Vanstarfsemi basal ganglia stuðlar að líkamlegri óvirkni í offitu (2016)

Fáanlegt á netinu 29 desember 2016

Sýndu meira

http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2016.12.001

Highlights

• Fita er í tengslum við líkamlega óvirkni

• Of feitir mýs hafa minna striatal D2R bindingu, sem getur útskýrt óvirkni þeirra

• Endurheimta G_i Tilkynning í iMSNs bjargar líkamlegum virkni stigum offitu músa

• Líkamleg óvirkni er meiri afleiðing en orsök þyngdaraukningu

Yfirlit

Offita er í tengslum við líkamlega óvirkni, sem eykur heilsu afleiðingar þyngdaraukningu. Hins vegar eru aðferðirnar sem miðla þessu félagi óþekkt. Við gerum ráð fyrir að skortur á dopamínmerkjum stuðli að líkamlegri óvirkni í offitu. Til að kanna þetta, metum við margar hliðar dópamínmerkis í mjóum og offitu músum. Við komumst að því að D2-viðtaka (D2R) bindingu í striatuminu, en ekki D1-gerð viðtaka bindandi eða dópamínmagn, var minnkuð í offitu músum. Erfðafræðilega fjarlægja D2R frá striatal miðlungs spiny taugafrumum var nægjanlegt til að draga úr mótorvirkni í halla músum, en að endurheimta G_i merki í þessum taugafrumum aukin virkni í offitu músum. Furðu, þótt mýs með litla D2R voru minna virk, voru þær ekki viðkvæmari fyrir þyngdaraukningu sem fækkaði mataræði en stýrimýs. Við ályktum að skortur á striatal D2R merkingu stuðli að líkamlegri óvirkni í offitu, en óvirkni er meiri afleiðing en orsök offitu.

Grafísk útskýring

Myndatökur

Leitarorð

offita
dópamín;
Líkamleg hreyfing;
æfa;
D2;
striatum;
offitusjúklingur;
þyngdartap

Hvernig gengur lífið dag frá degi? Er það í jafnvægi og allt eins og það á að vera? Er jafnvægi hvort sem litið er á veraldlega stöðu eða andlega? Lífið er eins og það er. Það er ekki alltaf sólskyn. Það koma reglulega lægðir með rok og rigningu. Við vitum að í heildar samhenginu er lægð hluti af vistkerfi að leita að jafnvægi. Stundum erum við stödd í miðju lægðarinnar. Þar er logn og gott veður, sama hvað gengur á þar sem stormurinn er mestur. Sama lögmál gildir varðandi þitt eigið líf. Ef þú ert í þinn miðju, þínum sannleik þá heldur þú alltaf jafnvægi átakalaust. Sama hvað gustar mikið frá þér þegar þú lætur til þín taka. Huldufólk hefur gefið okkur hugleiðslu sem hjálpar okkur að finna þessa miðju, finna kjarna okkar og sannleikann sem í honum býr. Þegar þú veist hver þú ert og hvers vegna þú ert hér, mun líf þitt vera í flæðandi jafnvægi. Hugleiðslan virkjar þekkinguna sem er í vitund jarðar og færir hana með lífsorkunni inn í líkama okkar. Þar skoðar hún hugsana og hegðunar munstrið og athugar hvort það myndar átakalausu flæðandi jafnvægi. Hinn möguleikinn er falskt jafnvægi sem hafa þarf fyrir að viðhalda með tilheyrandi striti, áhyggjum og ótta. Síðan leiðbeinir þessi þekking okkur að því jafnvægi sem er okkur eðlilegt. Við blómstrum átakalaust, líkt og planta sem vex átakalaut frá fræi í fullþroska plöntu sem ber ávöxt.

Offita er í tengslum við líkamlega óvirkni (Brownson o.fl., 2005 og Ekkekakis o.fl., 2016), sem innihalda neikvæð heilsufarsleg áhrif sykursýki af tegund II og hjarta- og æðasjúkdóma (de Rezende o.fl., 2014 og Sharma o.fl., 2015). Aðferðirnar sem liggja að baki þessari tengslum eru ekki þekkt, staðreynd sem endurspeglast í skorti á árangursríkum inngripum til að breyta líkamsþéttni í hópum með offitu (Ekkekakis o.fl., 2016). Athyglisvert er að offita hefur tengst breytingum á einkennum dopamíns dopamíns (DA), sem hefur leitt til tilgáta af truflun á launum í offitu (Blum o.fl., 2011, Kenny, 2011 og Volkow og vitur, 2005). Þó að striatal DA sé mjög tengdur við mótorframleiðslu, hafa nokkrar rannsóknir rannsakað hvernig dopamínvirkar breytingar á mataræði geta valdið líkamlegri óvirkni. Við gerum ráð fyrir að striatal DA merki sé skert í offitu og að þetta stuðli að líkamlegri óvirkni. Skilningur á líffræðilegum orsökum líkamlegs óvirkni getur leitt til árangursríkra aðgerða til að auka virkni og þar með bæta heilsu hjá einstaklingum með offitu.

Striatal DA er gagnrýninn þátt í mótorstýringu. Þetta er augljóst í vélknúnum sjúkdómum, svo sem Parkinsonsveiki, sem einkennist af dauða dopamínvirkra taugafrumna í miðtaugakerfi og þar af leiðandi tap á striatal DA (Hornykiewicz, 2010). Tveir hópar af taugafrumum sem eru stýrðir af taugafrumum eru þekktir sem bein og óbein leið miðlungs spiny taugafrumur (dMSNs og iMSNs) (Alexander og hníf, 1990, DeLong, 1990 og Gerfen o.fl., 1990). dMSNs tjá G_sD1 viðtaka (D1R) og verkefni til efnisins nigra og innri hluta globus pallidus, en IMSNs tjá G_i-tengdur D2R og verkefni til ytri hluta globus pallidus (GPe) (Gerfen o.fl., 1990, Le Moine og Bloch, 1995 og Levey o.fl., 1993). Erfðafræðileg brotthvarf D2Rs frá iMSN, eða örvandi örvun iMSNs, nægir til að draga úr hreyfingu (Kravitz o.fl., 2010 og Lemos o.fl., 2016). Byggt á tengingum á D2R truflun og offitu getum við gert ráð fyrir að offitusjúkir hafi breytt iMSN framleiðsla, sem veldur líkamlegri óvirkni.

