Zvrat dysfunkcie dopamínového systému v reakcii na diétu s vysokým obsahom tukov (2013)

, Autorský rukopis; dostupné v PMC 2014 Jun 1.

Publikované v konečnom upravenom formulári ako:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

abstraktné

Objektívne

Ak chcete otestovať, či diéta s vysokým obsahom tuku (HFD) znižuje dopaminergný tón v odmeňovaných oblastiach mozgu a hodnotí, či sa tieto zmeny po odstránení HFD zvrátili.

Návrh a metódy

Myši a samice myší boli kŕmené 60% HFD počas 12 týždňov. Ďalšia skupina bola hodnotená 4 týždne po odstránení HFD. Tieto skupiny sa porovnávali s kontrolnými krmivami s kontrolnou vzorkou. Uprednostňovala sa sacharóza a sacharín spolu s expresiou mRNA génov súvisiacich s dopamínom prostredníctvom RT-qPCR. Dopamín a DOPAC boli merané vysokoúčinnou kvapalinovou chromatografiou. Metylácia DNA DAT promótora bola meraná metylovanou DNA imunoprecipitáciou a RT-qPCR.

výsledky

Po chronickej HFD sa znížila preferencia sacharózy a potom sa po odstránení HFD normalizovala. Pozorovala sa znížená expresia dopamínových génov, znížený obsah dopamínu a zmeny metylácie DAT promótora. Dôležité je, že reakcia na HFD a pretrvávanie zmien záviseli od pohlavia a oblasti mozgu.

Závery

Tieto údaje identifikujú znížený dopamínový tón po chronickom HFD s časným životom s komplexným vzorom zvratu a perzistencie, ktorý sa líši podľa pohlavia a oblasti mozgu. Zmeny CNS, ktoré sa nevrátili po vysadení HFD, môžu prispieť k ťažkostiam pri udržiavaní straty hmotnosti po zásahu do diéty.

Kľúčové slová: Dopamín, diéta s vysokým obsahom tukov, DAT, pohlavné rozdiely, obezita, vysadenie, metylácia DNA

úvod

Nadmerná konzumácia široko dostupných, kaloricky hustých, chutných potravín sa považuje za hlavný faktor prispievajúci k vysokej miere obezity v USA (). Vzhľadom k tomu, že chutné potraviny sú často konzumované po splnení energetických požiadaviek, odmeňovanie vlastností chutných potravín môže prevážiť nad signálmi sýtosti. Mnohé neurotransmitery hrajú úlohu v správaní potravy (napr. Opioidy, dopamín, GABA, serotonín), ako aj integráciu signálov periférnych živín (napr. Leptín, inzulín, ghrelín). Dopamínová signalizácia je kľúčovým sprostredkovateľom pri odmeňovaní potravín a pri hľadaní odmeny, pretože dopamín v mezolimbickej / mezokortikálnej oblasti je spojený s odmeňujúcimi vlastnosťami potravín, pohlavia a drog závislostí (). Akútne, chutné jedlo spôsobuje vzplanutie dopamínu v centrálnom systéme odmeňovania (,). S chronickou konzumáciou odmeňovania potravín môže zvýšené uvoľňovanie dopamínu v priebehu času viesť k prispôsobeniam, ktoré sú spojené s hypo-funkciou odmeny.

Niekoľko línií dôkazov podporuje hypotézu o zmene funkcie dopamínu v obezite. Štúdie zobrazovania na ľuďoch ukázali otupenú aktiváciu v odmeňovaných regiónoch obéznych pacientov pri vypití vysoko chutného roztoku (mliečny koktail) (). Odozva na otupenú odmenu bola spojená s nižšou dostupnosťou D2 v mozgovom dopamínovom receptore. V skutočnosti boli mutácie v ľudskom receptore dopamínu D2 spojené s obezitou aj závislosťou (). Obsah dopamínu v synapse je do značnej miery kontrolovaný vychytávaním dopamínového transportéra (DAT). Hladiny dopamínového transportéra sú negatívne korelované s indexom telesnej hmotnosti a genetické varianty DAT sú tiež spojené s obezitou (,). Zvieracie modely obezity preukázali pokles bazálneho extracelulárneho dopamínu a redukciu dopamínovej neurotransmisie v nucleus accumbens a ventrálnej tegmentálnej oblasti (,,). Pokles génov súvisiacich s dopamínom po chronickej strave s vysokým obsahom tukov (HF) naznačuje zníženie signalizácie v odmeňovaných regiónoch (, ,,). Toto zníženie dopamínovej aktivity po chronickej diéte s vysokým obsahom tukov môže znížiť citlivosť na prirodzené odmeny a uľahčiť pokračujúcu nadmernú spotrebu a ďalší nárast telesnej hmotnosti.

Skorý život je kritickým obdobím vo vývoji mozgu a skoré nutričné ​​prostredie môže ovplyvniť mozgové cesty, ktoré riadia príjem potravy a energetický metabolizmus. Včasné vystavenie myší diéte s vysokým obsahom tuku po dobu len jedného týždňa zmenilo príjem kalórií u dospelých a expresiu signálnych molekúl súvisiacich s dopamínom (). Včasná postnatálna výživa u myší, poháňaná malým počtom vrhu počas laktácie, predisponuje potomstvo k obezite dospelosti zmenou vývoja hypotalamu (). Hoci je jasné, že včasná výživa života môže ovplyvniť vývoj mozgu a riziko obezity, o relatívnej stálosti týchto zmien v priebehu celého života sa vie len málo. Okrem toho, predchádzajúce štúdie boli vykonané u samcov, ale samice boli v tejto súvislosti zriedkavo študované. Na tieto účely sa študovali samce aj samičky myší na zmeny v génovej expresii a metabolizme dopamínu po tom, čo boli obézne v ranom veku prostredníctvom chronickej konzumácie HF stravy od narodenia až do veku 8 týždňov. Systém dopamínu bol tiež hodnotený 4 týždne po odstránení HF stravy, aby sa zistilo, či zmeny pretrvávajú alebo sa zvrátia.

