糙米特异性γ-谷维素对高脂饮食诱导的肥胖小鼠脑纹状体多巴胺D2受体表观遗传调控的影响(2017)

。 2017; 60(8):1502-1511。

在线发布2017 May 20。 DOI:  10.1007/s00125-017-4305-4

PMCID:PMC5491592

抽象

宗旨/假设

过量饮食脂肪会导致人类和啮齿动物的肥胖。 最近对人类和啮齿动物的研究表明,对于脂肪成瘾有一个共同的机制,就大脑奖励系统的功能障碍而言,酒精,尼古丁和麻醉剂成瘾。 已经强调高脂肪饮食(HFD)减弱纹状体中的多巴胺D2受体(D2R)信号传导,这是大脑奖赏系统的关键调节剂,导致享乐过度暴饮暴食。 我们以前报道过糙米特异性生物活性成分γ-谷维素通过下丘脑控制减弱了对HFD的偏好。 因此,我们探索了γ-谷维素调节小鼠脑回报系统功能的可能性。

方法

喂食HFD的雄性C57BL / 6J小鼠用γ-谷维素口服处理,并评估参与D2R信号传导的纹状体水平的分子。 研究了γ-谷维素对D2R启动子的DNA甲基化的影响以及随后对膳食脂肪的偏好的变化。 此外,研究了5-aza-2'-脱氧胞苷(一种有效的DNA甲基转移酶抑制剂(DNMT))对食物偏好,D2R信号传导和纹状体中DNMT水平的影响。 在体外酶促评价γ-谷维素对DNMT活性的抑制作用。

成果

在来自喂食HFD的小鼠的纹状体中,D2R的产生通过D2R的启动子区域的DNA甲基化的增加而降低。 口服γ-谷维素降低了DNMT的表达和活性,从而恢复了纹状体中D2R的水平。 5-aza-2'-脱氧胞苷对DNMT的药理学抑制也改善了对膳食脂肪的偏好。 与这些发现一致,酶促体外测定证明γ-谷维素抑制DNMT的活性。

结论/解释

我们证明了γ-谷维素改善了HFD诱导的小鼠纹状体中D2R启动子区域的DNA高甲基化。 我们的实验范例强调γ-谷维素是一种有前景的抗肥胖物质,具有独特的新型表观遗传调节剂的特性。

电子辅助材料

本文的在线版本(doi:10.1007 / s00125-017-4305-4)包含经过同行评审但未经编辑的补充材料,授权用户可以使用。

关键词: DNA甲基化,多巴胺,表观遗传学,喂养行为,营养,肥胖,奖励,纹状体,2型糖尿病

介绍

肥胖者的暴饮暴食至少部分地与酒精,尼古丁和麻醉剂成瘾共同作用[]。 除了下丘脑和激素调节食欲外,大脑奖励系统,特别是多巴胺受体信号,与成瘾或享乐喂养行为密切相关[]。 之前在大鼠中进行的一项研究表明,慢病毒介导的短发夹干扰RNA对纹状体多巴胺D2受体(D2R)的敲除迅速诱发了类似成瘾的奖励缺陷和强迫性食物寻求[]。 由于D2R密度降低,与肥胖人类和啮齿动物的瘦对照组相比,背侧纹状体对食物奖励的反应较小[]。 按照这个概念, Taq酶IA的等位基因 ANKK1 基因位点(编码DRD2 /锚蛋白重复和含有1的激酶结构域),减少纹状体D2R的产生,与人类的肥胖表型有关[虽然减肥手术后体重减轻的影响与纹状体D2R密度升高有关[]。 这些数据强烈表明纹状体D2R作为治疗肥胖症的新型治疗靶标的重要性。 然而,一些开发了大脑奖励系统的药物引起了相当大的不良反应,包括严重的精神问题,导致他们最终退出诊所[].

