Сторнирование дисфункции системы допамина в ответ на диету с высоким содержанием жиров (2013)

, Авторская рукопись; доступно в PMC 2014 Jun 1.

Опубликовано в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

Абстрактные

Цель

Чтобы проверить, снижает ли диета с высоким содержанием жиров (HFD) дофаминергический тонус в областях вознаграждения головного мозга, и оценить, не изменяются ли эти изменения после удаления HFD.

Дизайн и методы

Самцов и самок мышей кормили 60% HFD в течение недель 12. Дополнительную группу оценивали через 4 через несколько недель после удаления HFD. Эти группы сравнивались с контрольной группой, соответствующей возрасту. Предпочтение сахарозы и сахарина измеряли вместе с экспрессией мРНК генов, связанных с дофамином, с помощью RT-КПЦР. Дофамин и ДОПАК измеряли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Метилирование ДНК промотора DAT измеряли с помощью иммуноосажденной метилированной ДНК и RT-КПЦР.

Итоги

После хронической HFD предпочтение сахарозы уменьшалось, а затем нормализовалось после удаления HFD. Наблюдалась пониженная экспрессия генов дофамина, пониженное содержание дофамина и изменения в метилировании промотора DAT. Важно, что реакция на HFD и постоянство изменений зависели от пола и области мозга.

Выводы

Эти данные идентифицируют пониженный тонус дофамина после ранней хронической HFD со сложным паттерном реверсии и персистенции, который варьируется в зависимости от пола и области мозга. Изменения ЦНС, которые не изменились после отмены HFD, могут способствовать трудности в поддержании потери веса после диетического вмешательства.

Ключевые слова: Дофамин, жирная диета, DAT, половые различия, ожирение, абстиненция, метилирование ДНК

Введение

Чрезмерное потребление широко доступной, калорийной вкусной пищи считается основным фактором, способствующим высокому уровню ожирения в США (). Поскольку вкусные продукты питания часто потребляются после удовлетворения энергетических потребностей, полезные свойства вкусовых продуктов могут подавлять гомеостатические сигналы сытости. Многие нейротрансмиттеры играют определенную роль в пищевом поведении (например, опиоиды, допамин, ГАМК, серотонин), а также в интеграции сигналов периферических питательных веществ (например, лептин, инсулин, грелин). Передача сигналов дофамина является ключевым медиатором как пищевого вознаграждения, так и поведения, направленного на получение вознаграждения, так как дофамин в мезолимбическом / мезокортикальном регионе связан с полезными свойствами пищи, секса и наркотиков зависимости (). Острая, вкусная пища вызывает выброс дофамина в центральной системе поощрений (,). При хроническом употреблении полезной пищи повышенное высвобождение дофамина со временем может привести к адаптации, связанной с гипофункцией вознаграждения.

Несколько доказательств подтверждают гипотезу об изменении функции допамина при ожирении. Исследования с использованием изображений человека выявили притупленную активацию в областях вознаграждения пациентов с ожирением во время употребления очень вкусного раствора (молочный коктейль) (). Тупой ответ вознаграждения был связан с меньшей доступностью D2 дофаминового рецептора мозга. Фактически, мутации в рецепторе человеческого допамина D2 были связаны как с ожирением, так и с зависимостью (). Содержание дофамина в синапсе в значительной степени контролируется поглощением дофаминового переносчика (DAT). Уровни переносчика дофамина отрицательно коррелируют с индексом массы тела, а генетические варианты DAT также связаны с ожирением (,). Животные модели ожирения продемонстрировали снижение базального внеклеточного дофамина и снижение нейротрансмиссии дофамина в прилежащем ядре и вентральной области.,,). Снижение генов, связанных с дофамином, после хронической диеты с высоким содержанием жиров (HF) свидетельствует о снижении передачи сигналов в регионах награды (, ,,). Это снижение активности дофамина после хронической диеты с высоким содержанием жиров может снизить чувствительность к естественным преимуществам и способствовать продолжительному чрезмерному потреблению и дальнейшему увеличению веса.

Ранняя жизнь является критическим периодом в развитии мозга, и ранняя пищевая среда может влиять на мозговые пути, контролирующие потребление пищи и энергетический обмен. Раннее воздействие на мышей диеты с высоким содержанием жиров всего за одну неделю изменило потребление калорий взрослыми и экспрессию сигнальных молекул, связанных с дофамином (). Кроме того, раннее послеродовое перекармливание у мышей, обусловленное небольшим количеством помета во время лактации, предрасполагает детей к ожирению во взрослом возрасте путем изменения развития гипоталамуса (). Хотя очевидно, что питание в раннем возрасте может повлиять на развитие мозга и риск ожирения, мало что известно об относительной стойкости этих изменений на протяжении всей жизни. Кроме того, предыдущие исследования были проведены на животных мужского пола, но самки редко изучались в этом контексте. С этой целью как самцов, так и самок мышей изучали на предмет изменения экспрессии генов и метаболизма дофамина после того, как они страдали ожирением в раннем возрасте из-за хронического употребления HF-диеты с рождения до 8 недель. Систему допамина также оценивали через 4 через несколько недель после удаления HF-диеты, чтобы проверить, сохранялись ли изменения или обращались в обратную сторону.

