Odwrócenie dysfunkcji układu dopaminowego w odpowiedzi na dietę wysokotłuszczową (2013)

. Rękopis autora; dostępny w PMC 2014 Jun 1.

Opublikowany w końcowym edytowanym formularzu jako:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

Abstrakcyjny

Cel

Aby sprawdzić, czy dieta wysokotłuszczowa (HFD) obniża ton dopaminergiczny w regionach nagrody mózgu i ocenić, czy zmiany te odwracają się po usunięciu HFD.

Projekt i metody

Samce i samice myszy karmiono 60% HFD przez tygodnie 12. Dodatkowa grupa została oceniona 4 tygodnie po usunięciu HFD. Grupy te porównano z kontrolnymi, dobranymi pod względem wieku kontrolami. Preferencję sacharozy i sacharyny mierzono wraz z ekspresją mRNA genów związanych z dopaminą przez RT-qPCR. Dopaminę i DOPAC mierzono za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Metylację DNA promotora DAT mierzono za pomocą imimunoprecypitacji metylowanego DNA i RT-qPCR.

Efekt

Po przewlekłym HFD preferencja sacharozy została zmniejszona, a następnie znormalizowana po usunięciu HFD. Zaobserwowano zmniejszoną ekspresję genów dopaminy, zmniejszoną zawartość dopaminy i zmiany metylacji promotora DAT. Co ważne, reakcja na HFD i utrzymywanie się zmian zależały od płci i regionu mózgu.

wnioski

Dane te identyfikują zmniejszony ton dopaminy po przewlekłej HFD we wczesnym okresie życia ze złożonym wzorcem odwrócenia i utrzymywania się, który różni się zarówno w zależności od płci, jak i regionu mózgu. Zmiany w OUN, które nie odwróciły się po odstawieniu HFD, mogą przyczynić się do trudności w utrzymaniu utraty masy ciała po interwencji dietetycznej.

Słowa kluczowe: Dopamina, dieta wysokotłuszczowa, DAT, różnice płci, otyłość, odstawienie, metylacja DNA

Wprowadzenie

Nadmierne spożycie powszechnie dostępnej, smacznej żywności o dużej zawartości kalorii jest uważane za główny czynnik przyczyniający się do wysokiego wskaźnika otyłości w USA (). Ponieważ smaczne potrawy są często spożywane po spełnieniu wymagań energetycznych, nagradzające właściwości smacznych potraw mogą zastąpić homeostatyczne sygnały sytości. Wiele neuroprzekaźników odgrywa rolę w zachowaniu żywieniowym (np. Opioidy, dopamina, GABA, serotonina), jak również w integracji obwodowych sygnałów odżywczych (np. Leptyny, insuliny, greliny). Sygnalizacja dopaminowa jest kluczowym mediatorem zarówno w nagradzaniu pożywienia, jak i zachowaniu poszukującym nagrody, ponieważ dopamina w regionie mezolimbicznym / mezokortykalnym jest związana z nagradzającymi właściwościami żywności, seksu i narkotyków (). Ostre, smaczne jedzenie powoduje wybuch dopaminy w centralnym systemie nagrody (,). Przy przewlekłym spożywaniu satysfakcjonującego pokarmu, zwiększone uwalnianie dopaminy w czasie może prowadzić do adaptacji związanych z hipo-funkcją nagrody.

Kilka linii dowodów potwierdza hipotezę o zmienionej funkcji dopaminy w otyłości. Badania obrazowania u ludzi wykazały tępą aktywację w regionach nagradzanych otyłych pacjentów, pijąc przy tym bardzo smaczne rozwiązanie (koktajl mleczny) (). Tępa reakcja nagrody była związana z mniejszą dostępnością receptora dopaminy w mózgu D2. W rzeczywistości mutacje w ludzkim receptorze dopaminy D2 są związane zarówno z otyłością, jak i uzależnieniem (). Zawartość dopaminy w synapsie jest w dużej mierze kontrolowana przez wychwyt transportera dopaminy (DAT). Poziom transportera dopaminy jest ujemnie skorelowany z indeksem masy ciała, a genetyczne warianty DAT są również związane z otyłością (,). Modele zwierzęce otyłości wykazały zmniejszenie podstawowej dopaminy zewnątrzkomórkowej i zmniejszenie neurotransmisji dopaminy w jądrze półleżącym i okolicy brzusznej nakrywki (,,). Spadek genów związanych z dopaminą po diecie przewlekłej wysokotłuszczowej (HF) sugeruje zmniejszoną sygnalizację w regionach nagradzanych (, ,,). To zmniejszenie aktywności dopaminy po przewlekłej wysokotłuszczowej diecie może zmniejszyć wrażliwość na naturalne nagrody i ułatwić kontynuację nadmiernej konsumpcji i dalszy przyrost masy ciała.

Wczesne życie jest krytycznym okresem w rozwoju mózgu, a środowisko wczesnego odżywiania może wpływać na szlaki mózgowe kontrolujące przyjmowanie pokarmu i metabolizm energii. Wczesna ekspozycja myszy na dietę wysokotłuszczową już od jednego tygodnia zmieniona podaż kalorii u dorosłych i ekspresja cząsteczek sygnałowych związanych z dopaminą (). Co więcej, wczesne poporodowe odżywianie u myszy, napędzane przez małą liczbę miotów w okresie laktacji, predysponuje potomstwo do otyłości dorosłej poprzez zmianę rozwoju podwzgórza (). Oczywiste jest, że odżywianie na wczesnym etapie życia może wpływać na rozwój mózgu i ryzyko otyłości, jednak niewiele wiadomo na temat względnej trwałości tych zmian w ciągu całego życia. Ponadto poprzednie badania przeprowadzono u samców zwierząt, ale kobiety rzadko były badane w tym kontekście. W tym celu badano zarówno samce, jak i samice myszy pod kątem zmian w ekspresji genów i metabolizmu dopaminy po ich otyłości we wczesnym okresie życia poprzez chroniczne spożywanie diety HF od urodzenia do 8 w wieku tygodni. System dopaminy oceniano również 4 tygodnie po usunięciu diety HF, aby sprawdzić, czy zmiany utrzymały się lub odwróciły.

