Återföring av dopfunktionsdopfunktion som svar på hög fetthalt (2013)

Abstrakt

Beskrivning

Överkonsumtion av allmänt tillgängligt, kalori-tätt smakligt mat anses vara en viktig faktor som bidrar till de höga nivåerna av fetma i USA (1). Eftersom smakliga livsmedel ofta konsumeras efter att energikraven har uppfyllts, kan de givande egenskaperna hos smakliga livsmedel åsidosätta homeostatiska mättnadssignaler. Många neurotransmittorer spelar en roll i matningsbeteende (t.ex. opioider, dopamin, GABA, serotonin) liksom integreringen av perifera näringssignaler (t.ex. leptin, insulin, ghrelin). Dopaminsignalering är en nyckelförmedlare i både matbelöning och belöningssökande beteende, eftersom dopamin i den mesolimbiska / mesokortikala regionen är förknippad med de givande egenskaperna för mat, kön och missbruksmediciner (2). Akut, välsmakande mat orsakar en sprängning av dopamin i det centrala belöningssystemet (3,4). Med kronisk konsumtion av givande mat kan den ökade frisättningen av dopamin över tid leda till anpassningar som är förknippade med belöningshypofunktion.

Flera bevislinjer stödjer hypotesen om förändrad dopaminfunktion vid fetma. Mänskliga avbildningstudier avslöjade trubbig aktivering i belöningsregioner hos överviktiga patienter medan de dricker en mycket smakrik lösning (milkshake) (5). Det trubbiga belöningsresponsen associerades med mindre tillgänglighet av D2-hjärndopaminreceptorn. I själva verket har mutationer i den humana dopamin D2-receptorn kopplats till både fetma och missbruk (6). Dopamininnehåll i synapsen kontrolleras till stor del av upptag av dopamintransportör (DAT). Dopamintransportörnivåer är negativt korrelerade med kroppsmassaindex och genetiska varianter av DAT är också associerade med fetma (7,8). Djurmodeller av övervikt har visat minskningar i basal extracellulär dopamin och minskad dopamins neurotransmission i nucleus accumbens och ventral tegmental area (9,10,11). Minskningar i dopaminrelaterade gener efter diet med hög fetthalt (HF) tyder på minskad signalering i belöningsregioner (12, 13,14,15). Denna minskning av dopaminaktiviteten efter kronisk diet med hög fetthalt kan minska känsligheten för naturliga belöningar och underlätta fortsatt överkonsumtion och ytterligare viktökning.

Tidigt liv är en kritisk period i hjärnans utveckling, och den tidiga näringsmiljön kan påverka hjärnvägar som styr matintag och energimetabolism. Tidig exponering av möss för en fetthaltig diet i så lite som en vecka förändrade kaloriintag hos vuxna och uttryck av dopaminrelaterade signalmolekyler (16). Vidare predisponerar avkomman till fetma i vuxen ålder genom att förändra hypothalamisk utveckling (tidigt efter födseln över näring hos möss, drivet av ett litet kullantal genom amning)17). Även om det är uppenbart att näring i tidig liv kan påverka hjärnans utveckling och fetma risk, är lite känt om den relativa varaktigheten av dessa förändringar över hela livslängden. Dessutom har tidigare studier gjorts på manliga djur men kvinnor har sällan studerats i detta sammanhang. För dessa ändamål studerades både manliga och kvinnliga möss för förändringar i genuttryck och dopaminmetabolism efter att de hade gjort feta i tidigt liv genom kronisk konsumtion av en HF-diet från födseln till 8 veckors ålder. Dopaminsystemet utvärderades också 4 veckor efter avlägsnande av HF-dieten för att undersöka om förändringarna varade eller omvända.

Metoder och förfaranden

Resultat

Möss hade kontinuerlig tillgång till kontrolldiet (kontroll) eller 60% högfettdiet (HFD) fram till 12 veckors ålder. Vid 12 veckors ålder placerades hälften av de HF-matade djuren på hushållet i 4 veckor (HF + återhämtning). Hos både män och kvinnor var HFD-djur (cirklar) tyngre än kontroller som började vid 9 veckors ålder (p <05) och förblev tyngre än kontroller under hela återhämtningsperioden (Supplerande figur 1).