Методы и процедуры

Животные и экспериментальная модель

Самки C57BL / 6J были разведены с самцами DBA / 2J (The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME). Все плотины получали стандартную контрольную диету (#5755; 18.5% белка, 12% жира, 69.5% углевода) вплоть до родов, когда половина плотин / пометов была помещена на диету с высоким содержанием жира (тестовая диета, Richmond, IN #58G9; 18% белок, 60% жира и 20.5% углевода). Детей отнимали от груди в возрасте 3 недель и оставались на контрольной диете или диете с высоким содержанием жиров до возраста 12 недель. Вес тела регистрировали еженедельно, и использовали как самцов (n = 5-10), так и самок (n = 5-10) мышей. Институциональный комитет по уходу и использованию животных (IACUC) Пенсильванского университета утвердил все процедуры.

Предпочтение сахарозы и сахарина

В отдельных экспериментах мышей содержали по отдельности (n = 8 – 10 / группа) в стандартных клетках в течение дней 3 с одной бутылкой 200 мл тестируемого раствора (4% сахароза или 1% раствор сахарина (вес / объем)) и другой бутылка с 200 мл водопроводной воды. Дом чау был доступен вволю, Измеряли сахарозу (мл), воду (мл) и потребление пищи (г), и размещение бутылок меняли ежедневно. Предпочтение рассчитывали с использованием среднего значения измерений за последние дни 2 следующим образом: предпочтение% = [(потребление сахарозы / сахароза + потребление воды) × 100].

Выделение геномной ДНК и тотальной РНК из мозга

Животных (n = 5 / группа) подвергали эвтаназии с передозировкой диоксида углерода с последующим вывихом шейки матки; метод, рекомендованный Группой по эвтаназии Американской ветеринарной медицинской ассоциации. Затем мозг быстро удаляли и помещали в RNAlater (Ambion, Austin, TX) на 4 – 6 за несколько часов до вскрытия. Расслоения головного мозга для выделения префронтальной коры, прилежащего ядра и вентрального сегмента были предварительно сформированы, как описано ранее (,, ). Геномную ДНК и общую РНК выделяли одновременно с использованием мини-набора AllPrep DNA / RNA (Qiagen).

Анализ экспрессии генов с помощью количественной ПЦР в реальном времени

Для каждого отдельного образца 500ng общей РНК использовали в обратной транскрипции с использованием набора для обратной транскрипции с высокой пропускной способностью (ABI, Foster City, CA). Экспрессию генов-мишеней определяли с помощью количественной ОТ-ПЦР с использованием геноспецифических зондов Taqman с экспрессионной мастер-смесью генов Taqman (ABI) на устройстве для ПЦР в реальном времени ABI7900HT. Генные зонды перечислены в дополнительный материал, Относительное количество каждого транскрипта определяли с использованием значений дельта-КТ, как описано ранее в (). Изменения в экспрессии генов рассчитывали по отношению к неизменному стандарту GAPDH.

Метаболиты допамина и допамина ex vivo

Высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ) использовали для измерения содержания дофамина и его метаболитов в областях мезолимбической награды мозга (n = 8 – 12), как описано ранее (,). Мозг собирали у животных и делили пополам на правое и левое полушария. NAc и PFC иссекали и быстро замораживали сухим льдом и хранили при -80 ° C. Ткань была подготовлена ​​для анализа путем гомогенизации в 0.1 N хлорной кислоте, центрифугирована при 15,000 об / мин в течение 15 min при 2 – 8 ° C и супернатант отфильтрован. Образцы анализировали с помощью ВЭЖХ Bioanalytical Systems (West Lafayette, IN, USA) с использованием электрохимического детектора LC-4C. Образцы (12 ul) впрыскивали в колонку с микропробой с обращенной фазой при скорости потока 0.6 мл / мин и электротекции, установленной на + 0.6 V. Разделение для метаболитов дофамина и дофамина осуществляли подвижной фазой, состоящей из ацетата натрия 90-mM, 35-мМ лимонная кислота, 0.34-мМ этилендиаминтетрауксусная кислота, 1.2-мМ октилсульфат натрия и 15% метанол по объему при рН 4.2. Пиковые высоты образцов измеряли и сравнивали со стандартами для дофамина и его метаболита 3,4-дигидроксифенилуксусной кислоты (DOPAC).

Иммунопреципитация метилированной ДНК (MeDIP)

Анализ MeDIP был выполнен с использованием набора MagMeDIP (Diagenode, Denville, NJ). Метилированную ДНК подвергали иммунопреципитации с использованием 0.15ul из магнитных шариков, покрытых анти-5-метилцитидиновым антителом (Diagenode) или мышиной преиммунной сывороткой. Обогащение во фракции MeDIP определяли количественной ОТ-ПЦР с использованием мастер-смеси для анализа ChIP-qPCR (SuperArray) на циклическом цикле ABI7900HT в реальном времени. Для всех исследованных генов праймеры были получены из SuperArray (ChIP-qPCR Assays (-01) kb tile, SuperArray) для амплификации геномных областей, охватывающих сайты CpG, расположенные приблизительно в 300-500 bp выше по течению от сайтов начала транскрипции. Результаты MeDIP выражали в виде кратного обогащения иммунопреципитированной ДНК для каждого сайта. Чтобы рассчитать дифференциальное изменение кратности занятости (% обогащения), значения CT фракции ДНК MeDIP были нормализованы к значениям CT фракции входной ДНК.

