Reversão da disfunção do sistema dopaminérgico em resposta à dieta hiperlipídica (2013)

Sumário

Introdução

O consumo excessivo de alimentos palatáveis ​​altamente calóricos e amplamente disponíveis é considerado um fator importante que contribui para as altas taxas de obesidade nos EUA (1). Como os alimentos apetitosos são frequentemente consumidos após o cumprimento das exigências energéticas, as propriedades recompensadoras dos alimentos apetitosos podem anular os sinais de saciedade homeostáticos. Muitos neurotransmissores desempenham um papel no comportamento alimentar (por exemplo, opióides, dopamina, GABA, serotonina), bem como a integração de sinais periféricos de nutrientes (por exemplo, leptina, insulina, grelina). A sinalização da dopamina é um mediador chave tanto na recompensa alimentar quanto no comportamento de busca de recompensa, já que a dopamina na região mesolímbica / mesocortical está associada às propriedades recompensadoras de alimentos, sexo e drogas de adição (2). Comida aguda e palatável provoca uma explosão de dopamina no sistema central de recompensa (3,4). Com o consumo crônico de alimentos recompensadores, o aumento da liberação de dopamina ao longo do tempo pode levar a adaptações associadas à hipoperfunção de recompensa.

Várias linhas de evidência suportam a hipótese de alteração da função da dopamina na obesidade. Estudos de imagem em humanos revelaram ativação embotada em regiões de recompensa de pacientes obesos enquanto bebiam uma solução altamente palatável (milkshake) (5). A resposta de recompensa embotada foi associada com menor disponibilidade de D2 no receptor de dopamina no cérebro. De fato, mutações no receptor D2 da dopamina humana têm sido associadas tanto à obesidade quanto ao vício (6). O conteúdo de dopamina na sinapse é amplamente controlado pela captação do transportador de dopamina (DAT). Os níveis de transportador de dopamina estão negativamente correlacionados com o índice de massa corporal e as variantes genéticas de DAT também estão associadas à obesidade (7,8). Modelos animais de obesidade demonstraram decréscimos na dopamina extracelular basal e na redução da neurotransmissão da dopamina no núcleo accumbens e na área tegmentar ventral (9,10,11). Diminuições nos genes relacionados à dopamina após dieta com alto teor de gordura (HF) sugerem redução na sinalização em regiões de recompensa (12, 13,14,15). Essa diminuição na atividade da dopamina após uma dieta rica em gordura pode reduzir a sensibilidade às recompensas naturais e facilitar o consumo contínuo e o ganho de peso.

O início da vida é um período crítico no desenvolvimento do cérebro, e o ambiente nutricional precoce pode influenciar as vias cerebrais que controlam a ingestão de alimentos e o metabolismo energético. A exposição precoce de camundongos a uma dieta rica em gordura por apenas uma semana alterou a ingestão calórica de adultos e a expressão de moléculas de sinalização relacionadas à dopamina (16). Além disso, a nutrição pós-natal precoce em camundongos, impulsionada por um pequeno número de serapilheira durante a lactação, predispõe a prole à obesidade na idade adulta, alterando o desenvolvimento hipotalâmico (17). Embora esteja claro que a nutrição no início da vida pode afetar o desenvolvimento do cérebro e o risco de obesidade, pouco se sabe sobre a relativa permanência dessas mudanças ao longo da vida. Além disso, estudos prévios foram feitos em animais machos, mas fêmeas raramente foram estudadas neste contexto. Para esses fins, camundongos machos e fêmeas foram estudados para mudanças na expressão gênica e no metabolismo da dopamina, após terem sido feitos obesos no início da vida, por meio do consumo crônico de uma dieta de IC desde o nascimento até as semanas 8 de idade. O sistema de dopamina também foi avaliado 4 semanas após a remoção da dieta HF, para examinar se as mudanças persistiram ou inverteram.