Metódy a postupy

Zvieratá a experimentálny model

Samice C57BL / 6J boli chované samcami DBA / 2J (The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME). Všetky matky boli kŕmené štandardnou kontrolnou diétou (#5755; 18.5% proteín, 12% tuku, 69.5% sacharidov) až do pôrodu, keď polovica matiek / vrhy bola umiestnená na diétu s vysokým obsahom tukov (Test Diet, Richmond, IN #58G9; 18%; proteín, 60% tuku a 20.5% sacharidov). Potomkovia boli odstavení vo veku 3 týždňov a zostali na kontrolnej diéte alebo diéte s vysokým obsahom tuku až do veku 12 týždňov. Telesná hmotnosť bola zaznamenávaná týždenne a boli použité myši (n = 5 – 10) a samice (n = 5 – 10). Inštitucionálny výbor pre starostlivosť o zvieratá a používanie (IACUC) Univerzity v Pensylvánii schválil všetky postupy.

Preferencia sacharózy a sacharínu

V samostatných experimentoch boli myši samostatne umiestnené (n = 8-10 / skupina) v štandardných klietkach po dobu 3 dní s jednou fľašou 200 ml testovaného roztoku (4% sacharóza alebo roztok 1% sacharínu (w / v)) a ďalšie. fľaša s 200 ml vody z vodovodu. Dom bol k dispozícii podľa chuti, Merali sa sacharóza (ml), voda (ml) a spotreba potravy (g) a umiestnenie fliaš sa obrátilo denne. Preferencia bola vypočítaná s použitím priemeru meraní z posledných 2 dní nasledovne: preferencia% = [(spotreba sacharózy / sacharóza + spotreba vody) × 100].

Genomická DNA a izolácia totálnej RNA z mozgu

Zvieratá (n = 5 / skupina) boli usmrtené predávkovaním oxidom uhličitým, po ktorom nasledovala cervikálna dislokácia; metóda odporúčaná Panelom pre eutanáziu Americkej veterinárnej lekárskej asociácie. Mozgy sa potom rýchlo odstránili a umiestnili do RNAlater (Ambion, Austin, TX) pre 4-6 hodín pred pitvou. Disekcie mozgu na izoláciu prefrontálneho kortexu, nucleus accumbens a ventrálnej tegmentálnej oblasti boli uskutočnené tak, ako bolo opísané vyššie (,, ). Genomická DNA a celková RNA sa izolovali súčasne s použitím súpravy AllPrep DNA / RNA Mini Kit (Qiagen).

Analýza génovej expresie kvantitatívnou PCR v reálnom čase

Pre každú jednotlivú vzorku sa použila 500ng celkovej RNA v reverznej transkripcii s použitím vysokokapacitnej reverznej transkripčnej súpravy (ABI, Foster City, CA). Expresia cieľových génov sa stanovila kvantitatívnou RT-PCR s použitím génovo špecifických Taqman sond s Taqman génovou expresiou Master Mix (ABI) na ABI7900HT Real-Time PCR Cycler. Génové sondy sú uvedené v zozname doplnkového materiálu, Relatívne množstvo každého transkriptu sa určilo s použitím hodnôt delta CT, ako bolo opísané vyššie v (). Zmeny v expresii génu boli vypočítané proti nezmenenému GAPDH štandardu.

Ex vivo dopamínové a dopamínové metabolity

Vysokoúčinná kvapalinová chromatografia (HPLC) sa použila na meranie obsahu dopamínu a jeho metabolitov v mesolimbických oblastiach odmeňovania mozgu (n = 8 – 12), ako bolo opísané vyššie (,). Mozgy sa odobrali zo zvierat a rozdelili do pravej a ľavej hemisféry. Nac a PFC sa oddelili a rýchlo zmrazili suchým ľadom a uskladnili pri -80 ° C. Tkanivo sa pripravilo na analýzu homogenizáciou v kyseline chloristej 0.1 N, odstredilo pri 15,000 rpm pre 15 min pri 2-8 ° C a supernatant sa prefiltroval. Vzorky sa analyzovali pomocou Bioanalytical Systems HPLC (West Lafayette, IN, USA) s použitím LC-4C elektrochemického detektora. Vzorky (12 ul) boli injikované do kolóny s reverznou fázou v mikrobore s prietokovou rýchlosťou 0.6 ml / min a elektrodetekciou nastavenou na + 0.6 V. Separácia metabolitov dopamínu a dopamínu bola uskutočnená mobilnou fázou obsahujúcou 90-mM octan sodný, 35-mM kyselina citrónová, 0.34-mM kyselina etyléndiamíntetraoctová, 1.2-mM oktylsulfát sodný a 15% metanol v / v pri pH 4.2. Zmerali sa výšky píkov vzoriek a porovnali sa so štandardmi pre dopamín a jeho metabolit 3,4-kyselina dihydroxyfenyloctová (DOPAC).

Test metylovanej DNA imunoprecipitácie (MeDIP)

MeDIP test bol uskutočnený s použitím súpravy MagMeDIP (Diagenode, Denville, NJ). Metylovaná DNA bola imunoprecipitovaná s použitím 0.15ul magnetických perličiek potiahnutých anti-5metylcytidínovou protilátkou (Diagenode) alebo myším preimunitným sérom. Obohatenie v MeDIP frakcii sa určilo kvantitatívnou RT-PCR použitím ChIP-qPCR Assay Master Mix (SuperArray) na ABI7900HT Real-Time Cycler. Pre všetky testované gény boli získané priméry od firmy SuperArray (ChIP-qPCR testy (-01) kb dlaždice, SuperArray) na amplifikáciu genómových oblastí zahŕňajúcich CpG miesta umiestnené približne 300-500 bp upstream od miest štartu transkripcie. Výsledky MeDIP boli vyjadrené ako násobok obohatenia imunoprecipitovanej DNA pre každé miesto. Na výpočet diferenciácie diferenciálneho obsadenia (% obohatenia) sa hodnoty CT frakcie MeDIP DNA normalizovali na vstupné hodnoty CT frakcie DNA.