Показатели

Анализ экспрессии генов проводили с использованием T-критерия Стьюдента, сравнивая состарившиеся контрольные контроли с группами восстановления HF и HF +. Уровень альфа был скорректирован для нескольких обследованных областей мозга. Значение гена, используемого в одной области мозга, было p = .05; для двух областей p = 0.025, для областей мозга 3 p = .016. Предпочтение сахарозы, предпочтение сахарина, ВЭЖХ и MEDIP, вес тела и анализ кортикостерона анализировали с использованием одностороннего анализа ANOVA для сравнения контрольной группы, группы восстановления HF и HF +. Для сравнения парных различий между группами использовались многократные сравнительные тесты Bonferonni. Значение для этих тестов было установлено на уровне альфа p = .05.

Итоги

Мыши имели постоянный доступ к контрольной диете (контроль) или к диете с высоким содержанием жиров (HFD) 60% до 12-недельного возраста. В возрасте 12 недель половину животных, получавших HF, поместили на домашний корм на 4 недели (HF + восстановление). Как у самцов, так и у самок животные с HFD (кружки) были тяжелее контрольной группы, начиная с 9-недельного возраста (p <05), и оставались тяжелее контрольной на протяжении всего периода восстановления (Дополнительный рисунок 1).

Тесты предпочтения сахарозы и сахарина вводили для оценки реакции животных на естественные и некачественные полезные стимулы. Предпочтение сахарозы, но не сахарина, изменялось после воздействия HF-диеты и возвращалось к нормальным уровням после восстановления HFD у мужчин и женщин. Односторонний ANOVA выявил, что предпочтение сахарозы было значительно снижено у мужчин (Рис. 1A) и имеет тенденцию к уменьшению у женщин (1B) после воздействия HFD (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06, соответственно). После удаления HFD это поведение нормализовалось, и предпочтение сахарозы больше не отличалось от контроля. Предпочтение сахарина не изменилось ни у одного из мужчин (Рис. 1C) или женщины (Рис. 1D) в результате воздействия HFD.

Рисунок 1 

Предпочтение сахарозы, но не сахарина, изменяется после воздействия диеты с высоким содержанием жира (HFD) и возвращается к контрольным уровням после восстановления HFD у мужчин и женщин

Поскольку дофамин является ключевым регулятором поведения вознаграждения, экспрессия генов, связанных с допамином, была исследована в схеме вознаграждения отдельной когорты мужчин и женщин после 12 недель на HFD и в дополнительной группе, после 4 недель восстановления от HFD. Таблица 1 суммирует паттерны экспрессии генов и статистический анализ в VTA, PFC и NAc. В VTA были измерены три гена, важных для регуляции уровня дофамина на синаптических терминалах: катехоламинметилтрансфераза (СОМТ), участвующая в инактивации катехоламиновых нейротрансмиттеров; транспортер дофамина (DAT), мембранный насос, который очищает дофамин от синапса, и тирозин гидроксилаза (TH), фермент, ограничивающий скорость синтеза дофамина. Значения изменения сгиба для каждой группы были определены с использованием выдержанных согласованных контролей (например, обе контрольные временные точки установлены на 1, и для ясности на графике изображен только контроль для HFD). T-критерий Стьюдента (n = 5 / группа) выявил в VTA мужчин, что мРНК COMT, DAT и TH были значительно снижены при воздействии HFD (Рис. 2A) и вернулись к контрольным уровням или превысили их после периода восстановления после диеты (восстановление HF +).

Рисунок 2 

Хроническая диета с высоким содержанием жиров (HFD) и восстановление после HFD изменяет экспрессию генов, связанных с дофамином, у мужчин и женщин
Таблица 1 

Сводка и статистика экспрессии генов у мужчин

В PFC и NAC были изучены гены, важные для передачи сигналов дофамина и обмена допамина (n = 5 / группа): COMT; регуляторная субъединица протеинфосфатазы 1 1B (DARPP-32), сигнальный белок нисходящего потока, регулируемый стимуляцией рецептора; рецептор допамина D1 (DRD1), постсинаптический рецептор, связанный с G-белком, который стимулирует аденилатциклазу; и дофаминовый рецептор D2 (DRD2), постсинаптический рецептор, связанный с G-белком, который ингибирует аденилатциклазу. В мужской ПФК (2B), DARPP-32 был увеличен, тогда как DRD1 и DRD2 были снижены после воздействия HFD, и эти изменения сохранялись после удаления HFD (хотя увеличение мРНК DARPP-32 не было статистически достоверным). В мужской НАК (Рис. 2C), COMT, DRD1 и DRD2 были снижены при воздействии HFD и оставались ниже контрольных уровней после удаления HFD. Уровни DARPP-32 были увеличены HFD, но значительно снизились по сравнению с контрольной группой после 4 недель после HFD.

Те же области мозга и гены были исследованы у самок мышей (n = 5 / группа). Как показано в Таблица 2наблюдались значительные различия в характере экспрессии генов в ответ на HFD, а также на восстановление после диеты. Подобно мужчинам, в VTA уровни мРНК СОМТ и TH были значительно снижены после воздействия HFD (Рис. 2D). Однако, в отличие от мужчин, эти изменения сохранялись после удаления HFD. Кроме того, в прямом противоречии с паттерном, наблюдаемым у мужчин, воздействие HFD увеличивало экспрессию мРНК DAT в VTA у женщин, и после удаления уровни HFD были даже ниже, чем у сопоставимых по возрасту контролей. В PFC только DARPP-32 был затронут хронической HFD со значительным увеличением уровней мРНК после HND 12 недели и возвращением к контрольным уровням после удаления HFD. МРНК COMT и D1R были значительно снижены после 4 недель после HFD. У женщин NAC COMT, DRD1 и DRD2 были снижены после воздействия HFD (Рис. 2F). DRD1 и DRD2 восстанавливались до контрольных уровней после удаления диеты, в то время как оставшиеся COMT уровни оставались значительно сниженными после восстановления 4wk.