表观遗传修饰不仅对于发育和分化至关重要,而且因为它们是由于环境变化而产生的,包括饮食和生活方式[]。 DNA甲基化是基因表达稳定性的主要表观遗传事件[]。 在大鼠中,母体暴露于高脂肪饮食(HFD)代际改变了后代中枢奖励系统内的DNA甲基化,导致幼犬过度消耗HFD []。 特别是,DNA甲基转移酶(DNMTs)在调节摄食行为和身体活动方面发挥着关键作用[, ],提示DNMT可能是治疗肥胖 - 糖尿病综合征的有希望的治疗靶点。 重要的是,已知一些天然食物衍生物质,包括咖啡酸和表没食子儿茶素,可作为DNMT抑制剂[, ].

我们最近表明,生物活性,糙米特异性组分γ-谷维素,阿魏酸酯和几种植物甾醇的混合物,通过减少下丘脑内质网(ER)应激减弱了对膳食脂肪的偏好[]。 在小鼠和兔子中,口服γ-谷维素迅速从肠道吸收并主要分布到大脑[, ]。 将这些发现结合起来,作用于中枢神经系统的天然食物衍生产品可以替代安全地改善肥胖中受损的摄食行为。 在这种情况下,我们测试了γ-谷维素将改变大脑奖赏系统中DNA甲基化状态的假设,导致小鼠对HFD的偏好减弱。

方法

动物

从日本Charles River Laboratories日本(日本神奈川县)获得的57周大的雄性C6BL / 3J小鼠在无特定病原体的条件下于4°C,24 h / 12 h的光照下饲养(每笼12-8只)黑暗周期。 适应一周后,对5352周龄的小鼠进行体重匹配,分为两组或三组进行每个实验。 允许小鼠自由进食和饮水。 所有动物实验均得到琉球大学动物实验伦理委员会的批准(第5718、5943和XNUMX号)。

给予γ-谷维素和5-aza-2'-脱氧胞苷

为了评价对HFD的偏好,如前所述,在食品选择试验中,通过强饲法将γ-谷维素(Wako Pure Chemical Industries,Osaka,Japan)给予8-一周龄小鼠[, ]。 对于其他实验,制备含有12079%γ-谷维素的HFD(D0.4B; Research Diets,New Brunswick,NJ,USA)作为粒料。 饮食的组成部分显示在电子补充材料(ESM)表中 1。 喂食12周后,从纹状体和下丘脑收集组织。 根据小鼠的平均食物摄入量估算的每日γ-谷维素摄入量约为320μg/ g体重。 γ-谷维素的剂量如先前所述确定[]。 每周5次腹膜内注射2-氮杂5'-脱氧胞苷(0.25-氮杂-dC;西格玛奥德里奇,美国密苏里州圣路易斯),连续12周[XNUMX] g / g体重[].

估计膳食脂肪的偏好

为了评估膳食脂肪的偏好,食物测试提供了如前所述的食物和HFD(D12450B和D12451;研究饮食)之间的选择[]。 饮食的成分显示在ESM表中 1。 简而言之,允许小鼠自由进食和HFD。 每周测量食物的摄入量和HFD,并分析其对饮食脂肪偏好的变化。 根据以下公式计算HFD偏好:HFD偏好= [((HFD摄入量/总食物摄入量)×100]。

用于DNA甲基化的亚硫酸氢盐测序

使用DNeasy血液和组织试剂盒(QIAGEN,东京,日本)纯化DNA。 将DNA溶液与新鲜制备的3 mol / l NaOH混合,在37°C下孵育15分钟,然后添加到5.3 mol / l尿素,1.7 mol / l亚硫酸氢钠和4.9 mmol / l对苯二酚中。 将该溶液在15°C变性95个循环30 s,然后在50°C孵育15分钟[]。 使用MinElute PCR纯化试剂盒(QIAGEN)纯化亚硫酸氢盐处理的DNA,并使用KAPA HiFi HotStart Uracil + ReadyMix PCR试剂盒(KAPA Biosystems,Woburn,MA,USA)和D2R启动子区域的CpG位点周围的引物进行PCR扩增。 。 引物序列如下:正向引物,5'-GTAAGAATTGGTTGGTTGGAGTTAAAA-3'; 反向引物,5'-ACCCTACCCTCTAAAACCACAACTAC-3'。 接下来,使用Agencourt AMPure XP(Beckman Coulter,Brea,CA,USA)添加和清除衔接子序列。 然后合并样品并装载到GS Junior(Roche Diagnostics,T​​okyo,Japan)上,根据制造商的方案进行测序。 甲基化水平表示为所有胞嘧啶残基中甲基化胞嘧啶的百分比。