Hér skoðuðum við margar hliðar DA merkingar í halla og mataræði af völdum offitu mýs. D2R bindingu var minnkuð hjá offitu músum, en D1R bindandi og utanfrumur DA stig voru óbreytt. Of feitir músar sýndu einnig truflanir í brjóstagjöf og höfðu minni hreyfingu. Erfðafræðilega útrýming D2Rs frá IMSNs minnkaðri virkni í halla músum, en að endurheimta G_i merki um aukna virkni iMSNs í offitu músum. Þessar niðurstöður koma í veg fyrir að D2R-merkingar í iMSNs geti mótað líkamsvirkni tvíátta. Við spurðum þá hvort mýs með litla D2R merkingu voru viðkvæmari fyrir þyngdaraukningu á fitusnyrtri mataræði vegna lítillar virkni þeirra. Til að gera þetta, skoðuðum við þyngdaraukningu með tilliti til náttúrulegs breytileika í D2R bindingu meðal músa, sem og hjá músum með erfðafræðilega útrýmingu striatal D2Rs. Þrátt fyrir að mýs með lítið magn af D2R hafi lítið magn af líkamlegri virkni, urðu þeir þyngd í sömu magni og mýs með ósnortin D2R. Þetta stendur frammi fyrir sterku orsakasamhengi milli líkamlegrar virkni og þyngdaraukningu. Við ályktum að skerðing á D2R merkingu stuðli að líkamlegri óvirkni í offitu en sú óvirkni leiðir ekki endilega til þyngdaraukningu.

Niðurstöður

Mataræði-framkallað offita var tengd við líkamlega óvirkni

C57BL6 / J karlkyns mýs (3-4 mánuðir) fengu annaðhvort venjulegt chow (halla, n = 8) eða fituríku mataræði (offitu, n = 8) í 18 vikur (Mynd S1A). Frá og með viku 2 og viðvarandi í viku 18 höfðu offitu mýs verulega meiri líkamsþyngd og fitumassa en grannar mýs (p <0.0001; Tölur 1A og S1B). Lean massi var ekki marktækt breytt (Mynd S1C). Við mældum virkni á opnu sviði á tveggja vikna fresti í 2 vikur (Ethovision; Noldus Information Technologies). Of feitar mýs höfðu minni virkni en grannar mýs sem byrjuðu í viku 18 og héldu áfram í viku 4 (p <18; Tölur 1B og 1C). Í viku 18 eyddu offitusjúkir minni tíma í hreyfingu (p = 0.005), höfðu færri hreyfingar (p = 0.0003) og höfðu minni hraða meðan þeir hreyfðu sig (p = 0.0002; Mynd 1D) miðað við halla músa. Afli og snyrting var ekki marktækt breytt (Mynd 1D). Offitu mýs hlupu einnig minna en grannar mýs þegar þeim var veittur aðgangur að hlaupahjólum heima í búri (p = 0.0005; Mynd 1E). Við prófuð hvort hreyfingarskortur tengist þyngdaraukningu í offituhópnum. Þrátt fyrir þyngdaraukningu var fylgni við kalorískan inntöku á fitusnyrtri mataræði (Mynd 1F), það var ekki í tengslum við hreyfistig á opnu sviði eða með orku sem borið var á meðan á fituríku mataræði stendur (Tölur 1G og 1H). Athyglisvert er að þessi sömu fylgni hélt þegar við skoðuðum mataræði í fyrstu viku tilraunarinnar (Tölur 1I-1K), sem gefur til kynna að upphafsþéttni fitusneytis inntöku (en ekki hreyfingar eða orkunýtingar) var fyrirsjáanlegur um seinna þyngdaraukningu.

Mynd 1.

Langvarandi hár-fitur mataræði leiddi til líkamlegrar óvirkni

(A) Mýs sem fengu fiturík mataræði vega meira en mús, sem fengu hefðbundna kóða sem byrjaði í viku 2 og hélt áfram í viku 18 (F_(18,252) = 62.43, p <0.0001).

(B og C) (B) Dæmi um sýnishorn af opnu sviði virkni sem sýnir að (C) offitusjúklingar hafa minni líkamlega virkni samanborið við halla músa sem hefjast í viku 4 og halda áfram þar til viku 18 (F_(10,140) = 4.83, p <0.0001).

(D) Eftir 18 vikur í fituríku mataræði höfðu offitusjúkir minnkað tíma til að flytja (t₍₁₄₎ = 3.32, p = 0.005), minni hreyfitíðni (t₍₁₄₎ = 4.74, p = 0.0003), og lækkaði hraða meðan á hreyfingu stóð (t₍₁₄₎ = 4.69, p = 0.0002) miðað við halla stjórntæki. Offitu mýs sýndu einnig þróun fyrir minni uppeldi (p = 0.07).

(E) Þegar gefinn var aðgangur að hlaupandi hjól í heimabýli, höfðu offitu mýs færri hjólaskiptingar miðað við halla músa (t₍₁₄₎ = 4.55, p = 0.0005).

(F – H) Heildarþyngdaraukning myndaði marktækan fylgni við (F) orkuinntöku í tilrauninni (r = 0.74, p = 0.04), en ekki (G) orkunotkun (r = 0.52, p = 0.19) né (H) opinn vettvangshraði (r = 0.19, p = 0.65).

(I – K) Heildarþyngd myndaði marktækan fylgni við (I) meðalorkuinntöku fyrstu vikuna (r = 0.88, p = 0.004), en ekki (J) orkunotkun (r = -0.19, p = 0.66) , né (K) hraði á opnu sviði (r = 0.36, p = 0.38).

Tölfræðigreining. (A og C) Tveirföld endurtekin ráðstafanir ANOVA, fylgt eftir eftir próf með Benjamini-Hochberg falsa uppgötvunarhlutfalli; (D og E) unpaired próf t Student; (F-H) línuleg afturhvarf; ^*p <0.05, ^**p <0.01, ^***p <0.0001 á móti halla. (I – K) línuleg afturför; ^***p <0.001 móti mjóum músum.