Таблица 2 

Сводка и статистика экспрессии генов у женщин

Учитывая постоянное снижение экспрессии генов для генов, регулирующих дофамин, в VTA, метаболиты дофамина и дофамина были количественно определены в регионах, которые получают прогнозы от VTA, PFC и NAC. Рисунок 3 показывает дофамин (DA) и метаболит дофамина (DOPAC) из PFC и NAC у мужчин (Рис. 3A, 3C) и женщин (Рис. 3B, 3D). У мужчин воздействие HFD приводило к снижению уровня дофамина в PFC (Рис. 3A) и NAC (Рис. 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), которые восстановились после удаления HFD только в NAC. Обмен дофамина (соотношение ДОФАК: ДА) увеличился у мужчин с ПФК (F (2,12) = 3.85, p <05) и NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Напротив, действие HFD на DA и DOPAC у женщин было качественно другим, чем у мужчин. В PFC HFD не влиял на уровни DA или DOPAC. В NAc уровни DA были снижены у животных, получавших HFD, и оставались сниженными даже после удаления HFD (Рис. 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). Уровни ДОПАК не изменились в NAc женщин, что привело к увеличению оборота DA (соотношение DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <01).

Рисунок 3 

Снижение уровня дофамина в PFC и NAC после HFD от рождения и смешанного восстановления после удаления HFD

Учитывая, что транскрипция DAT может регулироваться дифференциальным метилированием ДНК и наблюдением заметной половой разницы в экспрессии DAT в VTA, было исследовано метилирование ДНК в промоторной области DAT. В Рисунок 4A, 4C Экспрессия гена DAT в VTA представлена ​​снова для ясности (взято из Рис 2A и 2D). Метилирование DAT промотора было значительно увеличено у мужчин (4B) после HFD и вернулся к контрольным уровням у выздоравливающих самцов HFD + (F (2,11) = 23.64, p <01). У самок метилирование промотора DAT имело тенденцию к снижению у животных с HFD (D) и значительно снижалось у выздоравливающих самок с HFD + (рис. 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

Рисунок 4 

Изменения в статусе метилирования ДНК промотора DAT параллельные изменения в экспрессии генов в VTA

Чтобы оценить, было ли удаление HFD в периоде восстановления стрессором, в качестве контроля брали исходные уровни кортикостерона в плазме (мкг / дл), подвергали воздействию HFD (недели 12), группы восстановления HFD + 1wk и группы восстановления HFD + 4wk (n = 5 / группа, Дополнительный рис. 2). Односторонний ANOVA не выявил существенных различий между группами у самцов животных (F (3,16) = 3.21, нс).

Обсуждение

Хроническое потребление диеты с высоким содержанием жиров (HFD), начиная с раннего возраста, использовалось для установления вызванного диетой ожирения у мышей. У мышей наблюдалось снижение предпочтения сахарозы и свидетельство снижения дофаминергического тонуса в областях вознаграждения головного мозга. После 4 недель после HFD предпочтение сахарозы нормализовалось как у мужчин, так и у женщин, однако некоторые изменения в экспрессии гена дофамина сохранялись. Эти эксперименты предоставляют важные новые данные, описывающие влияние хронической HFD на систему вознаграждения мозга, подчеркивая способность к выздоровлению и ключевые половые различия между мышами мужского и женского пола.

У животных, которых кормили HFD, наблюдалось снижение предпочтения сахарозы, которое после периода восстановления изменялось. Эти данные расширяют наш предыдущий отчет о потреблении HFD, приводя к снижению предпочтения сахарозы (), продемонстрировав, что это может происходить при более короткой продолжительности воздействия HFD (недели 12 по сравнению с неделями 22), и, что важно, что ответ восстанавливается в отсутствие HFD. У самок мышей наблюдалась та же самая реакция, что и у самцов. Эти данные согласуются с другими в литературе, которые показали, что включение в группу с парным кормлением хронического HFD, а не ожирения как такового, ослабляет ответ на сахарозу в оперантном задании (). Точно так же в текущем исследовании предпочтение сахарозы восстановилось после 4 недель после HFD, в то время как вес тела оставался значительно повышенным, подтверждая вывод, что снижение предпочтения сахарозы было вызвано воздействием HFD, а не сопровождающим его увеличением массы тела. Было особенно интересно, что в предпочтениях сахарина не было никаких изменений. Это может указывать на то, что хроническая HFD по-разному влияет на реакцию на калорийные и некалорийные сладкие награды. Было показано, что послеоперационные эффекты влияют на предпочтения независимо от вкусовых качеств, так как было показано, что потребление сахарозы индуцирует высвобождение дофамина у мышей, нокаутированных по рецептору сладко-слепого вкуса (), пищевая ценность необходима для вознаграждения и подкрепления () и не зависящие от вкуса метаболические сенсорные пути были определены у дрозофилы (). Сахарин значительно слаще сахарозы, поэтому была предпринята попытка установить эквивалентность по сладости (как правило, 4 – 10x с более высокой концентрацией сахарозы ()) однако общее предпочтение сахарина было ниже, чем сахарозы у этих животных. Таким образом, альтернативное объяснение может заключаться в том, что HFD по-разному влиял на предпочтение сахарозы, потому что оно было относительно более полезным, чем сахарин (высокое вознаграждение по сравнению с низким значением), хотя животные по-прежнему проявляли сильное предпочтение сахарина (~ 75-80% предпочтение сахарина по сравнению до ~ 85 – 90% предпочтения по сахарозе).