Socker- och sackarinpreferenttester administrerades för att utvärdera djurens svar på naturliga och icke-näringsrika belöningstimuli. Företräde för sackaros men inte sackarin förändrades efter exponering av HF-diet och återvände till normala nivåer efter HFD-återhämtning hos män och kvinnor. Envägs ANOVA avslöjade sackarospreferensen minskade signifikant hos män (Fig. 1A) och trenderade mot en minskning av kvinnor (Fig. 1B) efter HFD-exponering (F (2,16) = 4.82, p <05; F (2,16) = 5.41, p <06). Efter avlägsnande av HFD normaliserades detta beteende och sackarospreferensen skilde sig inte längre från kontrollerna. Sackarinpreferensen ändrades inte hos båda männen (Fig. 1C) eller kvinnor (Fig. 1D) som ett resultat av HFD-exponering.

 

Figur 1

Företräde för sackaros men inte sackarin förändras efter exponering med hög fetthalt (HFD) och återgår till kontrollnivåer efter HFD-återhämtning hos män och kvinnor

Eftersom dopamin är en nyckelregulator för belöningsbeteende undersöktes dopaminrelaterat genuttryck inom belöningskretsarna för en separat kohort av män och kvinnor efter 12 veckor på HFD, och i en ytterligare grupp, efter 4 veckors återhämtning från HFD. Tabell 1 sammanfattar genuttrycksmönstren och statistisk analys i VTA, PFC och NAc. I VTA mättes tre viktiga gener för att reglera dopaminnivåer vid synaptiska terminaler: katekolaminmetyltransferas (COMT) involverat i inaktivering av katekolamin-neurotransmittorer; dopamintransportör (DAT), membranspännande pump som rensar dopamin från synapsen, och tyrosinhydroxylas (TH), det hastighetsbegränsande enzymet för dopaminsyntes. Vikningsändringsvärden för varje grupp bestämdes med användning av åldrade matchade kontroller (t.ex. båda kontrolltidspunkterna är inställda på 1, och för tydlighetens skull visas endast kontrollen för HFD på grafen). Studentens t-test (n = 5 / grupp) avslöjade i den manliga VTA att COMT, DAT och TH mRNA minskade signifikant genom HFD-exponering (Fig 2A) och återvände till eller överskred kontrollnivåerna efter en återhämtningsperiod utanför dieten (HF + återhämtning).

 

Figur 2

Kronisk diet med hög fetthalt (HFD) och återhämtning efter HFD förändrar dopaminrelaterat genuttryck hos män och kvinnor

 

Tabell 1

Genuttryckssammanfattning och statistik hos män

I PFC och NAC undersöktes gener viktiga för dopaminsignalering och dopaminomsättning (n = 5 / grupp): COMT; proteinfosfatas 1 regulatorisk underenhet 1B (DARPP-32), ett nedströms signaliserande protein reglerat med receptorstimulering; dopaminreceptor D1 (DRD1), en postsynaptisk G-proteinkopplad receptor som stimulerar adenylylcyklas; och dopaminreceptor D2 (DRD2), en postsynaptisk G-proteinkopplad receptor som hämmar adenylylcyklas. I den manliga PFC (Fig. 2B), DARPP-32 ökades, medan DRD1 och DRD2 minskade efter HFD-exponering, och dessa förändringar fortsatte efter borttagandet av HFD (även om ökningen i DARPP-32 mRNA inte var statistiskt tillförlitlig). I den manliga NAC (Fig. 2C), COMT, DRD1 och DRD2 minskades genom HFD-exponering och förblev under kontrollnivåer efter avlägsnande av HFD. DARPP-32-nivåerna ökades med HFD, men minskade signifikant från kontrollerna efter 4 veckor från HFD.