Myndatökur

Offita var tengd við minnkun á dópamín D2R bindingu

Til að greina leiðir sem liggja að baki líkamlegri óvirkni, mældum við margar hliðar DA merkingar í mjórum og offitu músum. Í samræmi við fyrri skýrslur í nagdýrum, D2R-eins og viðtaka bindandi (með geislameðferð með ³H-spiperone, héðan í frá kallað D2R binding) var lægra hjá offitumúsum miðað við grannar mýs (p <0.0001; Tölur 2A og 2B), niðurstaða sem var marktæk í öllum þremur undirdeildum þrívíddar (dorsomedial: p = 0.004; dorsolateral: p <0.0001; ventral: p <0.001; Tölur S2A og S2B). Hins vegar var D2R-binding ekki í tengslum við líkamsfitu í grannri eða offitu hópnum (p> 0.55 hjá báðum; Mynd 2C), sem bendir til þess að þrátt fyrir að D2R bindandi og fituhúð sé bæði breytt með langvarandi fitusnauðum fitu, mega þessar breytur ekki vera orsakasamir við hvert annað.

Mynd 2.

Hár-fitur mataræði Skertur Striatal dópamín D2R Binding

(A) Myndir af striatal D2R bindingu eins og mælt er með ³H-spiperóns sjálfgeislun.

(B) Striatal D2R bindingu minnkaði í offitu miðað við halla músa (t₍₂₅₎ = 5.02, p <0.0001).

(D-F) (D) Striatal D1R bindingu (t₍₂₄₎ = 1.31, p = 0.20), (E) heildar dópamíninnihald (DA; t₍₁₃₎ = 0.85, p = 0.41) og (F) þéttni týrósínhýdroxýlasa (TH) (t₍₁₄₎ = 0.48, p = 0.64) voru ekki ólíkir milli mataræði hópa.

Tölfræðigreining. Meina með einstökum músum; n = 8–19 mýs / hópur; T próf nemanda (B og D – F) eða línulegt aðhvarf (C); ^*p <0.01.

Myndatökur

Við reyndum að greina kerfi undirliggjandi offita-miðlaðrar lækkunar á D2R bindingu. Til að gera þetta leitumst við á muninn á Drd2 mRNA (með in situ blendingi) og fannst það óbreytt í öllum þremur undirdeildum þrívíddar (dorsomedial: p = 0.92; dorsolateral: p = 0.90; ventral: p = 0.34; Mynd S2C). Við gerðum western blots til að mæla heildar D2R próteinmagn og tókum ekki fram neina breytingu á hvorki 50- eða 70-kDa böndunum, talið tákna mismunandi glýkósýlerunarástand D2R (bæði p> 0.95, Tölur S2D og S2E) (Johnson og Kenny, 2010). Að lokum metum við merki um efnaskiptatruflun hjá mjórum og offitu músum til að sjá hvort þau gætu tengst lækkun á D2R eins og áður hefur verið greint (Dunn o.fl., 2012). Of feitar mýs höfðu hærra fastandi kólesteról (p <0.0001), leptín (p <0.0001), glúkósa (p = 0.0002), insúlín (p = 0.001) og viðnámstengt mat á hómóstatískri fyrirmynd (HOMA-IR) (p <0.001) , en ekki þríglýseríð eða frjálsar fitusýrur (Tölur S1D-S1J). Ekkert af þessum þáttum tengdist hins vegar D2R bindingu í offitu músum (gögn ekki sýnd).

D1R-eins og bindandi (með sjálfgeislun með ³H-SCH23390, héðan í frá kölluð D1R binding) var ekki frábrugðin milli offitu og grannra músa (p = 0.20; Mynd 2D). Enginn munur var heldur á striatal DA innihaldi, mælt með afkastamikilli vökvaskiljun (HPLC) á striatal vefjakýlum (p = 0.41; Mynd 2E), eða týrósínhýdroxýlasa ónæmismerkingar (p = 0.64; Mynd 2F). Í ljósi margra skýrslna um mismun á basal DA í offitu músum (Carlin o.fl., 2013, Davis o.fl., 2008, Vucetic o.fl., 2012 og Wang o.fl., 2014), könnuðum við þennan punkt frekar með því að nota nettó flæðis örskilun (nýjar mýs, n = 6 á hóp). Aftur kom í ljós enginn munur á utanfrumu DA (p = 0.99) eða öðru hvoru umbrotsefninu, 3,4-díhýdroxýfenýldiksýru (DOPAC) (p = 0.85) og homovanillic sýru (HVA) (p = 0.68, Mynd S3), með þessari aðferð, sem gefur til kynna að offita tengdist ekki fækkun á utanfrumugerðartónni í þessum tilraunum.

Hreyfing-tengd Striatal firing var raskað í offitu músum

Við gerðum in vivo rafeindalífeðlisfræði til að kanna hvernig minnkuð D2R binding í striatal gæti breytt taugafrumum í taugakerfi og þar með stuðlað að minni hreyfingu. Við skráðum frá dorsomedial striatum mjóra og offitu músa (n = 3 mýs í hverjum hópi, vefjafræði í Mynd 3F). Þrátt fyrir að offitu mýs hreyfðu sig minna í heild var hraðinn á framkvæmdum ekki mismunandi milli þessara hópa (p = 0.55; Mynd 3A), sem gerir okkur kleift að bera saman hreyfingatengt skothríð á milli grannar og offitu mýs. Grunngjafahlutfall margra eininga í grunnum var ekki frábrugðið mjóum og offitu músum (halla, 2.1 ± 0.4 Hz; offitu, 2.0 ± 0.7 Hz; p = 0.93). Algengi eininga sem virkja hreyfingu (Mynd 3B) var marktækt lægri hjá offitumúsum (p <0.0001; Mynd 3C). Þetta var ekki háð tölfræðilegri skilgreiningu okkar á „hreyfivirkjuðum“ einingum, þar sem við sáum einnig minni skerðingu á hreyfingum í meðalsvörun allra skráðra eininga hjá offitu á móti mjóum músum (samspil ANOVA, p <0.0002; Tölur 3D og 3E). Við ályktum að heildarhraði í striatumið hafi ekki verið mismunandi, en skipulag toppa um hreyfingu var raskað í offitu músum.