Métodos e Procedimentos

Resultados

Os camundongos tiveram acesso contínuo à dieta controle (controle) ou dieta rica em gordura de 60% (HFD) até as 12 semanas de idade. Com 12 semanas de idade, metade dos animais alimentados com HF foram colocados na ração doméstica por 4 semanas (HF + recuperação). Em machos e fêmeas, os animais HFD (círculos) eram mais pesados ​​do que os controles começando às 9 semanas de idade (p <05) e permaneceram mais pesados ​​do que os controles durante todo o período de recuperação (Figura suplementar 1).

Testes de preferência de sacarose e sacarina foram administrados para avaliar a resposta dos animais a estímulos recompensadores naturais e não nutritivos. A preferência da sacarose, mas não a preferência por sacarina, foi alterada após a exposição à dieta com HF e retornou aos níveis normais após a recuperação da DHF em machos e fêmeas. One-way ANOVA revelou preferência de sacarose foi significativamente diminuída em machos (Fig. 1A) e tendeu para uma diminuição no sexo feminino (Fig. 1B) após a exposição HFD (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06, respectivamente). Após a remoção do HFD, esse comportamento se normalizou e a preferência pela sacarose não diferia mais dos controles. A preferência de sacarina não foi alterada em nenhum dos machos (Fig. 1C) ou fêmeas (Fig. 1D) como resultado da exposição ao HFD.

 

Figura 1

A preferência da sacarose, mas não a preferência por sacarina, é alterada após exposição à dieta rica em gordura (DH) e retorna aos níveis de controle após a recuperação da DHF em machos e fêmeas

Como a dopamina é um regulador chave do comportamento de recompensa, a expressão gênica relacionada à dopamina foi examinada dentro do circuito de recompensa de uma coorte separada de machos e fêmeas após 12 semanas na HFD, e em um grupo adicional, após a recuperação da semana da HFD. tabela 1 resume os padrões de expressão gênica e análise estatística na VTA, PFC e NAc. Na VTA, três genes importantes na regulação dos níveis de dopamina nos terminais sinápticos foram medidos: catecolamina metil transferase (COMT) envolvida na inativação de neurotransmissores de catecolaminas; transportador de dopamina (DAT), bomba de membrana que limpa a dopamina da sinapse, e tirosina hidroxilase (TH), a enzima limitante da taxa de síntese de dopamina. Os valores de mudança de dobra para cada grupo foram determinados usando controles de correspondência antiga (por exemplo, os dois pontos de tempo de controle são definidos como 1 e, para clareza, apenas o controle de HFD é mostrado no gráfico). O teste t de Student (n = 5 / grupo) revelou na VTA do sexo masculino que os mRNAs COMT, DAT e TH foram significativamente diminuídos pela exposição a HFD (Fig 2A) e retornou ou ultrapassou os níveis de controle após um período de recuperação da dieta (recuperação de HF +).

 

Figura 2

Dieta hiperlipídica crônica (HFD) e recuperação após HFD alteram expressão gênica relacionada à dopamina em homens e mulheres

 

tabela 1

Resumo da expressão gênica e estatística em homens

No PFC e no NAC, os genes importantes para a sinalização da dopamina e o turnover da dopamina foram examinados (n = 5 / grupo): COMT; subunidade reguladora da proteína fosfatase 1 1B (DARPP-32), uma proteína sinalizadora downstream regulada pela estimulação do receptor; receptor de dopamina D1 (DRD1), um receptor pós-sináptico acoplado à proteína G que estimula a adenilil ciclase; e o receptor de dopamina D2 (DRD2), um receptor pós-sináptico acoplado à proteína G que inibe a adenilil ciclase. No CPF masculino (Fig. 2B), DARPP-32 foi aumentado, enquanto DRD1 e DRD2 diminuíram após a exposição a HFD, e estas alterações persistiram após a remoção do HFD (embora o aumento no ARNm de DARPP-32 não tenha sido estatisticamente fiável). No NAC masculino (Fig. 2C), COMT, DRD1 e DRD2 foram diminuídos pela exposição a HFD, e permaneceram abaixo dos níveis de controle após a remoção do HFD. Os níveis de DARPP-32 foram aumentados pela DH, mas diminuíram significativamente em relação aos controles após 4 semanas fora da DH.

