Скасування дисфункції дофамінової системи у відповідь на високий вміст жирів (2013)

. Авторський рукопис; доступний у PMC 2014, червень 1.

Опубліковано в остаточному форматі:

PMCID: PMC3700634

NIHMSID: NIHMS435903

абстрактний

мета

Щоб перевірити, чи знижує дієта з високим вмістом жиру (HFD) дофамінергічний тонус у областях нагород мозку та оцінити, чи зміни ці зміни зворотні після видалення HFD.

Дизайн та методи

Миші-самки та самки годували 60% HFD протягом 12 тижнів. Додаткову групу оцінювали 4 тижні після видалення HFD. Ці групи порівнювались з контрольними, що годували, віковими групами контролю. Перевагу цукрози та сахарину вимірювали разом з експресією мРНК дофамінових генів RT-qPCR. Дофамін та DOPAC вимірювали за допомогою високоефективної рідинної хроматографії. Метилювання ДНК промотору DAT вимірювали за допомогою метильованої імунопреципітації ДНК та RT-qPCR.

результати

Після хронічного HFD перевагу сахарози знижували, а потім нормалізували після видалення HFD. Спостерігалася зниження експресії генів дофаміну, зниження вмісту дофаміну та зміни в метилюванні промотору DAT. Важливо, що реакція на ЧСС та постійність змін залежали від статі та області мозку.

Висновки

Ці дані ідентифікують знижений тонус дофаміну після хронічного ХФД на ранньому терміні життя зі складною схемою перевернення та наполегливості, яка залежить від статі та області мозку. Зміни ЦНС, які не відмінилися після відміни ХПС, можуть сприяти утрудненню збереження схуднення після втручання дієти.

Ключові слова: Дофамін, дієта з високим вмістом жиру, ДАТ, статеві відмінності, ожиріння, виведення, метилювання ДНК

Вступ

Надмірне споживання широко доступної, калорійної їжі смачної їжі вважається головним фактором, що сприяє високим показникам ожиріння в США (). Оскільки смачні страви часто вживаються після задоволення енергетичних потреб, корисні властивості смачних продуктів можуть перекрити гомеостатичні сигнали ситості. Багато нейромедіаторів відіграють певну роль у поведінці харчування (наприклад, опіоїди, дофамін, ГАМК, серотонін), а також в інтеграції сигналів периферійних поживних речовин (наприклад, лептин, інсулін, грелін). Сигналізація дофаміну є ключовим посередником як в нагоді за їжу, так і в поведінці, яка шукає винагороди, оскільки дофамін в мезолімбічній / мезокортикальній області асоціюється з корисними властивостями їжі, сексу та наркоманій (). Гостра смачна їжа викликає сплеск дофаміну в центральній системі винагород (,). При хронічному споживанні корисної їжі, підвищене вивільнення дофаміну з часом може призвести до адаптацій, пов'язаних з гіпофункцією винагороди.

Кілька доказів підтверджують гіпотезу про змінену функцію дофаміну при ожирінні. Дослідження зображень на людях показали притуплену активацію в регіонах нагородження пацієнтів з ожирінням під час пиття дуже приємного розчину (молочного коктейлю) (). Приглушена відповідь на винагороду була пов'язана з меншою доступністю D2 рецептора мозку дофаміну. Насправді мутації в людському рецепторі D2 дофаміну були пов'язані як з ожирінням, так і з залежністю (). Вміст дофаміну в синапсі значною мірою контролюється засвоєнням допамінових транспортерів (ДАТ). Рівень переносника дофаміну негативно корелює з індексом маси тіла, а генетичні варіанти ДАТ також пов'язані з ожирінням (,). На тваринних моделях ожиріння було продемонстровано зниження базового позаклітинного дофаміну та зменшення нейротрансмісії дофаміну в зоні ядра та вентральної тегментальної області (,,). Зниження генів, пов’язаних з дофаміном після хронічної дієти з високим вмістом жиру, свідчить про зниження рівня сигналізації у регіонах нагород (, ,,). Це зниження активності дофаміну після хронічної дієти з високим вмістом жиру може знизити чутливість до природних винагород та полегшити тривале надмірне споживання та подальше збільшення ваги.

Раннє життя є критичним періодом розвитку мозку, і рання харчова середовище може впливати на мозкові шляхи, що контролюють прийом їжі та метаболізм енергії. Раннє потрапляння мишей на дієту з високим вмістом жиру протягом всього одного тижня змінило споживання калорій у дорослих та експресію сигнальних молекул, пов'язаних з дофаміном (). Крім того, раннє післяпологове харчування у мишей, що рухається невеликим числом посліду протягом лактації, схиляє потомство до ожиріння у дорослому віці, змінюючи розвиток гіпоталамусу (). Хоча зрозуміло, що харчування в ранньому віці може вплинути на розвиток мозку та ризик ожиріння, про відносну тривалість цих змін протягом усього життя мало відомо. Крім того, попередні дослідження були проведені на самцях, але жінки рідко вивчалися в цьому контексті. З цією метою мишей чоловічої та жіночої статі вивчали на зміни експресії генів та метаболізму дофаміну після того, як вони були страждають ожирінням в ранньому житті через хронічне споживання дієти ВЧ від народження до 8 тижневого віку. Систему дофаміну також оцінювали 4 тижнів після зняття раціону з ВЧ, щоб перевірити, чи зберігаються зміни чи змінилися.