Mynd 3.

Hreyfingatengd firing í Striatum var raskað í offitu músum

(A) Hreyfingaratburðir höfðu svipaða hraða í mjórum og offitu músum.

(B) Dæmi um hreyfingarvirkja og óviðráðanlega hleypa í taugafrumum.

(D) Meðaltal hreyfistengd hleðsla allra skráða taugafrumna.

(E) Hreyfingatengd hleðsla var marktækt lægri eftir mataræði (fæði × hreyfingarviðskipti, F_(1,171) = 14.77, p <0.0002).

(F) Skýringarmynd (lagaður frá Franklin og Paxinos, 1997) sem sýnir staðsetningu rafskauts fylkis hjá mjóum og offitu upptökumúsum (n = 3 hver).

Tölfræðigreining. (C) nákvæmari próf Fisher. (D og E) Tværfellt endurtekið ráðstafanir ANOVA.

Myndatökur

Hömlun á IMSN Output Restored Activity Level í offitu músum

Til að prófa hvort minnkun framleiðsla iMSNs gæti aukið hreyfingu í offitu músum, notum við Cre-recombinasa (Cre) háð stefnu til að tjá hindrandi G_itengd breytt kappa ópíóíðviðtaka hönnuð viðtaka eingöngu virkjað með hönnuðum lyfjum (KOR-DREADD) í IMSNs offitu músa (Mynd 4A). Þó að adenósín 2A viðtaka Cre (A2A-Cre) músin hafi áður verið staðfest með ónæmisbælingu til að sýna fram á að Cre-tjáning er sértæk fyrir strikbundin iMSNs (Cui o.fl., 2013 og Lemos o.fl., 2016), gerðum við viðbótarlöggildingu á þessari línu með tvöföldum flúrljómandi in situ blendingi. Næstum allar taugafrumur (98.7% ± 0.6% af 1,301 talnum taugafrumum) tjáðu báðar Cre og Drd2 mRNA, en mjög fáir (1.3% ± 0.6%) tjáðu hvorugt Cre or Drd2 mRNA, en ekki bæði, sem staðfestir að A2A-Cre línunni markvisst markar iMSNs ( Mynd S4).

Mynd 4.

DREADD-miðlað hömlun á iMSNs endurheimt líkamlega virkni í offitu músum

(A) Ljósmynd af KOR-DREADD tjáningu og skýringarmynd (lagað frá Franklin og Paxinos, 1997) sem sýnir veirusýkingarsvæði allra KOR-DREADD í A2A-Cre músum; ógagnsæi gefur til kynna fjölda mýs sem tjá veira á tilteknum stað.

(B) Of feitir mýs fluttu meira þegar sprautað var með SalB samanborið við DMSO (t₍₇₎ = 3.056, p = 0.02).

(C-G) Eftir gjöf SalB sýndu offitusjúklingar ekki marktækar breytingar á (C) tíðni hreyfinga, (D) meðaltals hreyfistíma og (E) hreyfihraða, miðað við þegar gefinn var DMSO. (F) Sal-B gjöf jók tíðni uppeldis (t₍₇₎ = 3.116, p = 0.02), en (G) breytti ekki tíðni snyrtingar verulega.

(H) Lean mýs fluttu meira þegar sprautað var með SalB samanborið við DMSO (t₍₉₎ = 3.3, p = 0.01).

(I) SalB hafði ekki áhrif á hreyfingu í villtum tegundum músum sem tjáðu ekki KOR-DREADD (p = 0.77).

Tölfræðigreining. (B – I) Pöruð stúdentspróf; meina með einstökum músum; n = 6-10 mýs / hópur.

Myndatökur

Inndælingar KOR-DREADD örva salvinorin-B (SalB) jóku vegalengd of feitra músa sem tjáðu KOR-DREADD (p = 0.02; Mynd 4B). SalB jók einnig tíðni eldis (p = 0.02; Mynd 4F) og valdi stefnu í átt að aukningu á tíðni (t₍₇₎ = 1.64, p = 0.12), en ekki lengd eða hraði, hreyfingar (Tölur 4C – 4E). Inndælingar SalB juku einnig hreyfingu í mjóum músum (p = 0.01; Mynd 4H), en ekki í villtum tegundum músum sem tjáðu ekki KOR-DREADD (p = 0.73; Mynd 4Ég). Við ályktum að draga úr útflutningi iMSNs nægir til að auka hreyfistig bæði lélegra og offitu dýra.

Lág D2R stig, ekki forðast dýra til framtíðarþyngdaraukningu

Að lokum skoðuðum við hvort fyrirliggjandi munur á D2R-merkingu gæti ráðlagt einstökum músum til að verða með offitu með mataræði. Til að takast á við þessa spurningu, gerðum við með ör-positron losun tomography (micro-PET) með ¹⁸F-fallypride til að ákvarða upphafsgildi D2R framboðs fyrir mataræði á fituMynd 5A). Við bentum á háu stigi afbrigði í D2R bindandi möguleika meðal músa, eins og aðrir hafa sýnt (Constantinescu o.fl., 2011). Einstaklingsmunur á D2R framboði var jákvætt fylgni við hreyfingu á opnu sviði (p = 0.045; Mynd 5B), í samræmi við hlutverk D2Rs í hreyfingum. Í kjölfar ör-PET skönnunar var dýrum haldið á fituríku fæði í 18 vikur til að prófa hvort mýs með lága D2R væru viðkvæmari fyrir þyngdaraukningu vegna megrunarkúra. Það kom á óvart að við fundum þróun í átt að a jákvæð samband milli upphaflegrar aðgengis D2R og þyngdaraukningar í þessari tilraun (p = 0.10; Mynd 5C). Þrátt fyrir að þessi fylgni væri ekki marktæk, heldur það fram á þeirri forsendu að lítil framboð D2R eða lítil líkamleg óvirkni valdi dýrum viðkvæmari þyngdaraukningu. Þetta var einnig í samræmi við niðurstöður okkar að hvorki grunnviðburður á opnum vettvangi né starfsemi á víðavangi á öllu tilrauninni tengdist þyngdaraukningu (Tölur 1F-1K).

Mynd 5.

