Biolpsykiatri. 2008 Dec 1; 64 (11): 941-50. Epub 2008 Jul 26.
Teegarden SL, Nestler EJ, Bale TL.
kilde
Institutt for dyrebiologi, Universitetet i Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104-6046, USA.
Abstrakt
BAKGRUNN:
Følsomhet for belønning har blitt implisert som en predisponerende faktor for atferd relatert til narkotikamisbruk samt overeating. Imidlertid er de underliggende mekanismene som bidrar til å belønne sensitivitet, ukjente. Vi antydet at en dysregulering i dopamin signalering kan være en underliggende årsak til økt følsomhet for følsomhet, hvorved givende stimuli kan virke for å normalisere systemet.
METODER:
Vi brukte en genetisk musemodell med økt belønningsfølsomhet, Delta FosB-overuttrykkende mus, for å undersøke belønningspassendringer som svar på et smakfullt fettfattig kosthold. Markører av belønningssignalering i disse musene ble undersøkt både basalt og etter 6-uker med velsmakende dietteksponering. Mus ble undersøkt i en atferdstest etter høyt fettvedtak for å vurdere sårbarheten til denne modellen til fjerning av givende stimuli.
RESULTATER:
Våre resultater viser endret belønningspasseringsaktivering langs kjernen accumbens-hypothalamus-ventral tegmental-området kretsløp som følge av overekspresjon av Delta FosB i kjernen accumbens og striatal regioner. Nivåer av fosforylert cyklisk adenosinmonofosfat (cAMP) responselementbindende protein (PCREB), hjerneavledet nevrotrofisk faktor (BDNF), og dopamin og cyklisk adenosinmonofosfatregulert fosfoprotein med en molekylmasse av 32 kDa (DARPP-32) i nucleus accumbens ble redusert i Delta FosB-mus, som tyder på redusert dopamin-signalering. Seks uker med fettfattig kostholdseksponering fullstendig forbedret disse forskjellene, og avslørte den potensielle givende kapasiteten til et velsmakende diett. Delta FosB-mus viste også en signifikant økning i lokomotorisk aktivitet og angstrelaterte responser 24 timer etter høyt fettuttak.
KONKLUSJON:
Disse resultatene etablerer en underliggende sensitivitet for endringer i belønning relatert til dysregulering av Delta FosB og dopamin signalering som kan normaliseres med smakbare dietter og kan være en predisponerende fenotype i noen form for fedme.
Introduksjon
Til tross for vår økende kunnskap om de nevrale systemene som styrer appetitt og matfett, fortsetter fedmefrekvensen i USA. Nåværende rusmiddelbehandlinger har begrenset effekt, og atferdsendringer endres av minimal langsiktig etterlevelse (1). Forbruket av kalori-tette og smakfulle matvarer har vært knyttet til endringer i stress- og belønningsveier i hjernen, noe som tyder på at de givende egenskapene til slike matvarer kan overstyre energibalanssignaler (2-4). Matvarer med høyt fett fungerer som naturlige belønninger, og aktiverer hjernekompensasjonssentre på en måte som ligner misbruk, og som sådan har blitt brukt i selvadministrerende paradigmer (5-8). Dermed er det sannsynlig at atferd og motivasjon for overeating og narkotikamisbruk deler felles underliggende mekanismer, som potensielt åpner nye behandlingsmetoder for begge forhold.
Ved å studere forholdet mellom velsmakende matvarer og baner som regulerer belønning og stress i hjernen, Vi har tidligere identifisert molekylære og biokjemiske markører med redusert belønning og økt stress etter uttak fra et velsmakende høyt fettholdig kosthold (HF). På samme måte som misbruk av rusmidler, viste eksponering for et godt kosthold i studiene økte nivåer av transkripsjonsfaktoren ΔFosB i nucleus accumbens (NAc), en sentral hjernekompensasjonsstruktur (9, 10). Mus som inducerer overexploderende ΔFosB, viser økt instrumental respons for en matbelønning (11), noe som gjør dem til et verdifullt verktøy for å undersøke rollen som belønningsfølsomhet og langsiktig dysregulering av belønningssystemet i de molekylære og biokjemiske responsene til et smakfullt kosthold.
I den foreliggende studien benyttet vi de ΔFosB-overuttrykkende musene for å undersøke langsiktige endringer i markørene av belønning i NAc-hypothalamus-ventral tegmental-området (VTA) nevrokredsløpet som svar på en smakfull HF-diett. Basert på tidligere studier i disse belønningsfølsomme musene antydet vi at ΔFosB-induserte endringer i belønningsfølsomhet innebærer en dysregulering i dopamin-signalering som følge av NAc-tilbakemelding til VTA. Videre antydet vi at eksponering for en naturlig belønning for et energi-tett HF-diett ville da normalisere det dopaminerge systemet i disse musene, noe som resulterte i en overdrevet respons på stresset ved uttak fra denne HF-dietten. Det unike aspektet ved å utnytte et smakfullt kosthold som en givende substans, tillater oss å inkludere hypotalamiske innganger for å belønne kretsløpet i en fenotype som kan være prediktiv for en populasjon som er utsatt for behandling motstandsdyktig overvekt. For å undersøke denne hypotesen studerte vi markører for dopamin nevrotransmisjon, inkludert pCREB, BDNF og DARPP-32 i NAc og tyrosinhydroksylasen og dopamintransportøren i VTA etter HF-eksponering. Vi har også undersøkt spesifikke markører for energibalanse kjent for å påvirke dopaminutgang, inkludert leptin- og oreksinreceptorer i VTA- og orexinuttrykket i lateralhypothalamus.