štatistika

Analýza génovej expresie sa uskutočnila použitím Student T-testu porovnávajúceho staršie zodpovedajúce kontroly s HF a HF + regeneračnými skupinami. Úroveň alfa bola upravená pre sledované viacnásobné oblasti mozgu. Význam génu použitého v jednej oblasti mozgu bol p = .05; pre dve oblasti, p = 0.025, pre oblasti mozgu 3 p = .016. Prednosť sacharózy, preferencia sacharínu, HPLC a MEDIP, telesné hmotnosti a kortikosterónový test sa analyzovali pomocou jednosmernej ANOVA na porovnanie kontrolných, HF a HF + skupín. Post-hoc Bonferonniho viacnásobné porovnávacie testy boli použité na porovnanie párových rozdielov medzi skupinami. Význam pre tieto testy bol stanovený na úrovni alfa p = .05.

výsledky

Myši mali nepretržitý prístup k kontrolnej strave (kontrola) alebo k 60% diéte s vysokým obsahom tukov (HFD) až do veku 12 týždňov. Vo veku 12 týždňov sa polovica zvierat kŕmených HF umiestnila na 4 týždne do domácej stravy (zotavenie HF +). U mužov aj u žien boli zvieratá s HFD (kruhy) ťažšie ako kontroly začínajúce vo veku 9 týždňov (p <05) a zostali ťažšie ako kontroly počas celého obdobia zotavenia (Doplnkový obrázok 1).

Testy preferencie sacharózy a sacharínu boli podávané na posúdenie reakcie zvierat na prirodzené a neudržiavajúce stimuly. Preferencia sacharózy, ale nie preferencia sacharínu, sa zmenila po expozícii HF diéty a vrátila sa na normálne hodnoty po obnovení HFD u mužov a žien. Jednosmerná ANOVA odhalila signifikantné zníženie preferencie sacharózy u mužov (Obrázok 1A) a smerovali k poklesu u žien (Obrázok 1B) po expozícii HFD (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06, v uvedenom poradí). Po odstránení HFD sa toto správanie normalizovalo a preferencia sacharózy sa už nelíšila od kontrol. Preferencia sacharínu sa nezmenila ani u jedného muža (Obrázok 1C) alebo ženy (Obrázok 1D) v dôsledku vystavenia HFD.

Obrázok 1 

Preferencia sacharózy, ale nie preferencia sacharínu sa mení po expozícii s vysokým obsahom tukov (HFD) a vracia sa ku kontrolným úrovniam po obnovení HFD u mužov a žien.

Pretože dopamín je kľúčovým regulátorom odmeňovania, expresia génu súvisiaca s dopamínom bola skúmaná v rámci odmeňovania obvodov oddelenej kohorty samcov a samíc po týždňoch 12 na HFD av ďalšej skupine po zotavení z 4 týždňov z HFD. Tabuľka 1 sumarizuje vzory génovej expresie a štatistickú analýzu vo VTA, PFC a NAc. V VTA sa merali tri gény dôležité pri regulácii hladín dopamínu na synaptických termináloch: katecholalamín metyl transferáza (COMT) podieľajúca sa na inaktivácii katecholamínových neurotransmiterov; dopamínový transportér (DAT), membránové čerpadlo, ktoré odstraňuje dopamín zo synapsie a tyrozínhydroxylázu (TH), enzým obmedzujúci rýchlosť syntézy dopamínu. Hodnoty preloženia zmeny pre každú skupinu boli stanovené s použitím starších kontrolných kontrol (napr. Oba kontrolné časové body sú nastavené na 1, a pre prehľadnosť je na grafe znázornená len kontrola pre HFD). Študentský t-test (n = 5 / skupina) odhalil u samcov VTA, že COMT, DAT a TH mRNA boli významne znížené expozíciou HFD (Obr. 2A) a vrátili sa na úroveň kontroly alebo ju prekročili po období zotavenia mimo diéty (HF + regenerácia).

Obrázok 2 

Chronická diéta s vysokým obsahom tukov (HFD) a zotavenie po HFD mení expresiu génu dopamínu u mužov a žien.
Tabuľka 1 

Zhrnutie expresie génov a štatistika u mužov

V PFC a NAC sa skúmali gény dôležité pre dopamínovú signalizáciu a obrat dopamínu (n = 5 / skupina): COMT; proteínová fosfatáza 1 regulačná podjednotka 1B (DARPP-32), downstream signalizačný proteín regulovaný receptorovou stimuláciou; dopamínový receptor D1 (DRD1), postsynaptický receptor spojený s G-proteínom, ktorý stimuluje adenylyl cyklázu; a dopamínový receptor D2 (DRD2), postsynaptický receptor spojený s G-proteínom, ktorý inhibuje adenylyl cyklázu. V mužskom PFC (Obrázok 2B), DARPP-32 bol zvýšený, zatiaľ čo DRD1 a DRD2 boli znížené po expozícii HFD a tieto zmeny pretrvávali po odstránení HFD (hoci zvýšenie mRNA DARPP-32 nebolo štatisticky spoľahlivé). V mužskom NAC (Obrázok 2C), COMT, DRD1 a DRD2 boli znížené expozíciou HFD a zostali pod úrovňou kontroly po odstránení HFD. Hladiny DARPP-32 sa zvýšili HFD, ale signifikantne sa znížili z kontrol po týždňoch 4 mimo HFD.