Basal D2R Binding var ekki spáð fyrir framtíð þyngdaraukningu

(A) Dæmi um D2R örbylgju PET framboðsferla í striatum og heilahimnu með því að nota ¹⁸F-fallypride.

(B og C) (B) Bindingarmöguleiki í tengslum við hreyfingu á opnu sviði (r = 0.56, p = 0.045) og (C) áttu jákvæð tengsl við fituríkan mataræði af völdum þyngdaraukningar (r = 0.50, p = 0.10, n = 12-14 mýs).

(D) Fulltrúi D2R autoradiography í músum með ósnortnum D2R (efst) og iMSN-Drd2-KO mýs (botn).

(E og F) (E) iMSN-Drd2-KO mýs höfðu lækkað líkamlega virkni á opnu sviði (t₍₈₎ = 2.99, p = 0.02) og (F) á hlaupahjólum heima í búri (p = 0.01, n = 5–19 mýs / hópur).

(G) iMSN-Drd2-KO mýs og Drd2-floxed littermate stjórna fékk svipað magn af þyngd á fituríku mataræði (F_(5,70) = 1.417, p = 0.23; n = 6-10 mýs / hópur).

(H – J) (H) Enginn marktækur munur var á eðlilegri orkuinntöku (p = 0.60), (I) orkunotkun (p = 0.47) eða (J) RER (p = 0.17) milli iMSN-D2R-KO mýs og ruslpóstsstýringar.

Tölfræðigreining. (B og C) Línuleg afturhvarf; (E, F og H-J) óprófa t-próf nemanda; (G) tvíhliða endurteknar aðgerðir ANOVA, ^*p <0.05.

Myndatökur

Til að kanna tengslin milli fyrirliggjandi mismunar á virkni og þyngdaraukningu tókum við kost á erfðafræðilegum músamódel með markvissri eyðingu á Drd2 gen úr iMSNs (iMSN-Drd2-KO) en varðveitt tjáning í öðrum frumgerðarefnum ( Dobbs o.fl., 2016 og Lemos o.fl., 2016). Eins og áður hefur verið greint, er iMSN-Drd2-KO mýs hreyfðu sig minna en stjórnun ruslfélaga á opnu sviði (p = 0.02; Mynd 5E) og á heimabúrum hlaupahjólum (p = 0.01; Mynd 5F). Í samræmi við ofangreindar tilraunir, iMSN-Drd2-KO mýs þyngdust ekki meira en viðmiðunaraðgerðir við ruslafélaga þegar þær voru settar í fiturík fæði (p = 0.23; Mynd 5G). Til að kanna orkunýtingu sína betur, gerðum við óbeinar kalorimetry tilraunir til að bera saman iMSN-Drd2-KO mýs til að stjórna ruslafélaga. Við greindum ekki marktækan mun á orkuinntöku (p = 0.60), orkunotkun (p = 0.47) eða öndunarflutningshlutfalli (RER) (hlutfall CO₂ framleiðsla til O₂ neysla [VCO₂/ VO₂], p = 0.17) milli iMSN-Drd2-KO músa og stjórnunar þeirra á ruslafélaga, sem bendir til þess að fækkun hreyfinga IMSN-Drd2-KO músanna hafi ekki skilað sér í breytingum á orkunýtingu (Tölur 5H-5J). Að lokum könnuðust við að hve miklu leyti minni fækkun á striatal D2R (eins og þeim sem komu fram í offitu músum okkar) gæti stjórnað hreyfingu og þyngdaraukningu. Til að gera þetta notum við músalínu sem leiðir til lækkunar á 30% -40% í striatal Drd2 mRNA (iMSN-Drd2-Het) ( Lemos o.fl., 2016). Þessar mýs sýndu einnig skerta hreyfingu og sýndu að niðurbrot D2R að hluta nægir til að framleiða hreyfihalla (p = 0.04; Mynd S5A). Svipað og iMSN-Drd2-KO mýs, voru iMSN-Drd2-het mýs ekki næmari fyrir fituríkri megrunarframköllun þyngdaraukningu (p = 0.89; Mynd S5B). Við ályktum að breytingar á striatal D2R séu nægjanlegar til að breyta hreyfingu, en ekki kaloría jafnvægi eða líkamsþyngd hjá músum.

Discussion

Offita er í tengslum við líkamlega óvirkni, sem er oft talið stuðla að þyngdaraukningu. Til viðbótar er aukið fósturlát tilgátur til að stuðla að lítilli virkni hjá fólki með offitu (Ekkekakis og Lind, 2006 og Westerterp, 1999), þótt þessi hugmynd sé erfitt að prófa beint. Athyglisvert er að fólk sem léttast annaðhvort með mataræði (de Boer o.fl., 1986, de Groot o.fl., 1989, Martin o.fl., 2007 og Redman o.fl., 2009) eða bariatric skurðaðgerð (Berglind o.fl., 2015, Berglind o.fl., 2016, Bond o.fl., 2010 og Ramirez-Marrero o.fl., 2014) ekki auka virkni þeirra, rökstudd gegn þyngd adiposity veldur óvirkni þeirra. Hér rannsakaðum við þá forsendu að mataræði af völdum offitu veldur líkamlegri óvirkni með skorti á DA-flutningi með striatala. Í samræmi við fyrri vinnu, komumst við að langvarandi fitufæði minnkaði striatal D2R bindingu (Hajnal o.fl., 2008, Huang o.fl., 2006, Narayanaswami o.fl., 2013, van de Giessen o.fl., 2012 og van de Giessen o.fl., 2013). Við sáum einnig halla á hreyfistengdri hleypingu á taugafrumum í fósturlátum hjá offitu músum. Hömla iMSN með G_i-tengd DREADD bjargað virkni í offitu músum, sem sýnir að mýs með umfram fitugleika geta hreyft sig venjulega þegar basal ganglia framleiðsla er endurreist. Furðu, þó, voru hvorki grundvallar D2R mælingar né líkamleg virkni í tengslum við þyngdaraukningu, sem við sáum í mörgum tilraunum. Þetta er í mótsögn við rannsókn á rottum, sem kunna að endurspegla tegundir eða tilraunagreiningu (Michaelides o.fl., 2012). Við ályktum að lækkun á D2R og síðari líkamlega óvirkni eru afleiðingar offitu, en eru ekki endilega orsakast af frekari þyngdaraukningu hjá músum.