Методи та процедури

Тварини та експериментальна модель

Самки C57BL / 6J були розведені разом з самцями DBA / 2J (лабораторія Джексона, Бар-Харбор, штат Міссурі). Усі греблі годували стандартною контрольною дієтою (#5755; 18.5% білка, 12% жиру, 69.5% вуглеводів) аж до пологів, коли половину греблі / посліду було поміщено на дієту з високим вмістом жиру (Тест-дієта, Річмонд, IN #58G9; 18% білка, жиру 60% та вуглеводів 20.5%). Потомство відлучували у віці 3 тижнів і залишалися або на контрольній дієті, або на дієті з високим вмістом жиру до 12 тижневого віку. Ваги тіла реєстрували щотижня, і миші як чоловіки (n = 5 – 10), так і жінки (n = 5 – 10). Інституційний комітет з догляду та використання тварин (IACUC) Університету Пенсільванії затвердив усі процедури.

Перевагу цукрози та сахарину

В окремих експериментах мишей розміщували індивідуально (n = 8 – 10 / група) у стандартних клітках протягом 3 днів з однією пляшкою 200 мл досліджуваного розчину (4% сахарози або 1% розчину сахарину (з / п)) та іншою пляшка з 200 мл водопровідної води. Була доступна домашня чау ad libitum. Вимірювали сахарозу (мл), воду (мл) та споживання їжі (г), і розміщення пляшок змінювали щодня. Перевагу розраховували, використовуючи середнє значення вимірювань за останні 2 дні наступним чином: перевагу% = [(споживання сахарози / сахароза + споживання води) × 100].

Виділення геномної ДНК та загальної РНК з мозку

Тварин (n = 5 / група) евтаназували з передозуванням вуглекислого газу з наступним вивихом шийки матки; метод, рекомендований Комітетом з питань евтаназії Американської ветеринарної медичної асоціації. Потім мізки швидко видаляли і поміщали в RNAlater (Ambion, Austin, TX) за 4 – 6 годин за час до розсічення. Розсічення головного мозку для виділення префронтальної кори, ядер ядра та вентральної тегментальної області були виконані, як описано раніше (,, ). Геномну ДНК та загальну РНК виділяли одночасно, використовуючи міні-комплект AllPrep DNA / RNA (Qiagen).

Аналіз експресії генів за допомогою кількісної ПЛР у реальному часі

Для кожного окремого зразка використовували 500ng загальної РНК у зворотній транскрипції з використанням набору зворотної транскрипції високої ємності (ABI, Foster City, CA). Експресію генів-мішеней визначали за допомогою кількісної RT-PCR за допомогою ген-специфічних зондів Taqman з експресією гена Taqman Master Mix (ABI) на ПЦР-циклі в реальному часі ABI7900HT. Генові зонди перераховані в додатковий матеріал. Відносну кількість кожної стенограми визначали за допомогою дельта-значень КТ, як раніше описано в (). Зміни в експресії генів були обчислені проти незмінного стандарту GAPDH.

Добомін та метаболіти дофаміну Ex vivo

Для вимірювання вмісту дофаміну та його метаболітів у мезолімбічних зонах мозку (n = 8 – 12), як описано раніше, використовували високоефективну рідинну хроматографію (HPLC) (,). Мізки збирали у тварин і розбивали на праву і ліву півкулі. NAc і PFC були розчленовані і швидко заморожені сухим льодом і зберігалися при −80 ° C. Тканину готували до аналізу гомогенізацією в хлористоводневій кислоті 0.1 N, центрифугували при 15,000 об / хв протягом 15 хв при 2 – 8 ° C і супернатант фільтрували. Зразки аналізували за допомогою ВЕРХ біоаналітичних систем (West Lafayette, IN, США), використовуючи електрохімічний детектор LC-4C. Зразки (12 ul) вводили в колонку мікробочки зворотної фази зі швидкістю потоку 0.6 мл / хв та електродетекцію, встановлену при + 0.6 V. Розділення метаболітів дофаміну та дофаміну здійснювали мобільною фазою, що складається з ацетату натрію 90-mM, 35-mM лимонна кислота, 0.34-mM етилендіамін тетраоцтова кислота, 1.2-mM натрію октилсульфат натрію та 15% метанол об / об при рН 4.2. Вимірювали пікові висоти зразків і порівнювали зі стандартами для дофаміну та його метаболіту 3,4-дигідроксифенілоцтової кислоти (DOPAC).

Аналіз метильованої ДНК на імунопреципітацію (MeDIP)

Аналіз MeDIP проводили за допомогою набору MagMeDIP (Diagenode, Denville, NJ). Метильовану ДНК імунопреципітували за допомогою 0.15ul магнітних кульок, покритих анти-5метилцитидиновим антитілом (Diagenode) або сироваткою миші, що попередньо імунізує. Збагачення фракції MeDIP визначали за допомогою кількісної RT-PCR за допомогою ChIP-qPCR Assay Master Mix (SuperArray) на циклічному реальному часі ABI7900HT. Для всіх досліджених генів праймери були отримані з SuperArray (ChIP-qPCR Assays (−01) kb плитка, SuperArray) для ампліфікації геномних областей, що охоплюють CpG-ділянки, розташовані приблизно на 300 – 500 bp вище потоку початкових сайтів транскрипції. Результати MeDIP виражали у вигляді кратного збагачення імуноосадженої ДНК для кожного сайту. Щоб обчислити різницю зміни частоти зайнятості (% збагачення), значення КТ фракції ДНК MeDIP нормалізували на значення КТ вхідної ДНК.