Metody i procedury

Zwierzęta i model eksperymentalny

Samice C57BL / 6J hodowano z samcami DBA / 2J (The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME). Wszystkie matki były karmione standardową dietą kontrolną (#5755; 18.5% białko, 12% tłuszczu, 69.5% węglowodanów) aż do porodu, kiedy połowę matek / miotów umieszczono na diecie wysokotłuszczowej (dieta testowa, Richmond, IN # 58G9; 18% białko, 60% tłuszczu i 20.5% węglowodanów). Potomstwo odstawiono od piersi w wieku 3 i pozostawało na diecie kontrolnej lub diecie wysokotłuszczowej aż do osiągnięcia wieku 12. Masę ciała rejestrowano co tydzień i stosowano zarówno myszy męskie (n = 5-10), jak i samice (n = 5-10). Instytucjonalny Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami i Użytkowania (IACUC) z University of Pennsylvania zatwierdził wszystkie procedury.

Preferencja sacharozy i sacharyny

W oddzielnych eksperymentach myszy trzymano pojedynczo (n = 8-10 / grupa) w standardowych klatkach przez 3 dni z jedną butelką 200 ml roztworu testowego (4% sacharozy lub 1% roztwór sacharyny (w / v)) i inną butelka z 200 ml wody wodociągowej. Domowa karma była dostępna ad libitum. Zmierzono sacharozę (ml), wodę (ml) i spożycie pokarmu (g), a umieszczanie butelek odwracano codziennie. Preferencję obliczono stosując średnią z pomiarów z ostatnich dni 2 w następujący sposób: preferencja% = [(zużycie sacharozy / sacharoza + zużycie wody) × 100].

Genomowa DNA i całkowita izolacja RNA z mózgu

Zwierzęta (n = 5 / grupa) uśmiercono przedawkowaniem dwutlenku węgla, po czym nastąpiło przemieszczenie szyjki macicy; metoda zalecana przez Panel ds. Eutanazji Amerykańskiego Stowarzyszenia Weterynaryjnego. Mózgi następnie szybko usuwano i umieszczano w RNAlater (Ambion, Austin, TX) dla godzin 4 – 6 przed wycięciem. Wycinki mózgu w celu wyizolowania kory przedczołowej, jądro półleżące i brzuszny obszar nakrywkowy zostały wykonane zgodnie z wcześniejszym opisem (,, ). Genomowy DNA i całkowity RNA izolowano jednocześnie przy użyciu zestawu AllPrep DNA / RNA Mini Kit (Qiagen).

Analiza ekspresji genów metodą ilościowej PCR w czasie rzeczywistym

Dla każdej pojedynczej próbki zastosowano 500ng całkowitego RNA w odwrotnej transkrypcji przy użyciu zestawu odwrotnej transkrypcji o dużej pojemności (ABI, Foster City, CA). Ekspresję docelowych genów określano za pomocą ilościowej RT-PCR z użyciem specyficznych dla genu sond Taqman z ekspresją genu Taqman Master Mix (ABI) w ABI7900HT Real-Time PCR Cycler. Sondy genowe są wymienione w materiał uzupełniający. Względną ilość każdego transkryptu określono stosując wartości delta CT, jak opisano wcześniej w (). Zmiany w ekspresji genów obliczono wobec niezmienionego standardu GAPDH.

Ex vivo Dopamina i Metabolity Dopaminy

Wysokosprawną chromatografię cieczową (HPLC) zastosowano do pomiaru zawartości dopaminy i jej metabolitów w mezolimbicznych obszarach nagrody mózgu (n = 8 – 12), jak opisano wcześniej (,). Mózgi pobierano od zwierząt i dzielono na prawą i lewą półkulę. NAc i PFC wycięto i szybko zamrożono w suchym lodzie i przechowywano w -80 ° C. Tkankę przygotowano do analizy przez homogenizację w kwasie nadchlorowym 0.1 N, odwirowano przy obrotach 15,000 dla 15 min w 2-8 ° C, a supernatant przesączono. Próbki analizowano za pomocą Bioanalytical Systems HPLC (West Lafayette, IN, USA) przy użyciu detektora elektrochemicznego LC-4C. Próbki (12 ul) wstrzyknięto na kolumnę z mikroporami w odwróconym układzie faz przy szybkości przepływu 0.6 ml / min i ustawiono elektrodetekcję na + 0.6 V. Oddzielenie metabolitów dopaminy i dopaminy uzyskano przez fazę ruchomą składającą się z octanu sodu 90-mM, 35-mM kwas cytrynowy, 0.34-mM kwas etylenodiaminotetraoctowy, 1.2-mM siarczan oktylu sodu i 15% metanol v / v przy pH 4.2. Zmierzono wysokość pików próbek i porównano z wzorcami dopaminy i jej metabolitu kwasu 3,4-dihydroksyfenylooctowego (DOPAC).

Test metylo-DNA immunoprecypitacji (MeDIP)

Test MeDIP przeprowadzono z użyciem zestawu MagMeDIP (Diagenode, Denville, NJ). Metylowany DNA poddano immunoprecypitacji przy użyciu 0.15ul kulek magnetycznych powleczonych przeciwciałem anty-5metylocytidine (Diagenode) lub mysiej surowicy przedodpornościowej. Wzbogacenie we frakcję MeDIP określono za pomocą ilościowej RT-PCR przy użyciu ChIP-qPCR Assay Master Mix (SuperArray) na ABI7900HT Real-Time Cycler. Dla wszystkich badanych genów otrzymano startery z SuperArray (ChIP-qPCR Assays (−01) kb płytka, SuperArray) do amplifikacji regionów genomowych obejmujących miejsca CpG zlokalizowane w przybliżeniu 300 – 500 bp powyżej miejsc startu transkrypcji. Wyniki MeDIP wyrażono jako krotne wzbogacenie immunoprecypitowanego DNA dla każdego miejsca. Aby obliczyć różnicę krotności zmiany obłożenia (% wzbogacenia), wartości CT frakcji DNA MeDIP znormalizowano do wartości CT frakcji wejściowej DNA.