Tenging milli breyttrar D2R merkingar og offitu var fyrst greindur hjá mönnum og var upphaflega endurtekin af öðrum (de Weijer o.fl., 2011, Kessler o.fl., 2014, Volkow o.fl., 2008 og Wang o.fl., 2001). Hins vegar hefur nýlegri vinnu kallað þessa niðurstöðu í efa (Caravaggio o.fl., 2015, Cosgrove o.fl., 2015, Dunn o.fl., 2012, Guo o.fl., 2014, Karlsson o.fl., 2015, Karlsson o.fl., 2016, Steele o.fl., 2010 og Tuominen o.fl., 2015). Þó að þörf sé á frekari rannsóknum til að skilja misræmi fram í klínískum rannsóknum, geta þau endurspeglað flókið í tengslum við klínískar rannsóknir og PET myndun. Til dæmis getur raklópríð, útvarpsstöðvarinn, sem notaður er í mörgum rannsóknum, verið fluttur af innrænum DA og því er hægt að hafa áhrif á bindingu með mismun á basal DA tón (Horstmann o.fl., 2015). Að auki getur tengslin milli D2R og offitu verið ólínuleg þannig að breytingar á D2R geta komið fram á annan hátt hjá sjúklingum með mismunandi stig offitu (Horstmann o.fl., 2015). Að lokum, þættir eins og svefn lengd (Wiers o.fl., 2016) og koffeininntaka (Volkow o.fl., 2015) geta einnig haft áhrif á D2R bindingu og er ekki greint frá eða stjórnað í flestum klínískum rannsóknum. Þessar uppsprettur afbrigði má draga úr í dýrarannsóknum, sem mála samkvæm mynd af lækkun á D2R mRNA (Mathes o.fl., 2010 og Zhang o.fl., 2015), prótein (Adams o.fl., 2015 og Johnson og Kenny, 2010) og viðtaka bindandi (Hajnal o.fl., 2008, Huang o.fl., 2006, Narayanaswami o.fl., 2013, van de Giessen o.fl., 2012 og van de Giessen o.fl., 2013) í offitu nagdýr. Vinna okkar nær til þessa bókmennta með því að tilkynna að aðrir þættir DA merki séu óbreyttir í offitu músum, jafnvel þeim sem draga úr D2R. Að auki, miðað við minnkað minnkun á D2R bindingu ³H-spiperóni, en engin breyting á heildar D2R próteini eða Drd2 mRNA, teljum við að breytingar á D2R geta falið í sér breytingar eftir þýðingu eins og innviðun viðtaka. Þrátt fyrir að gögnin benda til þess að minni D2R bindandi nægir til að draga úr líkamsþjálfun í offitu, þá er líkamleg hreyfing háð mörgum þáttum, þ.mt erfðafræði og umhverfi ( Bauman o.fl., 2012). Við teljum að ólíklegt sé að D2R sé eina taugabreytingin sem tengist líkamlegri óvirkni í offitu. Til dæmis breyti breytingar á blóðrásarhormónum eins og ghrelíni, leptíni og insúlíni á dópamínvirkum taugafrumum og geta haft áhrif á virkni (Murray o.fl., 2014). Að lokum, þrátt fyrir að við höfum ekki fylgst með breytingum á D1R, getum við ekki útilokað breytingar á taugafrumumyndun á taugafrumum beinna leiða sem geta einnig haft áhrif á líkamlega virkni.

Það er óljóst hvort breyting á aðgengi D2R gerir fólki kleift að þyngjast. Mönnum með Drd2 Taq1A allel hefur minnkað aðgengi D2R og aukin hætta á offitu ( Blum o.fl., 1996, Smiður o.fl., 2013, Noble o.fl., 1991, Stice o.fl., 2008 og Thompson o.fl., 1997). Að auki náðu mús með alheimsgleypingu D2R meira vægi á fitusnyrtri mataræði, sem stafaði af líkamlegri óvirkni (Beeler o.fl., 2015). Hins vegar var einstök breyting (náttúruleg eða erfðafræðilega völdum) í striatal D2R í tengslum við virkni í rannsókninni, en hvorki í tengslum við þyngdaraukningu. Mikilvægur greinarmunur í rannsókninni okkar var að erfðafræðilegt líkan okkar fjarlægði D2R eingöngu frá iMSNs. Að auki leiddu í vandlega mælingar á fæðu og orkunotkun að notkun D2Rs á þessum taugafrumum breytti ekki orkujafnvægi. Þannig geta rannsóknir sem sýna tengsl milli alþjóðlegrar D2R virkni og orku jafnvægi fylgjast með áhrifum D2Rs á aðrar gerðir frumna. Tilraunir okkar styðja þá niðurstöðu að líkamleg óvirkni sé afleiðing offitu en í sjálfu sér er ekki nægjanleg til að valda breytingum á þyngd.

Þrátt fyrir vaxandi vísbendingar um að líkamleg virkni tengist endurbótum í hjarta- og æðasjúkdómum og minni hættu á nokkrum öðrum langvinnum sjúkdómum, er líkamleg virkni enn lítil hjá einstaklingum með offitu (Ekkekakis o.fl., 2016). Skorturinn á skilvirkum inngripum til að auka líkamlega virkni endurspeglast í skorti á skilningi á frumu- og sameindakerfinu sem liggur undir líkamlegri óvirkni hjá einstaklingum með offitu. Hér tengjum við líkamlega óvirkni við breytingar á basal ganglia virka, sem veitir líffræðilega skýringu á skorti á líkamlegri virkni hjá einstaklingum með offitu.

Tilraunaverkefni

Efni og fæði

Í öllum rannsóknum voru mýs hýstar sérstaklega við staðlaðar aðstæður (12 klst. Ljós / dökkt hringrás, 21–22 ° C), með ad libitum aðgang að mat og vatni. Mýs voru veittar annaðhvort venjulegt mataræði með chow (5001 mataræði með nagdýrum, 3.00 kcal / g með 29% orku unnin úr próteini, 13% úr fitu og 56% úr kolvetni; LabDiet) eða fituríku mataræði (D12492; 5.24 kcal / g með 20% orka fengin úr próteini, 60% úr fitu og 20% frá kolvetni; rannsóknarfæði). Allar aðgerðir voru framkvæmdar í samræmi við leiðbeiningar dýraþjónustu- og notkunarnefndar stofnunarinnar um sykursýki og meltingarfærasjúkdóma.

