Odprava disfunkcije dopaminskega sistema kot odziv na prehrano z visoko vsebnostjo maščob (2013)

. Avtorski rokopis; na voljo v PMC 2014 junij 1.

Objavljeno v končni obliki:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

Minimalizem

Cilj

Preveriti, ali dieta z visoko vsebnostjo maščob (HFD) zmanjšuje dopaminergični ton v nagradnih predelih možganov in oceniti, ali se te spremembe obrnejo po odstranitvi HFD.

Oblikovanje in metode

Moške in samice so bile v tednu 60 krmljene z 12% HFD. Dodatno skupino so ovrednotili 4 tedne po odstranitvi HFD. Te skupine so primerjale s kontrolnimi krmljenimi, skladnimi s starostjo. Prednostnost saharoze in saharina smo merili z izražanjem mRNA genov, povezanih z dopaminom, z RT-qPCR. Dopamin in DOPAC sta bila izmerjena s tekočinsko kromatografijo visoke ločljivosti. Metilacijo DNA promotorja DAT smo izmerili z metilirano imunoprecipitacijo DNA in RT-qPCR.

Rezultati

Po kroničnem HFD se je prednost saharoze zmanjšala in se po odstranitvi HFD normalizirala. Opazili so zmanjšano izražanje genov dopamina, zmanjšano vsebnost dopamina in spremembe metilacije DAT promotorja. Pomembno je, da je bil odziv na HFD in vztrajanje sprememb odvisen od spola in možganske regije.

Sklepi

Ti podatki identificirajo zmanjšan ton dopamina po kronični HFD v zgodnjem življenju s kompleksnim vzorcem preobrata in vztrajnosti, ki se razlikujeta glede na spol in možgansko regijo. Spremembe centralnega živčnega sistema, ki se po odtegnitvi HFD-ja niso spremenile, lahko prispevajo k težavam pri vzdrževanju izgube teže po posegu z dieto.

ključne besede: Dopamin, dieta z veliko maščobami, DAT, spolne razlike, debelost, umik, metilacija DNA

Predstavitev

Prekomerna poraba široko dostopne, kalorično goste okusne hrane velja za glavni dejavnik, ki prispeva k visokim stopnjam debelosti v ZDA (). Ker se okusna hrana pogosto porabi po izpolnitvi energetskih potreb, lahko koristne lastnosti okusne hrane preglasijo homeostatske signale sitosti. Številni nevrotransmiterji igrajo vlogo pri prehranjevanju (npr. Opioidi, dopamin, GABA, serotonin), pa tudi pri vključevanju perifernih signalov hranil (npr. Leptin, inzulin, grelin). Signalizacija dopamina je ključni posrednik tako pri nagrajevanju hrane kot pri vedenju, ki ga iščejo, saj je dopamin v mesolimbični / mezokortikalni regiji povezan s koristnimi lastnostmi hrane, seksa in drog odvisnosti (). Akutna, prijetna hrana povzroči počitek dopamina v osrednjem sistemu nagrajevanja (,). S kronično uživanjem hrane, ki nagrajuje, lahko povečano sproščanje dopamina sčasoma privede do prilagoditev, ki so povezane s hipo-funkcijo nagrajevanja.

Več dokazil podpira hipotezo o spremenjeni funkciji dopamina pri debelosti. Študije slikanja na ljudeh so pokazale, da je pri nagradnih predelih debelih bolnikov pri pitju zelo prijetne raztopine (milkshake) prišlo do močne aktivacije (milkshake) (). Odmeven odziv na nagrado je bil povezan z manj razpoložljivosti možganskega dopaminskega receptorja D2. V resnici so bile mutacije v človeškem dopaminskem receptorju D2 povezane tako z debelostjo kot z odvisnostjo (). Vsebnost dopamina v sinapsi v veliki meri nadzira vnos dopaminskih prenašalcev (DAT). Ravni prenašalcev dopamina so negativno povezane z indeksom telesne mase, genetske različice DAT pa so povezane tudi z debelostjo (,). Živalski modeli debelosti so pokazali znižanje bazalnega zunajceličnega dopamina in zmanjšano dopaminsko nevrotransmisijo v okolju jedra in v ventralnem tegmentalnem območju (,,). Zmanjšanje genov, povezanih z dopaminom, po dieti s kronično veliko maščobo (HF) kaže na zmanjšano signalizacijo v regijah, ki nagrajujejo (, ,,). To zmanjšanje aktivnosti dopamina po kronični dieti z veliko maščob lahko zmanjša občutljivost za naravne nagrade in olajša nenehno čezmerno porabo in nadaljnje povečanje telesne mase.

Zgodnje življenje je kritično obdobje v razvoju možganov, zgodnje prehransko okolje pa lahko vpliva na možganske poti, ki nadzorujejo vnos hrane in presnovo energije. Zgodnja izpostavljenost miši prehrani z veliko maščobami za samo en teden je spremenila vnos kalorij pri odraslih in izražanje signalnih molekul, povezanih z dopaminom (). Poleg tega zgodnje poporodno prehranjevanje pri miših, ki ga skozi dojenje poganja majhno število odpadkov, nagiba potomce k debelosti v odrasli dobi s spreminjanjem hipotalamičnega razvoja (). Čeprav je jasno, da prehrana v zgodnjem življenju lahko vpliva na razvoj možganov in tveganje za debelost, je malo znano o relativni stalnosti teh sprememb v celotni življenjski dobi. Poleg tega so bile predhodne študije opravljene na samcih, vendar samic v tem okviru redko preučujemo. V ta namen so miši in samice miši preučevali glede sprememb v ekspresiji genov in presnovi dopamina, potem ko so jih v zgodnjem življenju postale debele zaradi kronične porabe HF prehrane od rojstva do 8 tedna starosti. Za dopaminski sistem so bili ovrednoteni tudi 4 tedne po odstranitvi HF prehrane, da bi preverili, ali so spremembe vztrajale ali so povratne.