Statistics

Analizę ekspresji genów przeprowadzono za pomocą testu T Studenta, porównując kontrole dopasowane wieku do grup odzysku HF i HF +. Poziom alfa został dostosowany do wielu badanych obszarów mózgu. Znaczenie genu stosowanego w jednym regionie mózgu było p = .05; dla dwóch regionów, p = 0.025, dla regionów mózgu 3 p = .016. Preferencja sacharozy, preferencja sacharyny, HPLC i MEDIP, masy ciała i test kortykosteronu analizowane przy użyciu jednokierunkowej analizy wariancji ANOVA w celu porównania grup kontrolnych, HF i HF +. Testy wielokrotnych porównań post-hoc Bonferonni zostały użyte do porównania różnic par między grupami. Znaczenie dla tych testów ustalono na poziomie alfa p = .05.

Efekt

Myszy miały stały dostęp do diety kontrolnej (kontrolnej) lub 60% diety wysokotłuszczowej (HFD) do 12 tygodnia życia. W wieku 12 tygodni połowę zwierząt karmionych HF umieszczono na karmie domowej na 4 tygodnie (HF + wyzdrowienie). Zarówno u samców, jak i samic zwierzęta z HFD (kółka) były cięższe niż zwierzęta kontrolne rozpoczynające się w 9 tygodniu życia (p <05) i pozostawały cięższe niż kontrolne przez cały okres rekonwalescencji (Rysunek uzupełniający 1).

Przeprowadzono testy preferencji sacharozy i sacharyny, aby ocenić reakcję zwierząt na naturalne i niewrażliwe bodźce nagradzające. Preferencja sacharozy, ale nie preferencja sacharyny została zmieniona po ekspozycji na dietę HF i powróciła do normalnego poziomu po odzyskaniu HFD u mężczyzn i kobiet. Jednokierunkowa ANOVA ujawniła, że ​​preferencja sacharozy była znacznie zmniejszona u mężczyzn (Rys. 1A) i zmierza w kierunku spadku liczby kobiet (Rys. 1B) po ekspozycji na HFD (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06, odpowiednio). Po usunięciu HFD zachowanie to uległo normalizacji, a preferencje dotyczące sacharozy nie różniły się już od kontroli. Preferencje sacharyny nie uległy zmianie u żadnego z mężczyzn (Rys. 1C) lub kobiety (Rys. 1D) w wyniku ekspozycji HFD.

Rysunek 1 

Preferencja sacharozy, ale nie preferencja sacharyny, zmienia się po ekspozycji na dietę wysokotłuszczową (HFD) i powraca do poziomów kontroli po wyzdrowieniu HFD u mężczyzn i kobiet

Ponieważ dopamina jest kluczowym regulatorem zachowania nagrody, ekspresja genów związana z dopaminą była badana w obwodzie nagrody oddzielnej kohorty mężczyzn i kobiet po tygodniach 12 na HFD oraz w dodatkowej grupie, po 4 tygodniach powrotu z HFD. Tabela 1 podsumowuje wzory ekspresji genów i analizę statystyczną w VTA, PFC i NAc. W VTA zmierzono trzy geny ważne w regulacji poziomów dopaminy w końcówkach synaptycznych: metylo-transferaza katecholaminowa (COMT) zaangażowana w inaktywację neuroprzekaźników katecholaminowych; transporter dopaminy (DAT), pompa rozpinająca błonę, która usuwa dopaminę z synapsy, i hydroksylaza tyrozynowa (TH), enzym ograniczający szybkość syntezy dopaminy. Wartości zmiany krotności dla każdej grupy określono stosując dopasowane do wieku kontrole (np. Oba punkty kontrolne czasu są ustawione na 1, a dla przejrzystości tylko kontrola dla HFD jest przedstawiona na wykresie). Test t-Studenta (n = 5 / grupa) ujawnił w męskim VTA, że mRNA COMT, DAT i TH były znacząco zmniejszone przez ekspozycję HFD (Ryc. 2A) i powrócił do lub przekroczył poziom kontroli po okresie zdrowienia poza dietą (HF + odzyskiwanie).

Rysunek 2 

Przewlekła dieta wysokotłuszczowa (HFD) i powrót do zdrowia po HFD zmienia ekspresję genów związanych z dopaminą u mężczyzn i kobiet
Tabela 1 

Podsumowanie ekspresji genów i statystyki u mężczyzn

W PFC i NAC zbadano geny ważne dla sygnalizacji dopaminy i obrotu dopaminy (n = 5 / grupa): COMT; podjednostka regulacyjna 1 fosfatazy białkowej 1B (DARPP-32), białko sygnałowe w dół strumienia regulowane przez stymulację receptora; receptor dopaminy D1 (DRD1), postsynaptyczny receptor sprzężony z białkiem G, który stymuluje cyklazę adenylylową; i receptor dopaminy D2 (DRD2), postsynaptyczny receptor sprzężony z białkiem G, który hamuje cyklazę adenylylową. W męskim PFC (Rys. 2B), DARPP-32 był zwiększony, podczas gdy DRD1 i DRD2 zmniejszyły się po ekspozycji na HFD, i te zmiany utrzymywały się po usunięciu HFD (chociaż wzrost mRNA DARPP-32 nie był statystycznie wiarygodny). W męskim NAC (Rys. 2C), COMT, DRD1 i DRD2 zostały zmniejszone przez ekspozycję na HFD i pozostały poniżej poziomów kontroli po usunięciu HFD. Poziomy DARPP-32 były zwiększone przez HFD, ale znacząco spadły z kontroli po tygodniach 4 z HFD.