Materialer og metoder
dyr
Mannlige bitransgene mus som inducerbart overexpresser ΔFosB i dynorphin-positive nevroner i NAc og dorsal striatum (Kelz et al., 1999) ble generert på en blandet bakgrunn (ICR: C57Bl6 / SJL) ved University of Texas Southwestern Medical Center og vedlikeholdt og testet ved University of Pennsylvania. Alle mus ble opprettholdt på doxycyklin (100 μg / ml i drikkevannet) til ankomst til University of Pennsylvania. For å indusere overekspresjon ble doxycyklin fjernet (n = 23) (12). Kontrollmus (n = 26) fortsatte å motta stoffet. Mus ble tilordnet diettgrupper åtte uker etter fjerning av doksykylin, på hvilket tidspunkt uttrykket har vist seg å nå maksimale nivåer (13). Mus ble opprettholdt på en 12: 12 lysmyk syklus (lys på 0700) med mat og vann tilgjengelig ad libitum. Alle studier ble utført i henhold til eksperimentelle protokoller godkjent av University of Pennsylvania Institutional Animal Care and Use Committee, og alle prosedyrer ble utført i samsvar med institusjonelle retningslinjer.
Kostholdseksponering
Mus ble opprettholdt på huset chow (n = 16) eller plassert på HF (n = 16-17) i seks uker. House Chow (Purina Lab Diet, St. Louis, MO) inneholdt 4.00 kcal / g, bestående av 28% protein, 12% fett og 60% karbohydrat. HF diett (forskningsdiett, New Brunswick, NJ) inneholdt 4.73 kcal / g, bestående av 20% protein, 45% fett og 35% karbohydrat.
Biokjemi og genuttrykk
Mus ble analysert etter seks uker med dietteksponering. Hjerner ble fjernet fra skallen og enten frosset helt på tøris eller NAc dissekert (omtrent 0.5 - 1.75 mm fra bregma, i en dybde på 3.5 - 5.5 mm) og frosset i flytende nitrogen. Vev ble lagret ved -80 ° C til analysert.
Biokjemiske analyser
Metoder for Western blots er beskrevet i tilleggsmaterialer. Antistoffene som ble brukt var: Cdk5, CREB og BDNF (1: 500, Santa Cruz-bioteknologi, Santa Cruz, CA) og fosfor-CREB (pCREB) (Ser 133) (1: 500, Cell Signal Technology, Danvers, MA).
Receptor autoradiografi
Detaljert metoder for autoradiografi er beskrevet i tilleggsmaterialer. Ligander brukt var 2 nM H3 - SCH 23390 og 5 nM H3 - spiperon (PerkinElmer, Boston, MA).
In situ hybridisering
Vevsbehandling og hybridisering ble utført som tidligere beskrevet (14). DARPP-32-sonden ble levert av P. Greengard (Rockefeller University) og orexinsonden ved J. Elmquist (University of Texas Southwestern Medical Center). Lysbilder analysert for DARPP-32 ble apposed til film for 3 dager, og lysbilder analysert for orexin ble apposed til film for 4 dager. Kvantifisering av filmbilder ble utført som tidligere beskrevet (10).
QRT-PCR
RNA ble isolert fra VTA og ekspresjon av individuelle gener vurdert ved bruk av TaqMan-genuttryksanalyser (Applied Biosystems, Foster City, CA). Detaljert metode og statistiske analyser finnes i tilleggsmaterialer.
Behavioral analyser
For å undersøke effektene av belønningsfølsomhet på diett-induserte atferdsendringer, ble en delmengde av mus trukket ut av HF etter fire uker med eksponering og returnert til huskjøp (n = 9-kontroll, n = 8 ΔFosB). 24 timer etter tilbaketrekning ble musene utsatt for åpen-feltet testen i samsvar med vårt tidligere publiserte dietary withdrawal paradigm (10). Kort fortalt ble musen plassert i sentrum av åpningsapparatet og overvåket i fem minutter. Totalt linjekryss, fekal boli, tid i midten, og kryss i sentrum ble målt.
Statistikk
Alle data unntatt Western blots ble analysert ved bruk av en toveis ANOVA etterfulgt av Fishers PLSD-test med doksycyklinbehandling (ΔFosB-uttrykk) og dietttilstand som de uavhengige variablene. For RT-PCR-analyser ble en redusert P-verdi brukt til å korrigere for flere sammenligninger innen grupper av relaterte gener (se tilleggsmaterialer). Western blots ble analysert ved bruk av en students t-test med doksycyklinbehandling som den uavhengige variabelen, og sammenlignet optiske tettheter innenfor samme blot. Alle data presenteres som gjennomsnitt ± SEM.
Resultater
Basale biokjemiske forskjeller
For å belyse de molekylære banene som ligger til grunn for den forbedrede belønningsfølsomheten i ΔFosB-overuttrykkende mus, ble nivåer av flere viktige signalmolekyler undersøkt i NAc. Det var en trend for økte nivåer av Cdk5 i NAc av ΔFosB-mus sammenlignet med kullkammerdyr som ble opprettholdt på doksycyklin (F = 5.1, P = 0.08; Fig. 1A). ΔFosB mus uttrykte signifikant reduserte nivåer av pCREB (F = 7.4, P <0.05; Fig. 1B) så vel som totale nivåer av CREB (F = 5.4, P = 0.05; Fig. 1C). En signifikant reduksjon i BDNF ble også observert i NAc av ΔFosB-mus (F = 10.6, P <0.05; Fig. 1D).
Figur 1
Mus overuttrykkende ΔFosB viste biokjemiske markører for redusert dopamin-signalering i NAc
Matinntak og kroppsvekt på høyt fett diett
Vi undersøkte deretter effekten av et naturlig givende HF-diett på endringer i signalmolekyler i ΔFosB-overuttrykkende mus. Det var ingen forskjeller mellom ΔFosB mus og kontroller i matinntaket på verken hus eller HF. Imidlertid var det en total reduksjon i kaloriinntaket normalisert til kroppsvekt når de ble utsatt for HF som var spesifikk for ΔFosB-musene (F = 11.2, P <0.01; Fig. 2A). På slutten av seks ukers dietteksponering veide mus som mottok HF, betydelig mer enn de som hadde chow-diett (F = 17.2, P <0.001), og ΔFosB-mus veide samlet sett mindre enn kontroller (F = 5.6, P <0.05; Fig. 2B). Denne effekten var spesifikk for forskjeller mellom grupper på chow dietten (P <0.05).