В целом, экспрессия дофаминергических генов в VTA, NAc и PFC была снижена у самцов мышей после хронической HFD. Эти данные согласуются с другими исследованиями, в которых наблюдалось снижение генов, связанных с дофамином, в ответ на HFD (,,). Снижение экспрессии и функции дофаминовых рецепторов D2 наблюдалось в исследованиях изображений человека (, ) и модели ожирения у грызунов (, ). Сниженная передача сигналов дофамина снижает чувствительность к естественным преимуществам и, следовательно, может способствовать продолжительному чрезмерному потреблению вкусных продуктов и дальнейшему увеличению веса (,). Кроме того, нарушенный гомеостаз допамина, обусловленный снижением поверхностной экспрессии DAT, как известно, способствует увеличению потребления диеты с высоким содержанием жиров (). Исключением из этого паттерна является DARPP-32, дофамин- и циклический AMP-регулируемый фосфопротеин, который увеличивается после HFD в NAc и PFC. DARPP-32 играет ключевую роль в интеграции различных биохимических и поведенческих реакций, контролируемых дофамином. Возможно, что положительная регуляция DARPP-32 была компенсаторной в ответ на хроническую понижающую регуляцию D1R. В аналогичной модели (12 wk HFD у мышей) было показано, что подавление D1R сопровождалось увеличением фосфорилирования DARPP-32 в NAc ().

Немногие исследования изучили способность к восстановлению этих изменений после удаления HFD. Однако в двух недавних отчетах изменения экспрессии генов и дефекты системы вознаграждения сохранялись после короткого периода отмены (14 – 18d) (, ). Напротив, исследования на пациентах с ожирением до и после операции по шунтированию желудка показали изменение дофаминергических изменений после более длительного периода потери веса (). У мужчин характер восстановления варьируется в зависимости от области мозга. В VTA наблюдаемые снижения СОМТ, DAT и TH были нормализованы с удалением HFD. Напротив, все изменения экспрессии генов, наблюдаемые в NAc и PFC, не нормализовались. В текущем исследовании хроническая HFD приводила к значительному увеличению веса, и после 4 недель после диеты животные все еще были значительно тяжелее контрольных. Следовательно, последующие метаболические и гормональные изменения, которые сопровождают ожирение (например, увеличение лептина, повышение уровня адипокинов), вероятно, все еще присутствовали на 4 неделях после диеты. Следовательно, изменения экспрессии генов, которые были нормализованы (например, в VTA), могли быть вызваны главным образом HFD, в то время как те, которые были сохранены (в NAc и PFC), могут быть более тесно связаны с ожирением. Поддержание потери веса с помощью диеты характерно низким (с 67% () до 80% () пациентов, возвращающих потерянный вес). Такое постоянство изменений экспрессии генов в областях вознаграждения может быть важным для частичного объяснения этого распространенного явления. Также важно отметить, что наблюдаемые поведенческие изменения и изменения экспрессии генов вряд ли будут вызваны стрессом, связанным с изменением рационов питания, поскольку не было значительных изменений в уровнях базального уровня кортикостерона в плазме крови у HFD или после восстановления 1wk или 4wk.

Были выявлены интересные половые различия, как в ответ на хроническую HFD, так и в ответ на удаление диеты. Женщины были похожи на мужчин в общем снижении связанных с дофамином генов, которые предсказывали бы снижение активности DA, особенно в VTA и NAc. Одно примечательное различие в полу было увеличением экспрессии мРНК DAT в женском VTA после HFD. Это различие в экспрессии генов в сочетании с аналогичным снижением экспрессии генов TH у обоих полов, указывает на существенные различия в нейротрансмиссии дофамина в пределах NAc, как в конце воздействия HFD, так и после периода восстановления. Большая оценка функциональной значимости этих различий является важным направлением будущих исследований.

Кроме того, хотя СОМТ и ТН снижаются, восстановившиеся у мужчин с VTA, эти снижения сохраняются у женщин после 4-недели после HFD. Еще предстоит определить, будут ли эти различия устранены с более длительным перерывом в питании, однако это подтверждает вывод о том, что женщины, по крайней мере, медленнее восстанавливаются, если они вообще выздоравливают. Кроме того, изменения экспрессии генов D1R и D2R в NAc и PFC были совершенно разными у мужчин и женщин. У мужчин наблюдалось общее снижение экспрессии генов в обоих регионах, которое в основном сохранялось после удаления диеты. У женщин D1R и D2R были снижены в NAc, а затем восстановлены, но не было влияния HFD на дофаминовые рецепторы в PFC. В текущих исследованиях самок животных убивали без учета стадии течки. Хотя некоторые из наблюдаемых конечных точек, как известно, изменяются в течение цикла эструса, самки животных в этом исследовании не продемонстрировали увеличенной дисперсии между конечными точками, особенно по сравнению с эффектом манипуляций с рационом.