Статистика

Аналіз експресії генів проводили за допомогою тесту Стьюдента для порівняння контрольованих у віці контрольних груп з HF та HF + групами відновлення. Рівень альфа коригували для кількох обстежених областей мозку. Значущість гена, використовуваного в одній області мозку, становила p = .05; для двох областей, p = 0.025, для областей мозку 3 p = .016. Перевагу цукрози, перевагу сахарину, ВЕРХ та МЕДІП, вагу тіла та аналіз на кортикостерон аналізували за допомогою однобічного ANOVA для порівняння груп контролю, HF та HF + відновлення. Для порівняння парних відмінностей між групами були використані тести множинного порівняння Бонферонні. Значення для цих тестів було встановлено на альфа-рівні p = .05.

результати

Миші мали постійний доступ до контрольної дієти (контроль) або до 60% дієти з високим вмістом жиру (HFD) до 12-тижневого віку. У віці 12 тижнів половину тварин, яких годували ВЧ, поміщали в домашню чау на 4 тижні (ВЧ + відновлення). Як у самців, так і у самок тварини з HFD (кола) були важчими за контролі, починаючи з 9-тижневого віку (р <05), і залишалися важчими за контроль протягом усього періоду відновленняДодатковий малюнок 1).

Тести на перевагу цукрози та сахарину вводили, щоб оцінити реакцію тварин на природні та нежитні стимули. Перевагу цукрози, але не сахарин, змінили після впливу дієти з ВЧ та повернули до нормальних рівнів після відновлення ВЧС у чоловіків і жінок. Односторонній показник ANOVA виявив, що перевагу цукрози у чоловіків значно знизилосяРис. 1A) і тенденція до зменшення кількості жінок (1B) після впливу HFD (F (2,16) = 4.82, p <.05; F (2,16) = 5.41, p <.06, відповідно). Після видалення HFD ця поведінка нормалізувалась, і перевага сахарози більше не відрізнялася від контролю. Вподобання сахарину не було змінено ні у чоловіків (Рис. 1C) або самки (1D) в результаті впливу HFD.

малюнок 1 

Переважність цукрози, але не сахарин, змінюється після впливу дієти з високим вмістом жиру (HFD) і повертається до контрольних рівнів після відновлення HFD у чоловіків і жінок

Оскільки дофамін є головним регулятором поведінкової винагороди, експресію гена, пов’язаного з дофаміном, досліджували в схемі нагородження окремої когорти чоловіків і жінок після тижня ХНУМХ на ХФД та в додатковій групі після одужання ХНДМ після тижня 12. Таблиця 1 підсумовує схеми експресії генів та статистичний аналіз у VTA, PFC та NAc. У VTA вимірювали три гени, важливі для регулювання рівня дофаміну на синаптичних терміналах: катехоламін метилтрансфераза (COMT), що бере участь у інактивації катехоламінових нейромедіаторів; допаміновий транспортер (DAT), мембранний охоплюючий насос, який очищає дофамін від синапсу, і тирозин гідроксилазу (TH) - фермент, що обмежує швидкість синтезу дофаміну. Значення зміни частоти для кожної групи визначалися за допомогою керованих за віком елементів керування (наприклад, обидві часові точки керування встановлені на 1, а для наочності на графіку зображено лише контроль для HFD). Т-тест Стьюдента (n = 5 / група) виявив у чоловічої VTA, що COMT, DAT та мРНК мРНК значно знижувались при впливі HFD (Фіг. 2A) та повернулися до або перевищили контрольні рівні після періоду одужання, що не входить до дієти (відновлення HF +).

малюнок 2 

Хронічна дієта з високим вмістом жиру (HFD) та відновлення після HFD змінює експресію гена дофаміну у чоловіків і жінок
Таблиця 1 

Підсумок та статистика генологічних виразів у чоловіків

У PFC та NAC були досліджені гени, важливі для сигналізації дофаміну та обороту дофаміну (n = 5 / група): COMT; регуляторна субодиниця білка фосфатази 1 (DARPP-1), сигнальний білок низхідного потоку, регульований стимуляцією рецепторів; дофаміновий рецептор D32 (DRD1), постсинаптичний рецептор, пов'язаний з G-білком, що стимулює аденілілциклазу; і дофаміновий рецептор D1 (DRD2), постсинаптичний рецептор, пов'язаний з G-білком, інгібує аденілілциклазу. У чоловічого PFC (2B), DARPP-32 збільшувався, тоді як DRD1 та DRD2 зменшувалися після впливу HFD, і ці зміни зберігалися після видалення HFD (хоча збільшення мРНК DARPP-32 не було статистично достовірним). У чоловічому NAC (Рис. 2C), COMT, DRD1 та DRD2 були знижені експозицією HFD і залишалися нижче контрольних рівнів після видалення HFD. Рівень DARPP-32 був підвищений HFD, але значно знизився від контролю після 4 тижнів після HFD.

Ті самі регіони мозку та гени були досліджені на мишах-самках (n = 5 / група). Як показано в Таблиця 2, були виявлені суттєві відмінності в структурі експресії генів у відповідь на HFD, а також у відновлення після раціону. Як і у чоловіків, у VTA рівень мРНК COMT та TH значно знижувався після впливу HFD (Фіг. 2D). Однак, на відміну від самців, ці зміни зберігалися і після видалення HFD. Крім того, на противагу шаблону, що спостерігається у чоловіків, експозиція HFD збільшувала експресію DAT мРНК у VTA у жінок, а після видалення рівня HFD були навіть нижчими за вікові показники контролю. У ПФК від хронічної ХФД уражався лише DARPP-32, зі значним підвищенням рівня мРНК після ХНД на 12 тижні та поверненням до контрольних рівнів після видалення HFD. МРНК як COMT, так і D1R значно знижувались після тижня 4 після ВЧД. У жінок NAC, COMT, DRD1 і DRD2 всі знижувалися після впливу HFD (2F). DRD1 та DRD2 відновилися до контрольних рівнів після зняття дієти, тоді як рівні COMT залишилися значно зниженими після відновлення 4wk.

