamin dan dopamin dikuantifikasi di daerah yang menerima proyeksi dari VTA, PFC dan NAC. Gambar 3 menunjukkan dopamin (DA) dan metabolit dopamin (DOPAC) dari PFC dan NAC pada laki-laki (Fig. 3A, 3C) dan perempuan (Gbr. 3B, 3D). Pada laki-laki, paparan HFD menghasilkan penurunan kadar dopamin dalam PFC (Fig. 3A) dan NAC (Gambar 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), yang pulih setelah penghapusan HFD hanya di NAC. Omset dopamin (rasio DOPAC: DA) meningkat pada PFC pria (F (2,12) = 3.85, p <05) dan NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Sebaliknya, efek HFD pada DA dan DOPAC pada wanita berbeda secara kualitatif dibandingkan pada pria. Di PFC, HFD tidak mempengaruhi tingkat DA atau DOPAC. Di NAc, tingkat DA menurun pada hewan yang diberi makan HFD dan tetap menurun bahkan setelah penghapusan HFD (Fig. 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). Tingkat DOPAC tidak berubah di NAc wanita, yang mengakibatkan peningkatan perputaran DA (rasio DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <01).

Gambar 3 

Penurunan kadar Dopamin di PFC dan NAC setelah HFD sejak lahir dan pemulihan campuran setelah pengangkatan HFD

Mengingat bahwa transkripsi DAT dapat diatur oleh metilasi DNA diferensial dan pengamatan perbedaan jenis kelamin yang penting dalam ekspresi DAT dalam VTA, metilasi DNA di daerah promotor DAT diperiksa. Di Gambar 4A, 4C Ekspresi gen DAT dalam VTA disajikan lagi untuk kejelasan (diambil dari Gambar 2A dan 2D). Metilasi promotor DAT secara signifikan meningkat pada pria (Fig. 4B) setelah HFD dan kembali ke level kontrol pada HFD + laki-laki pemulihan (F (2,11) = 23.64, p <01). Pada wanita, metilasi promotor DAT cenderung menurun pada hewan HFD (D) dan secara signifikan menurun pada betina pemulihan HFD + (Gambar 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

Gambar 4 

Perubahan status metilasi DNA promotor DAT perubahan paralel dalam ekspresi gen dalam VTA

Untuk menilai apakah pengangkatan HFD pada periode pemulihan merupakan penyebab stres, kadar kortikosteron plasma awal (ug / dl) diambil sebagai kontrol, HFD terpapar (minggu 12), pemulihan HFD + 1wk dan kelompok pemulihan HFD + 4wk (n = 5 /kelompok, Gambar Tambahan. 2). ANOVA satu arah mengungkapkan tidak ada perbedaan yang signifikan antara kelompok pada hewan jantan (F (3,16) = 3.21, ns).

Diskusi

Konsumsi kronis dari diet tinggi lemak (HFD) yang dimulai pada awal kehidupan digunakan untuk menetapkan obesitas yang disebabkan oleh diet pada tikus. Tikus menunjukkan penurunan preferensi sukrosa dan bukti berkurangnya nada dopaminergik di daerah hadiah otak. Setelah 4 minggu dari HFD, preferensi sukrosa menjadi normal pada laki-laki dan perempuan, namun, beberapa perubahan ekspresi gen dopamin bertahan. Eksperimen-eksperimen ini menyediakan data baru yang penting yang menggambarkan efek HFD kronis pada sistem penghargaan otak, menyoroti kapasitas untuk pemulihan dan perbedaan jenis kelamin utama antara tikus jantan dan betina.