Rovnaké oblasti mozgu a gény sa skúmali u samíc myší (n = 5 / skupina). Ako je znázornené na obrázku Tabuľka 2boli pozorované signifikantné rozdiely vo vzore génovej expresie ako odozva na HFD, ako aj na zotavenie zo stravy. Podobne ako u mužov, aj v prípade VTA sa hladiny mRNA COMT a TH významne znížili po expozícii HFD (Obr. 2D). Na rozdiel od samcov však tieto zmeny pretrvávali aj po odstránení HFD. Ďalej, v priamej opozícii k vzoru pozorovanému u samcov, expozícia HFD zvýšila expresiu mRNA DAT u VTA u žien a po odstránení hladín HFD boli dokonca nižšie ako kontroly zodpovedajúce veku. V PFC bol chronický HFD ovplyvnený len DARPP-32, s významným zvýšením hladín mRNA po HFD v týždni 12 a návratu k kontrolným hladinám po odstránení HFD. MRNA COMT aj D1R boli významne znížené po týždňoch 4 mimo HFD. U žien NAC, COMT, DRD1 a DRD2 boli všetky po expozícii HFD znížené (Obrázok 2F). DRD1 a DRD2 sa po odstránení diéty zotavili na kontrolu hladín, zatiaľ čo zostávajúce hladiny COMT zostali po obnovení 4wk významne znížené.

Tabuľka 2 

Zhrnutie expresie génov a štatistika u žien

Vzhľadom na konzistentný pokles génovej expresie génov regulujúcich dopamín v VTA boli metabolity dopamínu a dopamínu kvantifikované v oblastiach, ktoré dostávajú projekcie z VTA, PFC a NAC. Obrázok 3 ukazuje dopamín (DA) a dopamínový metabolit (DOPAC) z PFC a NAC u mužov (\ tObr. 3A, 3C) a ženy (Obr. 3B, 3D). U mužov spôsobila expozícia HFD pokles hladín dopamínu v PFC (Obrázok 3A) a NAC (\ tObr. 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), ktorý sa zotavil po odstránení HFD iba v NAC. Obrat dopamínu (pomer DOPAC: DA) sa zvýšil u mužského PFC (F (2,12) = 3.85, p <05) a NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Naproti tomu bol vplyv HFD na DA a DOPAC u žien kvalitatívne odlišný ako u mužov. V PFC neovplyvňoval HFD hladiny DA alebo DOPAC. V NAc boli hladiny DA znížené u zvierat kŕmených HFD a zostali znížené aj po odstránení HFD (Obrázok 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). Hladiny DOPAC sa nezmenili v NAc žien, čo malo za následok zvýšenie obratu DA (pomer DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <01).

Obrázok 3 

Pokles hladiny dopamínu v PFC a NAC po HFD od narodenia a zmiešaného zotavenia po odstránení HFD

Vzhľadom na to, že DAT transkripcia môže byť regulovaná diferenciálnou DNA metyláciou a pozorovaním pozoruhodného rozdielu medzi pohlaviami v expresii DAT vo VTA, bola skúmaná DNA metylácia v promótorovej oblasti DAT. v Obrázok 4A, 4C Expresia DAT génu vo VTA je opäť prezentovaná kvôli jasnosti (prevzatá z. \ T Obr. 2A a 2D). Metylácia DAT promótora bola významne zvýšená u mužov (Obrázok 4B) po HFD a vrátili sa na kontrolné hladiny u mužov s HFD + zotavením (F (2,11) = 23.64, p <01). U žien metylácia DAT promótora smerovala k poklesu u zvierat s HFD (D) a bola významne znížená u žien s HFD + zotavením (obr. 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

Obrázok 4 

Zmeny v stave metylácie DNA DAT promótora paralelné zmeny v génovej expresii vo VTA

Na posúdenie toho, či odstránenie HFD v období zotavenia bolo stresorom, boli prijaté základné hladiny kortikosterónu v plazme (ug / dl) pri kontrole, HFD vystavené (12 týždne), zotavenie HFD + 1wk a obnovovacie skupiny HFD + 4wk (n = 5 / skupina, Dodatočný obrázok 2). Jednosmerná ANOVA neodhalila žiadne významné rozdiely medzi skupinami u samcov (F (3,16) = 3.21, ns).

Diskusia

Chronická konzumácia diéty s vysokým obsahom tuku (HFD), ktorá sa začala v ranom veku, sa použila na stanovenie obezity vyvolanej diétou u myší. Myši vykazovali zníženú preferenciu sacharózy a dôkaz zníženého dopaminergného tonusu v odmeňovaných oblastiach mozgu. Po týždňoch 4 mimo HFD sa preferencia sacharózy normalizovala u mužov aj u žien, avšak niektoré zmeny expresie dopamínového génu pretrvávali. Tieto experimenty poskytujú dôležité nové údaje popisujúce účinok chronického HFD na systém odmeňovania mozgu, pričom zvýrazňujú schopnosť obnovy a kľúčové rozdiely medzi pohlaviami medzi mužskými a ženskými myšami.