Таблиця 2 

Підсумки та статистичні дані щодо генетичної експресії у жінок

Зважаючи на постійне зменшення експресії генів для регулюючих дофамін генів у ВТА, метаболіти дофаміну та дофаміну кількісно визначали у регіонах, які отримують прогнози від VTA, PFC та NAC. малюнок 3 показує дофамін (DA) та метаболіт дофаміну (DOPAC) з PFC та NAC у чоловіків (Рис. 3A, 3C) і самки (Рис. 3B, 3D). У чоловіків вплив HFD призвело до зниження рівня дофаміну в ПФК (Рис. 3A) та NAC (Фіг. 3C) (F (2,13) ​​= 3.95; F (2,18) = 3.536, p <.05), який відновився після видалення HFD лише в NAC. Обмін дофаміну (співвідношення DOPAC: DA) збільшився у чоловіків PFC (F (2,12) = 3.85, p <05) та NAC (F (2,17) = 4.69, p <05). Навпаки, вплив HFD на DA та DOPAC у жінок був якісно іншим, ніж у чоловіків. У PFC HFD не впливав на рівень DA або DOPAC. У NAc рівні DA знижувались у тварин, що годували HFD, і залишалися зниженими навіть після видалення HFD (3D, F (2,23) = 4.79, p <.05). Рівні DOPAC не змінювались у NAc жінок, що призвело до збільшення обороту DA (співвідношення DOPAC: DA) (F (2,23) = 7.00, p <.01).

малюнок 3 

Зниження рівня дофаміну в ПФК та ​​НАК після ВГД від народження та змішане відновлення після видалення ХФД

Зважаючи на те, що транскрипцію DAT можна регулювати диференційованим метилюванням ДНК та спостереженням за помітною різницею статі в експресії DAT в VTA, було досліджено метилювання ДНК в області промотору DAT. В Рисунок 4A, 4C Експресія гена DAT у VTA представлена ​​знову для наочності (взята з Рис. 2A і 2D). Метилювання промотору DAT значно збільшувалося у чоловіків (4B) після HFD і повернувся до контрольних рівнів у чоловіків HFD + відновлення (F (2,11) = 23.64, p <.01). У жінок метилювання промотору DAT тенденціювало до зменшення HFD тварин (D) і суттєво знижувалось у самок HFD + (рис. 5D, F (2,12) = 5.70, p <.05).

малюнок 4 

Зміни статусу метилювання ДНК промотору DAT паралельних змін експресії генів у VTA

Щоб оцінити, чи було зняття HFD у періоді одужання стрессором, були взяті контрольні рівні кортикостерону в плазмі крові (ug / dl), опромінення HFD (тижні 12), відновлення HFD + 1wk та відновлення HFD + 4wk (n = 5 / група, Додатковий рис. 2). Одностороння ANOVA не виявила суттєвих відмінностей між групами у самців (F (3,16) = 3.21, нс).

Обговорення

Хронічне споживання дієти з високим вмістом жиру (HFD), починаючи з раннього життя, використовувалося для встановлення спричиненого дієтою ожиріння у мишей. У мишей виявлено зниження переваги сахарози та свідчення зниження дофамінергічного тонусу в областях нагород мозку. Після закінчення ХНУМХ-тижня HFD перевагу сахарози нормалізували як у чоловіків, так і у жінок, проте деякі зміни експресії генів дофаміну зберігалися. Ці експерименти надають важливі нові дані, що описують вплив хронічної ХПЗ на систему відшкодування мозку, підкреслюючи здатність до одужання та ключові відмінності статі між мишами-самками та самками.

У тварин, що годувались ВГД, спостерігалось зменшення переваги сахарози, яке змінилося після періоду відновлення. Ці результати розширюють наш попередній звіт про прийом ВГС, що сприяє зниженню переваги сахарози (), демонструючи, що це може відбуватися при меншій тривалості впливу HFD (12 тижнів проти 22 тижнів), і що важливо, що відповідь відновлюється за відсутності HFD. Миші-самки демонстрували ті ж схеми реакції, що й самці. Ці висновки узгоджуються з іншими літературними документами, які показали, що через включення групи, що годує парою, хронічний ХПЗ, а не ожиріння сам по собі, послаблює реакцію на сахарозу в операційному завданні (). Аналогічно, у поточному дослідженні перевагу сахарози відновлювали після тижня 4 після ВГД, тоді як маса тіла залишалася значно підвищеною, що підтверджує висновок про те, що зниження переваги сахарози визначається впливом ВГД, а не супровідним збільшенням маси тіла. Особливо цікаво було те, що в сахаринових уподобаннях не було змін. Це може вказувати на те, що хронічний ХФН по-різному впливає на реакцію на калорійні та некалорійні солодкі винагороди. Показано, що після прийому всередину ефекти впливають на перевагу, незалежну від смакових якостей, оскільки показано, що прийом сахарози викликає вивільнення дофаміну у «мило-сліпих» смакових рецепторів смакових рецепторів (), харчова цінність необхідна для винагороди та посилення () та незалежні від смаку метаболічні сенсорні шляхи були визначені у дрозофіли (). Сахарин значно солодший, ніж сахароза, тому було докладено зусиль, щоб встановити еквівалентність солодкості (як правило, 4 – 10x вища концентрація сахарози ()) проте загальна перевага сахарину була нижчою, ніж для сахарози у цих тварин. Отже, альтернативним поясненням може бути те, що HFD по-різному впливав на перевагу сахарози, оскільки він був відносно більш корисним, ніж сахарин (нагорода високого порівняно з низьким значенням), хоча тварини все ще висловлювали велику перевагу сахарину (~ 75 – 80% перевагу до сахарину порівняно до ~ 85 – 90% переваги сахарози).