DNMT活性测定

根据制造商的方案,使用EpiQuik DNA甲基转移酶活性/抑制测定试剂盒(Epigentek Group,Brooklyn,NY,USA)和EPIgeneous Methyltransferase Assay试剂盒(Cisbio Japan,Chiba,Japan)进行DNMT酶活性测定。

为了评估每种化合物对DNA甲基化的抑制活性,形成 S在每种化合物均存在的情况下测量了-腺苷-20-高半胱氨酸(SAH)(用于筛选试验的浓度为XNUMXμmol/ l), S-腺苷甲硫氨酸(SAM; 10μmol/ l)和DNMT底物(4 ng /μl)在37°C下放置90分钟。 为了评估Michaelis-Menten动力学,将DNMT1(20μmol/ l)与γ-谷维素,SAM(5μmol/ l)和指定浓度的poly dI-dC在37°C孵育90分钟。 将DNMT3a(100μmol/ l)和DNMT3b(100μmol/ l)与γ-谷维素,SAM(5μmol/ l)和指定浓度的dG·dC在37°C孵育120分钟。 一式四份进行测定。 将提取的蛋白质(0.75 mg / ml)与SAM(5μmol/ l),poly dI-dC(5μg/ ml)和poly dG·dC(5μg/ ml)在40°C下孵育120分钟,然后测量了SAH的形成。

雌激素相关受体-γ活性测定

γ-谷维素对雌激素相关受体-γ(ERRγ)的潜在拮抗活性使用人类雌激素相关受体γ报告基因检测系统(INDIGO Bioscience,State College,PA,USA)根据制造商的方案进行评估。 简而言之,将组成型表达活性ERRγ的非人类哺乳动物报道细胞一式三份暴露于所示浓度的每种化合物24小时。

蛋白质印迹

这是如前所述进行的[用抗D2R的抗体(1:500,兔子),多巴胺转运蛋白(DAT; 1:500,兔子),酪氨酸羟化酶(TH; 1:1000,兔子)(AB5084P,AB1591P和AB152,Merck Millipore,Billerica,MA,美国),信号转导和转录激活因子3α(STAT3α; 1:1000,兔),DNMT1(1:1000,兔),DNMT3a(1:1000,兔)(编号8768、5032和3598;细胞信号技术,日本东京),DNMT3b(1μg/ ml,兔子),ERRγ(1:1000,兔子)和β-肌动蛋白(1:10,000,小鼠)(ab16049,ab128930和ab6276; Abcam,美国马萨诸塞州剑桥市)。

定量实时PCR

如前所述检查基因表达[]。 将mRNA水平标准化为 Rn18s (18S rRNA)。 用于定量实时PCR分析的引物组在ESM表中总结 2.

统计分析

数据表示为平均值±SEM。 在适用的情况下,使用单向方差分析和重复测量方差分析,然后进行多次比较测试(邦费罗尼-邓恩方法)。 学生们 t 测试用于分析两组之间的差异。 差异被认为是重要的 p <0.05。