Figur 2
ΔFosB overuttrykkende mus viste ingen forskjeller i matinntaket på enten Chow eller High Fat (HF) diett
Biokjemiske forskjeller på høyt fett diett
For å bestemme hvordan basale forskjeller i NAc-signalering kan endres ved HF-diett, ble de samme signalproteiner som ble studert ved baseline, undersøkt hos dyr som hadde fått seks uker med HF. Det var ingen signifikante forskjeller i Cdk5 nivåer (Fig. 3A). Nivåene av pCREB og totalt CREB var ikke lenger forskjellige etter seks uker med HF (figur 3B, C). Nivåene av BDNF var signifikant forhøyet i FFB-mus etter seks uker med HF-eksponering (F = 6.5, P = 0.05; Fig. 3D).
Figur 3
Høyt fett (HF) diettforbedret signalforskjeller observert i NAc av ΔFosB overuttrykkende mus
Dopaminreseptor autoradiografi
Vi brukte reseptorautoradiografi for å vurdere om de ΔFosB-induserte endringene i dopaminsignalering i NAc er relatert til endringer i dopaminreseptoruttrykk (figur 4A). Kosthold med høyt fett så ut til å øke tettheten av D1-dopaminreseptorbinding litt (P = 0.14), og denne forskjellen var større i ΔFosB-mus (figur 4B). Det var også en tendens mot en økning i D1-bindingsareal etter HF (P = 0.06), og post hoc-testing viste at dette var signifikant i ΔFosB-musene (P <0.05; Fig. 4C). I motsetning til D1-reseptorer, ingen endringer i D2-reseptorbindingsdensitet (kontroll chow = 97.6 ± 6.9, kontroll HF = 101.1 ± 8.2, ΔFosB chow = 91.6 ± 1.0, ΔFosB HF = 94.8 ± 9.5) eller bindingsområde (kontroll chow = 47.3 ± 3.4, kontroll HF = 53.8 ± 6.0, ΔFosB chow = 51.9 ± 3.7, ΔFosB HF = 49.0 ± 3.3) i NAc ble observert.
Figur 4
Høyt fettholdig kosthold (HF) førte til endringer i D1 dopaminreseptorbinding og DARPP-32-ekspresjon i nucleus accumbens (NAc) av ΔFosB overuttrykkende mus
DARPP-32-uttrykk i NAc
In situ hybridisering ble brukt til å bestemme ekspresjonsnivåer av DARPP-32 i NAc (fig. 4D). Kosthold med høyt fett økte signifikant DARPP-32-ekspresjon i denne hjerneområdet (F = 5.1, P <0.05), og det var en signifikant interaksjon mellom diett og ΔFosB-uttrykk (F = 8.9, P <0.05), med ΔFosB-mus som viste større diettindusert endring (fig. 4E). En basaldifferanse i DARPP-32-ekspresjon mellom kontroll og ΔFosB-mus ble avslørt ved post hoc-testing (P <0.01), samt en signifikant økning i DARPP-32-ekspresjon i ΔFosB-musene på HF (P <0.01).
Genuttrykk i VTA
QRT-PCR ble brukt til å vurdere endringer i genuttrykk i VTA, rettet mot flere nøkkelgener som tidligere var involvert i reguleringen av belønning. Alle prøvene ble normalisert til β-aktin. For å sikre at β-aktinuttrykk ikke ble endret ved behandling, ble det kjørt en separat analyse for å sammenligne β-aktin med en annen intern kontroll, GAPDH. Det var ingen signifikante forskjeller i β-aktinuttrykk (ΔCT-verdier, β-aktin - GAPDH: kontroll chow = 2.29 ± 0.21, kontroll HF = 2.01 ± 0.04, ΔFosB chow = 2.32 ± 0.49, ΔFosB HF = 2.37 ± 0.10).
En trend for en interaksjon mellom ΔFosB-ekspresjon og diettbehandling ble observert for ekspresjon av tyrosinhydroksylase (F = 3.6, P <0.06; Fig. 5A). Seks ukers eksponering for HF så ut til å redusere tyrosinhydroksylaseekspresjon i kontrollmus og øke ekspresjonen i ΔFosB-mus. En signifikant interaksjon mellom ΔFosB-ekspresjon og dietteksponering ble observert for ekspresjon av dopamintransportøren (F = 6.7, P <0.03; Fig. 5B). I likhet med tyrosinhydroksylase reduserte eksponering for HF dopamintransporteruttrykk i kontrollmus og signifikant økt ekspresjon i ΔFosB-mus (P <0.05). Den basale forskjellen i dopamintransporteruttrykk mellom kontroll og ΔFosB-mus nådde ikke signifikans (P = 0.16), men etter 6 uker HF uttrykte ΔFosB-mus signifikant forhøyede nivåer av dopamintransportør sammenlignet med kontroller (P <0.05).
Figur 5
HF-eksponering og ΔFosB-ekspresjon førte til endringer i ekspresjon av et antall nøkkelmolekyler i VTA
Det var en trend som indikerte en effekt av økt ΔFosB-ekspresjon for å redusere TrkB-nivåer i VTA (F = 5.7, P <0.04; Fig. 5C). Selv om det ikke var noen hovedeffekter på k-opioid reseptoruttrykk, var det en tendens mot redusert ekspresjon i ΔFosB mus (P = 0.08; Fig. 5D). Ekspresjon av leptinreseptoren ble også bestemt i VTA. En signifikant effekt av dietteksponering ble funnet (F = 6.1, P <0.03), med HF som betydelig reduserte nivåene av leptinreseptoren i VTA i både ΔFosB og kontrollmus (fig. 5E). Ekspresjon av orexinreseptor 1 i VTA ble også undersøkt. Det var en signifikant effekt av diett på ekspresjon av orexinreseptoren (F = 9.0, P <0.02), med mus eksponert for HF som uttrykte høyere nivåer i VTA (fig. 5F). Det var også en trend for ΔFosB-mus å uttrykke generelle høyere nivåer av orexinreseptor 1 i denne hjerneområdet (P <0.05).