В цілому, експресія дофамінергічного гена в межах VTA, NAc та PFC знижувалася у мишей-самців після хронічного HFD. Ці результати узгоджуються з іншими дослідженнями, в яких спостерігається зниження генів, пов'язаних з дофаміном, у відповідь на HFD (,,). Зниження експресії та функції рецепторів дофаміну D2 спостерігалось у дослідженнях візуалізації людини (, ) та моделі ожиріння гризунів (, ). Знижена сигналізація дофаміну знижує чутливість до природних винагород і, отже, може сприяти тривалому надмірному споживанню смачної їжі та подальшому набору ваги (,). Крім того, відомо, що порушений гомеостаз дофаміну, спричинений зниженням експресії поверхні DAT, сприяє збільшенню споживання дієти з високим вмістом жиру (). Виняток із цієї картини спостерігався з DARPP-32, фосфопротеїном, регульованим дофаміном і циклічним AMP, який посилюється після ХФД в NAc та PFC. DARPP-32 відіграє ключову роль в інтеграції різних біохімічних та поведінкових реакцій, контрольованих дофаміном. Можливо, регуляція DARPP-32 була компенсуючою у відповідь на хронічну регламентацію D1R. У подібній моделі (12 wk HFD у мишей) було показано, що регуляція зниження D1R узгоджується збільшенням фосфорилювання DARPP-32 в NAc ().

Небагато досліджень вивчали здатність до відновлення цих змін після видалення HFD. Однак у двох останніх звітах зміни експресії генів та дефекти системи винагород зберігаються і після короткого періоду відкликання (14 – 18d) (, ). Навпаки, дослідження пацієнтів із ожирінням до та після хірургічного лікування шлунка показали, що після більш тривалого періоду схуднення можна змінити дофамінергічні зміни (). У чоловіків схема одужання змінювалася в залежності від регіону мозку. У VTA спостережуване зменшення СОМТ, ДАТ та ТН нормалізувалось із видаленням ЧМТ. Навпаки, всі зміни експресії генів, що спостерігалися в NAc та PFC, не нормалізувалися. У поточному дослідженні хронічна ХПЗ призвела до значного набору ваги, і після закінчення тижнів 4 з раціону тварини все ще були значно важшими, ніж контроль. Тому подальші метаболічні та гормональні зміни, які супроводжують ожиріння (наприклад, підвищення лептину, підвищені адипокіни), ймовірно, все ще були присутніми на 4 тижні поза дієтою. Отже, зміни експресії генів, які нормалізувалися (наприклад, у VTA), можливо, були зумовлені головним чином HFD, тоді як ті, що підтримувались (у NAc та PFC), можуть бути більш щільно пов'язані з ожирінням. Забезпечення схуднення шляхом дієти характерно низьке (з 67% () до 80% () пацієнтів, що повертають втрачену вагу). Ця стійкість змін експресії генів у регіонах винагород може бути важливою для часткового пояснення цього поширеного явища. Важливо також зазначити, що спостережувані зміни поведінки та експресії генів, ймовірно, не пов'язані зі стресом, пов’язаним із зміною дієт, оскільки не спостерігалося суттєвих змін рівня базового кортикостерону в плазмі крові на рівні HFD або після відновлення 1wk або 4wk.

Були виявлені цікаві статеві відмінності, як у відповіді на хронічну ХСС, так і у відповідь на зняття дієти. Жінки були схожими на чоловіків, демонструючи загальне зниження генів, пов’язаних з дофаміном, що прогнозувало б зниження активності DA, особливо у VTA та NAc. Однією з вагомих відмінностей статі було збільшення експресії DAT мРНК в жіночій VTA після HFD. Ця різниця в експресії генів у поєднанні з аналогічним зниженням експресії генів TH в обох статей може припустити значні відмінності в нейротрансмісії дофаміну в межах NAc, як наприкінці експозиції HFD, так і після періоду відновлення. Більша оцінка функціональної значущості цих відмінностей є важливим напрямком майбутніх досліджень.

Крім того, в той час, як зменшення СОМТ і ТН відновлюється у чоловічої стадії ВТА, вони зменшуються у жінок після 4-тижневого періоду після ВЧД. Поки не встановлено, чи змінитимуться ці відмінності при тривалішому відключенні дієти, однак це підтверджує висновок, що жінки, як мінімум, повільніше одужують, якщо вони взагалі одужують. Крім того, зміни експресії генів D1R та D2R в NAc та PFC були досить різними між чоловіками та жінками. У чоловіків спостерігалося загальне зниження експресії генів в обох регіонах, яке значною мірою зберігалося після зняття дієти. У жінок D1R і D2R знижувались у NAc, а потім відновлювались, але впливу HFD на дофамінові рецептори в ПФК не спостерігалось. У сучасних дослідженнях самки жертвували, не враховуючи стадії еструса. Хоча, як відомо, деякі кінцеві точки, що спостерігаються, змінюються протягом циклу еструса, самки в цьому дослідженні не демонструють посиленої дисперсії в кінцевих точках, особливо порівняно з ефектом дієтичних маніпуляцій.