U zvierat kŕmených HFD sa pozorovala znížená preferencia sacharózy, ktorá sa po období zotavenia obrátila. Tieto zistenia rozširujú našu predchádzajúcu správu o príjme HFD, ktorá vedie k zníženej preferencii sacharózy () preukázaním, že to môže nastať pri kratšom trvaní expozície HFD (týždne 12 oproti týždňom 22), a čo je dôležité, že odpoveď sa obnovuje v neprítomnosti HFD. Samice myší vykazovali rovnaký vzor odpovede ako muži. Tieto zistenia sú v súlade s ostatnými v literatúre, ktoré ukázali prostredníctvom zahrnutia skupiny s dvojitým krmením, že chronická HFD, a nie obezita per se, zmierňuje odpoveď na sacharózu v operatívnej úlohe (). Podobne v súčasnej štúdii sa preferencia sacharózy obnovila po týždňoch 4 mimo HFD, zatiaľ čo telesná hmotnosť zostala výrazne zvýšená, čo podporuje záver, že znížená preferencia sacharózy bola ovplyvnená expozíciou HFD a nie sprievodným prírastkom telesnej hmotnosti. Obzvlášť zaujímavé bolo, že nedošlo k žiadnej zmene preferencie sacharínu. To môže naznačovať, že chronická HFD odlišne ovplyvňuje odozvu na kalorickú a nekalorickú sladkú odmenu. Ukázalo sa, že požitie má vplyv na preferenciu nezávislú od chutnosti, pretože sa zistilo, že príjem sacharózy indukuje uvoľňovanie dopamínu u „sladko slepých“ myší s vyradeným receptorom chuti (), je nutná nutričná hodnota pre odmenu a posilnenie (\ t) a v metabolickej dráhe závislej od chuti boli v drosofile definované cesty \ t). Sacharín je významne sladší ako sacharóza, preto bolo vyvinuté úsilie na dosiahnutie ekvivalencie v sladkosti (zvyčajne 4 – 10x vyššia koncentrácia sacharózy ()), ale celková preferencia sacharínu bola u týchto zvierat nižšia ako u sacharózy. Alternatívnym vysvetlením preto môže byť, že HFD diferencovane ovplyvnila preferenciu sacharózy, pretože bola relatívne výhodnejšia ako sacharín (vysoká odmena vs. nízka hodnota), hoci zvieratá stále preukazovali silnú preferenciu sacharínu (~ 75 – 80% prefekcia sacharínu v porovnaní na ~ 85 – 90% preferencie pre sacharózu).

Celkovo sa expresia dopaminergného génu v rámci VTA, NAc a PFC znížila u samcov myší po chronickej HFD. Tieto zistenia sú v súlade s inými štúdiami, ktoré pozorovali pokles génov súvisiacich s dopamínom v reakcii na HFD (,,). Zníženie expresie a funkcie receptora dopamínu D2 sa pozorovalo v štúdiách zobrazovania u ľudí (\ t, ) a modely obezity hlodavcov (\ t, ). Znížená signalizácia dopamínu znižuje citlivosť na prirodzené odmeny a môže preto uľahčiť pokračujúcu nadmernú spotrebu chutných potravín a ďalší nárast telesnej hmotnosti (,). Ďalej je známe, že narušená homeostáza dopamínu riadená zníženou povrchovou expresiou DAT vedie k zvýšenému príjmu diéty s vysokým obsahom tuku (). Výnimka z tohto vzoru bola pozorovaná u DARPP-32, dopamínového a cyklického AMP-regulovaného fosfoproteínu, ktorý sa zvýšil po HFD v NAc a PFC. DARPP-32 hrá kľúčovú úlohu pri integrácii rôznych biochemických a behaviorálnych odpovedí kontrolovaných dopamínom. Je možné, že regulácia DARPP-32 bola kompenzačná ako odpoveď na chronickú downreguláciu D1R. V podobnom modeli (12 WK HFD u myší) sa preukázalo, že regulácia D1R bola porovnaná so zvýšením fosforylácie DARPP-32 v NAc ().

Niekoľko štúdií skúmalo schopnosť obnovy týchto zmien po odstránení HFD. V dvoch nedávnych správach však zmeny génovej expresie a defekty systému odmeňovania pretrvávali aj po krátkom období prerušenia liečby (14 – 18d) (, ). Naproti tomu štúdie na obéznych pacientoch pred a po chirurgickom zákroku žalúdočného bypassu ukázali reverziu dopaminergných zmien po dlhšom období úbytku hmotnosti (). U samcov sa model zotavenia líšil podľa oblasti mozgu. Vo VTA boli pozorované poklesy COMT, DAT a TH normalizované odstránením HFD. Naproti tomu všetky zmeny expresie génov pozorované v NAc a PFC neboli normalizované. V súčasnej štúdii viedla chronická HFD k významnému nárastu hmotnosti a po 4 týždňoch mimo diéty boli zvieratá stále výrazne ťažšie ako kontroly. Následné metabolické a hormonálne zmeny, ktoré sprevádzajú obezitu (napr. Zvýšený leptín, zvýšené adipokíny), boli pravdepodobne ešte prítomné v týždňoch 4 mimo diéty. Zmeny génovej expresie, ktoré sa normalizovali (napr. Vo VTA), mohli byť primárne riadené HFD, zatiaľ čo tie, ktoré boli udržiavané (v NAc a PFC), môžu byť pevnejšie spojené s obezitou. Udržanie úbytku hmotnosti diétou je charakteristicky nízke (s 67% () na 80% () pacientov, ktorí znovu nadobudli stratenú hmotnosť). Toto pretrvávanie zmien génovej expresie v regiónoch odmeňovania by mohlo byť dôležité pri čiastočnom vysvetľovaní tohto spoločného výskytu. Je tiež dôležité poznamenať, že pozorované zmeny v správaní a génovej expresii pravdepodobne nie sú spôsobené stresom spojeným so zmenou diéty, pretože na HFD alebo po obnovení 1wk alebo 4wk nedošlo k žiadnym významným zmenám v bazálnych hladinách kortikosterónu v plazme.

Boli odhalené zaujímavé rozdiely medzi pohlaviami, a to ako v odpovedi na chronickú HFD, tak v reakcii na odstránenie diéty. Samice boli podobné mužom v celkovom poklese génov súvisiacich s dopamínom, ktoré by predpovedali pokles aktivity DA, najmä vo VTA a NAc. Jedným z pozoruhodných rozdielov medzi pohlaviami bolo zvýšenie expresie mRNA DAT v samičej VTA po HFD. Tento rozdiel v génovej expresii, spojený s podobným znížením expresie génu TH u oboch pohlaví, by naznačoval významné rozdiely v dopamínovej neurotransmisii v rámci NAc, a to ako na konci expozície HFD, tak aj po období zotavenia. Významnejšie zameranie budúceho výskumu je väčšie uznanie funkčného významu týchto rozdielov.