Samma hjärnregioner och gener undersöktes hos kvinnliga möss (n = 5 / grupp). Som visas i Tabell 2, det var signifikanta skillnader observerade i mönstret för genuttryck som svar på HFD, såväl som till återhämtningen från kosten. Liknande män i VTA minskade mRNA-nivåerna av COMT och TH signifikant efter HFD-exponering (Fig 2D). Till skillnad från män fortsatte emellertid dessa förändringar efter borttagandet av HFD. I direkt motstånd mot det mönster som observerades hos män ökade HFD-exponering DAT-mRNA-uttryck i VTA hos kvinnor och efter borttagning av HFD-nivåerna var ännu lägre än åldersmatchade kontroller. I PFC påverkades endast DARPP-32 av kronisk HFD, med en signifikant ökning av mRNA-nivåer efter 12-veckans HFD, och en återgång till kontrollnivåer efter borttagande av HFD. Både COMT och D1R mRNA minskades signifikant efter 4 veckor från HFD. Hos kvinnliga NAC minskade alla COMT, DRD1 och DRD2 efter exponering för HFD (Fig. 2F). DRD1 och DRD2 återhämtade sig till kontrollnivåer efter avlägsnande av diet, medan COMT förblev nivåerna förblev signifikant minskade efter 4wk återhämtning.

 

Tabell 2

Genuttryckssammanfattning och statistik hos kvinnor

Med tanke på den konsekventa minskningen i genuttryck för dopaminreglerande gener i VTA kvantifierades dopamin- och dopaminmetaboliter i regioner som får prognoser från VTA, PFC och NAC. Figur 3 visar dopamin (DA) och dopaminmetaboliten (DOPAC) från PFC och NAC hos män (Fig. 3A, 3C) och honor (Fig. 3B, 3D). Hos män gav exponering för HFD en minskning av dopaminnivåerna i PFC (Fig. 3A) och NAC (Fig 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <05), som bara återhämtat sig efter HFD-avlägsnande i NAC. Dopaminomsättningen (DOPAC: DA-förhållande) ökade i PFC (F (2,12) = 3.85, p <05) och NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Däremot var effekten av HFD på DA och DOPAC hos kvinnor kvalitativt annorlunda än hos män. I PFC påverkade inte HFD DA- eller DOPAC-nivåer. I NAc minskade DA-nivåerna hos HFD-matade djur och förblev minskade även efter avlägsnande av HFD (Fig. 3D, F (2,23) = 4.79, p <05). DOPAC-nivåerna var oförändrade i NAc hos kvinnor, vilket resulterade i en ökning av DA-omsättningen (DOPAC: DA-förhållande) (F (2,23) = 7.00, p <01).

 

Figur 3

Minskning av dopaminnivåer i PFC och NAC efter HFD från födseln och blandad återhämtning efter borttagning av HFD

Med tanke på att DAT-transkription kan regleras genom differentiell DNA-metylering och observation av en anmärkningsvärd könsskillnad i expressionen av DAT i VTA undersöktes DNA-metylering i promotorregionen för DAT. I Figur 4A, 4C DAT-genuttryck i VTA presenteras igen för tydlighet (hämtat från Fig 2A och 2D). DAT-promotormetylering ökades signifikant hos män (Fig. 4B) efter HFD och återvände till kontrollnivåer i HFD + återhämtningshanter (F (2,11) = 23.64, p <01). Hos kvinnor tenderade metylering av DAT-promotor mot minskning av HFD-djur (D) och minskade signifikant hos HFD + -hämmande kvinnor (Fig 5D, F (2,12) = 5.70, p <05).

 

Figur 4

Förändringar i DNA-metyleringsstatus för DAT-promotor parallella förändringar i genuttryck i VTA

För att bedöma om avlägsnandet av HFD under återhämtningsperioden var en stressor, togs baseline-plasmakortikosteronnivåer (ug / dl) i kontroll, HFD exponerades (12 veckor), HFD + 1wk återhämtning och HFD + 4wk återhämtningsgrupper (n = 5 /grupp, Kompletterande bild 2). Envägs ANOVA avslöjade inga signifikanta skillnader mellan grupper hos handjur (F (3,16) = 3.21, ns).