Для доповнення результатів експресії генів дофамін вимірювали в первинних проекційних областях VTA, а саме PFC та NAc. Рівні дофаміну мали тенденцію до паралельних змін, виявлених у мРНК TH в VTA. У NAc як чоловіків, так і жінок рівень DA знизився у відповідь на дієту HFD; відповідь, яка одужала у чоловіків, але не у жінок. У ПФК рівень дофаміну також знизився через ХПР, однак у раціоні не було відновленого раціону. Крім того, жінки мали нижчий рівень дофаміну в префронтальній корі, ніж у чоловіків. Статеві відмінності в експресії та функції ДАТ добре відомі в літературі, а жінки демонструють посилення експресії ДАТ () та функція (), і ці відмінності можуть сприяти різному базовому рівню дофаміну між чоловіками та жінками. Дослідження співвідношення DOPAC: DA також є інформативним. Збільшення цього коефіцієнта, можливо, відобразило компенсаторну відповідь, зумовлену зниженням DA. Довгострокове функціональне значення цих змін метаболізму дофаміну буде висвітлено шляхом вимірювання змін вивільнення дофаміну за допомогою в природних умовах мікродіаліз.

Більше того, ці дані ідентифікують динамічну регуляцію метилювання ДНК в межах промотору гена DAT, особливо у самців. Нещодавно ми продемонстрували, що експресію DAT можна динамічно регулювати диференційованим метилюванням ДНК у відповідь на HFD (), і це підвищення метилювання промотору DAT корелює зі зниженням експресії гена. Тут ми ідентифікуємо пластичність цієї відповіді, оскільки посилене метилювання ДНК (та зниження експресії мРНК), що спостерігається у самців, повертається після видалення HFD. Епігенетична регуляція генів, наприклад, через зміни метилювання ДНК, являє собою шлях, за яким організми можуть легко адаптуватися до екологічних проблем. Епігенетичні позначки можна підтримувати протягом усього життя (), а в культивованих ембріональних стовбурових клітинах спостерігали як оборотні, так і стійкі структури диференціального метилювання ДНК у відповідь на зміни умов навколишнього середовища (). Ці дані першими демонструють в природних умовах динамічна схема метилювання, яка змінюється наявністю або відсутністю екологічних проблем. Примітно, що ця сама картина не спостерігалася у жінок. Незважаючи на те, що початкова відповідь на HFD була такою, якою було передбачено (зменшення метилювання ДНК за рахунок збільшення експресії гена), ця закономірність не зберігалася протягом усього періоду відновлення. Це дозволяє припустити, що метилювання ДНК та експресія генів можуть роз'єднуватися протягом чотирьох тижнів після ВГД або це може припустити, що мРНК DAT регулюється іншими способами у жінок.

У чоловіків, переваги сахарози, експресія гена, пов'язаної з DA, у VTA та дофамін у NAc дотримуються послідовної схеми - пригнічення у відповідь на хронічний HFD, який відновлюється після зняття раціону. Цікаво, що хоча поведінкові реакції на сахарозу схожі у жінок, як схема експресії генів, так і рівні допаміну NAc демонструють недостатнє відновлення після видалення HFD. На поведінку, пов'язану з винагородою, явно впливають додаткові нейромедіаторні системи, такі як опіоїди, і, можливо, у жінок поведінкова реакція на сахарозу сильніше пов'язана зі змінами опіоїдів. В цілому, наявні дані говорять про те, що статеві відмінності як у початковій реакції на HFD, так і у відновлення після видалення HFD, щодо експресії гена, пов’язаної з дофаміном, є важливим напрямком майбутніх досліджень, спрямованих на хронічне споживання ЧСС впливає на систему винагородження мозку. Найбільш помітно, що ці дані виявляють значну пластичність у дофамінергічній відповіді на HFD, що дозволяє припустити, що хоча несприятливі наслідки споживання хронічного ХГЛ та / або ожиріння значні, потенціал для відновлення існує.

Що вже відомо про цю тему

  • Експресія та функції рецепторів дофаміну у пацієнтів із ожирінням знижуються
  • Хронічне вплив дієти з високим вмістом жиру викликає зміни генів, пов’язаних з дофаміном, і поведінкової винагороди
  • Невротрансмісія дофаміну змінена у ожирілих гризунів.

Що цей рукопис додає до теми

  • Визначення статевих відмінностей у реакції ЦНС на дієту з високим вмістом жиру.
  • Оцінка пластичності дофамінергічних змін після зняття дієти з високим вмістом жиру.
  • Виявлення змін динамічного метилювання ДНК у відповідь на дієту з високим вмістом жиру

Подяки

Цю роботу підтримували наступні гранти: MH087978 (TMR), MH86599 (IL) та T32 GM008076 (JLC).

Виноски

 

Заява про конфлікт інтересів

У авторів немає конфліктів, які слід розкривати.