Okrem toho, zatiaľ čo COMT a TH sa znížili u samcov VTA, tieto poklesy pretrvávali u žien po týždni 4 mimo HFD. Je ešte potrebné určiť, či by sa tieto rozdiely obracali s dlhším časovým odstupom od stravy, podporuje však záver, že ženy sú prinajmenšom pomalšie zotaviť sa, ak sa vôbec zotavia. Zmeny génovej expresie D1R a D2R v NAc a PFC boli medzi mužmi a ženami celkom odlišné. U samcov nastal všeobecný pokles génovej expresie v oboch oblastiach, ktoré prevažne pretrvávali po odstránení diéty. U žien sa D1R a D2R znížili v NAc a potom sa obnovili, ale na PF receptoroch sa neprejavil žiadny účinok HFD na dopamínové receptory. V súčasných štúdiách sa samice zvierat usmrtili bez toho, aby sa uvažovalo o estrovom štádiu. Hoci je známe, že niektoré pozorované koncové body sa líšia v celom cykle estrusov, samičky v tejto štúdii nepreukázali zvýšenú variabilitu naprieč koncovými bodmi, najmä v porovnaní s účinkom manipulácie s diétou.

Na doplnenie zistení génovej expresie sa meral dopamín v primárnych projekčných oblastiach VTA, konkrétne PFC a NAc. Hladiny dopamínu viedli k paralelným zmenám pozorovaným v mRNA TH vo VTA. V NAc samcov aj samíc sa hladiny DA znížili v reakcii na HFD diétu; odpoveď, ktorá sa obnovila u samcov, ale nie u žien. V PFC boli HFD tiež znížené hladiny dopamínu, avšak v PFC nedošlo k zotaveniu zo stravy. Okrem toho, samice mali nižšie hladiny dopamínu v prefrontálnom kortexe ako muži. Sexuálne rozdiely v expresii a funkcii DAT sú v literatúre dobre známe, pričom samice vykazujú zvýšenú expresiu DAT () a funkcie () a tieto rozdiely môžu prispieť k rôznym základným hladinám dopamínu medzi mužmi a ženami. Skúmanie pomeru DOPAC: DA je tiež informatívne. Zvýšenie tohto pomeru mohlo odrážať kompenzačnú odozvu vyvolanú poklesmi v DA. Dlhodobý funkčný význam týchto zmien v metabolizme dopamínu by bol osvetlený meraním zmien v uvoľňovaní dopamínu použitím in vivo mikrodialýza.

Okrem toho tieto údaje identifikujú dynamickú reguláciu metylácie DNA v promótore génu DAT, najmä u samcov. Nedávno sme preukázali, že expresia DAT môže byť dynamicky regulovaná diferenciálnou DNA metyláciou ako odpoveď na HFD () a že zvýšená metylácia DAT promótora koreluje so znížením expresie génu. Tu identifikujeme plasticitu tejto odozvy, keďže zvýšená metylácia DNA (a znížená expresia mRNA) pozorovaná u samcov sa mení po odstránení HFD. Regulácia epigenetických génov, napríklad prostredníctvom zmien metylácie DNA, predstavuje cestu, ktorou sa organizmy môžu ľahko prispôsobiť environmentálnym výzvam. Epigenetické značky môžu byť zachované počas celého života () a v kultivovaných embryonálnych kmeňových bunkách boli pozorované reverzibilné aj perzistentné vzorce diferenciácie DNA metylácie v reakcii na meniace sa podmienky prostredia (). Tieto údaje ako prvé demonštrujú in vivo dynamický vzor metylácie, ktorý sa mení s prítomnosťou alebo neprítomnosťou environmentálnej výzvy. Bolo pozoruhodné, že tento model nebol pozorovaný u žien. Zatiaľ čo počiatočná odozva na HFD bola, ako sa predpokladalo (znížená metylácia DNA, čo viedlo k zvýšenej expresii génu), tento model nebol udržiavaný počas celého obdobia zotavenia. To naznačuje, že metylácia DNA a expresia génu sa môže stať nespojeným počas štyroch týždňov mimo HFD alebo môže naznačovať, že DAT mRNA je u žien regulovaná inými prostriedkami.

U samcov, preferencia sacharózy, expresia génu súvisiaca s DA vo VTA a dopamín v NAc sledujú konzistentný model supresie v reakcii na chronický HFD, ktorý sa obnovuje po odstránení diéty. Zaujímavé je, že zatiaľ čo behaviorálne reakcie na sacharózu sú u samíc podobné, tak vzor génovej expresie, ako aj hladiny NAc dopamínu vykazujú nedostatok odstránenia po odstránení HFD. Správanie súvisiace s odmeňovaním je jasne ovplyvnené ďalšími systémami neurotransmiterov, ako sú opioidy a možno u žien, behaviorálna odpoveď na sacharózu je silnejšie spojená so zmenami v opioidoch. Súčasné údaje celkovo naznačujú, že rozdiely medzi pohlaviami v počiatočnej odpovedi na HFD, ako aj na zotavenie po odstránení HFD, pokiaľ ide o expresiu génov súvisiacich s dopamínom, predstavujú dôležitý smer pre budúci výskum zameraný na to, ako chronická spotreba HFD ovplyvňuje systém odmeňovania mozgov. Najmä tieto údaje identifikujú významnú plasticitu v dopaminergnej odpovedi na HFD, čo naznačuje, že zatiaľ čo nepriaznivé účinky chronickej spotreby HFD a / alebo obezity sú významné, existuje potenciál pre zotavenie.

Čo je o tejto téme už známe

  • Expresia a funkcia dopamínového receptora je u obéznych pacientov znížená
  • Chronická expozícia vysokotučnej diéte spôsobuje zmeny génov súvisiacich s dopamínom a odmeňovanie
  • Dopamínová neurotransmisia sa mení u obéznych hlodavcov.