As mesmas regiões cerebrais e genes foram examinados em camundongos fêmeas (n = 5 / grupo). Como mostrado em tabela 2, houve diferenças significativas observadas no padrão de expressão gênica em resposta à DH, bem como na recuperação da dieta. Semelhante aos homens, no VTA, os níveis de mRNA da COMT e TH foram significativamente diminuídos após a exposição a HFD (Fig 2D). No entanto, ao contrário dos machos, essas alterações persistiram após a remoção do HFD. Além disso, em oposição direta ao padrão observado em homens, a exposição à DH aumentou a expressão de RNAm de DAT na ATV em mulheres, e após a remoção dos níveis de HFD foram ainda menores do que os controles pareados por idade. No PFC, apenas DARPP-32 foi afetado pela DH crônica, com um aumento significativo nos níveis de mRNA após XFUMX semana HFD, e um retorno aos níveis de controle após a remoção do HFD. Ambos os mRNA COMT e D12R foram significativamente diminuídos após 1 semanas fora do HFD. No NAC feminino, COMT, DRD4 e DRD1 foram todos diminuídos após a exposição a HFD (Fig. 2F). DRD1 e DRD2 recuperaram para níveis de controle após a remoção da dieta, enquanto a COMT permaneceu os níveis permaneceu significativamente diminuída após a recuperação 4wk.

 

tabela 2

Resumo de expressão gênica e estatísticas em mulheres

Dada a diminuição consistente na expressão gênica para genes que regulam a dopamina na VTA, os metabólitos da dopamina e da dopamina foram quantificados em regiões que recebem projeções da VTA, do PFC e do NAC. Figura 3 mostra dopamina (DA) e o metabolito da dopamina (DOPAC) do PFC e NAC em machos (Fig. 3A, 3C) e fêmeas (Fig. 3B, 3D). Nos machos, a exposição ao HFD produziu uma diminuição nos níveis de dopamina no PFC (Fig. 3A) e NAC (Fig 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), que se recuperou após a remoção de HFD apenas no NAC. O turnover da dopamina (razão DOPAC: DA) aumentou no PFC masculino (F (2,12) = 3.85, p <05) e NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Em contraste, o efeito de HFD em DA e DOPAC em mulheres foi qualitativamente diferente do que em homens. No PFC, o HFD não afetou os níveis de DA ou DOPAC. No NAc, os níveis de DA diminuíram em animais alimentados com HFD e permaneceram diminuídos mesmo após a remoção do HFD (Fig. 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). Os níveis de DOPAC permaneceram inalterados no NAc das mulheres, o que resultou em um aumento no turnover de DA (razão DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <01).

 

Figura 3

Diminuição dos níveis de dopamina no PFC e NAC após HFD desde o nascimento e recuperação mista após remoção de HFD

Dado que a transcrição de DAT pode ser regulada por metilação diferencial de DNA e a observação de uma diferença notável de sexo na expressão de DAT na VTA, a metilação de DNA na região promotora de DAT foi examinada. Em Figura 4A, 4C A expressão do gene DAT na VTA é apresentada novamente para maior clareza Fig 2A e 2D). A metilação do promotor DAT foi significativamente aumentada em homens (Fig. 4B) após HFD e retornou aos níveis de controle em homens de HFD + recuperação (F (2,11) = 23.64, p <01). Em mulheres, a metilação do promotor DAT tendeu a diminuir em animais HFD (D) e foi significativamente diminuída em mulheres HFD + em recuperação (Fig 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

 

Figura 4

Alterações no status de metilação do DNA das mudanças paralelas do promotor DAT na expressão gênica na VTA

Para avaliar se a remoção do HFD no período de recuperação foi um estressor, foram administrados níveis basais de corticosterona no plasma (ug / dl) no controlo, grupos expostos à HFD (12 semanas), recuperação HFD + 1wk e HFD + 4wk (n = 5 /grupo, Complementar Fig. 2). One-way ANOVA não revelou diferenças significativas entre os grupos em animais machos (F (3,16) = 3.21, ns).