Oreksinuttrykk i den laterale hypothalamus
Vi målte nivåer av orexin i lateral hypothalamus, opprinnelsen til orexinerg innervering av VTA, ved in situ hybridisering (figur 6A). Det var en signifikant interaksjon mellom ΔFosB-ekspresjon og dietteksponering på orexinekspresjon (F = 9.1, P <0.01), med HF som signifikant økte orexinnivåer i kontrollmus (P <0.05) og redusert ekspresjon i ΔFosB-mus (figur 6B). Selv om det ikke var noen signifikante forskjeller i orexinekspresjon i basaltilstanden, etter 6 uker HF, uttrykte ΔFosB mus signifikant reduserte nivåer av orexin sammenlignet med kontroller (P <0.05).
Figur 6
Høyt fett (HF) diett hadde differensielle effekter på oreksinuttrykk i kontroll (Ctrl) og ΔFosB overuttrykkende mus
BeHavioral Analyser
For å evaluere endringer i opphisselse og følelsesmessighet på grunn av diettendring, ble mus utsatt for åpen feltprøve 24 timer etter tilbaketrekking av HF-dietten (10). Totale linjekors, som ble scoret som et mål på opphisselse, ble signifikant påvirket av ΔFosB-uttrykk (F = 6.6, P <0.05) og diett (F = 4.6, P <0.05; Fig. 7A). ΔFosB-mus var mer aktive i det nye miljøet enn sammentrekning, og post hoc-testing viste at mus som ble trukket tilbake fra HF, var signifikant mer aktive enn de som ble utsatt for chow (P <0.05). Fekal boli ble regnet som et mål på angstlignende oppførsel (10). Det var en hovedeffekt av ΔFosB-ekspresjon (F = 10.2, P <0.01), med ΔFosB-overuttrykkende mus som produserte mer fekal boli i det nye miljøet, spesielt i huschow og HF-tilbaketrekningsgrupper (fig. 7B). ΔFosB-mus opprettholdt på HF-diett produserte færre fekale boli enn de som ble opprettholdt på chow, og de som ble trukket tilbake 24 timer før testen. Kontrollmus så ikke ut til å være påvirket av diett. Det var ingen signifikante effekter av verken ΔFosB-ekspresjon eller diett på tiden som ble brukt midt i det åpne feltet (kontroll chow = 14.5 ± 3.1 sek, kontroll HF = 18.0 ± 3.2 sek, kontroll W / D = 15.4 ± 1.9 sek, ΔFosB chow = 16.9 ± 2.4 sek, ΔFosB HF = 13.1 ± 3.9 sek, ΔFosB W / D = 19.8 ± 2.6 sek).
Figur 7
Mus overuttrykkende ΔFosB var mer følsomme overfor effektene av høyt fett diett (HF) uttak
Diskusjon
I fedmebehandling er det et kritisk behov for identifisering av faktorer som påvirker følsomhet for overmåling og vektøkning. Brainbelønningsstier spiller en viktig rolle i motivasjonen for og responsen på spiselige matvarer og kostendringer (6, 10, 15, 16). Ettersom orexigeniske og anorexigeniske signaler direkte kan påvirke belønningssignalering via en hypotalamus-VTA-NAc-krets, kan belysning av gener som reagerer på energirike, spiselige dietter innen belønningssentre gi nye terapeutiske mål i fedmebehandling (17, 18). Derfor undersøkte vi biokjemiske og molekylære markører for belønning og energibalanssignalering langs hypotalamus-VTA-NAc-kretsen som svar på et HF-diett i ΔFosB-overuttrykkende mus som en modell for forbedret følsomhet for endringer i belønning (13, 19, 20) , og atferdsmessig følsomhet etter uttak av diett. Vi antydet at basal dysregulering av dopamin-signalering i ΔFosB-mus ville bli normalisert av de fordelaktige effektene av et HF-diett, som omfatter krysset mellom energibalanssignaler og dopamin-systemet.
For å undersøke markører som indikerer en dysregulering i dopamin-signalering i NAc, undersøkte vi D1-reseptornivåer og nedstrøms effektorer. Selv om det ikke var noen signifikante forskjeller i D1-reseptorbinding, Det var en trend for HF-eksponering for å øke bindingsområdet i ΔFosB-musene. Dette er interessant som induksjon av ΔFosB ved hjelp av narkotika, og naturlige belønninger ser ut til å dominere i den dynorfin-positive subtypen av middels spiny nevroner som primært uttrykker D1-reseptorer (9, 21). Nivåer av det nedstrøms dopamin-signalmålet pCREB ble signifikant redusert i FosB-mus, som støtter redusert D1-reseptoraktivering i denne hjernegion (22, 23). Interessant oppdaget vi også en signifikant reduksjon i totalt CREB-nivå i ΔFosB-mus, noe som tyder på en ytterligere redusert kapasitet for dopamin-signaltransduksjon som kan være sekundær til tilbakemelding som følge av en langvarig reduksjon i pCREB (24). BDNF-uttrykk er regulert av pCREB, forhøyet med D1-aktivering, og er en viktig mediator av belønningsrelatert nevrolisitet i NAc (25, 26). Følgelig oppdaget vi en signifikant reduksjon i BDNF-protein i NAc av FosB-mus.