Metode in postopki

Živali in eksperimentalni model

Samice C57BL / 6J so bile vzrejene z samci DBA / 2J (laboratorij Jackson, Bar Harbor, ME). Vsi jezovi so bili hranjeni s standardno prehrano (#5755; 18.5% beljakovin, 12% maščobe, 69.5% ogljikovih hidratov) do poroda, ko je bilo polovico jezov / stelje postavljeno na dieto z veliko maščobami (testna dieta, Richmond, IN #58G9; 18% beljakovin, 60% maščob in 20.5% ogljikovih hidratov). Potomci so bili odstranjeni pri starosti 3 tednov in so bili na kontrolni dieti ali dieti z veliko maščobami do starosti tednov 12. Telesne mase so beležili tedensko, uporabljene pa so bile miške samcev (n = 5 – 10) in samice (n = 5 – 10). Institucionalni odbor za oskrbo in uporabo živali (IACUC) Univerze v Pensilvaniji je odobril vse postopke.

Prednost za saharozo in saharin

V ločenih poskusih smo miši posamično nastanili (n = 8 – 10 / skupina) v standardnih kletkah za dneve 3 z eno steklenico 200 ml preskusne raztopine (4% saharoze ali 1% raztopine saharina (w / v)) in drugo steklenica z 200 ml vode iz pipe. Na voljo je bil hišni chow ad libitum. Izmerili smo saharozo (ml), vodo (ml) in porabo hrane (g) in dajanje plastenk je bilo na dan obrnjeno. Prednost je bila izračunana na podlagi povprečja meritev v zadnjih dneh 2 na naslednji način: prednost% = [(poraba saharoze / saharoza + poraba vode) × 100].

Izolacija genomske DNK in skupne RNK iz možganov

Živali (n = 5 / skupina) smo evtanazirali s prevelikim odmerkom ogljikovega dioksida, čemur je sledila dislokacija materničnega vratu; metoda, ki jo priporoča Odbor za evtanazijo Ameriškega veterinarskega medicinskega združenja. Možgane so nato hitro odstranili in dali v RNAlater (Ambion, Austin, TX) za 4 – 6 ure pred seciranjem. Presekcijo možganov za izolacijo predfrontalne skorje, nukleusnih jezgrov in ventralno tegmentalno območje smo predhodno pripravili (,, ). Genomsko DNK in skupno RNA smo izolirali istočasno z uporabo AllPrep DNA / RNA Mini Kit (Qiagen).

Analiza genske ekspresije s kvantitativnim PCR v realnem času

Za vsak posamezen vzorec smo uporabili 500ng celotne RNA pri obratni transkripciji z uporabo povratne transkripcijske opreme z visoko zmogljivostjo (ABI, Foster City, CA). Ekspresija ciljnih genov je bila določena s kvantitativno RT-PCR z uporabo gensko specifičnih Taqman sond z Taksmanovo gensko ekspresijo Master Mix (ABI) na ABI7900HT v realnem času PCR Cycler. Genske sonde so navedene v dodatnega materiala. Relativna količina vsakega prepisa je bila določena z uporabo delta CT vrednosti, kot je bilo predhodno opisano v (). Spremembe izražanja genov so bile izračunane glede na nespremenjen standard GAPDH.

Ex vivo dopaminski in dopaminski presnovki

Tekočinska kromatografija visoke ločljivosti (HPLC) je bila uporabljena za merjenje vsebnosti dopamina in njegovih presnovkov v mesolimbičnih nagradnih območjih možganov (n = 8 – 12), kot je opisano prej (,). Možgani so bili zbrani od živali in razrezani na desno in levo poloblo. NAc in PFC smo secirali in hitro zamrznili s suhim ledom in shranili pri –80 ° C. Tkivo smo pripravili za analizo s homogenizacijo v perhlorovodikovi kislini 0.1 N, ga centrifugirali pri 15,000 vrtljajih min 15 min pri 2 – 8 ° C in supernatant filtrirali. Vzorce smo analizirali s HPLC Bioanalytical Systems (West Lafayette, IN, ZDA) z uporabo elektrokemijskega detektorja LC-4C. Vzorce (12 ul) smo injicirali v kolono mikrobore z reverzno fazo s hitrostjo pretoka 0.6 ml / min in elektrodetekcijo, določeno pri + 0.6 V. Ločitev presnovkov dopamina in dopamina je bila izvedena z mobilno fazo, sestavljeno iz natrijevega acetata 90-mM, 35-mM citronska kislina, 0.34-mM etilendiamin tetraocetna kislina, 1.2-mM natrijev oktil sulfat in 15% metanol v / v pri pH 4.2. Izmerili smo najvišjo višino vzorcev in jih primerjali s standardi za dopamin in njegov metabolit 3,4-dihidroksifenilocteno kislino (DOPAC).

Preizkus metilirane DNA imunoprecipitacije (MeDIP)

MeDIP test smo izvedli z uporabo MagMeDIP kompleta (Diagenode, Denville, NJ). Metilirana DNA je bila imunoprecipitirana z uporabo 0.15ul magnetnih kroglic, prevlečenih z anti-5metilcitidinskim protitelesom (Diagenode) ali mišjim predimunskim serumom. Obogatitev frakcije MeDIP smo določili s kvantitativno RT-PCR z uporabo ChIP-qPCR Assay Master Mix (SuperArray) na ABI7900HT v realnem času. Za vse preiskane gene so bili primeri dobljeni iz SuperArray (ChIP-qPCR analize (−01) kb ploščice, SuperArray) za pomnoževanje genomskih regij, ki segajo na mesta CpG, ki se nahajajo približno 300 – 500 bp pred začetnimi mesti transkripcije. Rezultati MeDIP so bili izraženi kot kratna obogatitev imunoprecipitirane DNA za vsako mesto. Za izračun razlike spremembe krat v zasedenosti (% obogatitve) so bile vrednosti CT MeDIP frakcije DNK normalizirane na vrednosti vnosa DNK frakcije DNK.