成果

5-aza-dC对DNMT的药理学抑制减弱了对小鼠中膳食脂肪的偏爱

在喂食HFD的小鼠中,与喂食饲料的小鼠相比,纹状体中D2R的启动子区域中的DNA甲基化显着增加(图2)。 (Fig.1a).1一个)。 另一方面,在食物饲料中,D2R启动子区域的下丘脑DNA甲基化显着高于纹状体中的下丘脑DNA甲基化(p <0.01)(图 (Fig.1a,1a,f)并没有被HFD改变(图。 (Fig.1f).1F)。 在喂食HFD的小鼠中,通过用强效DNMT抑制剂2-aza-dC处理使纹状体中D5R的启动子区域中的增强的DNA甲基化正常化(图2)。 (Fig.1a).1一个)。 相反,通过用2-aza-dC处理,下丘脑中D5R的启动子区域中的DNA甲基化没有显着改变(图2)。 (Fig.1f).1F)。 在喂食HFD达20周的12周龄雄性小鼠的纹状体中,D2R的mRNA和蛋白水平显着降低(图XNUMX)。 (Fig.1b,1b,k,l)。 相反,多巴胺D1受体的水平(D1Rs,编码 Drd1),与腺苷酸环化酶和cAMP介导的细胞内信号传导的D2R相反的作用没有变化(图2)。 (Fig.1c).1C)。 此外,与D2R信号传导相关的其他分子的水平没有变化,例如mRNA和/或蛋白质水平的TH和DAT(图2)。 (Fig.1d,1d,e,k,m)。 另一方面,在下丘脑中没有观察到明显的变化,包括D2R(图2)。 (Fig.1g-M).1G-M)。 值得注意的是,下丘脑中D2R和TH的蛋白水平远低于纹状体中的蛋白水平(图2)。 (Fig.1l,1我,m),可能反映了与下丘脑相比,大脑奖赏系统中多巴胺受体信号传导的相对重要性。

图。 1 

5-aza-dC对DNMT的抑制通过增加HFD喂养的小鼠的纹状体中的D2R来减弱对HFD的偏爱。 纹状体中D2R启动子区的DNA甲基化水平(n = 3)(a)和下丘脑(n = 3) ...

为了检查D2R的启动子区域中的DNA甲基化是否会改变对膳食脂肪的偏好,分析了5-aza-dC处理的小鼠的摄食行为。 正如预期的那样,5-aza-dC显着增加了HFD喂养小鼠纹状体中D2R的mRNA和蛋白水平(图2)。 (Fig.1b,1b,k,l)。 另一方面,对水平没有影响 Drd1, ThSlc6a3 (编码DAT)在纹状体中,或在水平上 Drd2, Drd1,ThSlc6a3 在下丘脑(图。 (Fig.1c-E,1c-e,g-m)。 尽管载体处理的小鼠优选HFD,但在5-aza-dC处理的小鼠中对HFD的偏好显着降低(载体处理的小鼠的88%值)。 (Fig.1n).1N)。 因此,用5-aza-dC治疗可减少体重增加(图2)。 (Fig.11O)。

γ-谷维素降低HFD喂养小鼠的纹状体中DNMT的水平

正如我们之前报道的[],通过管饲法对雄性小鼠口服γ-谷维素显着减弱了对HFD的偏好(载体处理的小鼠的93%值)(图1)。 (Fig.2a),2a),导致体重增加明显减弱(图 (Fig.2b).2B)。 因此,我们探讨了γ-谷维素对纹状体中D2R的表观遗传调节的潜在影响。

图。 2 

γ-谷维素对HFD喂养小鼠DNMTs的抑制作用。 HFD偏好(a)和体重(b)在γ-oryzanol处理的小鼠食物选择测试中与食物和HFD(n = 4个笼子; 每个笼子三只老鼠)。 的mRNA水平 ...

在哺乳动物中,有三种主要的DNMT-DNMT1,3a和3b。 DNMT1起到维持DNA甲基化的作用,而DNMT3a和3b在促进从头DNA甲基化中发挥作用[]。 为了探索γ-谷维素对体内DNMTs的潜在影响,我们评估了HFD喂养小鼠脑中DNMT的水平。 尽管HFD本身对纹状体或下丘脑中DNMT的mRNA和蛋白水平没有影响,但补充γ-谷维素可显着降低纹状体中DNMT的水平,但不会降低下丘脑中的DNMT水平(图2)。 (Fig.2c-E,2c-e,g-i,k-n)。 这些数据提高了γ-谷维素可能以纹状体特异性方式调节DNMT水平的可能性。 以类似的方式,5-aza-dC在纹状体中优先显着降低DNMT3a和3b的mRNA水平(ESM图。 1广告)。