Alle mellomstore, spiny nevroner i NAc uttrykker DARPP-32 (27). Dens mange nedstrøms effektorer gjør det til en viktig spiller i belønningsveier (28), og det har vært involvert i narkotikamisbruk og i andre lidelser som involverer dopaminsystemet, inkludert affektive lidelser og skizofreni (27, 29). Vi oppdaget dype basale reduksjoner i DARPP-32-uttrykk i NAc av ΔFosB-mus. DARPP-32-uttrykk er regulert av BDNF, og derfor kan det reduserte uttrykket være direkte relatert til reduksjonene i BDNF-nivåer detektert i ΔFosB-mus (27, 29, 30). Selv moderate endringer i fosforyleringstilstanden til DARPP-32 kan føre til betydelige endringer i intracellulær signalering i NAc (27). Tidligere studier har rapportert ingen endring i DARPP-32-protein i ΔFosB-mus etter en fjerning av 12-wk fra doxycyklin når en bredere striatal vurdering ble utført (31), noe som tyder på at effekter av ΔFosB på DARPP-32 kan være tids- og regionspesifikke.
Vi antydet at de dramatiske reduksjonene i indeksene for dopamin-signalering i NAc av ΔFosB-mus, sannsynligvis involverte endringer i VTA-dopaminprojeksjonsneuronene, selv om ΔFosB ikke overuttrykkes i disse nevronene. Derfor undersøkte vi ekspresjon av dopaminrelaterte gener i VTA, inkludert tyrosinhydroksylase og dopamintransportøren. Nivåer av tyrosinhydroksylase og dopamintransportør er positivt korrelert med dopaminutgang. Det var en trend for ΔFosB-mus å vise redusert tyrosinhydroksylase og en signifikant reduksjon i dopamintransportør, i tråd med dysreguleringen av dopamin-signalering i NAc. Siden disse basale reduksjonene i dopaminrelaterte gener i VTA av ΔFosB-mus gjenspeiler tilbakemelding på tilbakevendende tilbakemelding fra NAc under langvarig ΔFosB overekspresjon, undersøkte vi ekspresjon av BDNF reseptoren, TrkB, som en mulig mekanisme for NAc tilbakemelding til VTA (32). I likhet med tyrosinhydroksylase- og dopamin-transportør viste TrkB-ekspresjon også en tendens til å bli basalt redusert i ΔFosB-mus som ikke nådde signifikans når det ble korrigert for flere sammenligninger. BDNF-TrkB-komplekset kan retrografisk transporteres og virke innenfor VTA for å påvirke lokal genuttrykk og fremme cellevekst og vedlikehold (33). Videre kan BDNF-aktivering av presynaptisk TrkB i NAc direkte stimulere dopamin nevrotransmisjon (32), som støtter en underliggende reduksjon av dopamin-signalering i disse musene.
Dynorfinaktivering av K-opioidreceptorer regulerer dopamin-signalering og er en annen mekanisme hvor NAc gir tilbakemelding til VTA (34). Vi fant at k-opioidreseptoruttrykk i VTA viste en trend som ble redusert i ΔFosB-mus. Som ΔFosB overekspresjon har blitt vist å redusere dynorfinuttrykk i NAc (20), har ΔFosB-mus sannsynligvis dype reduksjoner i netto VTA κ-opioidaktivering. Selv om dynorfinsignalisering normalt utøver en hemmende effekt på dopaminnevroner (35), viser rotter som viser forbedret selvadministrering av misbruksmedisiner reduserte nivåer av dynorfin i NAc, og peker på en rolle for basalt redusert dynorfinsignalering for å forbedre belønningsfølsomhet (36 , 37). Dysregulering av dynorfin-κ-opioid-systemet har vært knyttet til anskaffelse og vedvaring av narkotikamisbruk, og støtter en kritisk balanse mellom opioid-signalering i normalisering av dopaminveier (38).
Basert på den givende kapasiteten til et energi-tett HF-diett, antydet vi at en dysregulering i dopamin- og opioidbelønningssignaler i ΔFosB-mus ville predisponere disse musene for forbedrede belønningsresponser på slik diett, og dermed normalisere belønningssystemet via aktivering av hypothalamus -VTA-NAc krets. Under seks ukens dietteksponering ble det ikke observert forskjeller i matinntak mellom ΔFosB og kontrollmus, noe som tyder på at endringene i biokjemiske og molekylære markører for belønningssignalering i ΔFosB-mus ikke skyldtes forskjeller i kaloriforbruket. Som forventet ble basale forskjeller som ble påvist i pCREB, totalt CREB, BDNF, DARPP-32 og K-opioidreseptornivåer mellom ΔFosB og kontrollmusene dempet, sannsynligvis på grunn av økt dopaminutgang i ΔFosB-mus på HF (29, 39-41) .
Undersøkelse av både tyrosinhydroksylase og dopamintransportøren i VTA avslørte overraskende motsatte responser av ΔFosB og kontrollmus etter HF. Kontrollmus viste en reduksjon i tyrosinhydroksylase og dopamin-transportøruttrykk, mens ΔFosB-mus viste økt ekspresjon av begge disse dopaminrelaterte gener. Interessant er tyrosinhydroksylaseuttrykk endret i VTA ved kronisk kokain eller metamfetaminadministrasjon (42-44), noe som tyder på at ΔFosB-mus kan finne den naturlige belønningen av HF mer fremtredende enn kontrollmus.
For å undersøke hvordan potensiell hypotalamisk inngang til VTA kan videresende signaler som reflekterer energibalanse, ble også ekspresjon av leptinreseptoren og orexinreceptor-1 undersøkt. Sirkulerende leptinnivåer økes med HF, og leptin kan i sin tur virke ved VTA for å endre dopamin signalering (18, 45). VTA-leptin-reseptoruttrykk ble tilsvarende redusert med HF i både FFosB og kontrollmus, i tråd med tilsvarende vektøkning og diettinntak mens de var på HF. Høyt fett økte også uttrykk for orexinreseptoren-1 i VTA av både FFosB og kontrollmus. Orexin aktiverer dopaminneuroner i VTA, fremmer VTA-plastisitet, og øker dopaminnivået i NAc (46-48). Høyt fettholdig kosthold har blitt vist å øke orexinuttrykket i mus, i samsvar med våre observasjoner (49, 50). Dermed økt ekspresjon av oreksinreseptoren, samt endringer i leptinsignalering i VTA, kunne fremme diettbelønning i både FFB og kontrollmus, som støtter en dissosiasjon mellom veier som relayer energibalanssignaler og de som er bundet direkte til belønning.