Te same regiony i geny mózgu badano u samic myszy (n = 5 / grupa). Jak pokazano w Tabela 2, zaobserwowano znaczące różnice we wzorze ekspresji genów w odpowiedzi na HFD, a także w odzyskiwaniu diety. Podobne do samców, w VTA, poziomy mRNA COMT i TH były znacząco zmniejszone po ekspozycji na HFD (Rys. 2D). Jednak w przeciwieństwie do mężczyzn, zmiany te utrzymały się po usunięciu HFD. Ponadto, w bezpośredniej opozycji do wzorca obserwowanego u mężczyzn, ekspozycja na HFD zwiększała ekspresję mRNA DAT w VTA u kobiet, a po usunięciu poziomów HFD były nawet niższe niż kontrole dopasowane do wieku. W PFC tylko DARPP-32 był dotknięty przewlekłym HFD, ze znacznym wzrostem poziomów mRNA po tygodniu HND po 12 i powrocie do poziomów kontroli po usunięciu HFD. Zarówno mRNA COMT, jak i mRNA D1R były znacząco zmniejszone po tygodniach 4 z HFD. W przypadku kobiet NAC, COMT, DRD1 i DRD2 były obniżone po ekspozycji na HFD (Rys. 2F). DRD1 i DRD2 powróciły do ​​poziomów kontrolnych po usunięciu diety, podczas gdy poziom COMT pozostał znacząco obniżony po odzyskaniu 4wk.

Tabela 2 

Podsumowanie ekspresji genów i statystyki u kobiet

Biorąc pod uwagę stały spadek ekspresji genów dla genów regulujących dopaminę w VTA, metabolity dopaminy i dopaminy zostały skwantyfikowane w regionach, które otrzymują prognozy z VTA, PFC i NAC. Rysunek 3 pokazuje dopaminę (DA) i metabolit dopaminy (DOPAC) z PFC i NAC u samców (Rys. 3A, 3C) i kobiety (Rys. 3B, 3D). U mężczyzn ekspozycja na HFD powodowała spadek poziomu dopaminy w PFC (Rys. 3A) i NAC (Rys 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), które powróciły po usunięciu HFD tylko w NAC. Obrót dopaminy (stosunek DOPAC: DA) wzrósł u mężczyzn PFC (F (2,12) = 3.85, p <05) i NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Z kolei wpływ HFD na DA i DOPAC u kobiet był jakościowo inny niż u mężczyzn. W PFC, HFD nie wpłynęło na poziomy DA ani DOPAC. W NAc poziomy DA były obniżone u zwierząt karmionych HFD i pozostawały obniżone nawet po usunięciu HFD (Rys. 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). Poziomy DOPAC nie zmieniły się w NAc kobiet, co spowodowało wzrost obrotów DA (stosunek DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <01).

Rysunek 3 

Zmniejszenie poziomu dopaminy w PFC i NAC po HFD od urodzenia i mieszane odzyskiwanie po usunięciu HFD

Biorąc pod uwagę, że transkrypcja DAT może być regulowana przez różnicowanie metylacji DNA i obserwację znaczącej różnicy płci w ekspresji DAT w VTA, zbadano metylację DNA w regionie promotora DAT. W Rysunek 4A, 4C Ekspresja genu DAT w VTA jest ponownie prezentowana dla jasności (wzięta z Rys. 2A i 2D). Metylacja promotora DAT była znacznie zwiększona u mężczyzn (Rys. 4B) po HFD i powrócił do poziomów kontrolnych u samców HFD + regeneracja (F (2,11) = 23.64, p <01). U samic metylacja promotora DAT wykazywała tendencję do spadku u zwierząt z HFD (D) i była istotnie zmniejszona u samic po odzyskaniu HFD + (Ryc. 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

Rysunek 4 

Zmiany w statusie metylacji DNA promotora DAT równolegle zmieniają ekspresję genów w VTA

Aby ocenić, czy usunięcie HFD w okresie zdrowienia było stresorem, wyjściowe poziomy kortykosteronu w osoczu (ug / dl) przyjęto w kontroli, eksponowano na HFD (tygodnie 12), odzyskiwanie HFD + 1wk i grupy odzysku HFD + 4wk (n = 5 /Grupa, Uzupełnienie Rys. 2). Jednokierunkowa ANOVA nie wykazała istotnych różnic między grupami u samców zwierząt (F (3,16) = 3.21, ns).

Dyskusja

Przewlekłe spożywanie wysokotłuszczowej diety (HFD) rozpoczynającej się we wczesnym okresie życia wykorzystano do ustalenia otyłości indukowanej dietą u myszy. Myszy wykazywały zmniejszone preferencje sacharozy i dowody zmniejszonego tonu dopaminergicznego w regionach nagrody w mózgu. Po tygodniach 4 wyłączenia HFD, preferencja sacharozy normalizowała zarówno u mężczyzn, jak iu kobiet, jednak niektóre zmiany ekspresji genu dopaminy utrzymywały się. Eksperymenty te dostarczają ważnych nowych danych opisujących wpływ przewlekłego HFD na układ nagrody w mózgu, podkreślając zdolność do regeneracji i kluczowe różnice płciowe między samcami i samicami myszy.