在先前的研究的基础上,显示DNMT1的mRNA水平至少部分受到核受体ERRγ的正调控[],我们检测了γ-谷维素对ERRγ活性的潜在影响。 在组成型表达活性ERRγ的非人哺乳动物细胞中,ERRγ的有效反向激动剂4-羟基三苯氧胺显着降低ERRγ活性。 值得注意的是,γ-谷维素部分地降低了ERRγ活性(先天值的约40%降低)(图。 (Fig.3a).3一个)。 重要的是,ERRγ在纹状体中高表达,但在下丘脑中没有表达(图2)。 (Fig.3b-d).3B-d)。 与纹状体的情况相反,γ-谷维素仅在下丘脑中显着增加DNMT1的蛋白质水平(图2)。 (Fig.2k,2k,l)。 这些结果可以至少部分地通过我们发现STAT3α,DNMT1水平的正调节剂来解释[],在下丘脑中大量表达,但在纹状体中没有表达(图。 (Fig.33例如)。

图。 3 

γ-谷维素对ERRγ活性和STAT3α的影响。 (a)γ-谷维素对体外ERRγ的抑制作用。 ERRγ活性与γ-谷维素(黑圈),阿魏酸的剂量 - 反应曲线 ...

为了进一步评估γ-谷维素对体内DNMT活性的影响,在喂食HFD的γ-谷维素处理的小鼠中评估了SAH(DNA甲基化的副产物以及DNMT的有效抑制剂)的形成。 在HFD喂养和饲喂喂养的小鼠之间,纹状体或下丘脑中的SAH形成没有显着变化(图2)。 (Fig.2f,2缩略词)。 值得注意的是,γ-谷维素显着降低了纹状体中的SAH形成(图。 (Fig.2f)2f)但不在下丘脑中(图 (Fig.2j),2j),提示γ-谷维素可以在HFD喂养的小鼠中以纹状体特异性方式抑制DNMT的活性。

酶法分析γ-谷维素对体外DNMTs的抑制作用

我们接下来评估了γ-谷维素对体外DNMT活性的影响。 评价了γ-谷维素,阿魏酸,5-aza-dC,氟哌啶醇(代表性D2R拮抗剂),喹吡罗(代表性D2R激动剂)和SAH对DNMT的抑制效力。 作为阳性对照,SAH以剂量依赖的方式强烈减弱DNMT的活性(图2)。 (Fig.4a-F).4A-F)。 正如所料,氟哌啶醇和喹吡罗对DNMT的活性没有影响(ESM图。 2)。 值得注意的是,γ-谷维素显着抑制DNMT1(IC50 = 3.2μmol/ l),3a(IC50 = 22.3μmol/ l)和3b(最大抑制57%)(图。 (Fig.4d-F).4d-f)中。 相比之下,γ-谷维素的代谢产物阿魏酸的抑制活性远低于γ-谷维素的抑制活性(图2)。 (Fig.44d-f)中。

图。 4 

γ-谷维素对体外DNMTs的抑制作用。 DNMT1潜在抑制剂的高通量筛选试验(a),DNMT3a(b)和DNMT3b(c)。 对γ-谷维素,阿魏酸(γ-谷维素的代谢产物)的DNMTs的抑制潜力, ...