For å undersøke de stressfremkallende virkningene av belønning tilbaketrekning, ble mus undersøkt i en open-field test 24 timer etter fjerning av HF. ΔFosB-mus var mer følsomme overfor de akutte virkningene av foretrukket diettuttak, og viste økt opphissningsaktivitet og fekal boli-produksjon i den nye åpne arena sammenlignet med alle andre kontroll- og diettgrupper. ΔFosB-mus viste også et interessant oppførselsmønster i denne testen som tyder på belønning og stressfølsomhet, med HF-dietten som i utgangspunktet reduserer fekal boli-produksjon i forhold til chow, og tilbaketrekningen øker igjen denne angstrelaterte responsen. Denne observerte økningen i åpenfeltaktivitet korrelerte ikke med endringer i oreksinuttrykk, noe som tyder på et forhold til stress-indusert opphisselse som ikke bare er en effekt av endringer i orexin-mediert signalering. Samlet støtter disse dataene vår hypotese at ΔFosB-mus ville være mer følsomme overfor de akutte virkningene av foretrukket diettuttak på grunn av deres økte belønningsfølsomhet.
Hvordan fører langsiktig overekspresjon av ΔFosB i NAc til slike endringer i oppførsel og belønningssignalering? Vi har foreslått en modell for VTA sammenfallende deteksjon der endret tilbakemelding fra NAc og hypothalamus-reléene signalerer om belønningstilstand for å bestemme reguleringen av dopamin-systemet som kan støtte en forbindelse mellom belønningsveiledningens dysregulering og en predisponering for fedme (Fig. 8). Under HF-eksponering er flere innganger som reflekterer både energibalanse og belønningsstatus konvergerende på VTA. Økninger i leptin- og orexinsignaler samt endret tilbakemelding fra NAc til lateral hypothalamus kan påvirke hvordan disse orexigeniske signalene reagerer på HF i ΔFosB-musene (17, 18, 45, 47, 51-53). Høyt fettinnholdsinducerte forhøyninger i BDNF kan gi belønning tilbakemelding til VTA, videre fremme av endringer i dopamin-relatert geneekspresjon.
Figur 8
Høyt fett (HF) diett normaliserer dysregulert belønningssignalering i ΔFosB-mus
Disse resultatene avgrenser molekylære markører av følsomhet for belønning og indikerer at langsiktig dysregulering av dopaminsystemet kan predisponere et individ for avhengighet og fedme. Videre gir disse dataene et viktig skritt mot å identifisere potensielle nye terapeutiske mål i behandling og forebygging av fedme og andre lidelser som kan sitte på belønningssystemet. I fremtiden vil det være viktig å undersøke hvordan dette systemet reagerer på fjerning av HF-dietten, samt å undersøke eventuelle kjønnsforskjeller i følsomhet for belønning og høy fettinnholdseksponering.
Tilleggsmateriale
Supp. metoder
Klikk her for å vise. (61K, doc)
Erkjennelsene
Forfatterne ønsker å takke Cathy Steffen for hjelp med dyreavl og overføring. Dette arbeidet ble støttet av et tilskudd fra University of Pennsylvania Diabetes Center (DK019525) og ved tilskudd fra National Institute of Mental Health (R01 MH51399 og P50 MH66172) og National Institute on Drug Abuse (R01 DA07359).
Fotnoter
Finansielle opplysninger: Alle forfattere erklærer at de ikke har noen biomedisinske økonomiske interesser eller potensielle interessekonflikter.
Referanser
1. Wadden TA, Berkowitz RI, Womble LG, Sarwer DB, Phelan S, Cato RK, Hesson LA, Osei SY, Kaplan R, Stunkard AJ. Tilfeldig test av livsstilsendring og farmakoterapi for fedme. N Engl J Med. 2005; 353 (20): 2111-20 [PubMed].
2. Blendy JA, Strasser A, Walters CL, Perkins KA, Patterson F, Berkowitz R, Lerman C. Redusert nikotinbelønning i fedme: kryssjämförelse i menneske og mus. Psykofarmakologi (Berl) 2005
3. Franken IH, Muris P. Individuelle forskjeller i følsomhet i belønning er relatert til matbehov og relativ kroppsvekt hos friske kvinner. Appetitt. 2005; 45 (2): 198-201 [PubMed].
4. Kelley AE, Berridge KC. Nevrovitenskapen av naturlige belønninger: relevans for vanedannende stoffer. J Neurosci. 2002; 22 (9): 3306-11 [PubMed].
5. Cagniard B, Balsam PD, Brunner D, Zhuang X. Mus med kronisk forhøyet dopamin utviser økt motivasjon, men ikke lærer, for en matbelønning. Neuropsychopharmacology. 2006; 31 (7): 1362-70 [PubMed].
6. Liang NC, Hajnal A, Norgren R. Sham fôring av maisolje øker accumbens dopamin i rotte. Er J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2006; 291 (5): R1236-9 [PubMed].
7. Mendoza J, Angeles-Castellanos M, Escobar C. Entrainment av et velsmakende måltid fremkaller matforventende aktivitet og c-Fos uttrykk i belønningsrelaterte områder av hjernen. Neuroscience. 2005; 133 (1): 293-303 [PubMed].
8. Schroeder BE, Binzak JM, Kelley AE. En vanlig profil av prefrontal kortikal aktivering etter eksponering for nikotin- eller sjokoladeassosierte kontekstuelle tegn. Neuroscience. 2001; 105 (3): 535-45 [PubMed].
9. Nestler EJ, Barrot M, Self DW. DeltaFosB: en vedvarende molekylær bryter for avhengighet. Proc Natl Acad Sci USA A. 2001; 98 (20): 11042-6. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
10. Teegarden SL, Bale TL. Nedgang i kostholds preferanse gir økt følelsesmessighet og risiko for kostholdsfall. Biolpsykiatri. 2007; 61 (9): 1021-9 [PubMed].