Discussão

O consumo crônico de uma dieta rica em gordura (DHA), começando no início da vida, foi usado para estabelecer a obesidade induzida por dieta em camundongos. Os camundongos apresentaram menor preferência pela sacarose e evidências de redução do tônus ​​dopaminérgico nas regiões de recompensa do cérebro. Após 4 semanas fora da HFD, a preferência de sacarose normalizou em machos e fêmeas, no entanto, algumas mudanças na expressão do gene da dopamina persistiram. Esses experimentos fornecem novos dados importantes que descrevem o efeito da DH crônica no sistema de recompensa do cérebro, destacando a capacidade de recuperação e as principais diferenças sexuais entre camundongos machos e fêmeas.

Nos animais alimentados com HFD, foi observada uma diminuição da preferência de sacarose, que reverteu após um período de recuperação. Esses achados ampliam nosso relato anterior de ingestão de DH levando a uma menor preferência de sacarose (23) demonstrando que isto pode ocorrer com uma duração mais curta da exposição à DH (semanas 12 versus semanas 22) e, mais importante, que a resposta recupera na ausência de DH. Ratos fêmeas demonstraram os mesmos padrões de resposta que os machos. Esses achados são consistentes com outros na literatura que mostraram, através da inclusão de um grupo alimentado em dupla, que a DH crônica e não a obesidade per se atenua a resposta da sacarose em uma tarefa operante (24). Similarmente, no estudo atual, a preferência pela sacarose se recuperou após as semanas 4 fora da DH, enquanto o peso corporal permaneceu significativamente elevado, apoiando a conclusão de que a diminuição da preferência de sacarose foi impulsionada pela exposição à DH e não o ganho de peso corporal acompanhante. Foi particularmente interessante que não houvesse mudança na preferência da sacarina. Isso pode indicar que a DH crônica afeta diferencialmente a resposta às recompensas doces calóricas e não calóricas. Os efeitos pós-ingestão têm mostrado influenciar a preferência independente da palatabilidade, já que a ingestão de sacarose induz a liberação de dopamina em camundongos knockout para receptores gustativos “cegos”.25), o valor nutricional é necessário para recompensa e reforço (26) e vias sensoriais metabólicas independentes do paladar foram definidas em drosófilas (27). A sacarina é significativamente mais doce do que a sacarose, por isso foi feito um esforço para estabelecer equivalência na doçura (tipicamente 4-10x maior concentração de sacarose (26)) no entanto, a preferência global pela sacarina foi menor do que a da sacarose nesses animais. Portanto, uma explicação alternativa pode ser que a DH afetou diferencialmente a preferência por sacarose, porque foi relativamente mais recompensadora do que a sacarina (alta versus baixa recompensa), embora os animais ainda demonstrassem uma forte preferência pela sacarina (~ 75-80% prefence for saccharin comparada para ~ 85 – 90% de preferência por sacarose).

No geral, a expressão gênica dopaminérgica dentro da VTA, NAc e PFC foi diminuída em camundongos machos após DHA crônica. Esses achados são consistentes com outros estudos que observaram reduções nos genes relacionados à dopamina em resposta à DH (12,13,15). Decréscimos na expressão e função do receptor de dopamina D2 foram observados em estudos de imagem em humanos (5, 28) e modelos de obesidade em roedores (14, 29). A diminuição da sinalização da dopamina reduz a sensibilidade às recompensas naturais e pode, portanto, facilitar o consumo excessivo contínuo de alimentos apetitosos e maior ganho de peso (30,31). Além disso, sabe-se que a homeostase da dopamina interrompida causada pela diminuição da expressão da superfície do DAT induz o aumento da ingestão de dieta rica em gordura (32). Uma exceção a esse padrão foi observada com DARPP-32, uma fosfoproteína dopaminérgica e regulada por AMP cíclico, que aumentou após a DHF em NAc e PFC. DARPP-32 desempenha um papel fundamental na integração de uma variedade de respostas bioquímicas e comportamentais controladas pela dopamina. Pode ser que a regulação positiva de DARPP-32 fosse compensatória em resposta à regulação crónica do D1R. Num modelo semelhante (12 wk HFD em ratinhos), foi demonstrado que a regulação negativa de D1R foi igualada por um aumento na fosforilação de DARPP-32 em NAc (33).