Statistika

Analiza genske ekspresije je bila izvedena s študentovim T-testom, s katerim smo primerjali kontrolne skupine, ki se ujemajo s starostjo, in HF in HF + izterjalne skupine. Raven alfa je bila prilagojena za več raziskovanih regij možganov. Pomen gena, uporabljenega v enem možganskem območju, je bil p = .05; za dve regiji p = 0.025, za možganske regije 3 p = .016. Prednost za saharozo, prednost saharina, HPLC in MEDIP, telesno maso in test kortikosterona analiziramo z uporabo enosmerne ANOVA za primerjavo kontrolnih, HF in HF + obnovitvenih skupin. Za primerjavo razlik med skupinami v paru smo uporabili post-hoc Bonferonnijeve večkratne primerjalne teste. Pomen teh testov je bil določen na alfa ravni p = .05.

Rezultati

Miši so imele stalen dostop do nadzorne prehrane (control) ali 60% prehrane z visoko vsebnostjo maščob (HFD) do 12. tedna starosti. Pri starosti 12 tednov so polovico HF hranjenih živali za 4 tedne položili na hišno čaj (HF + okrevanje). Tako pri samcih kot pri samicah so bile HFD živali (krogi) težje od kontrol, ki so se začele pri starosti 9 tednov (p <.05), in ostale težje od kontrol v celotnem obdobju okrevanja (Dopolnilna slika 1).

Za oceno odziva živali na naravne in nehranljive spodbude so bili uporabljeni preskusi saharoze in saharina. Prednost za saharozo, vendar ne za saharino, je bila po izpostavitvi prehrani HF spremenjena in vrnjena na normalno raven po okrevanju HFD pri moških in ženskah. Enosmerna ANOVA je pokazala, da se je pri moških znatno zmanjšala prednost saharoze (Slika 1A) in je usmerjen k zmanjšanju samic (Slika 1B) po izpostavljenosti HFD (F (2,16) = 4.82, p <.05; F (2,16) = 5.41, p <.06). Po odstranitvi HFD se je to vedenje normaliziralo in preferenca saharoze se ni več razlikovala od kontrol. Pri moških preferenca na saharin ni bila spremenjena (Slika 1C) ali samice (Slika 1D) zaradi izpostavljenosti HFD.

Slika 1 

Prednost za saharozo, vendar ne za saharino, se spremeni po izpostavljenosti dieti z veliko maščobo (HFD) in se povrne na kontrolne ravni po okrevanju HFD pri moških in ženskah

Ker je dopamin ključni regulator nagrajevalnega vedenja, je bila ekspresija genov, povezana z dopaminom, preučena znotraj nagradne sheme ločene skupine moških in samic po tednih 12 na HFD in v dodatni skupini po 4 tednih okrevanja od HFD. Tabela 1 povzame vzorce izražanja genov in statistične analize v VTA, PFC in NAc. V VTA so izmerili tri gene, pomembne pri uravnavanju ravni dopamina v sinaptičnih terminalih: kateholamin metil transferaza (COMT), ki sodeluje pri inaktivaciji kateholaminskih nevrotransmiterjev; dopaminski transporter (DAT), membranska razpočna črpalka, ki čisti dopamin iz sinapse, in tirozin hidroksilazo (TH), encim, ki omejuje hitrost za sintezo dopamina. Vrednosti sprememb krat za vsako skupino so bile določene z uporabo kontrolnikov, ki se ujemajo s starostjo (npr. Obe kontrolni časovni točki sta nastavljeni na 1, za jasnost pa je na grafu prikazan samo nadzor HFD). Študentov t-test (n = 5 / skupina) je pri moških VTA razkril, da so se COMT, DAT in TH mRNA znatno zmanjšale zaradi izpostavljenosti HFD (Slika 2A) in se po obdobju obnovitve po prehrani (HF + okrevanje) vrnil na ali presegel kontrolne ravni.

Slika 2 

Kronična dieta z veliko maščobami (HFD) in okrevanje po HFD spreminja izražanje genov, povezanih z dopaminom, pri moških in ženskah
Tabela 1 

Povzetek in statistika genske ekspresije pri moških

V PFC in NAC so bili preučeni geni, pomembni za signalizacijo dopamina in promet dopamina (n = 5 / skupina): COMT; regulativna podenota 1B za proteinsko fosfatazo 1 (DARPP-32), signalno beljakovino navzdol, ki jo uravnava stimulacija receptorjev; dopaminski receptor D1 (DRD1), postsinaptični receptor, povezan z G-proteini, ki stimulira adenilil ciklazo; in dopaminski receptor D2 (DRD2), postsinaptični receptor, povezan z G proteini, ki zavira adenilil ciklazo. Pri moškem PFC (Slika 2B), DARPP-32 je bila povišana, DRD1 in DRD2 pa sta se po izpostavljenosti HFD zmanjšali, te spremembe pa so se ohranile tudi po odstranitvi HFD (čeprav povečanje mRNA DARPP-32 ni bilo statistično zanesljivo). Pri moškem NAC (Slika 2C), COMT, DRD1 in DRD2 so bili zmanjšani zaradi izpostavljenosti HFD in so po odstranitvi HFD ostali pod nadzorom. Ravni DARPP-32 so zvišale HFD, vendar so se znatno zmanjšale glede na kontrole po 4 tednih po HFD.