11. Olausson P, Jentsch JD, Tronson N, Nestler EJ, Taylor JR. dFosB i Nucleus Accumbens regulerer matforsterket instrumentell oppførsel og motivasjon. Journal of Neuroscience. 2006; 26 (36): 9196-9204 [PubMed].
12. Chen J, Kelz MB, Zeng G, Sakai N, Steffen C, Shockett PE, Picciotto MR, Duman RS, Nestler EJ. Transgene dyr med induktivt, målrettet genuttrykk i hjernen. Mol Pharmacol. 1998; 54 (3): 495-503 [PubMed].
13. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, Steffen C, Zhang YJ, Marotti L, Self DW, Tkatch T, Baranauskas G, Surmeier DJ, Neve RL, Duman RS, Picciotto MR, Nestler EJ. Ekspresjon av transkripsjonsfaktoren deltaFosB i hjernen styrer følsomheten for kokain. Natur. 1999; 401 (6750): 272-6 [PubMed].
14. Bale TL, Dorsa DM. Kjønnsforskjeller i og effekter av østrogen på oksytocinreceptor messenger ribonukleinsyreuttrykk i ventromedialhypothalamus. Endokrinologi. 1995; 136 (1): 27-32 [PubMed].
15. Avena NM, Long KA, Hoebel BG. Sukkeravhengige rotter viser økt respons på sukker etter avholdenhet: Bevis på sukkeravhengighetseffekt. Fysiol Behav. 2005; 84 (3): 359-62 [PubMed].
16. Vil MJ, Franzblau EB, Kelley AE. Nucleus accumbens mu-opioider regulerer inntak av et høyt fett diett via aktivering av et distribuert hjernenettverk. J Neurosci. 2003; 23 (7): 2882-8 [PubMed].
17. Zheng H, Patterson LM, Berthoud HR. Orexin signalering i ventral tegmental området er nødvendig for høyt fett appetitt indusert av opioid stimulering av nucleus accumbens. J Neurosci. 2007; 27 (41): 11075-82 [PubMed].
18. Hommel JD, Trinko R, Sears RM, Georgescu D, Liu ZW, Gao XB, Thurmon JJ, Marinelli M, DiLeone RJ. Leptin-reseptorsignalisering i dopaminneuroner i midterbrønn regulerer fôring. Neuron. 2006; 51 (6): 801-10 [PubMed].
19. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Striatal celletype-spesifikk overekspresjon av DeltaFosB øker incitamentet til kokain. J Neurosci. 2003; 23 (6): 2488-93 [PubMed].
20. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, Shaw-Lutchman T, Berton O, Sim-Selley LJ, Dileone RJ, Kumar A, Nestler EJ. En viktig rolle for DeltaFosB i kjernen accumbens i morfin handling. Nat Neurosci. 2006; 9 (2): 205-11 [PubMed].
21. Lee KW, Kim Y, Kim AM, Helmin K, Nairn AC, Greengard P. Kokain-indusert dendritisk ryggradsdannelse i D1 og D2 dopaminreseptorholdige mellomstore, spiny nevroner i nukleobatterier. Proc Natl Acad Sci USA A. 2006; 103 (9): 3399-404. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
22. Blendy JA, Maldonado R. Genetisk analyse av narkotikamisbruk: rollen som cAMP-responselementbindende protein. J Mol Med. 1998; 76 (2): 104-10 [PubMed].
23. Nestler EJ. Molekylære mekanismer av narkotikamisbruk. Neuropharmacology. 2004; 47 1: 24-32. [PubMed]
24. Tanis KQ, Duman RS, Newton SS. CREB Binding og aktivitet i hjernen: Regional spesifisitet og induksjon ved elektrokonvulsiv beslag. Biolpsykiatri. 2007
25. Kumar A, Choi KH, Renthal W, Tsankova NM, Theobald DE, Truong HT, Russo SJ, Laplant Q, Sasaki TS, Whistler KN, Neve RL, Self DW, Nestler EJ. Chromatin remodeling er en nøkkelmekanisme som ligger til grunn for kokaininducert plastisitet i striatum. Neuron. 2005; 48 (2): 303-14 [PubMed].
26. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, Dileone RJ, Rios M, Self DW. Dynamisk BDNF aktivitet i kjernen accumbens med kokainbruk øker selvadministrasjon og tilbakefall. Nat Neurosci. 2007; 10 (8): 1029-37 [PubMed].
27. Svenningsson P, Nairn AC, Greengard P. DARPP-32 medierer handlingene til flere rusmidler. Aaps J. 2005; 7 (2): E353-60. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
28. Palmer AA, Verbitsky M, Suresh R, Kamens HM, Reed CL, Li N, Burkhart-Kasch S, McKinnon CS, Belknap JK, Gilliam TC, Phillips TJ. Gene-ekspresjonsforskjeller i mus varierte valgt for metamfetaminfølsomhet. Mammgenom. 2005; 16 (5): 291-305 [PubMed].
29. Bogush A, Pedrini S, Pelta-Heller J, Chan T, Yang Q, Mao Z, Sluzas E, Gieringer T, Ehrlich ME. AKT og CDK5 / p35 medierer hjerneavledet nevrotrofisk induksjon av DARPP-32 i mellomstore, spiny nevroner in vitro. J Biol Chem. 2007; 282 (10): 7352-9 [PubMed].
30. Benavides DR, Bibb JA. Rollen av Cdk5 i narkotikamisbruk og plastisitet. Ann NY Acad Sci. 2004; 1025:. 335-44 [PubMed]
31. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, Yan Z, Sagawa ZK, Ouimet CC, Nairn AC, Nestler EJ, Greengard P. Effekter av kronisk eksponering for kokain reguleres av nevronproteinet Cdk5. Natur. 2001; 410 (6826): 376-80 [PubMed].
32. Blochl A, Sirrenberg C. Neurotropiner stimulerer frigjøringen av dopamin fra rat mesencephalic neuroner via Trk og p75Lntr reseptorer. J Biol Chem. 1996; 271 (35): 21100-7 [PubMed].