U zwierząt karmionych HFD zaobserwowano zmniejszoną preferencję sacharozy, która odwróciła się po okresie regeneracji. Odkrycia te poszerzają nasz poprzedni raport dotyczący spożycia HFD napędzającego obniżoną preferencję sacharozy () wykazując, że może to nastąpić przy krótszym czasie ekspozycji na HFD (12 tygodnie w porównaniu z 22 tygodniami), i co ważne, że odpowiedź powraca w przypadku braku HFD. Samice myszy wykazywały takie same wzorce odpowiedzi jak samce. Odkrycia te są zgodne z innymi w literaturze, które wykazały, że włączenie grupy karmionej parą, że przewlekła niewydolność serca, a nie otyłość per se, osłabia odpowiedź na sacharozę w zadaniu operantowym (). Podobnie, w obecnym badaniu preferencja sacharozy powróciła po tygodniach 4 z HFD, podczas gdy masa ciała pozostała znacząco podwyższona, co potwierdza wniosek, że obniżenie preferencji sacharozy było spowodowane ekspozycją na HFD, a nie towarzyszącym przyrostem masy ciała. Szczególnie interesujące było, że nie zmieniła się preferencja sacharyny. Może to wskazywać, że przewlekłe HFD w różny sposób wpływa na odpowiedź na kaloryczne i niekaloryczne słodkie nagrody. Wykazano, że skutki po spożyciu wpływają na preferencje niezależnie od smakowitości, ponieważ wykazano, że spożycie sacharozy indukuje uwalnianie dopaminy u myszy z nokautem receptora smaku „słodko ślepego” (), wartość odżywcza jest wymagana do nagrody i wzmocnienia () i zdefiniowano w drozofili niezależne od smaku szlaki wykrywania metabolicznego (). Sacharyna jest znacznie słodsza niż sacharoza, więc podjęto wysiłek w celu ustalenia równoważności słodkości (zazwyczaj 4 – 10x wyższe stężenie sacharozy ()) jednak ogólna preferencja dla sacharyny była niższa niż dla sacharozy u tych zwierząt. Dlatego alternatywnym wyjaśnieniem może być to, że HFD w różny sposób wpływało na preferencję sacharozy, ponieważ była relatywnie bardziej satysfakcjonująca niż sacharyna (nagroda wysoka i niska), chociaż zwierzęta nadal wykazywały silną preferencję dla sacharyny (~ 75 – 80% preferencji dla sacharyny w porównaniu do ~ 85 – 90% preferencji dla sacharozy).

Ogólnie, ekspresja genu dopaminergicznego w VTA, NAc i PFC była zmniejszona u samców myszy po przewlekłym HFD. Wyniki te są zgodne z innymi badaniami, w których zaobserwowano zmniejszenie genów związanych z dopaminą w odpowiedzi na HFD (,,). Zmniejszenie ekspresji i funkcji receptora dopaminy D2 obserwowano w badaniach obrazowania u ludzi (, ) i modele otyłości gryzoni (, ). Zmniejszona sygnalizacja dopaminy zmniejsza wrażliwość na naturalne nagrody, a zatem może ułatwić dalsze nadmierne spożycie smacznych potraw i dalszy przyrost masy ciała (,). Wiadomo, że zaburzona homeostaza dopaminy spowodowana zmniejszeniem ekspresji powierzchniowej DAT prowadzi do zwiększonego spożycia wysokotłuszczowej diety (). Wyjątek od tego wzorca zaobserwowano dla DARPP-32, fosfoproteiny regulowanej dopaminą i cyklicznym AMP, która zwiększyła się po HFD w NAc i PFC. DARPP-32 odgrywa kluczową rolę w integracji różnych reakcji biochemicznych i behawioralnych kontrolowanych przez dopaminę. Może być tak, że regulacja w górę DARPP-32 była kompensacyjna w odpowiedzi na chroniczną regulację w dół D1R. W podobnym modelu (HFD 12 wk u myszy) wykazano, że zmniejszeniu regulacji D1R towarzyszył wzrost fosforylacji DARPP-32 w NAc ().

Niewiele badań zbadało zdolność do odzyskiwania tych zmian po usunięciu HFD. Jednak w dwóch ostatnich raportach zmiany ekspresji genów i wady systemu nagrody utrzymywały się po krótkim okresie wycofania (14 – 18d) (, ). Natomiast badania u pacjentów otyłych przed i po operacji pomostowania żołądka wykazały odwrócenie zmian dopaminergicznych po dłuższym okresie utraty wagi (). U mężczyzn wzorzec zdrowienia różnił się w zależności od regionu mózgu. W VTA obserwowane spadki COMT, DAT i TH zostały znormalizowane wraz z usunięciem HFD. Natomiast wszystkie zmiany ekspresji genów obserwowane w NAc i PFC nie uległy normalizacji. W obecnym badaniu przewlekła choroba HFD doprowadziła do znacznego przyrostu masy ciała, a po tygodniach 4 odejścia od diety zwierzęta były nadal znacznie cięższe niż kontrole. Dlatego późniejsze zmiany metaboliczne i hormonalne towarzyszące otyłości (np. Zwiększona leptyna, podwyższone stężenie adipokin) były prawdopodobnie obecne w tygodniach 4 poza dietą. Dlatego też zmiany ekspresji genów, które znormalizowały się (np. W VTA), mogły być głównie napędzane przez HFD, podczas gdy te, które były utrzymywane (w NAc i PFC) mogą być ściślej powiązane z otyłością. Utrzymanie utraty wagi przez dietę jest charakterystycznie niskie (przy 67% () do 80% () pacjentów odzyskujących utraconą wagę). To utrzymywanie się zmian ekspresji genów w regionach nagrody może być ważne w częściowym wyjaśnianiu tego powszechnego zjawiska. Ważne jest również, aby zauważyć, że obserwowane zmiany w zachowaniu i ekspresji genów nie są prawdopodobnie spowodowane stresem związanym ze zmianą diety, ponieważ nie było istotnych zmian w poziomie kortykosteronu w osoczu na HFD lub po odzyskaniu 1wk lub 4wk.

Interesujące różnice w płci ujawniły się zarówno w odpowiedzi na przewlekłą HFD, jak iw odpowiedzi na usunięcie diety. Kobiety były podobne do samców, wykazując ogólny spadek genów związanych z dopaminą, które przewidywałyby spadek aktywności DA, szczególnie w VTA i NAc. Jedną godną uwagi różnicą płci był wzrost ekspresji mRNA DAT u samic VTA po HFD. Ta różnica w ekspresji genów, w połączeniu z podobnymi spadkami ekspresji genu TH u obu płci, sugerowałaby istotne różnice w neurotransmisji dopaminy w NAc, zarówno na końcu ekspozycji HFD, jak i po okresie zdrowienia. Większe uznanie dla funkcjonalnego znaczenia tych różnic jest ważnym celem przyszłych badań.