Enake možganske regije in geni so preučevali pri samicah miši (n = 5 / skupina). Kot je prikazano v Tabela 2, opazili smo pomembne razlike v vzorcu izražanja genov kot odzivu na HFD in tudi pri okrevanju po prehrani. Podobno kot pri moških se je tudi pri VTA koncentracija mRNA COMT in TH po izpostavljenosti HFD znatno zmanjšala (Slika 2D). Vendar so se za razliko od samcev te spremembe ohranile tudi po odstranitvi HFD. Nadalje, v neposrednem nasprotju z vzorcem, opaženim pri moških, je izpostavljenost HFD povečala izražanje DAT mRNA v VTA pri ženskah, po odstranitvi vrednosti HFD pa so bile celo nižje kot pri starostni kontroli. V PFC je na kronični HFD prizadel samo DARPP-32, s pomembnim zvišanjem ravni mRNA po HND v tednu 12 in vrnitvijo na kontrolne ravni po odstranitvi HFD. COMT in D1R mRNA sta se po 4 tednih po HFD znatno zmanjšali. V ženski NAC so bili COMT, DRD1 in DRD2 po izpostavljenosti HFD zmanjšani (Slika 2F). DRD1 in DRD2 sta se po odstranitvi prehrane okrevala za kontrolne ravni, medtem ko so vrednosti COMT po okrevanju 4wk ostale občutno znižane.

Tabela 2 

Povzetek in statistika genskega izražanja pri ženskah

Glede na konstantno zmanjšanje izražanja genov za gene, ki uravnavajo dopamin v VTA, smo presnovke dopamina in dopamina količinsko opredelili v regijah, ki prejmejo projekcije iz VTA, PFC in NAC. Slika 3 prikazuje dopamin (DA) in presnovek dopamina (DOPAC) iz PFC in NAC pri moških (Slika 3A, 3C) in samice (Slika 3B, 3D). Pri moških je izpostavljenost HFD povzročila znižanje ravni dopamina v PFC (Slika 3A) in NAC (Slika 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <.05), ki se je po odstranitvi HFD okreval samo v NAC. Promet dopamina (razmerje DOPAC: DA) se je povečal pri moških PFC (F (2,12) = 3.85, p <.05) in NAC (F (2,17) = 4.69, p <.05). Nasprotno pa je bil učinek HFD na DA in DOPAC pri ženskah kvalitativno drugačen kot pri moških. V PFC HFD ni vplival na ravni DA ali DOPAC. V NAc so se ravni DA zmanjšale pri živalih, hranjenih s HFD, in se znižale tudi po odstranitvi HFD (Slika 3D, F (2,23) = 4.79, p <.05). Ravni DOPAC se pri NAc žensk niso spremenile, kar je povzročilo povečanje prometa DA (razmerje DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <.01).

Slika 3 

Znižanje ravni dopamina v PFC in NAC po HFD od rojstva in mešano okrevanje po odstranitvi HFD

Glede na to, da lahko DAT transkripcijo reguliramo z diferencirano metilacijo DNA in opazovanjem opazne razlike spolov v izražanju DAT v VTA, smo preučili DN-metilacijo v promotorski regiji DAT. V Slika 4A, 4C Ekspresija genov DAT v VTA je ponovno predstavljena zaradi jasnosti (vzeta iz Fig 2A in 2D). Metilacija DAT promotorjev se je pri moških znatno povečala (Slika 4B) po HFD in se pri moških HFD + obnovi (F (2,11) = 23.64, p <.01) vrnil na kontrolne ravni. Pri ženskah se je metilacija promotorja DAT usmerila k zmanjšanju števila HFD živali (D) in se je znatno zmanjšala pri ženskah, ki so se okrevale s HFD + (slika 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

Slika 4 

Spremembe statusa metilacije DNK promotorja DAT vzporedne spremembe v ekspresiji genov v VTA

Za oceno, ali je bila odstranjevanje HFD v obdobju okrevanja stresna, smo vzeli za nadzor izhodiščne ravni kortikosterona v plazmi (ug / dl), izpostavljenost HFD (tedni 12), okrevanje HFD + 1wk in obnovitvene skupine HFD + 4wk (n = 5 / skupina, Dopolnilna slika 2). Enosmerna ANOVA ni pokazala pomembnih razlik med skupinami pri samcih (F (3,16) = 3.21, ns).

Razprava

Kronično uživanje diete z visoko vsebnostjo maščob (HFD), ki se začne že v zgodnjem življenju, je bilo uporabljeno za ugotavljanje prehranske debelosti pri miših. Pri miših so se zmanjšale prednostne vrednosti saharoze in dokazi o znižanem dopaminergičnem tonusu v predelih možganov. Po 4 tednih po HFD se je prednost saharoze normalizirala pri moških in ženskah, vendar so se nekatere spremembe izražanja gena dopamina obdržale. Ti poskusi zagotavljajo pomembne nove podatke, ki opisujejo vpliv kroničnega HFD na sistem nagrajevanja možganov, poudarjajo sposobnost okrevanja in ključne razlike med spoloma med samci in samicami.