Pada hewan yang diberi makan HFD, preferensi sukrosa menurun diamati, yang terbalik setelah periode pemulihan. Temuan ini memperpanjang laporan kami sebelumnya tentang asupan HFD mendorong preferensi sukrosa berkurang () dengan menunjukkan bahwa ini dapat terjadi dengan durasi paparan HFD yang lebih pendek (12 minggu versus 22 minggu), dan yang penting, bahwa respon pulih tanpa adanya HFD. Tikus betina menunjukkan pola respons yang sama dengan jantan. Temuan ini konsisten dengan yang lain dalam literatur yang telah ditunjukkan melalui dimasukkannya kelompok pasangan yang diberi makan HFD kronis, dan bukan obesitas semata, melemahkan respons sukrosa dalam tugas operan (). Demikian pula, dalam penelitian ini, preferensi sukrosa pulih setelah 4 minggu setelah HFD, sementara berat badan tetap meningkat secara signifikan, mendukung kesimpulan bahwa penurunan preferensi sukrosa didorong oleh paparan HFD dan bukan kenaikan berat badan yang menyertainya. Sangat menarik bahwa tidak ada perubahan dalam preferensi sakarin. Ini mungkin menunjukkan bahwa HFD kronis secara berbeda mempengaruhi respons terhadap hadiah manis kalori dan non-kalori. Efek post ingestive telah terbukti memengaruhi preferensi independen terhadap palatabilitas, karena asupan sukrosa telah terbukti menginduksi pelepasan dopamin pada tikus knockout pengecap rasa “sweet-blind” (), nilai gizi diperlukan untuk penghargaan dan penguatan () dan jalur penginderaan metabolik yang bebas rasa telah ditentukan dalam drosophila (). Sakarin secara signifikan lebih manis daripada sukrosa, sehingga upaya dilakukan untuk menetapkan kesetaraan dalam rasa manis (biasanya 4-10x konsentrasi sukrosa yang lebih tinggi ()) namun preferensi keseluruhan untuk sakarin lebih rendah daripada sukrosa pada hewan ini. Oleh karena itu, penjelasan alternatif mungkin bahwa HFD berbeda mempengaruhi preferensi sukrosa karena relatif lebih bermanfaat daripada sakarin (hadiah bernilai tinggi vs rendah), meskipun hewan masih menunjukkan preferensi yang kuat untuk sakarin (~ 75-80% preferensi untuk sakarin dibandingkan ke ~ 85 – 90% preferensi untuk sukrosa).

Secara keseluruhan, ekspresi gen dopaminergik dalam VTA, NAc dan PFC mengalami penurunan pada tikus jantan setelah HFD kronis. Temuan ini konsisten dengan penelitian lain yang mengamati penurunan gen terkait dopamin sebagai respons terhadap HFD (,,). Penurunan ekspresi dan fungsi reseptor D2 dopamin telah diamati dalam studi pencitraan manusia (, ) dan model obesitas hewan pengerat (, ). Penurunan sinyal dopamin mengurangi sensitivitas terhadap imbalan alami dan karenanya dapat memfasilitasi konsumsi berlebih yang berkelanjutan dari makanan yang enak dan penambahan berat badan lebih lanjut (,). Lebih lanjut, homeostasis dopamin yang terganggu didorong oleh penurunan ekspresi permukaan DAT diketahui mendorong peningkatan asupan diet tinggi lemak (). Pengecualian untuk pola ini terlihat dengan DARPP-32, sebuah fosfoprotein yang diatur dopamin dan siklik AMP, yang meningkat setelah HFD pada NAc dan PFC. DARPP-32 memainkan peran penting dalam mengintegrasikan berbagai respons biokimia dan perilaku yang dikendalikan oleh dopamin. Mungkin upregulasi DARPP-32 adalah kompensasi sebagai tanggapan atas regulasi kronis D1R. Dalam model yang serupa (12 dengan HFD pada tikus), telah ditunjukkan bahwa regulasi down D1R disesuaikan dengan peningkatan fosforilasi DARPP-32 dalam NAc ().