33. Berton O, McClung CA, Dileone RJ, Krishnan V, Renthal W, Russo SJ, Graham D, Tsankova NM, Bolanos CA, Rios M, Monteggia LM, Self DW, Nestler EJ. Viktig rolle BDNF i mesolimbic dopaminveien i sosial nederlagsstress. Vitenskap. 2006; 311 (5762): 864-8 [PubMed].
34. Nestler EJ, Carlezon WA., Jr Den mesolimbiske dopaminbelønningskretsen i depresjon. Biolpsykiatri. 2006; 59 (12): 1151-9 [PubMed].
35. Ford CP, Beckstead MJ, Williams JT. Kappa opioidinhibering av somatodendritiske dopamininhibitoriske postsynaptiske strømmer. J Neurofysiol. 2007; 97 (1): 883-91 [PubMed].
36. Nylander I, Vlaskovska M, Terenius L. Hjernesynorfin- og enkefalinsystemer i Fischer og Lewis-rotter: effekter av morfintoleranse og uttak. Brain Res. 1995; 683 (1): 25-35 [PubMed].
37. Nylander I, Hyytia P, Forsander O, Terenius L. Forskjeller mellom alkoholprefererende (AA) og alkoholavvikende (ANA) rotter i prodynorfin- og prokenkefalinsystemene. Alkohol Clin Exp Res. 1994; 18 (5): 1272-9 [PubMed].
38. Kreek MJ. Kokain, dopamin og det endogene opioidsystemet. J Addict Dis. 1996; 15 (4): 73-96 [PubMed].
39. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. CREBs mange ansikter. Trender Neurosci. 2005; 28 (8): 436-45 [PubMed].
40. Dudman JT, Eaton ME, Rajadhyaksha A, Macias W, Taher M, Barczak A, Kameyama K, Huganir R, Konradi C. Dopamin D1-reseptorer medierer CREB-fosforylering via fosforylering av NMDA-reseptoren ved Ser897-NR1. J Neurochem. 2003; 87 (4): 922-34 [PubMed].
41. Self DW. Regulering av narkotika-og-oppførsel ved neuroadaptasjoner i mesolimbic dopamin-systemet. Neuropharmacology. 2004; 47 1: 242-55. [PubMed]
42. Beitner-Johnson D, Nestler EJ. Morfin og kokain utøver vanlige kroniske tiltak på tyrosinhydroksylase i dopaminerge hjernekomponenter. J Neurochem. 1991; 57 (1): 344-7 [PubMed].
43. Lu L, Grimm JW, Shaham Y, Hope BT. Molecular neuroadaptations i accumbens og ventral tegmental området i løpet av de første 90 dagene av tvungen avholdenhet fra kokain selvadministrasjon hos rotter. J Neurochem. 2003; 85 (6): 1604-13 [PubMed].
44. Shepard JD, Chuang DT, Shaham Y, Morales M. Effekt av metamfetamin selvadministrasjon på tyrosinhydroksylase og dopamin-transportørnivåer i mesolimbic og nigrostriatal dopaminveier av rotte. Psykofarmakologi (Berl) 2006; 185 (4): 505-13. [PubMed]
45. Fulton S, Pissios P, Manchon RP, Stiles L, Frank L, Pothos EN, Maratos-Flier E, Flier JS. Leptin regulering av mesoaccumbens dopaminveien. Neuron. 2006; 51 (6): 811-22 [PubMed].
46. Narita M, Nagumo Y, Miyatake M, Ikegami D, Kurahashi K, Suzuki T. Implikasjon av proteinkinase C i den oreksininducerte forhøyning av ekstracellulære dopaminnivåer og dens givende effekt. Eur J Neurosci. 2007; 25 (5): 1537-45 [PubMed].
47. Narita M, Nagumo Y, Hashimoto S, Khotib J, Miyatake M, Sakurai T, Yanagisawa M, Nakamachi T, Shioda S, Suzuki T. Direkte involvering av oreksinære systemer i aktiveringen av mesolimbic dopaminveien og relatert atferd indusert av morfin. J Neurosci. 2006; 26 (2): 398-405 [PubMed].
48. Borgland SL, Taha SA, Sarti F, Fields HL, Bonci A. Orexin A i VTA er kritisk for induksjon av synaptisk plastisitet og adferdssensibilisering mot kokain. Neuron. 2006; 49 (4): 589-601 [PubMed].
49. Park ES, Yi SJ, Kim JS, Lee HS, Lee IS, Seong JK, Jin HK, Yoon YS. Endringer i oreksin-A og neuropeptid Y-ekspresjon i hypothalamus av fastede og fettfattige diettmatte rotter. J Vet Sci. 2004; 5 (4): 295-302 [PubMed].
50. Wortley KE, Chang GQ, Davydova Z, Leibowitz SF. Peptider som regulerer matinntak: Orexin-genuttrykk øker i tilstandene hypertriglyseridemi. Er J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003; 284 (6): R1454-65 [PubMed].
51. Zheng H, Corkern M, Stoyanova I, Patterson LM, Tian R, Berthoud HR. Peptider som regulerer matinntaket: appetitt-inducerende accumbens manipulering aktiverer hypotalamiske orexin-neuroner og hemmer POMC-neuroner. Er J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003; 284 (6): R1436-44 [PubMed].
52. Baldo BA, Gual-Bonilla L, Sijapati K, Daniel RA, Landry CF, Kelley AE. Aktivering av en subpopulasjon av oreksin / hypokretin-holdige hypotalamiske nevroner ved GABAA-reseptormediert inhibering av nukleinsammenhengskallen, men ikke ved eksponering for et nytt miljø. Eur J Neurosci. 2004; 19 (2): 376-86 [PubMed].
53. Harris GC, Wimmer M, Aston-Jones G. En rolle for laterale hypotalamiske orexinneuroner i belønningsøkende. Natur. 2005; 437 (7058): 556-9 [PubMed].
;