Pri živalih, hranjenih s HFD, so opazili zmanjšano prednost saharoze, ki se je okrevala po obdobju okrevanja. Te ugotovitve razširijo naše prejšnje poročilo o vnosu HFD, ki povzroči zmanjšano prednost saharoze () s dokazovanjem, da se to lahko zgodi s krajšim trajanjem izpostavljenosti HFD (tedni 12 v primerjavi s tedni 22) in pomembno, da se odziv povrne v odsotnosti HFD. Samice miši so pokazale enake vzorce odziva kot samci. Te ugotovitve so skladne z drugimi v literaturi, ki kažejo, da je z vključitvijo parno hranjene skupine kronični HFD in ne debelost sam po sebi zmanjšal odziv na saharozo pri operantski nalogi (). Podobno se je v trenutni študiji preferenca saharoze okrevala po tednih 4 po HFD, medtem ko je telesna teža ostala znatno povišana, kar je podkrepilo sklep, da je zmanjšana prednost saharoze vplivala na izpostavljenost HFD in ne na spremljajoče povečanje telesne teže. Še posebej zanimivo je bilo, da ni bilo nobene spremembe v saharinski preferenci. To lahko kaže, da kronični HFD različno vpliva na odziv na kalorične in nekalorične sladke nagrade. Pokazalo se je, da učinki po zaužitju vplivajo na prednost, neodvisno od okusnosti, saj je dokazano, da vnos saharoze sproži sproščanje dopamina pri miših, ki so izpadle s „sladko slepimi“ okusnimi receptorji (), je za nagrado in okrepitev potrebna prehranska vrednost () in preskusne poti, ki niso odvisne od okusa, so bile opredeljene pri drosofili (). Saharin je bistveno slajši od saharoze, zato smo si prizadevali vzpostaviti enakovrednost sladkosti (običajno 4 – 10x višja koncentracija saharoze ()) vendar je bila skupna prednost saharina pri teh živalih nižja kot pri saharozi. Zato je lahko alternativna razlaga, da je HFD različno vplival na prednost saharoze, ker je bil razmeroma bolj donosen kot saharin (nagrada z visoko vrednostjo), čeprav so živali še vedno imele veliko prednost za saharin (~ 75 – 80% prednost za saharin v primerjavi s do ~ 85 – 90% prednost saharoze).

Na splošno je bila ekspresija dopaminergičnega gena znotraj VTA, NAc in PFC zmanjšana pri samskih miših po kroničnem HFD. Te ugotovitve so skladne z drugimi raziskavami, v katerih so opazili zmanjšanje genov, povezanih z dopaminom, kot odgovor na HFD (,,). V študijah slikanja pri ljudeh so opazili zmanjšanje izražanja in funkcije dopaminskih D2 receptorjev (, ) in modeli debelosti glodavcev (, ). Zmanjšana signalizacija dopamina zmanjšuje občutljivost na naravne nagrade in zato lahko olajša neprekinjeno uživanje prijetne hrane in nadaljnje povečanje telesne mase (,). Nadalje je znano, da motena dopaminska homeostaza, ki jo poganja zmanjšano površinsko izražanje DAT, povečuje vnos prehrane z veliko maščobami (). Izjema od tega vzorca je bila opažena pri DARPP-32, fosfoproteinu, ki je reguliran z dopaminom in cikličnim AMP, ki se je po HFD v NAc in PFC povečal. DARPP-32 igra ključno vlogo pri vključevanju različnih biokemičnih in vedenjskih odzivov, ki jih nadzira dopamin. Mogoče je bila regulacija DARPP-32 kompenzacijska kot odziv na kronično regulacijo zmanjšanja D1R. V podobnem modelu (12 wk HFD pri miših) je bilo pokazano, da je znižanje regulacije D1R usklajeno s povečanjem fosforilacije DARPP-32 v NAc ().

Nekaj ​​študij je preučilo sposobnost za obnovitev teh sprememb po odstranitvi HFD. Vendar pa so v dveh zadnjih poročilih spremembe genskega izražanja in napake v sistemu nagrajevanja po kratkem obdobju umika (14 – 18d) (, ). V nasprotju s tem pa so študije pri debelih bolnikih pred in po operaciji želodčnega bypass-a pokazale razveljavitev dopaminergičnih sprememb po daljšem obdobju hujšanja (). Vzorec okrevanja je bil pri moških različen glede na možgansko regijo. V VTA smo opazili zmanjšanje COMT, DAT in TH, ki so se z odstranjevanjem HFD normalizirali. V nasprotju s tem se vse spremembe izražanja genov, opažene v NAc in PFC, niso normalizirale. V trenutni študiji je kronični HFD povzročil znatno povečanje telesne teže in po tednih, ki so bili po dieti 4 izvzeti iz prehrane, so bile živali še vedno bistveno težje od kontrol. Zato so bile verjetno še vedno prisotne presnovne in hormonske spremembe, ki spremljajo debelost (npr. Zvišan leptin, povišane adipokine) v tednih, ki niso bili na dieti 4. Spremembe izražanja genov, ki so se normalizirale (npr. V VTA), je morda predvsem poganjala HFD, medtem ko so tiste, ki so se ohranile (v NAc in PFC), močneje povezane z debelostjo. Ohranjanje izgube teže z dieto je značilno nizko (z 67% () do 80% () bolniki ponovno pridobijo izgubljeno težo). To vztrajanje sprememb izražanja genov v regijah nagrajevanja bi lahko bilo pomembno pri delni razlagi tega pogostega pojava. Pomembno je tudi opozoriti, da opažene spremembe v vedenju in izražanju genov verjetno niso posledica stresa, povezanega s spreminjanjem prehrane, saj ni bilo pomembnih sprememb ravni bazalnega kortikosterona v plazmi na HFD ali po okrevanju 1wk ali 4wk.

Odkrite so bile zanimive razlike med spoloma, tako v odzivu na kronični HFD, kot tudi v odgovor na odstranjevanje prehrane. Ženske so bile podobne moškim, saj so pokazale splošno zmanjšanje genov, povezanih z dopaminom, kar bi napovedovalo zmanjšanje aktivnosti DA, zlasti pri VTA in NAc. Ena pomembna razlika med spoloma je bilo povečanje izražanja DAT mRNA v ženski VTA po HFD. Ta razlika v ekspresiji genov, skupaj s podobnim zmanjšanjem izražanja gena TH pri obeh spolih, bi nakazala pomembne razlike v nevrotransmisiji dopamina znotraj NAc, tako na koncu izpostavljenosti HFD kot tudi po obdobju okrevanja. Pomembnejši poudarek prihodnjih raziskav je večje razumevanje funkcionalnega pomena teh razlik.