Poucos estudos examinaram a capacidade de recuperação dessas mudanças após a remoção do HFD. No entanto, em dois relatórios recentes, as alterações da expressão gênica e os defeitos do sistema de recompensa persistiram após um curto período de abstinência (14-18d) (13, 14). Em contraste, estudos em pacientes obesos antes e depois da cirurgia de bypass gástrico mostraram uma reversão de alterações dopaminérgicas após um longo período de perda de peso (34). Nos machos, o padrão de recuperação variou pela região do cérebro. Na VTA, as diminuições observadas na COMT, DAT e TH foram todas normalizadas com a remoção da DH. Em contraste, todas as alterações de expressão gênica observadas no NAc e no PFC não se normalizaram. No estudo atual, a DH crônica conduziu a um ganho de peso significativo e, após semanas 4 da dieta, os animais ainda eram significativamente mais pesados ​​que os controles. Portanto, as alterações metabólicas e hormonais subsequentes que acompanham a obesidade (por exemplo, aumento da leptina, adipocinas elevadas) provavelmente ainda estavam presentes nas semanas 4 da dieta. Portanto, mudanças de expressão gênica que normalizaram (por exemplo, na VTA) podem ter sido impulsionadas principalmente pela DH, enquanto aquelas que foram mantidas (em NAc e PFC) podem ser mais fortemente associadas à obesidade. A manutenção da perda de peso por dieta é caracteristicamente baixa (com 67% (35) para 80% (36) de pacientes recuperando o peso perdido). Essa persistência de mudanças de expressão gênica em regiões de recompensa pode ser importante para explicar parcialmente essa ocorrência comum. Também é importante notar que as alterações comportamentais e de expressão gênica observadas provavelmente não são devidas ao estresse associado à mudança de dieta, já que não houve mudanças significativas nos níveis de corticosterona plasmática basal na DHA ou após a recuperação de 1wk ou 4wk.

Diferenças sexuais interessantes foram reveladas, tanto na resposta à DH crônica, quanto na resposta à remoção da dieta. As fêmeas eram semelhantes aos machos em mostrar uma diminuição geral nos genes relacionados com a dopamina que prevêem uma diminuição na atividade da DA, particularmente na VTA e na NAc. Uma diferença notável entre os sexos foi o aumento da expressão de mRNA do DAT na VTA feminina após a DH. Essa diferença na expressão gênica, associada a diminuições similares na expressão do gene TH em ambos os sexos, sugeriria diferenças significativas na neurotransmissão da dopamina no NAc, tanto no final da exposição à DH, quanto após o período de recuperação. Uma maior apreciação do significado funcional dessas diferenças é um foco importante de pesquisas futuras.

Adicionalmente, enquanto COMT e TH diminuem recuperados no VTA macho, estas diminuições persistiram nas fêmeas após 4-semana fora do HFD. Ainda está para ser determinado se estas diferenças se inverteriam com um tempo mais longo fora da dieta, no entanto, apoia a conclusão de que as fêmeas são, pelo menos, mais lentas para recuperar, se recuperarem de todo. Além disso, as alterações de expressão gênica de D1R e D2R em NAc e PFC foram bastante diferentes entre machos e fêmeas. Nos machos, houve uma diminuição geral na expressão gênica em ambas as regiões, que persistiram em grande parte após a remoção da dieta. Nas fêmeas, D1R e D2R foram diminuídos no NAc e depois recuperados, mas não houve efeito de HFD nos receptores de dopamina no PFC. Nos estudos atuais, os animais fêmeas foram sacrificados sem levar em conta o estágio de estro. Embora alguns dos desfechos observados variem ao longo do ciclo estral, as fêmeas deste estudo não demonstraram aumento da variância nos desfechos, particularmente quando comparado ao efeito das manipulações da dieta.