Beberapa penelitian telah meneliti kapasitas untuk pemulihan perubahan ini setelah penghapusan HFD. Namun, dalam dua laporan terbaru, perubahan ekspresi gen dan cacat sistem hadiah bertahan setelah periode penarikan singkat (14 – 18d) (, ). Sebaliknya, penelitian pada pasien obesitas sebelum dan sesudah operasi bypass lambung menunjukkan pembalikan perubahan dopaminergik setelah periode penurunan berat badan yang lebih lama (). Pada pria, pola pemulihan bervariasi berdasarkan wilayah otak. Dalam VTA, penurunan yang diamati pada COMT, DAT, dan TH semuanya dinormalisasi dengan penghilangan HFD. Sebaliknya, semua perubahan ekspresi gen yang diamati dalam NAc dan PFC tidak menormalkan. Dalam studi saat ini, HFD kronis menyebabkan kenaikan berat badan yang signifikan dan setelah 4 minggu dari diet, hewan masih secara signifikan lebih berat daripada kontrol. Oleh karena itu, perubahan metabolik dan hormonal berikutnya yang menyertai obesitas (misalnya, peningkatan leptin, peningkatan adipokin) kemungkinan masih ada pada minggu 4 setelah diet. Oleh karena itu, perubahan ekspresi gen yang dinormalisasi (misalnya, dalam VTA) mungkin terutama didorong oleh HFD, sementara yang dipertahankan (dalam NAc dan PFC) mungkin lebih erat terkait dengan obesitas. Pemeliharaan penurunan berat badan dengan diet secara khas rendah (dengan 67% () ke 80% () pasien mendapatkan kembali berat badan yang hilang). Kegigihan perubahan ekspresi gen ini di daerah hadiah bisa menjadi penting dalam sebagian menjelaskan kejadian umum ini. Penting juga untuk dicatat bahwa perubahan perilaku dan ekspresi gen yang diamati tidak mungkin disebabkan oleh stres yang berkaitan dengan perubahan diet, karena tidak ada perubahan signifikan dalam kadar kortikosteron plasma basal pada HFD atau setelah pemulihan 1wk atau 4wk.

Perbedaan jenis kelamin yang menarik terungkap, baik dalam respons terhadap HFD kronis, maupun sebagai respons terhadap penghilangan diet. Perempuan mirip dengan laki-laki dalam menunjukkan penurunan keseluruhan gen terkait dopamin yang akan memprediksi penurunan aktivitas DA, terutama di VTA dan NAc. Satu perbedaan jenis kelamin yang penting adalah peningkatan ekspresi mRNA DAT pada VTA wanita setelah HFD. Perbedaan dalam ekspresi gen ini, ditambah dengan penurunan serupa dalam ekspresi gen TH pada kedua jenis kelamin, akan menyarankan perbedaan yang signifikan dalam transmisi neurot dopamin dalam NAc, baik pada akhir paparan HFD maupun setelah periode pemulihan. Penghargaan yang lebih besar untuk signifikansi fungsional dari perbedaan-perbedaan ini adalah fokus penting dari penelitian masa depan.

Selain itu, sementara penurunan COMT dan TH pulih pada VTA pria, penurunan ini bertahan pada wanita setelah 4-minggu dari HFD. Masih belum ditentukan apakah perbedaan-perbedaan ini akan berbalik dengan waktu yang lebih lama dari diet, namun, itu mendukung kesimpulan bahwa wanita, paling lambat untuk pulih, jika mereka pulih sama sekali. Lebih lanjut, perubahan ekspresi gen D1R dan D2R pada NAc dan PFC sangat berbeda antara pria dan wanita. Pada laki-laki, ada penurunan umum dalam ekspresi gen di kedua daerah yang sebagian besar bertahan setelah penghapusan diet. Pada wanita, D1R dan D2R menurun di NAc dan kemudian pulih, tetapi tidak ada efek HFD pada reseptor dopamin di PFC. Dalam studi saat ini, hewan betina dikorbankan tanpa memperhitungkan tahap estrus. Sementara beberapa titik akhir yang diamati diketahui bervariasi di seluruh siklus estrus, hewan betina dalam penelitian ini tidak menunjukkan peningkatan varians di titik akhir, terutama bila dibandingkan dengan efek manipulasi diet.