Transgenic skilyrt knockout iMSN-Drd2-KO mýs voru myndaðar með því að fara yfir mýs sem tjáðu Cre dregið af reglulegum þáttum adenósín 2A viðtaka gensins (Adora2a) (B6.FVB (Cg) -Tg (Adora2a-Cre) KG139Gsat / Mmucd; GENSAT; 036158-UCD) með músum sem bera skilyrt Drd2 null alleles B6.129S4 (FVB) -Drd2^{tm1.1Mrub / J}, JAX020631 (Bello o.fl., 2011).

Líkamsreikningur og orkunotkun

Líkamsamsetning var mæld hver öðrum viku með því að nota ¹H-NMR litrófsgreining (EchoMRI-100H; Echo Medical Systems). Orkunotkun var ákvörðuð með því að reikna út orkujöfnuð (Guo o.fl., 2009 og Ravussin o.fl., 2013):

Energyexpenditure = Metabolizableenergyintake- (Δfatmass + Δfat-freemass).

Kveiktu á MathJax

Open-Field Activity

Opnar vettvangsprófanir voru gerðar í PhenoTyper búrum (30 × 30 cm; Noldus IT) og EthoVision myndbandsgreiningarhugbúnaður (útgáfa 11; Noldus IT) var notaður til að rekja mýs í gegnum prófunina.

Home Cage Wheel Running

Hjólakstur var mældur með því að setja þráðlaus þráðlaus hlaupahjól (Med Associates) í búr músanna í 72 klst. Á þriggja vikna fresti (offitutilraunum vegna offitu) eða stöðugt (iMSN-Drd2-KO tilraunir).

Blóðráðstafanir

Blóðfrumnafæð frá fórnum dýrum var notað til greiningar á umbrotsefnum í sermi og hormónum eftir að 4-hr hratt.

Dópamínviðtaka sjálfgeislun

Hægra himinsýki voru skornar niður á stigi striata (-0.22, 0.14, 0.62 og 1.18 mm frá bregma, sem þekur að fullu umfang striatum) í 12 mm hluta. Rennibrautir voru þíddar og forinsaðar í prófunarbúða (20 mM HEPES, 154 mM NaCl og 0.1% nautgripa sermis albúmín [BSA]; pH 7.4) í 20 mínútur við 37 ° C. D1R binding var metin með því að rækta glærur í prófunar biðminni sem innihéldu 1.5 nM tritium merkt SCH-23390 (Perkin-Elmer) og 100 nM ketanserin í 60 mínútur við 37 ° C. D2R binding var metin með því að rækta glærur með 600 pM tritium merktri spiperone (Perkin-Elmer) og 100 nM ketanserin í 100 mínútur við 37 ° C. Eftir ræktun með viðeigandi geislalandi voru skyggnurnar þvegnar tvisvar í 10 mínútur við 4 ° C í þvottabuffa (10 mM Tris-HCI, 154 mM NaCl) og þeim síðan dýft í vatn (0 ° C) og þeim leyft að þorna yfir nótt. Rennibrautir voru síðan útsettar fyrir fosfórmyndunarplötum í 7 (D1R binding) eða 11 daga (D2R binding) og þróaðar með því að nota fosfómyndara (Cyclone; Perkin-Elmer). Til greiningar voru áhugasvið sett fram og þau greind með Optiquant hugbúnaði fyrir myndgreiningu (Perkin-Elmer).

Western Blotting

Vesturblettir voru ræktaðir með mótefni gegn D2DR mótefni (1: 500; Santa Cruz; sc-5303) eða músar gegn GAPDH mótefni (1: 1,000; Santa Cruz; sc-32233) og eftir það með geitum gegn músum IgG- HRP (1: 1,000; Santa Cruz; SC-2005). Chemiluminescence merki var búið til með því að nota efnafræðilega efnafræðilega hvataskynjunarsvörunarefni (Bio-Rad) og visualized með Chemidoc Imaging System (Bio-Rad).

Í stöðu Hybridization

RNAscope multiplex flúrljómandi prófunarbúnaður var notaður til aðblendinga á staðnum (Advanced Cell Diagnostics). Í stuttu máli voru formalínfastir hlutar þurrkaðir út í etanóli og síðan útsetning fyrir próteasa. Hlutar voru síðan tvinnaðir með RNAscope oligonucleotide rannsökum gegn Drd2. Eftir rannsakandi hybridization voru slides inkubated með merki magnara samkvæmt RNAscope samskiptareglum. Skyggnur voru síðan skolaðir með RNAscope þvottabúnað. Að lokum voru skyggnur settar upp með DAPI mótspyrnu.

Fljótandi litskiljun með rafgreiningu

Vinstri hemisections voru meðhöndlaðir til að greina DA með því að nota öfgafasa hágæða vökvaskiljun með rafgreiningu (HPLC-EC), eins og áður hefur verið lýst (Kilpatrick o.fl., 1986).

Týrósínhýdroxýlasasi, ónæmissvörun

Renndir hlutar voru fastir í 10% hlutlausu bufferuðu formalíni, skolaðir í 0.1 M TBS (pH 7.5) og ræktaðir í frum mótefna lausn sem innihélt 3% eðlilegt asna sermi, 0.3% Triton X-100 og kanína and-tyrosine hydroxylase mótefni (1: 1,000; Millipore; MAB152) yfir nótt við 23 ° C. Daginn eftir voru vefjakaflar skolaðir í TBS og ræktaðir í efri mótefna lausn sem innihélt 3% eðlilegt asna sermi, 0.3% Triton X-100 og geita and kanínu samtengt við Alexa Fluor 555 (Millipore; AQ132F). Fyrir hverja mús voru greindir tveir strávaxnir hlutar, nema fjórar mýs (tvær HFD, tvær Chow) þar sem aðeins einn hluti var greindur vegna lélegs vefja eða myndgæða.