Para complementar os achados da expressão gênica, a dopamina foi medida nas regiões de projeção primária da VTA, ou seja, o PFC e o NAc. Os níveis de dopamina tenderam a mudanças paralelas observadas no mRNA TH na VTA. No NAc de machos e fêmeas, os níveis de DA diminuíram em resposta à dieta HFD; uma resposta que se recuperou em machos, mas não em fêmeas. No PFC, os níveis de dopamina também foram diminuídos pela DH, no entanto, não houve recuperação da dieta no PFC. Além disso, as fêmeas tinham níveis mais baixos de dopamina no córtex pré-frontal do que os homens. As diferenças entre os sexos na expressão e função do DAT são bem conhecidas na literatura, com as fêmeas demonstrando expressão aumentada de DAT (37) e função (38), e essas diferenças podem contribuir para os diferentes níveis basais de dopamina entre homens e mulheres. O exame da relação DOPAC: DA é também informativo. Um aumento nesta relação pode ter refletido uma resposta compensatória causada por diminuições em DA. A significância funcional a longo prazo dessas mudanças no metabolismo da dopamina seria iluminada pela medição das mudanças na liberação de dopamina in vivo microdiálise.

Além disso, estes dados identificam a regulação dinâmica da metilação do DNA dentro do promotor do gene DAT, particularmente nos machos. Recentemente, demonstramos que a expressão de DAT pode ser dinamicamente regulada por metilação diferencial de DNA em resposta a HFD (12), e que o aumento da metilação do promotor DAT se correlaciona com uma diminuição na expressão gênica. Aqui nós identificamos a plasticidade desta resposta, como o aumento da metilação do DNA (e diminuição da expressão do mRNA) visto no sexo masculino reverte após a remoção do HFD. A regulação genética antigênica, por exemplo, por meio de mudanças na metilação do DNA, apresenta um caminho pelo qual os organismos podem se adaptar prontamente aos desafios ambientais. As marcas epigenéticas podem ser mantidas ao longo da vida (39), e em células-tronco embrionárias cultivadas, padrões reversíveis e persistentes de metilação diferencial do DNA foram observados em resposta a mudanças nas condições ambientais (40). Esses dados são os primeiros a demonstrar in vivo um padrão dinâmico de metilação que muda com a presença ou ausência de um desafio ambiental. Foi notável que esse mesmo padrão não tenha sido observado nas fêmeas. Embora a resposta inicial à DH tenha sido a prevista (diminuição da metilação do DNA que impulsiona a expressão gênica aumentada), esse padrão não foi mantido durante todo o período de recuperação. Isto sugere que a metilação do DNA e a expressão gênica podem se tornar desacopladas durante as quatro semanas fora da HFD ou pode sugerir que o mRNA do DAT é regulado por outros meios nas fêmeas.

Nos machos, a preferência pela sacarose, a expressão gênica relacionada à DA na VTA e a dopamina no NAc seguem um padrão consistente de supressão em resposta à DH crônica que se recupera após a remoção da dieta. Curiosamente, enquanto as respostas comportamentais à sacarose são semelhantes nas fêmeas, tanto o padrão de expressão gênica quanto os níveis de dopamina NAc mostram uma falta de recuperação na remoção da DHF. Comportamentos relacionados à recompensa são claramente influenciados por sistemas adicionais de neurotransmissores, como os opioides, e talvez, em mulheres, a resposta comportamental à sacarose está mais fortemente associada a mudanças nos opioides. No geral, os dados atuais sugerem que as diferenças sexuais tanto na resposta inicial à DH, quanto na recuperação após a remoção da DHG, em relação à expressão gênica relacionada à dopamina, representam um importante direcionamento para pesquisas futuras direcionadas ao consumo crônico de drogas. uma HFD afeta o sistema de recompensa do cérebro. Mais notavelmente, esses dados identificam uma plasticidade significativa na resposta dopaminérgica à DH, sugerindo que, embora os efeitos adversos do consumo crônico de DH e / ou da obesidade sejam significativos, o potencial de recuperação existe.

Material suplementar

Agradecimentos

Notas de rodapé

Referências