我们进一步研究了γ-谷维素对DNMTs的抑制性质。 测量SAH的形成以评估γ-谷维素在体外对DNMT的抑制活性。 DNMT介导的DNA甲基化过程中SAH形成的数据表明存在和不存在γ-谷维素的Michaelis-Menten动力学的可饱和模式(图2)。 (Fig.4g-ⅰ).4G-I)。 在DNMT1介导的DNA甲基化中,Eadie-Hofstee分析证明γ-谷维素对其没有影响。 V 最大 SAH生成量(车辆,597 pmol / min;γ-谷维素2μmol/ l,619 pmol / min;γ-谷维素20μmol/ l,608 pmol / min),而γ-谷维素明显增加 K m (车辆,0.47μg/ ml;γ-谷维素2μmol/ l,0.67μg/ ml;γ-谷维素20μmol/ l,0.89μg/ ml)(图 (Fig.4j).4j)的。 这些结果表明γ-谷维素至少部分地以竞争性方式抑制DNMT1。 另一方面,对于DNMT3a-和3b介导的DNA甲基化,γ-谷维素降低了 V 最大 SAH的形成(DNMT3a:载体,85.3 pmol / min;γ-谷维素2μmol/ l,63.1 pmol / min;γ-谷维素20μmol/ l,42.5 pmol / min; DNMT3b:载体,42.3 pmol / min;γ -oryzanol 2μmol/ l; 28.0 pmol / min,γ-oryzanol20μmol/ l,15.0 pmol / min),类似地 K m 对于该反应(DNMT3a:载体,0.0086μg/ ml;γ-谷维素2μmol/ l,0.0080μg/ ml;γ-谷维素20μmol/ l,0.0058μg/ ml; DNMT3b:载体,0.0122μg/ ml;γ-谷维素2μmol/ l,0.0097μg/ ml;γ-谷维素20μmol/ l,0.0060μg/ ml)(图。 (Fig.4k,4k,l)。 这些结果表明γ-谷维素至少部分地以非竞争性方式抑制DNMT3a和3b。

γ-谷维素增加HFD喂养小鼠的纹状体中D2R的水平

我们接下来测试了γ-谷维素通过抑制DNMT增加纹状体D2R含量的可能性。 在HFD喂养的小鼠中,口服γ-谷维素显着降低了D2R启动子区域的纹状体DNA甲基化(图2)。 (Fig.5a),5a),而在下丘脑中没有这样做(图 (Fig.5f).5F)。 根据这些发现,D2R的mRNA和蛋白质水平相应增加(图2)。 (Fig.5b,5b,g,k,l)。 与5-aza-dC治疗数据相似(图 (Fig.1),1),对RNA和蛋白质水平没有明显影响 Drd1, ThSlc6a3 (DAT)在纹状体中,对水平无影响 Drd1, ThSlc6a3 在下丘脑(图。 (Fig.5c-E,5c-e,h-k,m)。

图。 5 

γ-谷维素对DNMT的抑制通过增加HFD喂养的小鼠的纹状体中的D2R来减弱对HFD的偏爱。 纹状体中D2R启动子区的DNA甲基化水平(n = 3)(a)和下丘脑 ...

以前的研究表明,D2R和DNMT1的水平受ER应激和炎症的调节至少部分通过NF-κB[, , ]。 因此,我们检查了ER应激相关基因和炎症相关基因的水平。 如前所述[],HFD增加编码TNF-α的基因表达(TNFA),单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)(Ccl2),C / EBP同源蛋白(),ER定位的DnaJ 4(ERdj4)(Dnajb9)和X-box结合蛋白1的拼接形式(Xbp1s)在下丘脑但不在纹状体中(图。 (Fig.6).6)。 值得注意的是,用γ-谷维素补充HFD显着降低了γ-谷维素的增强表达 Ccl2, , Dnajb9Xbp1s 仅在下丘脑但不在纹状体中(图。 (Fig.66).

图。 6 

纹状体和下丘脑中促炎和ER应激相关基因的表达。 mRNA的水平 TNFA (a, f), Ccl2 (b, g), (c, h), Dnajb9 (d, i),以及活跃的拼接形式 Xbp1 (Xbp1s)(e, j)在纹状体中(n = 8) ...