Čo tento rukopis pridáva k téme

  • Identifikácia pohlavných rozdielov v odpovedi CNS na diétu s vysokým obsahom tuku.
  • Vyhodnotenie plasticity dopaminergných zmien po odstránení diéty s vysokým obsahom tuku.
  • Identifikácia dynamických zmien metylácie DNA v reakcii na diétu s vysokým obsahom tuku

Doplnkový materiál

Poďakovanie

Táto práca bola podporená nasledujúcimi grantmi: MH087978 (TMR), MH86599 (IL) a T32 GM008076 (JLC).

poznámky pod čiarou

 

Vyhlásenie o konflikte záujmov

Autori nemajú žiadne konflikty na zverejnenie.

 

Referencie

1. Swinburn B, Sacks G, Ravussin E. Zvýšené dodávky potravinovej energie sú viac než dostatočné na vysvetlenie epidémie obezity v USA. Am J Clin Nutr. 2009, 90: 1453-1456. [PubMed]
2. Fibiger HC, Phillips AG. Mezokortikolimické dopamínové systémy a odmena. Ann NY Acad Sci. 1988, 537: 206-215. [PubMed]
3. Hernandez Luis, Hoebel Bartley G. Odmena za potraviny a kokaín Zvyšujú extracelulárny dopamín v Nucleus Accumbens, merané pomocou mikrodialýzy. Vedy o živote. 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. Aktivácia mezolimbických dopamínových neurónov počas románu a opioidný protagonista LY255582 blokuje denný obmedzený prístup k chutným potravinám. American Journal of Physiology - Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 2008 1. augusta; 295 (2): R463 – R471. [PubMed]
5. Stice E, Spoor S, Bohon C, Malé DM. Vzťah medzi obezitou a bluntovanou striatálnou odpoveďou na potravu je moderovaný alelou TaqIA A1. Science. 2008, 322: 449-452. [Článok bez PMC] [PubMed]
6. Noble EP, Blum K, Ritchie T, Montgomery A, Sheridan PJ. Alelická asociácia D2 dopamínový receptorový gén s charakteristikami receptora viažuceho alkoholizmus. Arch Gen Psychiatr. 1991, 48: 648-654. [PubMed]
7. Chen PS, Yang YK, Yeh TL, Lee IH, Yao WJ, Chiu NT a kol. Korelácia medzi indexom telesnej hmotnosti a dostupnosťou transportéra striatálneho dopamínu u zdravých dobrovoľníkov - štúdia SPECT. Neuroimage. 2008, 40 (1): 275-279. [PubMed]
8. Potrebujete AC, Ahmadi KR, Spector TD, Goldstein DB. Obezita je spojená s genetickými variantmi, ktoré menia dostupnosť dopamínu. Annals of Human Genetics. 2006 máj; 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Geiger BM, Frank LE, Caldera-siu AD, Stiles L, Pothos EN. Nedostatok centrálneho dopamínu vo viacerých modeloch obezity. Chuti do jedla. 2007, 49 (1): 293.
10. Geiger BM, Haburcak M, Avena NM, Moyer MC, Hoebel BG, Pothos EN. Deficity mesolimbickej dopamínovej neurotransmisie u potkanovej obezity. Neuroscience. 2009 Apr 10; 159 (4): 1193 – 119. [Článok bez PMC] [PubMed]
11. Cone JJ, Robbins HA, Roitman JD, Roitman MF. Spotreba diéty s vysokým obsahom tuku ovplyvňuje fázové uvoľňovanie dopamínu a spätné vychytávanie v jadre nucleus accumbens. Chuti do jedla. 2010 Jun; 54 (3): 640.
12. Vucetic Zivjena, Carlin Jesselea, Totoki Kathy, Reyes Teresa M. Epigenetická dysregulácia dopamínového systému v obezite vyvolanej diétou. Journal of Neurochemistry. 2012 Jan 5; [Článok bez PMC] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Dopamín D1 Receptor Génová expresia Pokles v Nucleus Accumbens pri dlhodobej expozícii Palatable potravín a líši sa v závislosti od diétou indukovaného fenotypu obezity u potkanov. Neuroscience. 2010 Dec 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Johnson Paul M., Kenny Paul J. Dopamínové receptory D2 v závislosti od závislosti Dysfunkcia a kompulzívna konzumácia v obéznych potkanoch. Nature Neuroscience. 2010 máj; 13 (5): 635 – 641. [Článok bez PMC] [PubMed]
15. Huang Xu-Feng, Yu Yinghua, Zavitsanou Kateřina, Han Mei, Storlien Len. Diferenciálna expresia dopamínového D2 a D4 receptora a mRNA tyrozínhydroxylázy u myší je náchylná alebo rezistentná k chronickej obezite vyvolanej vysokými tukmi. Molekulárny výskum mozgu. 2005 Apr 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Teegarden SL, Scott AN, Bale TL. Expozícia s vysokým obsahom tukov v ranom veku podporuje dlhodobé zmeny v stravovacích preferenciách a centrálnu signalizáciu odmeňovania. Neuroscience. 2009 Sep 15; 162 (4): 924 – 932. [Článok bez PMC] [PubMed]
17. Bouret SG. Úloha skorých hormonálnych a nutričných skúseností pri formovaní kŕmneho správania a hypotalamického vývoja. Žurnál výživy. 2010 Jan 1; [PubMed]
18. Vucetic Z, Kimmel J, Totoki K, Hollenbeck E, Reyes TM. Diéta s vysokým obsahom tuku u matky mení metyláciu a génovú expresiu dopamínu a génov súvisiacich s opioidmi. Endocrinology. 2010 Oct; 151 (10): 0000 – 0000. [Článok bez PMC] [PubMed]
19. Reyes Teresa M, Walker John R., DeCino Casey, Hogenesch John B., Sawchenko Paul E. Kategoricky odlišné akútne stresové faktory, ktoré vyvolávajú rôzne transkripčné profily v paraventrikulárnom jadre hypotalamu. The Journal of Neuroscience: Úradný vestník spoločnosti pre neurovedy. 2003 Júl 2; 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Cleck Jessica N, Ecke Laurel E, Blendy Julie A. Endokrinné a génovej expresie Zmeny po nútenej plaveckej stresovej expozícii počas abstinencie kokaínu u myší. Psychopharmacology. 2008 Nov; 201 (1): 15 – 28. [Článok bez PMC] [PubMed]