Diskussion

Kronisk konsumtion av en fetthaltig diet (HFD) från början av tidigt liv användes för att fastställa dietinducerad fetma hos möss. Möss visade minskad sackarospreferens och bevis på minskad dopaminerg ton i belöningsregioner i hjärnan. Efter 4 veckor från HFD normaliserades sackarospreferens hos både män och kvinnor, men vissa dopamingenuttrycksförändringar kvarstod. Dessa experiment ger viktiga nya data som beskriver effekten av kronisk HFD på hjärnbelöningssystemet och belyser kapaciteten för återhämtning och viktiga könsskillnader mellan han- och kvinnliga möss.

I de HFD-matade djuren observerades en minskad sackarospreferens, som vändes efter en återhämtningsperiod. Dessa fynd utvidgar vår tidigare rapport om HFD-intag som ger en minskad sackarospreferens (23genom att demonstrera att detta kan inträffa med en kortare varaktighet av HFD-exponering (12 veckor jämfört med 22 veckor), och viktigt, att svaret återhämtar sig i frånvaro av HFD. Könsmöss visade samma responsmönster som män. Dessa fynd överensstämmer med andra i litteraturen som har visat genom införandet av en parmatad grupp att kronisk HFD, och inte fetma i sig, dämpar responsen för sackaros i en operant uppgift (24). På samma sätt återhämtades sackarospreferensen i den aktuella studien efter 4 veckor från HFD, medan kroppsvikt förblev signifikant förhöjd, vilket stödde slutsatsen att minskad sackarospreferens drevs av HFD-exponeringen och inte den åtföljande kroppsviktökningen. Det var särskilt intressant att det inte skedde någon förändring av sackarinpreferensen. Detta kan indikera att kronisk HFD på olika sätt påverkar svaret på kaloriska och icke-kaloriska söta belöningar. Effekter efter förtäring har visat sig påverka preferens oberoende av smaklighet, eftersom sackarosintag har visat sig inducera dopaminfrisättning i "sweet-blind" smakreceptor knockout-möss (25) krävs näringsvärde för belöning och förstärkning (26) och smakoberoende metaboliska avkänningsvägar har definierats i drosophila (27). Sackarin är betydligt sötare än sackaros, så ett försök gjordes för att upprätta likvärdighet i sötma (vanligtvis 4 – 10x högre koncentration av sackaros (26)) men den totala preferensen för sackarin var lägre än för sackaros hos dessa djur. Därför kan en alternativ förklaring vara att HFD på olika sätt påverkade sackarospreferensen eftersom det var relativt mer givande än sackarin (högt jämfört med lågt värde belöning), även om djur fortfarande visade en stark preferens för sackarin (~ 75 – 80% preferens för sackarin till ~ 85 – 90% preferens för sackaros).

Sammantaget minskade dopaminerg genuttryck inom VTA, NAc och PFC hos hanmöss efter kronisk HFD. Dessa fynd överensstämmer med andra studier som observerade minskningar i dopaminrelaterade gener som svar på HFD (12,13,15). Minskningar i dopamin D2-receptoruttryck och funktion har observerats i studier av människa5, 28) och överviktmodeller från gnagare (14, 29). Minskad dopamin-signalering minskar känsligheten för naturliga belöningar och kan därför underlätta fortsatt överkonsumtion av smakliga livsmedel och ytterligare viktökning (30,31). Vidare är störd dopaminhomeostas som drivs genom minskat DAT-ytuttryck känt för att driva ökat intag av diet med hög fetthalt (32). Ett undantag från detta mönster sågs med DARPP-32, ett dopamin- och cykliskt AMP-reglerat fosfoprotein, som ökade efter HFD i NAc och PFC. DARPP-32 spelar en nyckelroll för att integrera en mängd olika biokemiska och beteendemässiga svar som kontrolleras av dopamin. Det kan vara så att DARPP-32-uppreglering var kompensatorisk som svar på den kroniska nedregleringen av D1R. I en liknande modell (12 wk HFD i möss) har det visats att D1R nedreglering matchades av en ökning av fosforylering av DARPP-32 i NAc (33).