Untuk melengkapi temuan ekspresi gen, dopamin diukur di daerah proyeksi utama VTA, yaitu PFC dan NAc. Tingkat dopamin cenderung pada perubahan paralel yang terlihat pada mRNA TH dalam VTA. Pada NAc laki-laki dan perempuan, kadar DA menurun sebagai respons terhadap diet HFD; respons yang pulih pada pria, tetapi tidak pada wanita. Di PFC, kadar dopamin juga menurun oleh HFD, namun, tidak ada pemulihan dari diet di PFC. Selain itu, wanita memiliki tingkat dopamin yang lebih rendah di korteks prefrontal daripada pria. Perbedaan jenis kelamin dalam ekspresi dan fungsi DAT sudah diketahui dalam literatur, dengan wanita menunjukkan peningkatan ekspresi DAT () dan fungsi (), dan perbedaan-perbedaan ini dapat berkontribusi pada tingkat baseline dopamin yang berbeda antara pria dan wanita. Pemeriksaan rasio DOPAC: DA juga informatif. Peningkatan rasio ini mungkin mencerminkan respons kompensasi yang didorong oleh penurunan DA. Signifikansi fungsional jangka panjang dari perubahan metabolisme dopamin ini akan diterangi dengan mengukur perubahan pelepasan dopamin menggunakan in vivo mikrodialisis.

Selain itu, data ini mengidentifikasi regulasi dinamis dari metilasi DNA dalam promotor gen DAT, terutama pada pria. Baru-baru ini, kami telah menunjukkan bahwa ekspresi DAT dapat secara dinamis diatur oleh metilasi DNA diferensial dalam menanggapi HFD (), dan bahwa peningkatan metilasi promotor DAT berkorelasi dengan penurunan ekspresi gen. Di sini kami mengidentifikasi plastisitas dari respons ini, seiring dengan meningkatnya metilasi DNA (dan penurunan ekspresi mRNA) yang terlihat pada laki-laki yang berbalik pada saat pengeluaran HFD. Regulasi gen epigenetik, misalnya melalui perubahan metilasi DNA, menghadirkan jalur di mana organisme dapat dengan mudah beradaptasi dengan tantangan lingkungan. Tanda epigenetik dapat dipertahankan sepanjang umur (), dan dalam sel-sel induk embrionik yang dikultur, pola metilasi DNA diferensial yang reversibel dan persisten diamati sebagai respons terhadap perubahan kondisi lingkungan (). Data ini adalah yang pertama kali diperlihatkan in vivo pola metilasi dinamis yang berubah dengan ada atau tidak adanya tantangan lingkungan. Perlu dicatat bahwa pola yang sama ini tidak diamati pada wanita. Sementara respons awal terhadap HFD seperti yang diperkirakan (penurunan metilasi DNA yang mendorong peningkatan ekspresi gen), pola ini tidak dipertahankan selama periode pemulihan. Ini menunjukkan bahwa metilasi DNA dan ekspresi gen dapat menjadi tidak berpasangan selama empat minggu dari HFD atau mungkin menunjukkan bahwa mRNA DAT diatur dengan cara lain pada wanita.

Pada laki-laki, preferensi sukrosa, ekspresi gen terkait DA dalam VTA, dan dopamin dalam NAc mengikuti pola yang konsisten, penekanan dalam menanggapi HFD kronis yang pulih setelah pengangkatan diet. Menariknya, sementara respons perilaku terhadap sukrosa serupa pada wanita, baik pola ekspresi gen dan kadar dopamin NAc menunjukkan kurangnya pemulihan setelah pengangkatan HFD. Perilaku yang berhubungan dengan hadiah jelas dipengaruhi oleh sistem neurotransmitter tambahan seperti opioid, dan mungkin pada wanita, respons perilaku terhadap sukrosa lebih kuat terkait dengan perubahan opioid. Secara keseluruhan, data saat ini menunjukkan bahwa perbedaan jenis kelamin dalam kedua respon awal terhadap HFD, serta pemulihan setelah penghapusan HFD, berkaitan dengan ekspresi gen terkait dopamin merupakan arah penting untuk penelitian masa depan yang diarahkan pada seberapa kronis konsumsi HFD berdampak pada sistem penghargaan otak. Yang paling penting, data ini mengidentifikasi plastisitas yang signifikan dalam respon dopaminergik terhadap HFD, menunjukkan bahwa sementara efek buruk dari konsumsi HFD kronis dan / atau obesitas adalah signifikan, potensi pemulihan ada.

Apa yang sudah diketahui tentang subjek ini

  • Ekspresi dan fungsi reseptor dopamin menurun pada pasien obesitas
  • Paparan kronis terhadap diet tinggi lemak menyebabkan perubahan gen terkait dopamin dan perilaku imbalan
  • Neurotransmisi dopamin diubah pada tikus yang mengalami obesitas.