讨论

本研究中的主要发现是γ-谷维素在小鼠纹状体中充当有效的DNMT抑制剂,从而至少部分地通过纹状体D2R的表观遗传调节减弱对HFD的偏爱。 在来自HFD喂养的小鼠的纹状体中,D2R的水平显着降低,而D1R,TH和DAT的水平没有改变(图2)。 (Fig.1b-E,1b-e,k-m)。 这些数据与纹状体D2R的失调在HFD上对食物奖赏的感知中起关键作用的概念是一致的,导致肥胖动物的HFD享乐过度消耗[]。 在本研究中,用5-aza-dC治疗HFD喂养的小鼠显着增加纹状体D2R的水平(图2)。 (Fig.1b,1b,k,l)可能通过D2R启动子区DNA甲基化水平的降低(图2)。 (Fig.1a),1a),从而削弱了对膳食脂肪的偏好(图 (Fig.1n).1N)。 该发现还支持纹状体D2R在HFD上对食物奖励的感知中的关键作用。

我们的体外实验表明,γ-谷维素对DNMTs的抑制活性明显强于其代谢产物阿魏酸(图2)。 (Fig.4d-f)中,4d-f),表明γ-谷维素的完整结构对其对DNMT的抑制作用的重要性。 在HFD喂养的小鼠中,我们的研究表明,口服给药后,γ-谷维素作为一个完整的结构到达大脑,并优先降低DNMTs在纹状体中的水平和活性,从而减少启动子区域的DNA甲基化。 D2R在纹状体中。 此外,我们的体外研究表明,γ-谷维素可作为ERRγ的部分拮抗剂,ERRγ主要作为DNMT1生成的正调节剂[],从而降低了DNMT1的活性(图 (Fig.3a).3一个)。 值得注意的是,ERRγ在纹状体中高表达,但在小鼠的下丘脑中没有表达(图2)。 (Fig.3b).3B)。 这些数据表明γ-谷维素有可能通过抑制ERRγ而至少部分地降低DNMT1的mRNA水平。 与纹状体相反,γ-谷维素对HFD喂养小鼠的下丘脑D2R水平没有影响(图2)。 (Fig.5g,5g,k,l)。

另一方面,我们证明γ-谷维素显着增加下丘脑中DNMT1的水平,但不显着增加纹状体中的水平(图2)。 (Fig.2k,2k,l)。 已有研究表明,STAT3可增加恶性T淋巴瘤细胞中DNMT1的含量[]。 值得注意的是,我们以前证明γ-谷维素显着增加瘦素诱导的HFD喂养小鼠下丘脑中STAT3的磷酸化[]。 还应注意,STAT3α基本上在下丘脑中表达,但在小鼠的纹状体中不表达(图2)。 (Fig.3e-G).3例如)。 这些数据诱使我们推测,γ-谷维素对下丘脑和纹状体之间DNMT1水平的明显差异可能至少部分归因于小鼠脑中STAT3α和ERRγ的区域特异性含量(图。 (Fig.3b-G).3B-G)。 总的来说,似乎在小鼠的纹状体和下丘脑之间存在ERRγ和STAT3α的相互表达模式。 根据我们的结果,因此推测在纹状体中ERRγ产生丰富的情况下,γ-谷维素可以优先降低DNMT1的mRNA水平和酶活性作为ERRγ的负调节因子是合理的。 相反,在STAT3α产生占主导地位的下丘脑中,γ-谷维素可优先增加DNMT1的水平。

最近的一项研究表明,HFD诱导的纹状体D2R信号传导的减弱会使摄食行为失调[],提示抑制纹状体DNMT治疗肥胖的潜在重要性。 另一方面,先前的一项研究表明,在特异性下丘脑核中表达的黑皮质素受体4基因的DNA甲基化状态可能调节动物黄色小鼠的肥胖的转代形式[]。 尽管需要进一步的研究来阐明潜在的机制,但这些研究表明组织,基因和序列特异性DNA甲基化在HFD诱导的肥胖的病理生理学中的重要性。

我们最近报道HFD增加了小鼠胰岛中D2R的水平[, ]。 这种增加可能至少部分是由ER应激和NF-κB炎症介导的,因为在D2R的启动子区域有几种NF-κB反应元件[, ]。 此外,最近的一项研究表明,TNF-α和IL-1β可增加HFD喂养小鼠脂肪组织中DNMT1的水平和活性[]。 重要的是,本研究表明HFD在下丘脑中优先诱导ER应激和炎症,但在纹状体中没有(图2)。 (Fig.6).6)。 在我们的实验范例中,组织,区域和位点特异性DNA甲基化和去甲基化的深入机制必须等待进一步研究。