Poleg tega se medtem, ko se zmanjšujeta COMT in TH, okreva pri moških VTA, vendar se ta zmanjšuje pri ženskah po 4 tednu po HFD. Še ni treba ugotoviti, ali bi se te razlike obrnile z daljšim odmorom diete, vendar podpira sklep, da si samice vsaj počasneje opomorejo, če si sploh opomorejo. Poleg tega so bile spremembe izražanja genov D1R in D2R pri NAc in PFC precej močne med moškimi in ženskami. Pri moških je prišlo do splošnega zmanjšanja izražanja genov v obeh regijah, ki se je v glavnem obdržalo po odstranitvi diete. Pri ženskah sta se D1R in D2R v NAc zmanjšala in nato okrevala, vendar učinka HFD na dopaminske receptorje v PFC ni bilo. V trenutnih študijah so bile ženske živali žrtvovane, ne da bi pripisale stopnjo estrusa. Medtem ko je znano, da se nekatere opažene končne točke razlikujejo po ciklu estrusa, ženske živali v tej študiji niso pokazale večje razlike med končnimi točkami, zlasti v primerjavi z učinki manipulacij s prehrano.

Za dopolnitev ugotovitev genske ekspresije smo izmerili dopamin v primarnih projekcijskih območjih VTA, in sicer PFC in NAc. Ravni dopamina so se ponavadi vzporedno spreminjale pri TH mRNA v VTA. Pri NAc pri moških in ženskah se je raven DA znižala kot odziv na prehrano s HFD; odziv, ki si je opomogel pri samcih, ne pa pri samicah. V PFC se je raven dopamina znižala tudi zaradi HFD, vendar v PFC ni bilo okrevanja po prehrani. Poleg tega so imele samice nižje ravni dopamina v predfrontalni skorji kot moški. Razlike med spoloma v izražanju in funkciji DAT so dobro znane v literaturi, pri ženskah pa je opaziti povečano izražanje DAT () in delovanje () in te razlike lahko prispevajo k različnim izhodiščnim nivojem dopamina med moškimi in ženskami. Preučitev razmerja DOPAC: DA je tudi informativna. Povečanje tega razmerja se lahko odraža na kompenzacijskem odzivu, ki ga povzroči zmanjšanje DA. Dolgoročni funkcionalni pomen teh sprememb v presnovi dopamina bi razsvetlili z merjenjem sprememb pri sproščanju dopamina vivo mikrodializa.

Poleg tega ti podatki identificirajo dinamično regulacijo metilacije DNA znotraj promotorja gena DAT, zlasti pri samcih. Nedavno smo pokazali, da lahko izražanje DAT dinamično reguliramo z diferencirano metilacijo DNA kot odgovor na HFD (), in povečana metilacija DAT-promotorja korelira z zmanjšanjem genske ekspresije. Tu identificiramo plastičnost tega odziva, saj se povečana metilacija DNA (in zmanjšana ekspresija mRNA), opažena pri samcih, odpravi po odstranitvi HFD. Epigenetska regulacija genov, na primer s spremembami metilacije DNA, predstavlja pot, po kateri se lahko organizmi zlahka prilagodijo okoljskim izzivom. Epigenetske oznake lahko vzdržujemo skozi celotno življenjsko dobo () in v gojenih embrionalnih matičnih celicah so opazili tako reverzibilne in obstojne vzorce diferencialne metilacije DNA kot odgovor na spreminjajoče se okoljske pogoje (). Ti podatki so prvi pokazali vivo dinamični metilacijski vzorec, ki se spreminja s prisotnostjo ali odsotnostjo okoljskega izziva. Bilo je opazno, da tega istega vzorca pri ženskah ni bilo. Medtem ko je bil začetni odziv na HFD napovedan (zmanjšano metilacija DNA zaradi večje ekspresije gena), ta vzorec ni bil ohranjen v celotnem obdobju okrevanja. To kaže, da se lahko metilacija DNA in ekspresija genov prekine v štirih tednih po HFD ali pa lahko nakazujejo, da se DAT mRNA uravnava z drugimi sredstvi pri ženskah.

Pri samcih imajo prednost saharoze, izražanja gena, povezanega z DA, v VTA in dopamin v NAc po konsistentnem vzorcu zatiranja kot odziva na kronični HFD, ki okreva po odstranitvi diete. Zanimivo je, da so vedenjski odzivi na saharozo pri ženskah podobni, tako vzorec genske ekspresije kot tudi ravni NAc dopamina kažejo, da se po odstranitvi HFD ne okreva. Na vedenjsko vedenje očitno vplivajo dodatni nevrotransmiterji, kot so opioidi, in pri ženskah je vedenjski odziv na saharozo močneje povezan s spremembami opioidov. Na splošno sedanji podatki kažejo, da so razlike med spoloma tako pri začetnem odzivu na HFD kot tudi pri okrevanju po odstranitvi HFD glede izražanja genov, povezanih z dopaminom, pomembna smer prihodnjih raziskav, usmerjenih v to, kako kronično uživanje HFD vpliva na sistem nagrajevanja možganov. Najpomembneje je, da ti podatki odkrijejo veliko plastičnost dopaminergičnega odziva na HFD, kar kaže na to, da čeprav so škodljivi učinki kronične porabe HFD in / ali debelosti pomembni, obstaja možnost okrevanja.

Kaj je že znano o tej temi

  • Izraženost in delovanje receptorjev dopamina se pri debelih bolnikih zmanjša
  • Kronična izpostavljenost dieti z veliko maščob povzroči spremembe v genih, povezanih z dopaminom, in vedenje o nagrajevanju
  • Nevrotransmisija dopamina je pri debelih glodavcih spremenjena.