Apa yang ditambahkan naskah ini pada subjek

  • Identifikasi perbedaan jenis kelamin dalam respons SSP terhadap diet tinggi lemak.
  • Evaluasi plastisitas perubahan dopaminergik setelah penghapusan diet tinggi lemak.
  • Identifikasi perubahan metilasi DNA dinamis dalam menanggapi diet tinggi lemak

Materi tambahan

Ucapan Terima Kasih

Karya ini didukung oleh hibah berikut: MH087978 (TMR), MH86599 (IL), dan T32 GM008076 (JLC).

Catatan kaki

 

Pernyataan Benturan Kepentingan

Penulis tidak memiliki konflik untuk diungkapkan.

 

Referensi

1. Swinburn B, Sacks G, Ravussin E. Peningkatan pasokan energi makanan lebih dari cukup untuk menjelaskan epidemi obesitas di AS. Am J Clin Nutr. 2009; 90: 1453 – 1456. [PubMed]
2. Fibiger HC, Phillips AG. Sistem dopamin dan hadiah mesokortikolimbik. Ann NY Acad Sci. 1988; 537: 206 – 215. [PubMed]
3. Hernandez Luis, Hoebel Bartley G. Hadiah Makanan dan Kokain Meningkatkan Dopamin Ekstraseluler dalam Nukleus Accumbens sebagaimana Diukur dengan Mikrodialisis. Ilmu Kehidupan. 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. Aktivasi Neuron Dopamin Mesolimbik Selama Novel dan Akses Terbatas Harian ke Makanan Lezat Diblokir oleh Antagonis Opioid LY255582. American Journal of Physiology - Fisiologi Pengaturan, Integratif dan Komparatif. 2008 Agustus 1; 295 (2): R463 – R471. [PubMed]
5. Stice E, Spoor S, Bohon C, DM Kecil. Hubungan antara obesitas dan respons striatal tumpul terhadap makanan dimoderatori oleh alel TaqIA A1. Ilmu. 2008; 322: 449 – 452. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
6. EP Mulia, Blum K, Ritchie T, Montgomery A, Sheridan PJ. Asosiasi alelik dari D2 gen reseptor dopamin dengan karakteristik pengikatan reseptor pada alkoholisme. Arch Gen Psychiatr. 1991; 48: 648 – 654. [PubMed]
7. Chen PS, Yang YK, Yeh TL, Lee IH, Yao WJ, Chiu NT, dkk. Korelasi antara indeks massa tubuh dan ketersediaan transporter dopamin striatal pada sukarelawan sehat - studi SPECT. Neuroimage. 2008; 40 (1): 275 – 279. [PubMed]
8. Butuh AC, Ahmadi KR, Spector TD, Goldstein DB. Obesitas Berhubungan Dengan Varian Genetik Yang Mengubah Ketersediaan Dopamin. Annals of Human Genetics. 2006 Mei; 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Geiger BM, Frank LE, Caldera-siu AD, Stiles L, Pothos EN. Kekurangan dopamin sentral dalam berbagai model obesitas. Nafsu makan. 2007; 49 (1): 293.
10. Geiger BM, Haburcak M, Avena NM, MC Moyer, Hoebel BG, Pothos EN. Defisit neurotransmisi dopamin mesolimbik pada obesitas diet tikus. Ilmu saraf. 2009 Apr 10; 159 (4): 1193 – 119. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
11. Kerucut JJ, Robbins HA, Roitman JD, Roitman MF. Konsumsi makanan berlemak tinggi memengaruhi pelepasan dopamin fasik dan reuptake dalam nucleus accumbens. Nafsu makan. 2010 Juni; 54 (3): 640.
12. Vucetic Zivjena, Carlin Jesselea, Totoki Kathy, Reyes Teresa M. Dregregulasi Epigenetik Sistem Dopamin pada Obesitas yang disebabkan oleh diet. Jurnal Neurokimia. 2012 Jan 5; [Artikel gratis PMC] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Ekspresi Gen Dopamin D1 Reseptor Menurun pada Nukleus yang Mengalami Akumulasi Setelah Pemaparan Jangka Panjang pada Makanan yang Dapat Diternihkan dan Berbeda, Tergantung pada Fenotipe Obesitas yang disebabkan oleh Diet pada Tikus. Ilmu saraf. 2010 Desember 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Johnson Paul M, Kenny Paul J. Dopamine, D2 Reseptor di Disfungsi Imbalan seperti Ketagihan dan Makan Kompulsif pada Tikus Obese. Ilmu Saraf Alam. 2010 Mei; 13 (5): 635 – 641. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