21. Pfaffl MW. Nový matematický model pre relatívnu kvantifikáciu v reálnom čase rt-pcr. Nukleové kyseliny Res. 2001, 20: e45. [Článok bez PMC] [PubMed]
22. Mayorga AJ, Dalvi A, Page ME, Zimov-Levinson S, Hen R, Lucki I. Účinky správania podobné antidepresívam u myší s mutantmi 5-hydroxytryptamínu (1A) a 5-hydroxytryptamínu (1B). J. Pharmacol Exp Ther. 2001, 298: 1101-110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Reyes TM. Chronická diéta s vysokým obsahom tukov poháňa postnatálne epigenetické regulácie μ-opioidného receptora v mozgu. Neuropsychofarmakologie. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. vopred online publikáciu 16 Február 2011. [Článok bez PMC] [PubMed] [Cross Ref]
24. Davis JF, Tracy AL, Schurdak JD, Tschöp MH, Lipton JW, Clegg DJ a kol. Expozícia zvýšeným hladinám tuku v strave zmierňuje psychostimulačnú odmenu a mesolimbický obrat dopamínu u potkanov. Behav Neurosci. 2008; 122 (6) [Článok bez 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. Odmena potravín v neprítomnosti signalizácie receptora chuti. Neurón. 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. Chuť nespojená s výživou nedokáže udržať posilňujúce vlastnosti potravín. European Journal of Neuroscience. 2012 Aug; 36 (4): 2533 – 2546. [Článok bez PMC] [PubMed]
27. Dus Monica, Min SooHong, Keene Alex C, Lee Ga Young, Suh Greg SB. Detekcia kalorického obsahu cukru v Drosophile nezávislá od chuti. Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických. 2011 Júl 12; 108: 11644 – 11649. [Článok bez PMC] [PubMed]
28. Wang Gene-Jack, Volkow Nora D, Logan Jean, Pappas Naoml R, Wong Christopher T, Zhu Wel, Netusll Noelwah, Fowler Joanna S. Brain dopamín a obezita. Lancet. 2001, 357 (9253): 354-357. [PubMed]
29. Huang XF, Zavitsanou K, Huang X, Yu Y, Wang H, Chen F a kol. Hustota väzby dopamínového transportéra a D2 receptora u myší je náchylná alebo rezistentná voči chronickej obezite vyvolanej diétou s vysokým obsahom tuku. Behav Brain Res. 2006, 175 (2): 415-419. [PubMed]
30. Fortuna Jeffrey L. Epidémia obezity a závislosť na potravinách: Klinická podobnosť s drogovou závislosťou. Journal of Psychoactive Drugs. 2012 Mar; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Koob George F, Moal Michel Le. Závislosť a mozgový antireward systém. Ročný prehľad psychológie. 2008, 59: 29-53. [PubMed]
32. Speed ​​Nicole, Saunders Christine, Davis Adeola R, Anthony Owens W, Matthies Heinrich JG, Saadat Sanaz, Kennedy Jack P a kol. Poškodená signalizácia striatálneho Akt narušuje homeostázu dopamínu a zvyšuje kŕmenie. PLoS ONE. 2011 Sep 28; 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [Článok bez PMC] [PubMed] [Cross Ref]
33. Sharma S, Fulton S. Dieta-indukovaná obezita Podporuje depresívne správanie, ktoré je spojené s nervovými adaptáciami v cirkulácii odmeňovania mozgu. Medzinárodný žurnál obezity 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. Zmeny centrálnych dopamínových receptorov pred a po žalúdočnom bypassu. Operácia obezity. 2009 Oct 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Phelan Suzanne, Wing Rena R, Loria Catherine M, Kim Yongin, Lewis Cora E. Prevalencia a predpovede udržania hmotnosti v biracial kohorte: Výsledky z vývoja rizika koronárnych tepien v štúdii mladých dospelých. American Journal of Preventive Medicine. 2010 Dec; 39 (6): 546 – 554. [Článok bez PMC] [PubMed]
36. Field AE, Wing RR, Manson JE, Spiegelman DL, Willett WC. Vzťah veľkej straty hmotnosti k dlhodobej zmene hmotnosti medzi mladými a strednými americkými ženami. Medzinárodný žurnál obezity a súvisiace metabolické poruchy: Vestník Medzinárodnej asociácie pre štúdium obezity. 2001 Aug; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Morissette M, Di Paolo T. Variácie pohlavných a estrálnych cyklov u potkaních striatálnych dopamínových odberových miest. Neuroendokrinologie. 1993 Júl; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Bhatt Sandeep D, Dluzen Dean E. Dopamínové transportné funkcie Rozdiely medzi samcami a samicami CD-1 Myši. Výskum mozgu. 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 a kol. Analýza metylácie DNA viacerých tkanív z novorodeneckých dvojčiat odhaľuje genetické aj intrauterinné zložky variácie v ľudskom novorodeneckom epigenome. Ľudská molekulárna genetika. 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 a kol. Epigenetická stabilita, adaptabilita a reverzibilita v ľudských embryonálnych kmeňových bunkách. Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických. 2012 Júl 31; 109 (31): 12544 – 12549. [Článok bez PMC] [PubMed]