Kaj ta rokopis doda tematiki

  • Ugotavljanje razlik med spoloma v odzivu CNS na prehrano z veliko maščobami.
  • Ocenjevanje plastičnosti dopaminergičnih sprememb po odstranitvi prehrane z veliko maščobami.
  • Identifikacija dinamičnih sprememb metilacije DNA kot odziv na prehrano z veliko maščobami

Dodatni material

Priznanja

To delo so podprle naslednje donacije: MH087978 (TMR), MH86599 (IL) in T32 GM008076 (JLC).

Opombe

 

Izjava o navzkrižju interesov

Avtorji nimajo nobenih konfliktov za razkritje.

 

Reference

1. Swinburn B, Sacks G, Ravussin E. Povečana oskrba s hrano več kot zadošča za razlago ameriške epidemije debelosti. Am J Clin Nutr. 2009; 90: 1453 – 1456. [PubMed]
2. Fibiger HC, Phillips AG. Mezokortikolimimski dopaminski sistemi in nagrada. Ann NY Acad Sci. 1988; 537: 206 – 215. [PubMed]
3. Hernandez Luis, Hoebel Bartley G. Nagrada za hrano in kokain povečujeta zunajcelični dopamin v nukleusnih kolobarjih, merjeno z mikrodializo. Znanosti o življenju. 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. Aktivacijo mezolimbičnih dopaminskih nevronov med romanom in vsakodnevni omejen dostop do okusne hrane blokira opioidni antagonist LY255582. Ameriški časopis za fiziologijo - regulativna, integrativna in primerjalna fiziologija. 2008 1. avgust; 295 (2): R463 – R471. [PubMed]
5. Stice E, Spoor S, Bohon C, Mala DM. Povezanost med debelostjo in zatrtim striatnim odzivom na hrano obvladuje alel TaqIA A1. Znanost. 2008, 322: 449 – 452. [PMC brez članka] [PubMed]
6. Plemeniti EP, Blum K, Ritchie T, Montgomery A, Sheridan PJ. Zvezna zveza D2 dopaminski receptorski gen z značilnostmi vezave na receptorje pri alkoholizmu. Arch Arch Psychiatr. 1991; 48: 648 – 654. [PubMed]
7. Chen PS, Yang YK, Yeh TL, Lee IH, Yao WJ, Chiu NT in sod. Povezava med indeksom telesne mase in razpoložljivimi transporterji dopamina pri zdravih prostovoljcih - študija SPECT. Neuroimage. 2008; 40 (1): 275 – 279. [PubMed]
8. Potrebujete AC, Ahmadi KR, Spector TD, Goldstein DB. Debelost je povezana z genetskimi različicami, ki spreminjajo razpoložljivost dopamina. Anali človeške genetike. 2006 maj; 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Geiger BM, Frank LE, Caldera-siu AD, Stiles L, Pothos EN. Pomanjkanje centralnega dopamina v več modelih debelosti. Apetit. 2007; 49 (1): 293.
10. Geiger BM, Haburčak M, Avena NM, Moyer MC, Hoebel BG, Pothos EN. Primanjkljaji nevrotransmisije mezolimbičnega dopamina pri prehranski debelosti podgan. Nevroznanost. 2009 april 10; 159 (4): 1193 – 119. [PMC brez članka] [PubMed]
11. Cone JJ, Robbins HA, Roitman JD, Roitman MF. Uživanje diete z veliko maščob vpliva na fazno sproščanje dopamina in njegovo ponovno zajemanje v jedrih. Apetit. 2010 junij; 54 (3): 640.
12. Vucetic Zivjena, Carlin Jesselea, Totoki Kathy, Reyes Teresa M. Epigenetska disregulacija dopaminskega sistema pri prehrani zaradi debelosti. Časopis za nevrokemijo. 2012 Jan 5; [PMC brez članka] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Izražanje gena receptorjev dopamina D1 v jedru se nabira ob dolgotrajni izpostavljenosti okusni hrani in se razlikuje glede na prehrano povzročen fenotip debelosti pri podganah. Nevroznanost. 2010 dec 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Johnson Paul M, Kenny Paul J. Dopamine D2 receptorji v odvisnosti od nagradne disfunkcije in kompulzivnega prehranjevanja pri prekomernih podganah. Naravna nevroznanost. 2010 maj; 13 (5): 635 – 641. [PMC brez članka] [PubMed]
15. Huang Xu-Feng, Yu Yinghua, Zavitsanou Katerina, Han Mei, Storlien Len. Diferencialna ekspresija dopaminskih receptorjev D2 in D4 ter mRNA tirozin hidroksilaze pri miših, nagnjenih ali odpornih, na kronično debelost, ki jo povzroča dieta z veliko maščob. Molekularne raziskave možganov. 2005 april 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Teegarden SL, Scott AN, Bale TL. Zgodnja življenjska izpostavljenost dieti z veliko maščob spodbuja dolgoročne spremembe prehranskih preferenc in osrednje signaliziranje nagrade. Nevroznanost. 2009 september 15; 162 (4): 924 – 932. [PMC brez članka] [PubMed]
17. Bouret SG. Vloga zgodnjih hormonskih in prehranskih izkušenj pri oblikovanju vedenja pri prehranjevanju in hipotalamičnem razvoju. Časopis za prehrano. 2010 Jan 1; [PubMed]
18. Vucetic Z, Kimmel J, Totoki K, Hollenbeck E, Reyes TM. Materinska dieta z veliko maščobami spreminja metilacijo in gensko ekspresijo dopaminskih in opioidnih genov. Endokrinologija. 2010 okt; 151 (10): 0000 – 0000. [PMC brez članka] [PubMed]
19. Reyes Teresa M, Walker John R, DeCino Casey, Hogenesch John B, Sawchenko Paul E. kategorično ločeni akutni stresi izzovejo različne transkripcijske profile v paraventrikularnem jedru hipotalamusa. Časopis Nevroznanost: Uradni list Društva za nevroznanost. 2003 juli 2; 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Cleck Jessica N, Ecke Laurel E, Blendy Julie A. Spremembe endokrine in genske izraženosti zaradi prisilne izpostavljenosti plavanju med plavanjem kokaina pri miših. Psihoparmakologija. 2008 Nov; 201 (1): 15 – 28. [PMC brez članka] [PubMed]