Чтобы дополнить результаты генной экспрессии, дофамин измеряли в первичных проекционных областях VTA, а именно в PFC и NAc. Уровни допамина имели тенденцию к параллельным изменениям, наблюдаемым в мРНК TH в VTA. В NAc как мужчин, так и женщин уровни DA снижались в ответ на диету HFD; ответ, который восстановился у мужчин, но не у женщин. В ПФК уровни дофамина также снижались при ГЛП, однако в ПФК не было восстановления после диеты. Кроме того, у женщин был более низкий уровень дофамина в префронтальной коре, чем у мужчин. Половые различия в экспрессии и функции DAT хорошо известны в литературе, при этом у женщин наблюдается повышенная экспрессия DAT () и функции (), и эти различия могут способствовать различным исходным уровням дофамина между мужчинами и женщинами. Изучение соотношения DOPAC: DA также информативно. Увеличение этого соотношения могло отражать компенсаторную реакцию, вызванную снижением DA. Долгосрочная функциональная значимость этих изменений в метаболизме дофамина будет освещена путем измерения изменений в выбросе дофамина с использованием в естественных условиях микродиализ.

Кроме того, эти данные идентифицируют динамическую регуляцию метилирования ДНК в промоторе гена DAT, особенно у мужчин. Недавно мы продемонстрировали, что экспрессия DAT может динамически регулироваться путем дифференциального метилирования ДНК в ответ на HFD (), и что повышенное метилирование промотора DAT коррелирует с уменьшением экспрессии генов. Здесь мы идентифицируем пластичность этого ответа, так как повышенное метилирование ДНК (и пониженная экспрессия мРНК), наблюдаемое у мужчин, меняется при удалении HFD. Эпигенетическая регуляция генов, например, через изменения в метилировании ДНК, представляет собой путь, посредством которого организмы могут легко адаптироваться к проблемам окружающей среды. Эпигенетические метки могут сохраняться на протяжении всей жизни () и в культивируемых эмбриональных стволовых клетках наблюдались как обратимые, так и стойкие паттерны дифференциального метилирования ДНК в ответ на изменение условий окружающей среды (). Эти данные являются первыми, чтобы продемонстрировать в естественных условиях динамическая картина метилирования, которая изменяется с наличием или отсутствием экологических проблем. Примечательно, что эта же картина не наблюдалась у женщин. Хотя первоначальный ответ на HFD был таким, как предсказывалось (пониженное метилирование ДНК приводило к увеличению экспрессии генов), этот паттерн не сохранялся в течение всего периода восстановления. Это говорит о том, что метилирование ДНК и экспрессия генов могут стать несвязанными в течение четырех недель после HFD, или это может свидетельствовать о том, что мРНК DAT регулируется другими средствами у женщин.

У мужчин предпочтение сахарозы, DA-связанной экспрессии генов в VTA и допамина в NAc следуют последовательной схеме подавления в ответ на хроническую HFD, которая восстанавливается после отмены диеты. Интересно, что, хотя поведенческие реакции на сахарозу у женщин одинаковы, как паттерн экспрессии генов, так и уровни дофамина NAc демонстрируют недостаточное восстановление после удаления HFD. На поведение, связанное с вознаграждением, явно влияют дополнительные нейромедиаторные системы, такие как опиоиды, и, возможно, у женщин, поведенческий ответ на сахарозу более тесно связан с изменениями в опиоидах. В целом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что половые различия как в начальной реакции на HFD, так и в восстановлении после удаления HFD в отношении экспрессии генов, связанных с допамином, представляют собой важное направление для будущих исследований, направленных на то, как хроническое потребление HFD влияет на систему вознаграждения мозга. В частности, эти данные идентифицируют значительную пластичность в дофаминергическом ответе на HFD, подтверждая, что, хотя неблагоприятные последствия хронического потребления HFD и / или ожирения являются значительными, существует потенциал для выздоровления.

Что уже известно об этом предмете

  • Экспрессия и функция дофаминовых рецепторов снижены у пациентов с ожирением
  • Хроническая диета с высоким содержанием жиров вызывает изменения в генах, связанных с дофамином, и стимулирует поведение
  • Нейротрансмиссия дофамина изменена у тучных грызунов.

Что эта рукопись добавляет к теме

  • Выявление половых различий в реакции ЦНС на диету с высоким содержанием жиров.
  • Оценка пластичности дофаминергических изменений при удалении диеты с высоким содержанием жиров.
  • Выявление динамических изменений метилирования ДНК в ответ на диету с высоким содержанием жиров

Дополнительный материал

Благодарности

Эта работа была поддержана следующими грантами: MH087978 (TMR), MH86599 (IL) и T32 GM008076 (JLC).

Сноски

 

Заявление о конфликте интересов

Авторы не имеют конфликтов, чтобы раскрыть.

 