Få studier har undersökt kapaciteten för återhämtning av dessa förändringar efter borttagning av HFD. I två senaste rapporter förändrade emellertid genuttryck och belöningssystemfel efter en kort tillbakadragningsperiod (14 – 18d) (13, 14). Däremot har studier på överviktiga patienter före och efter gastrisk bypass-operation visat en återgång av dopaminerga förändringar efter en längre period av viktminskning (34). Hos män varierade återhämtningsmönstret efter hjärnregion. I VTA normaliserades de observerade minskningarna i COMT, DAT och TH alla med avlägsnandet av HFD. Däremot normaliserades inte alla genuttrycksförändringar som observerades i NAc och PFC. I den aktuella studien ledde kronisk HFD till betydande viktökning och efter 4 veckor från kosten var djuren fortfarande betydligt tyngre än kontrollerna. Därför var de efterföljande metaboliska och hormonella förändringarna som följer med fetma (t.ex. ökat leptin, förhöjda adipokiner) fortfarande närvarande vid 4 veckor utanför kosten. Därför kan förändringar av genuttryck som normaliserats (t.ex. i VTA) ha primärt drivits av HFD, medan de som bibehölls (i NAc och PFC) kan vara tätare kopplade till fetma. Underhåll av viktminskning genom bantning är karakteristiskt lågt (med 67% (35) till 80% (36) av patienter som återvinner den förlorade vikten). Denna beständighet av förändringar i genuttryck i belöningsregioner kan vara viktig för att delvis förklara denna vanliga förekomst. Det är också viktigt att notera att de observerade beteendemässiga och genuttrycksförändringarna inte troligtvis beror på stress i samband med förändrade dieter, eftersom det inte fanns några signifikanta förändringar i basala plasmakortikosteronnivåer på HFD eller efter 1wk eller 4wk återhämtning.

Intressanta könsskillnader avslöjades, både i svaret på kronisk HFD, samt som svar på borttagning av diet. Kvinnor liknade män när de visade en total minskning av dopaminrelaterade gener som skulle förutsäga en minskning av DA-aktivitet, särskilt i VTA och NAc. En anmärkningsvärd könsskillnad var ökningen av DAT-mRNA-uttryck i den kvinnliga VTA efter HFD. Denna skillnad i genuttryck, i kombination med liknande minskningar i TH-genuttryck hos båda könen, skulle antyda signifikanta skillnader i dopamins neurotransmission inom NAc, både i slutet av HFD-exponeringen såväl som efter återhämtningsperioden. En större uppskattning av den funktionella betydelsen av dessa skillnader är ett viktigt fokus för framtida forskning.

Även om COMT och TH minskar återhämtat sig i den manliga VTA, fortsatte dessa minskningar hos kvinnorna efter 4-veckan utanför HFD. Det är ännu inte fastställt om dessa skillnader skulle vända med en längre tid av kosten, men det stöder slutsatsen att kvinnor, åtminstone långsammare att återhämta sig, om de återhämtar sig alls. Vidare var genuttrycksförändringar av D1R och D2R i NAc och PFC ganska olika mellan män och kvinnor. Hos män fanns en generell minskning av genuttryck i båda regionerna som till stor del bestod efter borttagning av dieten. Hos kvinnor minskade D1R och D2R i NAc och återhämtades sedan, men det var ingen effekt av HFD på dopaminreceptorer i PFC. I de aktuella studierna avlivades kvinnliga djur utan att redovisa estrusstadiet. Medan vissa av de observerade slutpunkterna är kända för att variera över estruscykeln, visade inte kvinnliga djur i denna studie ökad varians över slutpunkterna, särskilt jämfört med effekten av dietmanipulationerna.