 

посилання

1. Swinburn B, Sacks G, Ravussin E. Збільшення запасів харчової енергії більш ніж достатньо для пояснення епідемії ожиріння в США. Am J Clin Nutr. 2009; 90: 1453 – 1456. [PubMed]
2. Фібігер HC, Phillips AG. Мезокортиколімбічні дофамінові системи та винагорода. Енн Н.Ю. акад. 1988; 537: 206 – 215. [PubMed]
3. Ернандес Луїс, Хобель Бартлі Г. Нагорода за їжу та кокаїн збільшують позаклітинний дофамін в накопиченні ядра, що вимірюється мікродіалізом. Науки про життя. 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. Активація мезолімбічних нейронів дофаміну під час роману та щоденний обмежений доступ до смачної їжі блокується антагоністом опіоїдів LY255582. Американський журнал фізіології - регулятивна, інтегративна та порівняльна фізіологія. 2008 серп. 1; 295 (2): R463 – R471. [PubMed]
5. Stice E, Spoor S, Bohon C, Малий DM. Зв'язок між ожирінням і притупленою стриатальною реакцією на їжу модерується алелем TaqIA A1. Наука. 2008: 322: 449 – 452. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
6. Благородний ЕП, Блум К, Річі Т, Монтгомері А, Шерідан ПДЖ. Алелійна асоціація D2 ген рецептора дофаміну з рецептор-зв'язуючими характеристиками при алкоголізмі. Генерал арки Психіатр. 1991; 48: 648 – 654. [PubMed]
7. Чень PS, Yang YK, Yeh TL, Lee IH, Yao WJ, Chiu NT та ін. Кореляція між індексом маси тіла та наявністю смугастих транспортерів дофаміну у здорових добровольців - дослідження SPECT. Нейроімідж. 2008; 40 (1): 275 – 279. [PubMed]
8. Потрібні AC, Ahmadi KR, Spector TD, DB Goldstein. Ожиріння пов'язане з генетичними варіантами, які змінюють доступність дофаміну. Літописи генетики людини. 2006 травень; 70 (Pt 3): 293 – 303. [PubMed]
9. Geiger BM, Frank LE, Caldera-siu AD, Stiles L, Pothos EN. Дефіцит центрального дофаміну в моделях множини ожиріння. Апетит. 2007; 49 (1): 293.
10. Geiger BM, Haburcak M, Avena NM, Moyer MC, Hoebel BG, Pothos EN. Дефіцит мезолімбічної нейромедіації дофаміну при харчовому ожирінні щурів. Неврознавство. 2009 квіт. 10; 159 (4): 1193 – 119. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
11. Cone JJ, Robbins HA, Roitman JD, Roitman MF. Споживання дієти з високим вмістом жиру впливає на фазовий вивільнення допаміну та його повторне захоплення в ядрах. Апетит. 2010 черв .; 54 (3): 640.
12. Вуцетик Зівенна, Карлін Джесселія, Тотокі Каті, Рейес Тереза ​​М. Епігенетична дисрегуляція дофамінової системи при ожирінні дієти. Журнал нейрохімії. 2012 січ 5; [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
13. Alsiö J, Olszewski PK, Norbäck AH, Gunnarsson ZEA, Levine AS, Pickering C, Schiöth HB. Експресія гена рецептора дофаміну D1 зменшується в накопиченні ядра при тривалому впливі харчової їжі і відрізняється залежно від фенотипу ожиріння, викликаного дієтою у щурів. Неврознавство. 2010 грудень 15; 171 (3): 779 – 787. [PubMed]
14. Джонсон Пол М, Кенні Пол Дж. Допамін D2 Рецептори в дисфункції, що нагадує наркоманію, і компульсивному харчуванні у ожирілих щурів. Нейрова наука. 2010 травень; 13 (5): 635 – 641. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
15. Хуан Сю-Фен, Ю Іньхуа, Завіцану Катерина, Хань Мей, Сторліен Лен. Диференціальна експресія дофаміну D2 і рецептора D4 та мРНК тирозин гідроксилази у мишей, схильних або резистентних, до хронічного ожиріння, спричиненого дієтою з високим вмістом жиру. Молекулярні дослідження мозку. 2005 квіт. 27; 135 (1 – 2): 150 – 161. [PubMed]
16. Teegarden SL, Scott AN, Bale TL. Раннє перебування на дієті з високим вмістом жиру сприяє тривалим змінам харчових уподобань та центральній сигналізації про винагороду. Неврознавство. 2009 вересня 15; 162 (4): 924 – 932. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
17. Bouret SG. Роль раннього гормонального та харчового досвіду у формуванні поведінки годування та розвитку гіпоталамусу. Журнал харчування. 2010 січ 1; [PubMed]
18. Vucetic Z, Kimmel J, Totoki K, Hollenbeck E, Reyes TM. Материнська дієта з високим вмістом жиру змінює метилювання та експресію генів дофамінових та опіоїдних генів. Ендокринологія 2010 жовт .; 151 (10): 0000 – 0000. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
19. Рейес Тереза ​​М, Уокер Джон Р, Декіно Кейсі, Хогенш Джон Б, Савченко Пол Е. Категорично виразні гострі стресори викликають несхожі транскрипційні профілі в паравентрикулярному ядрі гіпоталамуса. The Journal of Neuroscience: Official Journal of the Society of Neuroscience. 2003 лип. 2; 23 (13): 5607 – 5616. [PubMed]
20. Клек Джессіка Н, Екк Лорел Е, Бленді Джулі А. Зміни ендокринної та генної експресії внаслідок вимушеного стресового впливу під час кокаїну у мишей. Психофармакологія. 2008 листопада; 201 (1): 15 – 28. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
21. Pfaffl МВт. Нова математична модель відносного кількісного визначення в режимі реального часу rt-pcr. Нуклеїнові кислоти Res. 2001; 20: e45. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