21. Pfaffl MW. Nov matematični model za relativno količinsko določitev v realnem času rt-pcr. Nukleinske kisline Res. 2001; 20: e45. [PMC brez članka] [PubMed]
22. Mayorga AJ, Dalvi A, Page ME, Zimov-Levinson S, Hen R, Lucki I. Antidepresivi podobni vedenjski učinki pri mutantnih miših receptorjev 5-hidroksitriptamin (1A) in 5-hidroksitriptamin (1B). J Pharmacol Exp Ther. 2001; 298: 1101 – 110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Reyes TM. Kronična dieta z visoko maščobo poganja postnatalno epigenetsko regulacijo μ-opioidnega receptorja v možganih. Nevropsihoparmakologija. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. vnaprej spletna publikacija 16 februar 2011. [PMC brez članka] [PubMed] [Cross Ref]
24. Davis JF, Tracy AL, Schurdak JD, Tschöp MH, Lipton JW, Clegg DJ in dr. Izpostavljenost povišani ravni prehranske maščobe zmanjšuje nagrado psihostimulantov in promet mezolimbičnega dopamina pri podganah. Behav Neurosci. 2008; 122 (6) [PMC brez članka] [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. Nagrada za hrano v odsotnosti signala receptorjev za okus. Neuron. 2008 mar. 27; 57 (6): 930 – 941. [PubMed]
26. Beeler Jeff A, McCutcheon James E, Cao Zhen FH, Murakami Mari, Alexander Erin, Roitman Mitchell F, Zhuang Xiaoxi. Neobključeni okusi zaradi prehrane ne uspejo ohraniti okrepitvenih lastnosti hrane. Evropski časopis za nevroznanost. 2012 avg; 36 (4): 2533 – 2546. [PMC brez članka] [PubMed]
27. Dus Monica, Min SooHong, Keene Alex C, Lee Ga Young, Suh Greg SB. Okusno neodvisno zaznavanje kalorične vsebnosti sladkorja v drosofili. Zbornik Nacionalne akademije znanosti Združenih držav Amerike. 2011 jul 12; 108: 11644 – 11649. [PMC brez članka] [PubMed]
28. Wang Gene-Jack, Volkow Nora D, Logan Jean, Pappas Naoml R, Wong Christopher T, Zhu Wel, Netusll Noelwah, Fowler Joanna S. Mozak dopamin in debelost. Lancet. 2001; 357 (9253): 354 – 357. [PubMed]
29. Huang XF, Zavitsanou K, Huang X, Yu Y, Wang H, Chen F in sod. Gostota vezave na prenosnik dopamina in receptorje D2 pri miših, nagnjenih ali odpornih na kronično debelost, ki jo povzroča prehrana z veliko maščob. Behav možgani Res. 2006; 175 (2): 415 – 419. [PubMed]
30. Fortuna Jeffrey L. Epidemija debelosti in odvisnosti od hrane: klinične podobnosti odvisnosti od drog. Časopis za psihoaktivna zdravila. 2012 mar; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Koob George F, Moal Michel Le. Zasvojenost in sistem možganov Letni pregled psihologije. 2008; 59: 29 – 53. [PubMed]
32. Speed ​​Nicole, Saunders Christine, Davis Adeola R, Anthony Owens W, Matthies Heinrich JG, Saadat Sanaz, Kennedy Jack P in sod. Moteno strijatalno Akt signaliziranje moti homeostazo dopamina in povečuje hranjenje. PLOŠČE ENO. 2011 september 28; 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [PMC brez članka] [PubMed] [Cross Ref]
33. Sharma S, Fulton S. Prehrana, ki jo povzroča dieta, spodbuja depresivno vedenje, ki je povezano z nevronskimi prilagoditvami v možganskem nagradnem krogu. Mednarodni časopis za debelost 2005. 2012 april 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. Spremembe centralnih receptorjev za dopamin pred in po želodčni obvodni kirurgiji. Kirurgija debelosti. 2009 okt 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Phelan Suzanne, Wing Rena R, Loria Catherine M, Kim Yongin, Lewis Cora E. Razširjenost in napovedovalci vzdrževanja izgube telesne teže v dvorasni kohorti: rezultati raziskovanja tveganja za koronarno arterijo pri študiju mladih. Ameriški časopis za preventivno medicino. 2010 dec; 39 (6): 546 – 554. [PMC brez članka] [PubMed]
36. Polje AE, Wing RR, Manson JE, Spiegelman DL, Willett WC. Povezava velikega hujšanja z dolgoročno spremembo teže med ženskami v ZDA in srednjih letih. Mednarodni časopis za debelost in z njim povezane presnovne motnje: časopis Mednarodnega združenja za proučevanje debelosti. 2001 avg; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Morissette M, Di Paolo T. Različice med različnimi spolnimi in grozljivimi cikli podzemnih območij zavzema dopamina. Nevroendokrinologija. 1993 jul; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Bhatt Sandeep D, Dluzen Dean E. Dopaminski transporter funkcije med moškimi in ženskami CD-1 miši. Raziskave možganov 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 idr. Analiza metilacije DNK več tkiv iz novorojenih dvojčkov odkriva genetske in intrauterine sestavine, ki se spreminjajo v človeškem novorojenčnem epigenomu. Molekularna genetika človeka. 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 idr. Epigenetska stabilnost, prilagodljivost in reverzibilnost v matičnih celicah človeškega zarodka. Zbornik Nacionalne akademije znanosti Združenih držav Amerike. 2012 juli 31; 109 (31): 12544 – 12549. [PMC brez članka] [PubMed]