För att komplettera genuttryckningsresultaten mättes dopamin i de primära projektionsregionerna i VTA, nämligen PFC och NAc. Dopaminnivåer tenderade till parallella förändringar sett i TH mRNA i VTA. I NAc för både män och kvinnor minskade nivåerna av DA som svar på HFD-dieten; ett svar som återhämtades hos män, men inte kvinnor. I PFC minskade dopaminnivåerna också med HFD, men det fanns ingen återhämtning från kosten i PFC. Dessutom hade kvinnor lägre nivåer av dopamin i den prefrontala cortex än män. Könsskillnader i DAT-uttryck och funktion är välkända i litteraturen, där kvinnor visar ökat DAT-uttryck (37) och funktion (38) och dessa skillnader kan bidra till de olika baslinjenivåerna för dopamin mellan män och kvinnor. Undersökning av DOPAC: DA-förhållandet är också informativt. En ökning av detta förhållande kan ha återspeglat ett kompensationssvar som drivs av minskningar i DA. Den långsiktiga funktionella betydelsen av dessa förändringar i dopaminmetabolismen skulle belysas genom att mäta förändringar i dopaminfrisättning med användning av in vivo- mikrodialys.

Dessutom identifierar dessa data dynamisk reglering av DNA-metylering i promotorn av DAT-genen, särskilt hos män. Nyligen har vi visat att DAT-uttryck kan regleras dynamiskt genom differentiell DNA-metylering som svar på HFD (12) och att ökad DAT-promotormetylering korrelerar med en minskning av genuttryck. Här identifierar vi plasticiteten hos detta svar, eftersom den ökade DNA-metyleringen (och minskat uttryck av mRNA) som ses hos män vänder efter avlägsnande av HFD. Epigenetisk genreglering, till exempel genom förändringar i DNA-metylering, presenterar en väg där organismer lätt kan anpassa sig till miljöutmaningar. Epigenetiska märken kan upprätthållas över hela livslängden (39) och i odlade embryonala stamceller observerades både reversibla och beständiga mönster av differentiell DNA-metylering som svar på förändrade miljöförhållanden (40). Dessa uppgifter är de första att visa in vivo- ett dynamiskt metyleringsmönster som ändras med närvaro eller frånvaro av en miljöutmaning. Det noterades att samma mönster inte observerades hos kvinnor. Medan det initiala svaret på HFD var som förutsagt (minskad DNA-metylering som drev ökat genuttryck) bibehölls detta mönster inte under hela återhämtningsperioden. Detta antyder att DNA-metylering och genuttryck kan kopplas bort under de fyra veckorna utanför HFD eller det kan antyda att DAT-mRNA regleras på annat sätt hos kvinnor.

Hos män följer sackarospreferens, DA-relaterat genuttryck i VTA och dopamin i NAc ett konsekvent mönster av undertryckning som svar på den kroniska HFD som återhämtar sig efter avlägsnande av dieten. Intressant nog, medan beteendesponserna på sackaros är lika hos kvinnorna, visar både genuttrycksmönstret och NAc-dopaminnivåerna en brist på återhämtning efter avlägsnande av HFD. Belöningsrelaterat beteende påverkas tydligt av ytterligare neurotransmitter-system såsom opioider, och kanske hos kvinnor är beteendesponsen på sackaros starkare förknippad med förändringar i opioider. Sammantaget antyder nuvarande data att könsskillnader i både det initiala svaret på HFD såväl som till återhämtning efter borttagande av HFD, med avseende på dopaminrelaterat genuttryck representerar en viktig riktning för framtida forskning riktad till hur kronisk konsumtion av en HFD påverkar hjärnans belöningssystem. Det mest anmärkningsvärda identifierar dessa data betydande plasticitet i det dopaminergiska svaret på HFD, vilket antyder att även om de negativa effekterna av kronisk HFD-konsumtion och / eller fetma är betydande, finns potentialen för återhämtning.

Extramaterial

Erkännanden

fotnoter

Referensprojekt