Рекомендации

1. Суинберн Б., Сакс Г., Равуссин Е. Увеличение поставок продовольствия более чем достаточно для объяснения эпидемии ожирения в США. Am J Clin Nutr. 2009; 90: 1453-1456. [PubMed]
2. Fibiger HC, Phillips AG. Мезокортиколимбические дофаминовые системы и награды. Ann NY Acad Sci. 1988; 537: 206-215. [PubMed]
3. Hernandez Luis, Hoebel Bartley G. Продовольственная награда и кокаин повышают содержание внеклеточного дофамина в прилежащем ядре по данным микродиализа. Науки о жизни. 1988; 42 (18): 1705-1712. [PubMed]
4. Сар Эллисон Э, Синделар Дана К., Александер-Чако Джеслин Т., Иствуд Брайан Дж., Митч Чарльз Х., Статник Майкл А. Опиоидный антагонист LY255582 блокирует активацию мезолимбических дофаминовых нейронов во время нового и ежедневного ограниченного доступа к вкусной пище. Американский журнал физиологии - регуляторная, интегративная и сравнительная физиология. 2008 августа 1 г .; 295 (2): R463 – R471. [PubMed]
5. Stice E, Spoor S, Bohon C, Small DM. Связь между ожирением и притуплением полосатого отклика на питание модерируется аллелем TaqIA A1. Наука. 2008; 322: 449-452. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
6. Нобл Е.П., Блум К, Ричи Т, Монтгомери А, Шеридан П.Дж. Аллельная ассоциация D2 ген рецептора допамина с рецептор-связывающими характеристиками при алкоголизме. Arch Gen Psychiatr. 1991; 48: 648-654. [PubMed]
7. Чен П.С., Ян Ю.К., Йе Т.Л., Ли И.Х., Яо В.Дж., Чиу Н.Т. и др. Корреляция между индексом массы тела и доступностью переносчика дофамина в полосатом теле у здоровых добровольцев - исследование SPECT. Neuroimage. 2008; 40 (1): 275-279. [PubMed]
8. Нужны AC, Ахмади К.Р., Спектор ТД, Гольдштейн Д.Б. Ожирение связано с генетическими вариантами, которые изменяют доступность допамина. Анналы человеческой генетики. 2006 май; 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Гейгер Б.М., Франк Л.Е., Кальдера-си А.Д., Стайлз Л, Потос Е.Н. Дефицит центрального дофамина в моделях множественного ожирения. Аппетит. 2007; 49 (1): 293.
10. Гейгер Б.М., Хабурчак М., Авена Н.М., Мойер М.К., Хебель Б.Г., Потос Е.Н. Дефицит мезолимбической нейротрансмиссии дофамина при диетическом ожирении у крыс. Neuroscience. 2009 апр. 10; 159 (4): 1193 – 119. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
11. Конус JJ, Роббинс HA, Ройтман JD, Ройтман MF. Потребление диеты с высоким содержанием жиров влияет на фазное высвобождение дофамина и обратный захват в прилежащем ядре. Аппетит. 2010 июнь; 54 (3): 640.
12. Vucetic Zivjena, Carlin Jesselea, Totoki Kathy, Reyes Teresa M. Эпигенетическая дисрегуляция дофаминовой системы при диетическом ожирении. Журнал нейрохимии. 2012 Jan 5; [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Экспрессия гена рецептора допамина D1 снижается в прилежащем ядре при длительном воздействии на вкусную пищу и различается в зависимости от вызванного диетой фенотипа ожирения у крыс. Neuroscience. 2010 Dec 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Джонсон Пол М., Кенни Пол Дж. Дофаминовые рецепторы D2 при дисфункции, подобной зависимости, и при компульсивном питании у тучных крыс. Природа Нейронауки. 2010 май; 13 (5): 635 – 641. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
15. Хуан Сюй-Фенг, Ю Инхуа, Завитсану Катерина, Хан Мэй, Сторлиен Лен. Дифференциальная экспрессия мРНК дофаминовых рецепторов D2 и D4 и тирозин-гидроксилазы у мышей, склонных или устойчивых к хроническому ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров. Молекулярные исследования мозга. 2005 апр. 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Тигарден С.Л., Скотт А.Н., Бейл Т.Л. Воздействие диеты с высоким содержанием жиров в раннем возрасте способствует долгосрочным изменениям в пищевых предпочтениях и передаче сигналов о центральном вознаграждении. Neuroscience. 2009 сент. 15; 162 (4): 924 – 932. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
17. Bouret SG. Роль раннего гормонального и пищевого опыта в формировании пищевого поведения и развитии гипоталамуса. Журнал питания. 2010 Jan 1; [PubMed]
18. Вучетич З, Киммел Дж, Тотоки К, Холленбек Э, Рейес ТМ. Диета с высоким содержанием жира у матери изменяет метилирование и экспрессию генов генов, связанных с допамином и опиоидами. Эндокринологии. 2010 окт; 151 (10): 0000 – 0000. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
19. Рейес Тереза ​​М., Уокер Джон Р., ДеСино Кейси, Хогенеш Джон Б., Савченко Пол Е. Категорически отличные острые стрессоры, вызывающие разнородные транскрипционные профили в паравентрикулярном ядре гипоталамуса. Журнал Нейронауки: Официальный Журнал Общества Нейронауки. 2003 Июль 2; 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Cleck Jessica N, Ecke Laurel E, Blendy Julie A. Изменения эндокринной и экспрессии генов после воздействия принудительного плавательного стресса во время воздержания от кокаина у мышей. Психофармакологии. 2008 ноябрь; 201 (1): 15 – 28. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
21. Пфаффл М.В. Новая математическая модель для относительного количественного определения в реальном времени RT-PCR. Nucleic Acids Res. 2001; 20: e45. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