22. Майорга А. Дж., Далві А, Сторінка ME, Зимов-Левінсон S, Хен Р, Луцький І. Антидепресантний поведінковий ефект у мутантів мишей-рецепторів 5-гідрокситриптамін (1A) та 5-гідрокситриптамін (1B). J Pharmacol Exp Ther. 2001; 298: 1101 – 110. [PubMed]
23. Vucetic Z, Kimmel J, Reyes TM. Хронічна дієта з високим вмістом жиру сприяє постнатальному епігенетичному регулюванню мк-опіоїдних рецепторів у головному мозку. Нейропсихофармакологія. 2011 doi: 10.1038 / npp.2011.4. заздалегідь онлайн-видання 16 лютого 2011. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed] [Крест Реф]
24. Девіс JF, Трейсі AL, Schurdak JD, Tschöp MH, Lipton JW, Clegg DJ та ін. Вплив підвищеного рівня дієтичного жиру зменшує винагороду за психостимулятори та оборот мезолімбічного дофаміну у щура. Бехав Невросі. 2008; 122 (6) [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
25. де Арауджо Іван Е, Олівейра-Майя Альбіно Ж, Сотнікова Тетяна Д, Гайетдінов Рауль Р, Карон Марк Г, Ніколеліс Мігель А. Л., Саймон Сідні А. Винагорода за їжу за відсутності сигналу рецептора смаку. Нейрон. 2008 березня 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. Смак, не пов'язаний з харчуванням, не здатний зберегти зміцнюючі властивості їжі. Європейський журнал з нейронауки. 2012 серп; 36 (4): 2533 – 2546. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
27. Душа Моніка, Мін Су Хун, Кін Алекс С, Лі Га Янг, Су Грег SB. Смачне незалежне виявлення калорійності цукру в дрозофілі. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки. 2011 лип. 12; 108: 11644 – 11649. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
28. Ван Джин-Джек, Волков Нора Д, Логан Жан, Паппас Наомл Р, Вонг Крістофер Т, Чжу Вель, Нетюсл Ноелва, Фаулер Йоанна С. Мозок дофаміну та ожиріння. Ланцет. 2001; 357 (9253): 354 – 357. [PubMed]
29. Huang XF, Zavitsanou K, Huang X, Yu Y, Wang H, Chen F та ін. Щільність зв'язування транспортера дофаміну та рецепторів D2 у мишей, схильних або стійких до хронічного ожиріння, спричиненого дієтою з високим вмістом жиру. Бехав Мозг Рез. 2006; 175 (2): 415 – 419. [PubMed]
30. Фортуна Джефрі Л. Епідемія ожиріння та наркоманія: Клінічна схожість із залежністю від наркотиків. Журнал психологічних препаратів. 2012 березня; 44 (1): 56 – 63. [PubMed]
31. Куб Джордж Ф, Моал Мішель Ле. Наркоманія та система загального мозку. Щорічний огляд психології. 2008; 59: 29 – 53. [PubMed]
32. Speed ​​Nicole, Saunders Christine, Davis Adeola R, Anthony Owens W, Matthies Heinrich JG, Saadat Sanaz, Kennedy Jack P та ін. Порушення смугального актового сигналу порушує гомеостаз дофаміну і збільшує годування. PLOS ONE. 2011 вересня 28; 6 (9) doi: 10.1371 / journal.pone.0025169. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed] [Крест Реф]
33. Шарма S, Фултон С. Дієта, спричинена дієтою, сприяє депресивно-поведінковій поведінці, пов'язаній з нейронними адаптаціями в мозковій нагороді. Міжнародний журнал ожиріння 2005. 2012 квіт. 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. Зміни центральних рецепторів дофаміну до та після хірургії байпасу шлунка. Ожиріння хірургія. 2009 жовт. 29; 20 (3): 369 – 374. [PubMed]
35. Фелан Сюзанна, Вінг Рена Р, Лорія Катерина М, Кім Йонгін, Льюїс Кора Е. Поширеність і прогнози утримання ваги у бірасовій когорті: результати розвитку ризику розвитку коронарних артерій у молодих дорослих. Американський журнал превентивної медицини. 2010 грудня; 39 (6): 546 – 554. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
36. Поле AE, Wing RR, Менсон JE, Spiegelman DL, Willett WC. Зв'язок великої втрати ваги з довготривалою зміною ваги серед жінок молодого та середнього віку США. Міжнародний журнал про ожиріння та пов’язані з ним метаболічні розлади: Журнал Міжнародної асоціації з вивчення ожиріння. 2001 серп; 25 (8): 1113 – 1121. [PubMed]
37. Моріссет М, Ді Паоло Т. Варіації статі та еволюційного циклу на місцях поглинання дофаміну смугастих щурів. Нейроендокринологія. 1993 липня; 58 (1): 16 – 22. [PubMed]
38. Bhatt Sandeep D, Dluzen Dean E. Відмінники функцій транспортера дофаміну між мишами та жінками CD-1. Дослідження мозку. 2005 лют 28; 1035 (2): 188 – 195. doi: 10.1016 / j.brainres.2004.12.013. [PubMed] [Крест Реф]
39. Ollikainen Miina, Smith Katherine R, Joo Eric Ji-Hoon, Hong Kiat Ng, Andronikos Roberta, Novakovic Boris et al. Аналіз метіляції ДНК множинних тканин новонароджених близнюків виявляє як генетичні, так і внутрішньоматкові компоненти до зміни епігеному новонароджених людини. Молекулярна генетика людини. 2010 листопад 1; 19 (21): 4176 – 4188. [PubMed]
40. Томпкінс Джошуа Д, Хол Крістін, Чен Вінсент Чан-Іі, Лі Артур Сюйюн, Ву Свівей, Хсу Давид та ін. Епігенетична стабільність, адаптованість та оборотність в людських ембріональних стовбурових клітинах. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки. 2012 лип. 31; 109 (31): 12544 – 12549. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]