Ör-PET

Mýs voru sprautað með ¹⁸F-falskt stolt með sérstaka virkni 2.5 ± 0.34 mCi / nmól í rúmmáli 130 μL um halaæð meðan á ísofluran svæfingu stendur. Ör-PET skönnunin var gerð í 2 klst., Þar sem 25 rammar voru fengnir til greiningar. Tímastarfsferlarnir fyrir ¹⁸F-fallypride á áhugaverðum svæðum (ROIs) voru dregin út með AFNI hugbúnaði (https://afni.nimh.nih.gov/afni) og líffræðilegir breytur voru passar í fjögurra hólfa líkan með því að nota sérsniðið MATLAB handrit (með heilahimnunni sem notað er sem viðmiðunarvef) til að ákvarða D2R bindandi möguleika (Lammertsma og Hume, 1996).

In Vivo rafgreiningarfræði

Upptökur voru gerðar úr rafskautasamstæðu sem innihélt 32 Teflon-húðaðar wolfram örbylgjur (35 mm þvermál) ígræddar einhliða í dorsomedial striatum (fremri / aftari [A / P]: +0.8; miðlungs / hlið [M / L]: +1.5 ; dorsal / ventral [D / V]: -2.6 mm á bregma), og unnið með viðskiptahugbúnað (Offline Sorter og Neuroexplorer; Plexon).

Stereotaxic veiruveirustýring

Mýs voru svæfðar stuttlega með útsetningu fyrir ísóflurani. Þegar svæfð var djúpt var gerð einn skurður meðfram miðlínunni, höfuðkúpan var afhjúpuð og tvíhliða höfuðbeinaðgerð (A / P: +0.5; M / L: ± 1.5 mm á legg). Veiruferju sem innihélt hamlandi KOR-DREADD (Syn-DIO-hKORD-IRES-mCit-WPRE; 0.5 μL) var sprautað tvíhliða í dorsomedial striatum (D / V, -2.8 mm frá toppi höfuðkúpunnar) og leyft að tjá fyrir 9 vikum fyrir tilraunir.

No-Net Flux Microdialysis og dópamíngreining

Mælingar á grunnfrumumyndun DA, DOPAC og HVA í dorsal striatum músa voru gerðar með nálarflæðisaðferð við smásjá. Einhliða 2 mm rannsakar (18 kDa himnuskurður) voru ígræddir sterataxískt 1 viku eftir ígræðslu íblásu með samfelldri flæðingu á gervi heila- og mænuvökva (aCSF) við 1 μL / mín í 4 klst fyrir sýnatöku (sjá Viðbótar tilraunir). Engin netflæðitilraun til að mæla DA-gildi utanfrumu var gerð með því að slembast út af handahófi sex mismunandi styrkum DA (0, 2.5, 5, 10, 20 og 40 nM) í aCSF í gegnum skilunarmæli. Hver DA styrkur var perfused í 30 mínútur og síðan 2 × 10 mín sýnum sem safnað var í 2.5 μL af 100 mM HCI auk 1 mM EDTA til að koma í veg fyrir niðurbrot katekólamíns og frosið við -80 ° C. Til taugaefnafræðilegra greininga var notast við ísókratískt HPLC kerfi tengt við amperometric uppgötvun (HPLC-EC; BASi LC-4C). Aðeins mýs með rétta rannsóknarmælingu voru með í greiningunni (Mynd S3E).

Tölfræði

Tölfræðileg greining var gerð með GraphPad Prism (útgáfa 6.07; GraphPad hugbúnaður). Tveir tailed t-próf stúdenta voru notaðir, nema tekið sé fram. Annars var notast við tvíhliða pöruð t-próf, einstefnu ANOVA-endurteknar mælingar eða tvíhliða ANOVA-endurteknar mælingar þegar við átti og eins og fram kemur. ANOVA var fylgt eftir með t prófum fyrir samanburð á eftirá. Niðurstöður voru taldar marktækar við alfa p <0.05, eða með alfa ákvarðað með leiðréttingu á rangri uppgötvunarhraða Bejamini-Hochberg (FDR), þar sem það átti við.

Höfundur Framlög

DMF, KD, TJO, MS, AK, IPSGRVAA, MR, KDH og AVK, hannuðu tilraunirnar. DMF, KD, TJO, MS og AVK, gerðu og greindu hegðunartilraunir. IP gerði vestrænar blotting tilraunir. DMF og AVK gerðu og greindu in vivo rafgreiningarupplýsingar. DMF, J.-SL, JG og AVK gerðu og greindu ör-PET tilraunir. DMF, KD, TJO og AVK skrifuðu handritið. Allir höfundar ræddu niðurstöður og gerðu athugasemdir við handritið.

Acknowledgments

Þessi vinna var studd af rannsóknaráætlun NIH, National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK). Við viljum þakka Músarhvarfaskýrslunni við NIDDK til að meta umbrotsefni og hormón í sermi, Andres Buonanno með hjálp hans við að hanna dopamín örvunarprófanir og Dr. Judith Walters, Dr. Kristin Dupre og Dr. Claire Delaville til aðstoðar við HPLC innihaldsefni dópamínvefja. Við viljum einnig þakka Dr. Scott Young fyrir notkun rannsóknarstofu hans og aðstoð við bindandi rannsóknir. Þökk sé einnig meðlimir AVK-rannsóknarstofunnar, Marc Reitman og Nick Ryba, um inngöngu í tilraunaverkefni og vandlega lestur handritsins.

Viðbótarupplýsingar

Skjal S1. Viðbótar tilraunir og tölur S1-S5.

Hjálp með PDF skjölum

Valmöguleikar

Skjal S2. Greinar auk viðbótarupplýsingar.

Hjálp með PDF skjölum

Valmöguleikar

Meðmæli

Adams o.fl., 2015
WK Adams, JL Sussman, S. Kaur, AM D'Souza, TJ Kieffer, CA Winstanley
Langtíma, kaloría-takmörkuð neysla á fitusnauðum mataræði hjá rottum dregur úr þrýstingsstýringu og DRONUMX viðtaka í lokum með DALNUMX viðtaka, tvö merki um varnarleysi
Eur. J. Neurosci., 42 (2015), bls. 3095-3104
CrossRef

Flýtileiðir hlekkur