Dodatkowo, podczas gdy COMT i TH zmniejszają się w męskim VTA, te spadki utrzymywały się u samic po 4-tygodniu poza HFD. Należy jeszcze ustalić, czy różnice te odwrócą się z dłuższym czasem przerwy w diecie, jednak potwierdzają wniosek, że samice wracają do zdrowia, przynajmniej jeśli w ogóle się regenerują. Ponadto zmiany ekspresji genów D1R i D2R w NAc i PFC były zupełnie różne w przypadku mężczyzn i kobiet. U mężczyzn zaobserwowano ogólny spadek ekspresji genów w obu regionach, który w dużej mierze utrzymywał się po usunięciu diety. U kobiet D1R i D2R były zmniejszone w NAc, a następnie odzyskane, ale nie było wpływu HFD na receptory dopaminy w PFC. W obecnych badaniach samice zwierząt uśmiercono bez uwzględnienia stadium rui. Chociaż niektóre obserwowane punkty końcowe różnią się w cyklu rujowym, samice zwierząt w tym badaniu nie wykazały zwiększonej zmienności w punktach końcowych, szczególnie w porównaniu z efektem manipulacji dietą.

Aby uzupełnić wyniki ekspresji genów, zmierzono dopaminę w głównych obszarach projekcji VTA, a mianowicie PFC i NAc. Poziom dopaminy wykazywał tendencję do równoległych zmian obserwowanych w mRNA TH w VTA. W NAc zarówno mężczyzn, jak i kobiet, poziomy DA zmniejszyły się w odpowiedzi na dietę HFD; odpowiedź, która powróciła u mężczyzn, ale nie u kobiet. W PFC poziom dopaminy był również obniżany przez HFD, jednak nie było powrotu do diety w PFC. Ponadto kobiety miały niższy poziom dopaminy w korze przedczołowej niż mężczyźni. Różnice płci w ekspresji i funkcji DAT są dobrze znane w literaturze, a samice wykazują zwiększoną ekspresję DAT () i funkcja (), a różnice te mogą przyczynić się do różnych poziomów wyjściowych dopaminy między mężczyznami i kobietami. Badanie stosunku DOPAC: DA ma również charakter informacyjny. Wzrost tego wskaźnika mógł odzwierciedlać odpowiedź wyrównawczą spowodowaną spadkami DA. Długoterminowe znaczenie funkcjonalne tych zmian w metabolizmie dopaminy zostanie oświetlone poprzez pomiar zmian w uwalnianiu dopaminy przy użyciu in vivo mikrodializa.

Ponadto dane te identyfikują dynamiczną regulację metylacji DNA w promotorze genu DAT, szczególnie u mężczyzn. Ostatnio wykazaliśmy, że ekspresja DAT może być dynamicznie regulowana przez różnicowanie metylacji DNA w odpowiedzi na HFD (), i że zwiększona metylacja promotora DAT koreluje ze spadkiem ekspresji genu. Tutaj identyfikujemy plastyczność tej odpowiedzi, ponieważ zwiększona metylacja DNA (i zmniejszona ekspresja mRNA) obserwowana u samców odwraca się po usunięciu HFD. Epigenetyczna regulacja genów, na przykład poprzez zmiany w metylacji DNA, przedstawia drogę, dzięki której organizmy mogą łatwo dostosować się do wyzwań środowiskowych. Znaczniki epigenetyczne mogą być utrzymywane przez całe życie (), aw hodowanych embrionalnych komórkach macierzystych zaobserwowano zarówno odwracalne, jak i trwałe wzorce różnicowania metylacji DNA w odpowiedzi na zmieniające się warunki środowiskowe (). Dane te są pierwszymi, które pokazują in vivo dynamiczny wzorzec metylacji, który zmienia się wraz z obecnością lub brakiem wyzwania środowiskowego. Warto zauważyć, że tego samego wzorca nie zaobserwowano u kobiet. Podczas gdy początkowa odpowiedź na HFD była zgodna z przewidywaniami (zmniejszona metylacja DNA napędzająca zwiększoną ekspresję genu), ten wzorzec nie był utrzymywany przez cały okres zdrowienia. Sugeruje to, że metylacja DNA i ekspresja genów mogą zostać rozprzęgnięte podczas czterech tygodni wyłączenia HFD lub może sugerować, że mRNA DAT jest regulowane przez kobiety w inny sposób.

U samców preferencja sacharozy, ekspresja genów związana z DA w VTA i dopamina w NAc są zgodne ze stałym wzorem supresji w odpowiedzi na przewlekłą HFD, która powraca po usunięciu diety. Co ciekawe, podczas gdy reakcje behawioralne na sacharozę są podobne u kobiet, zarówno wzorzec ekspresji genu, jak i poziomy dopaminy w NAc wykazują brak poprawy po usunięciu HFD. Na zachowania związane z nagrodami wyraźnie wpływają dodatkowe układy neuroprzekaźników, takie jak opioidy, i być może u kobiet, behawioralna odpowiedź na sacharozę jest silniej związana ze zmianami w opioidach. Ogólnie rzecz biorąc, obecne dane sugerują, że różnice płci zarówno w początkowej odpowiedzi na HFD, jak i na powrót do zdrowia po usunięciu HFD, w odniesieniu do ekspresji genów związanych z dopaminą stanowią ważny kierunek dla przyszłych badań ukierunkowanych na to, jak chroniczne spożycie HFD wpływa na system nagrody w mózgu. Przede wszystkim dane te wskazują na znaczną plastyczność odpowiedzi dopaminergicznej na HFD, co sugeruje, że chociaż niekorzystne skutki przewlekłej konsumpcji HFD i / lub otyłości są znaczące, istnieje możliwość powrotu do zdrowia.