15. Huang Xu-Feng, Yu Yinghua, Zavitsanou Katerina, Han Mei, Storlien Len. Perbedaan ekspresi reseptor dopamin D2 dan D4 dan tirosin hidroksilase mRNA pada tikus yang rentan, atau resisten, terhadap obesitas kronis yang diinduksi oleh diet tinggi lemak. Penelitian Otak Molekuler. 2005 Apr 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Teegarden SL, Scott AN, Bale TL. Paparan awal kehidupan untuk diet tinggi lemak mempromosikan perubahan jangka panjang dalam preferensi diet dan pensinyalan hadiah pusat. Ilmu saraf. 2009 Sep 15; 162 (4): 924 – 932. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
17. Bouret SG. Peran Pengalaman Hormon dan Nutrisi Awal dalam Membentuk Perilaku Memberi Makan dan Pengembangan Hipotalamus. Jurnal Nutrisi. 2010 Jan 1; [PubMed]
18. Vucetic Z, Kimmel J, Totoki K, Hollenbeck E, Reyes TM. Diet Tinggi Lemak Ibu Mengubah Metilasi dan Ekspresi Gen Dopamin dan Gen yang Terkait Opioid. Endokrinologi. 2010 Okt; 151 (10): 0000 – 0000. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
19. Reyes Teresa M, Pejalan Kaki John R, DeCino Casey, Hogenesch John B, Sawchenko Paul E. Secara Stres Akurat Stresor yang Berbeda Menghasilkan Profil Transkripsional yang Berbeda dalam Inti Paraventrikular dari Hypothalamus. Jurnal Neuroscience: Jurnal Resmi Society for Neuroscience. 2003 Jul 2; 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Cleck Jessica N, Ecke Laurel E, Blendy Julie A. Endokrin dan Ekspresi Gen Berubah Mengikuti Eksposur Tekanan Paksa Berenang Selama Pantang Kokain pada Tikus. Psikofarmakologi. 2008 November; 201 (1): 15 – 28. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
21. Pfaffl MW. Model matematika baru untuk kuantifikasi relatif dalam rt-pcr waktu-nyata. Asam Nukleat Res. 2001; 20: e45. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
22. Mayorga AJ, Dalvi A, Halaman ME, Zimov-Levinson S, Hen R, Lucki I. Efek perilaku seperti antidepresan pada 5-hydroxytryptamine (1A) dan 5-hydroxytryptamine (1B) tikus reseptor mutan. J Pharmacol Exp Ther. 2001; 298: 1101 – 110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Reyes TM. Diet Tinggi Lemak Kronik Mendorong Regulasi Epigenetik Pascanatal dari reseptor μ-Opioid di Otak. Neuropsikofarmakologi. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. memajukan publikasi online 16 Februari 2011. [Artikel gratis PMC] [PubMed] [Cross Ref]
24. Davis JF, Tracy AL, Schurdak JD, Tschop MH, Lipton JW, Clegg DJ, dkk. Paparan terhadap peningkatan kadar lemak makanan melemahkan ganjaran psikostimulan dan pergantian dopamin mesolimbik pada tikus. Behav Neurosci. 2008; 122 (6) [Artikel gratis PMC] [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. Hadiah Makanan dalam Pemberian Sinyal Penerima Selera. Neuron. 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. Rasa Tidak Terpisahkan dari Gagal Nutrisi untuk Menopang Sifat Makanan yang Memperkuat. The European Journal of Neuroscience. 2012 Agustus; 36 (4): 2533 – 2546. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
27. Dus Monica, Min SooHong, Keene Alex C, Lee Ga Young, Suh Greg SB. Deteksi Rasa Kalori dari Kandungan Kalori Gula di Drosophila. Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat. 2011 Jul 12; 108: 11644 – 11649. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