22. Майорга AJ, Dalvi A, Page ME, Zimov-Levinson S, Hen R, Lucki I. Антидепрессантоподобные поведенческие эффекты у мышей с мутацией рецепторов 5-гидрокситриптамина (1A) и 5-гидрокситриптамина (1B). J Pharmacol Exp Ther. 2001; 298: 1101-110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Рейес ТМ. Хроническая диета с высоким содержанием жира. Постнатальная эпигенетическая регуляция μ-опиоидных рецепторов в мозге. Neuropsychopharmacology. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. Предварительное онлайн-издание 16 Февраль 2011. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Крест Ref]
24. Davis JF, Tracy AL, Schurdak JD, Tschöp MH, Lipton JW, Clegg DJ, et al. Воздействие повышенного уровня жира в рационе ослабляет психостимуляторное вознаграждение и мезолимбический оборот дофамина у крысы. Behav Neurosci. 2008; 122 (6) [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
25. де Араужо Иван Э., Оливейра-Майя Альбино Дж, Сотникова Татьяна Д, Гайнетдинов Рауль Р, Кэрон Марк Дж, Николис Мигель А.Л., Саймон Сидни А. Вознаграждение за еду в отсутствие сигнализации о рецепторе вкуса. Neuron. 2008 Mar 27; 57 (6): 930 – 941. [PubMed]
26. Билер Джефф А., Маккатчеон Джеймс Е., Цао Чжэнь Ф.Х., Мураками Мари, Александр Эрин, Ройтман Митчелл Ф., Чжуан Сяоси. Вкус не связан с недостатком питания, чтобы поддержать укрепляющие свойства пищи. Европейский журнал нейробиологии. 2012 Август; 36 (4): 2533 – 2546. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
27. Dus Monica, Min SooHong, Keene Alex C, Lee Ga Young, Su Greg SB. Независимое от вкуса определение калорийности сахара у дрозофилы. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 2011 Июль 12; 108: 11644 – 11649. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
28. Ван Джин-Джек, Волков Нора Д, Логан Джин, Паппас Наомл Р, Вонг Кристофер Т, Чжу Вел, Нетуслл Ноэльва, Фаулер Джоанна С. Мозг, допамин и ожирение. Ланцет. 2001; 357 (9253): 354-357. [PubMed]
29. Хуан XF, Завицану K, Хуан X, Юй Y, Ван Х, Чен Ф. и др. Плотность связывания переносчика дофамина и рецептора D2 у мышей, склонных или устойчивых к хроническому ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров. Behav Brain Res. 2006; 175 (2): 415-419. [PubMed]
30. Фортуна Джеффри Л. Эпидемия ожирения и пищевая зависимость: клиническое сходство с лекарственной зависимостью. Журнал психоактивных препаратов. 2012 март; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Koob George F, Моал Мишель Ле. Зависимость и мозговая система. Ежегодный обзор психологии. 2008; 59: 29-53. [PubMed]
32. Спид Николь, Сондерс Кристин, Дэвис Адеола Р, Энтони Оуэнс В., Мэттис Хайнрих Дж., Саадат Саназ, Кеннеди Джек П. и др. Нарушение сигнализации Striatal Akt нарушает гомеостаз допамина и увеличивает кормление. ОСТАВЛЯЕТ ОДИН. 2011 сент. 28; 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Крест Ref]
33. Шарма С., Фултон С. Диета-индуцированное ожирение способствует депрессивно-подобному поведению, которое связано с нейронными адаптациями в схеме вознаграждения мозга. Международный журнал ожирения 2005. 2012 апр. 17; [PubMed]
34. Стил Кимберли Е., Прокопович Грегори П., Швейцер Майкл А., Магунсуон Томас Х, Лидор Энн О, Кувабава Хирото, Кумар Анил, Брассик Джеймс, Вонг Дин Ф. Изменения в центральных рецепторах дофамина до и после операции желудочного шунтирования. Хирургия ожирения. 2009 Oct 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Phelan Suzanne, Wing Rena R, Loria Catherine M, Kim Yongin, Lewis Cora E. Распространенность и предикторы поддержания потери веса в двухрасовой когорте: результаты исследования риска развития коронарной артерии у молодых взрослых. Американский журнал профилактической медицины. 2010 Dec; 39 (6): 546 – 554. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
36. Филд А.Е., Винг Р.Р., Мэнсон Дж.Е., Шпигельман Д.Л., Уиллетт В.К. Связь большой потери веса с долгосрочным изменением веса среди молодых и средних лет женщин США. Международный журнал ожирения и связанных с ним нарушений обмена веществ: Журнал Международной ассоциации по изучению ожирения. 2001 Август; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Мориссетт М., Ди Паоло Т. Вариации пола и эстрального цикла на крысах полосатое поглощение дофамина. Нейроэндокринология. 1993 Июль; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Бхатт Сандип Д., Длузен Дин Э. Различия в функции транспортера допамина у мышей CD-1 у самцов и самок. Исследования мозга. 2005 Фев 28; 1035 (2): 188 – 195. doi: 10.1016 / j.brainres.2004.12.013. [PubMed] [Крест Ref]
39. Олликайнен Мийна, Смит Кэтрин Р, Джу Эрик Джи-Хун, Хонг Киат Нг, Андроникос Роберта, Новакович Борис и др. Анализ метилирования ДНК множественных тканей новорожденных близнецов позволяет выявить как генетические, так и внутриматочные компоненты в вариабельности эпигенома новорожденных человека. Молекулярная генетика человека. 2010 Ноябрь 1; 19 (21): 4176 – 4188. [PubMed]
40. Томпкинс Джошуа Д., Холл Кристин, Чен Винсент Чан-и, Ли Артур Сюэцзюнь, У Сивэй, Сюй Давид и др. Эпигенетическая стабильность, адаптивность и обратимость в эмбриональных стволовых клетках человека. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 2012 Июль 31; 109 (31): 12544 – 12549. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]