Co już wiadomo na ten temat

  • Ekspresja i funkcja receptora dopaminowego są zmniejszone u pacjentów otyłych
  • Przewlekła ekspozycja na dietę wysokotłuszczową powoduje zmiany w genach związanych z dopaminą i zachowanie nagradzające
  • Neurotransmisja dopaminy zmienia się u otyłych gryzoni.

Co ten rękopis dodaje do tematu

  • Identyfikacja różnic płci w odpowiedzi OUN na dietę wysokotłuszczową.
  • Ocena plastyczności zmian dopaminergicznych po usunięciu diety wysokotłuszczowej.
  • Identyfikacja dynamicznych zmian metylacji DNA w odpowiedzi na dietę wysokotłuszczową

Materiał uzupełniający

Podziękowanie

Praca ta była wspierana przez następujące granty: MH087978 (TMR), MH86599 (IL) i T32 GM008076 (JLC).

Przypisy

 

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy nie mają konfliktów do ujawnienia.

 

Referencje

1. Swinburn B, Sacks G, Ravussin E. Zwiększona podaż energii w żywności jest wystarczająca, aby wyjaśnić amerykańską epidemię otyłości. Am J Clin Nutr. 2009; 90: 1453 – 1456. [PubMed]
2. Fibiger HC, Phillips AG. Mezokortykolimbiczne systemy dopaminowe i nagrody. Ann NY Acad Sci. 1988; 537: 206 – 215. [PubMed]
3. Hernandez Luis, Hoebel Bartley G. Jedzenie Nagroda i kokaina Zwiększenie pozakomórkowej dopaminy w Nucleus Accumbens mierzonej za pomocą mikrodializy. Nauki o życiu. 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. American Journal of Physiology - Fizjologia regulacyjna, integracyjna i porównawcza. 255582 sierpnia 2008; 1 (295): R2 – R463. [PubMed]
5. Stice E, Spoor S, Bohon C, Small DM. Związek między otyłością a osłabioną odpowiedzią prążkowia na pokarm jest moderowany przez allel TaqIA A1. Nauka. 2008; 322: 449 – 452. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
6. Noble EP, Blum K, Ritchie T, Montgomery A, Sheridan PJ. Alleliczne powiązanie D2 gen receptora dopaminy o właściwościach wiążących receptor w alkoholizmie. Arch Gen Psychiatr. 1991; 48: 648 – 654. [PubMed]
7. Chen PS, Yang YK, Yeh TL, Lee IH, Yao WJ, Chiu NT i in. Korelacja między wskaźnikiem masy ciała a dostępnością transportera dopaminy w prążkowiu u zdrowych ochotników - badanie SPECT. Neuroimage. 2008; 40 (1): 275 – 279. [PubMed]
8. Potrzebujesz AC, Ahmadi KR, Spector TD, Goldstein DB. Otyłość wiąże się z wariantami genetycznymi, które zmieniają dostępność dopaminy. Annals of Human Genetics. 2006 May; 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Geiger BM, Frank LE, Caldera-siu AD, Stiles L, Pothos EN. Niedobór centralnej dopaminy w wielu modelach otyłości. Apetyt. 2007; 49 (1): 293.
10. Geiger BM, Haburcak M, Avena NM, Moyer MC, Hoebel BG, Pothos EN. Deficyty mezolimbicznej neurotransmisji dopaminy w otyłości dietetycznej u szczurów. Neuroscience. 2009 Apr 10; 159 (4): 1193 – 119. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
11. Stożek JJ, Robbins HA, Roitman JD, Roitman MF. Spożywanie wysokotłuszczowej diety wpływa na fazowe uwalnianie dopaminy i wychwyt zwrotny w jądrze półleżącym. Apetyt. 2010 Jun; 54 (3): 640.
12. Vucetic Zivjena, Carlin Jesselea, Totoki Kathy, Reyes Teresa M. Epigenetyczna dezorganizacja układu dopaminowego w otyłości wywołanej dietą. Journal of Neurochemistry. 2012 Jan 5; [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Ekspresja genu receptora dopaminowego D1 zmniejsza liczbę jąder jądra po długotrwałej ekspozycji na smaczny pokarm i różni się w zależności od fenotypu otyłości wywołanej dietą u szczurów. Neuroscience. 2010 Dec 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Johnson Paul M, Kenny Paul J. Receptory dopaminy D2 w dysfunkcji nagradzania i kompulsywnym jedzeniu u otyłych szczurów. Natura Neuroscience. 2010 May; 13 (5): 635 – 641. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
15. Huang Xu-Feng, Yu Yinghua, Zavitsanou Katerina, Han Mei, Storlien Len. Różnicowa ekspresja dopaminy D2 i receptora D4 i mRNA hydroksylazy tyrozynowej u myszy podatnych lub opornych na przewlekłą otyłość wywołaną dietą wysokotłuszczową. Molekularne badania mózgu. 2005 Apr 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Teegarden SL, Scott AN, Bale TL. Wczesna ekspozycja na dietę wysokotłuszczową sprzyja długoterminowym zmianom w preferencjach żywieniowych i centralnym sygnalizowaniu nagrody. Neuroscience. 2009 Sep 15; 162 (4): 924 – 932. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
17. Bouret SG. Rola wczesnych hormonalnych i żywieniowych doświadczeń w kształtowaniu zachowania żywieniowego i rozwoju podwzgórza. The Journal of Nutrition. 2010 Jan 1; [PubMed]
18. Vucetic Z, Kimmel J, Totoki K, Hollenbeck E, Reyes TM. Matczyna dieta wysokotłuszczowa zmienia metylację i ekspresję genów genów dopaminy i opioidów. Endokrynologia. 2010 Oct; 151 (10): 0000 – 0000. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
19. Reyes Teresa M, Walker John R, DeCino Casey, Hogenesch John B, Sawchenko Paul E. kategorycznie wyraźne stresory ostre wywołują niepodobne profile transkrypcyjne w jądrze przykomorowym podwzgórza. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of Neuroscience. 2003 Jul 2; 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Cleck Jessica N, Ecke Laurel E, Blendy Julie A. Zmiany hormonalne i ekspresja genów po ekspozycji na stres wymuszonego pływania podczas abstynencji kokainowej u myszy. Psychofarmakologia. 2008 Nov; 201 (1): 15 – 28. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