28. Wang Gene-Jack, Volkow Nora D, Logan Jean, Pappas Naoml R, Wong Christopher T, Zhu Wel, Netusll Noelwah, Fowler Joanna S. Otak dopamin dan obesitas. Lancet. 2001; 357 (9253): 354 – 357. [PubMed]
29. Huang XF, Zavitsanou K, Huang X, Yu Y, Wang H, Chen F, dkk. Transporter dopamin dan kepadatan ikatan reseptor D2 pada tikus rawan atau resisten terhadap obesitas kronis yang diinduksi oleh diet tinggi lemak. Behav Brain Res. 2006; 175 (2): 415 – 419. [PubMed]
30. Fortuna Jeffrey L. Epidemi Obesitas dan Kecanduan Makanan: Kemiripan Klinis dengan Ketergantungan Obat. Jurnal Obat Psikoaktif. 2012 Mar; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Koob George F, Moal Michel Le. Kecanduan dan Sistem Antireward Otak. Ulasan Tahunan Psikologi. 2008; 59: 29 – 53. [PubMed]
32. Speed ​​Nicole, Saunders Christine, Davis Adeola R, Anthony Owens W, Matthies Heinrich JG, Saadat Sanaz, Kennedy Jack P, dkk. Pensinyalan Striatal Akt Signaling mengganggu Dostamin Homeostasis dan Meningkatkan Pemberian Makan. Silakan SATU. 2011 Sep 28; 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [Artikel gratis PMC] [PubMed] [Cross Ref]
33. Sharma S, Fulton S. Obesitas yang diinduksi oleh diet mendorong perilaku seperti depresi yang berhubungan dengan adaptasi saraf dalam sirkuit hadiah otak. International Journal of Obesity 2005. 2012 Apr 17; [PubMed]
34. Steele Kimberley E, Prokopowicz Gregory P, Schweitzer Michael A, Magunsuon Thomas H, Lidor Anne O, Kuwabawa Hiroto, Kumar Anil, Brasic James, Wong Dean F. Perubahan Reseptor Dopamin Pusat Sebelum dan Setelah Bedah Bypass Lambung. Bedah Obesitas. 2009 Okt 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Phelan Suzanne, Wing Rena R, Loria Catherine M, Kim Yongin, Lewis Cora E. Prevalensi dan Prediktor Pemeliharaan penurunan berat badan dalam Kelompok Biracial: Hasil dari Pengembangan Risiko Arteri Koroner pada Studi Dewasa Muda. American Journal of Preventive Medicine. 2010 Desember; 39 (6): 546 – 554. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
36. Bidang AE, Wing RR, Manson JE, Spiegelman DL, Willett WC. Hubungan Penurunan Berat Badan Besar dengan Perubahan Berat Jangka Panjang Diantara Wanita Muda AS dan Setengah Baya. Jurnal Internasional Obesitas dan Gangguan Metabolik Terkait: Jurnal Asosiasi Internasional untuk Studi Obesitas. 2001 Agustus; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Morissette M, Di Paolo T. Jenis Kelamin dan Siklus Estrus dari Situs Serapan Dopamin Tikus Striatal. Neuroendokrinologi. 1993 Jul; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Bhatt Sandeep D, Dluzen Dean E. Perbedaan Fungsi Transporter Dopamin Antara Tikus CD-1 Pria dan Wanita. Penelitian Otak. 2005 Februari 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, dkk. Analisis Metilasi DNA dari Berbagai Jaringan dari Bayi Kembar Mengungkap Komponen Genetik dan Intrauterin Terhadap Variasi pada Epigenome Neonatal Manusia. Genetika Molekul Manusia. 2010 November 1; 19 (21): 4176 – 4188. [PubMed]
40. Tompkins Joshua D, Hall Christine, Chen Vincent Chang-yi, Li Arthur Xuejun, Wu Xiwei, Hsu David, dkk. Stabilitas Epigenetik, Kemampuan Beradaptasi, dan Reversibilitas dalam Sel Induk Embrionik Manusia. Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat. 2012 Jul 31; 109 (31): 12544 – 12549. [Artikel gratis PMC] [PubMed]