21. Pfaffl MW. Nowy model matematyczny do względnej kwantyfikacji w rt-pcr w czasie rzeczywistym. Nucleic Acids Res. 2001; 20: e45. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
22. Mayorga AJ, Dalvi A, Strona ME, Zimov-Levinson S, Hen R, Lucki I. Antydepresyjne działanie behawioralne u myszy mutantów receptora 5-hydroksytryptamina (1A) i 5-hydroksytryptamina (1B). J Pharmacol Exp Ther. 2001; 298: 1101 – 110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Reyes TM. Przewlekła dieta wysokotłuszczowa napędza postnatalną regulację epigenetyczną receptora opioidowego μ w mózgu. Neuropsychofarmakologia. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. publikacja online z wyprzedzeniem 16 February 2011. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed] [Cross Ref]
24. Davis JF, Tracy AL, Schurdak JD, Tschöp MH, Lipton JW, Clegg DJ, et al. Narażenie na podwyższony poziom tłuszczu w diecie osłabia nagrodę psychostymulującą i mezolimbiczny obrót dopaminy u szczura. Behav Neurosci. 2008; 122 (6) [Artykuł bezpłatny 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. Nagroda za żywność w przypadku braku sygnalizacji smaku receptora. 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. Smak niezwiązany z odżywianiem nie może podtrzymać wzmacniających właściwości żywności. The European Journal of Neuroscience. 2012 Aug; 36 (4): 2533 – 2546. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
27. Dus Monica, Min SooHong, Keene Alex C, Lee Ga Young, Suh Greg SB. Niezależne od smaku wykrywanie kalorycznej zawartości cukru u drozofili. Materiały z Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych Ameryki. 2011 Jul 12; 108: 11644 – 11649. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
28. Wang Gene-Jack, Volkow Nora D, Logan Jean, Pappas Naoml R, Wong Christopher T, Zhu Wel, Netusll Noelwah, Fowler Joanna S. Mózg dopamina i otyłość. Nazwa naukowego czasopisma medycznego. 2001; 357 (9253): 354 – 357. [PubMed]
29. Huang XF, Zavitsanou K, Huang X, Yu Y, Wang H, Chen F, et al. Gęstości wiązania transportera dopaminy i receptora D2 u myszy podatnych lub opornych na przewlekłą otyłość wywołaną dietą wysokotłuszczową. Behav Brain Res. 2006; 175 (2): 415 – 419. [PubMed]
30. Fortuna Jeffrey L. Otyłość Epidemia i uzależnienie od żywności: podobieństwa kliniczne do uzależnienia od narkotyków. Journal of Psychoactive Drugs. 2012 Mar; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Koob George F, Moal Michel Le. Uzależnienie i system antywirusowy mózgu. Roczny przegląd psychologii. 2008; 59: 29 – 53. [PubMed]
32. Speed ​​Nicole, Saunders Christine, Davis Adeola R, Anthony Owens W, Matthies Heinrich JG, Saadat Sanaz, Kennedy Jack P, et al. Zaburzenia sygnalizacji Akt prążkowia zakłócają homeostazę dopaminy i zwiększają karmienie. PLoS ONE. 2011 Sep 28; 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed] [Cross Ref]
33. Sharma S, Fulton S. Otyłość indukowana dietą sprzyja zachowaniom depresyjnym związanym z adaptacjami nerwowymi w obwodach nagród mózgu. 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. Zmiany centralnych receptorów dopaminowych przed i po operacji pomostowania żołądka. Chirurgia otyłości. 2009 Oct 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Phelan Suzanne, Wing Rena R, Loria Catherine M, Kim Yongin, Lewis Cora E. Częstość występowania i predyktory utrzymania utraty masy ciała w kohorcie Biraciala: wyniki z badania ryzyka wieńcowego u młodzieży. American Journal of Preventive Medicine. 2010 Dec; 39 (6): 546 – 554. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
36. Field AE, Wing RR, Manson JE, Spiegelman DL, Willett WC. Związek między dużą utratą wagi a długoterminową zmianą wagi wśród młodych kobiet w średnim wieku w USA. International Journal of Obesity and Related Metabolic Disorders: Dziennik Międzynarodowego Stowarzyszenia Badań nad Otyłością. 2001 Aug; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Morissette M, Di Paolo T. Seks i wariacje na temat cykli estrogenowych szczurzych miejsc pobierania dopaminy. Neuroendokrynologia. 1993 Jul; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Bhatt Sandeep D, Dluzen Dean E. Różnice funkcji transportera dopaminy u samców i samic myszy CD-1. Brain Research. 2005 Feb 28; 1035 (2): 188 – 195. doi: 10.1016 / j.brainres.2004.12.013. [PubMed] [Cross Ref]
39. Ollikainen Miina, Smith Katherine R, Joo Eric Ji-Hoon, Hong Kiat Ng, Andronikos Roberta, Novakovic Boris i in. Analiza metylacji DNA wielu tkanek od nowonarodzonych bliźniąt ujawnia zarówno genetyczne, jak i wewnątrzmaciczne składniki zmienności w epigenomie ludzkiego noworodka. Ludzka genetyka molekularna. 2010 Nov 1; 19 (21): 4176 – 4188. [PubMed]
40. Tompkins Joshua D, Hall Christine, Chen Vincent Chang-yi, Li Arthur Xuejun, Wu Xiwei, Hsu David i in. Stabilność epigenetyczna, zdolność do adaptacji i odwracalność w ludzkich embrionalnych komórkach macierzystych. Materiały z Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych Ameryki. 2012 Jul 31; 109 (31): 12544 – 12549. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]