与我们之前的报告一起显示,γ-谷维素通过下丘脑调节小鼠的ER应激减弱了对HFD的偏好[],γ-谷维素也代表了改善摄食行为的享乐和代谢失调的独特性质。 因为已经开发的一些抗肥胖药物会引起严重的副作用[],一种基于天然食物的大脑奖励系统方法,可以安全地治疗肥胖 - 糖尿病综合征[]。 在该范例中,γ-谷维素是一种有前景的抗肥胖候选物,具有作为表观遗传调节剂的独特性质。

 

电子辅助材料

 

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致谢

我们感谢S. Okamoto(日本琉球大学)审阅手稿。 我们感谢M. Hirata,H。Kaneshiro,I。Asato和C. Noguchi(日本琉球大学)的秘书协助。

缩略语

5氮杂DC5氮杂2'脱氧胞苷
D1R多巴胺D1受体
D2R多巴胺D2受体
的DAT多巴胺转运蛋白
DNMTDNA甲基转移酶
ER内质网
ERR雌激素相关受体
HFD高脂肪饮食
SAHS-Adenosyl -L-高半胱氨酸
SAMS- 腺苷甲硫氨酸
STAT3α信号转导和转录激活因子3α
TH酪氨酸羟化酶
 

数据可用性

在当前研究期间生成和/或分析的数据集可从相应作者的合理请求中获得。

资金

这项工作部分得到了日本科学促进会(JSPS; KAKENHI Grant Numbers 15K19520和24591338),科学,技术和创新委员会(CSTI),跨部门战略创新促进计划的资助(SIP)'创造下一代农业,林业和渔业的技术',乐天基金会,日本应用酶学基金会,新能源和工业技术开发组织(NEDO),生命科学网络形成项目(制药领域) (日本冲绳县)和日本冲绳县医疗集群促进项目,以及冲绳县促进先进医学(日本冲绳县)的资助。

感兴趣的二重性

作者声明,没有与此手稿相关的双重利益。

贡献声明

CK和HM设计了这项研究。 CK和TK进行了实验并分析了数据。 TK,CS-O,CT,MT,MM和KA有助于解释数据。 CK和HM撰写了手稿。 所有作者都为数据解释做出了贡 所有作者都加入了修改手稿并批准其最终版本。 HM是这项工作的保证人,可以完全访问所有数据,并对数据的完整性和数据分析的准确性负全部责任。

脚注

 

电子辅助材料

本文的在线版本(doi:10.1007 / s00125-017-4305-4)包含经过同行评审但未经编辑的补充材料,授权用户可以使用。

 

参考资料

1。 DiLeone RJ,Taylor JR,Picciotto MR。 吃饭的动力:食物奖励和吸毒成瘾机制之间的比较和区别。 Nat Neurosci。 2012; 15:1330-1335。 doi:10.1038 / nn.3202。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
2。 肯尼PJ。 肥胖和药物成瘾的常见细胞和分子机制。 Nat Rev Neurosci。 2011; 12:638-651。 doi:10.1038 / nrn3105。 [考研[Cross Ref]
3。 Johnson PM,Kenny PJ。 多巴胺D2受体在肥胖大鼠的成瘾样奖励功能障碍和强迫性进食中。 Nat Neurosci。 2010; 13:635-641。 doi:10.1038 / nn.2519。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
4。 Stice E,Spoor S,Bohon C,小DM。 TaqIA A1等位基因缓解了肥胖与食物对纹状体反应迟钝的关系。 科学。 2008; 322:449-452。 doi:10.1126 / science.1161550。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
5。 Geiger BM,Haburcak M,Avena NM,Moyer MC,Hoebel BG,Pothos EN。 大鼠膳食肥胖中脑边缘多巴胺神经传递的缺陷。 神经科学。 2009; 159:1193-1199。 doi:10.1016 / j.neuroscience.2009.02.007。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
6。 高贵的EP。 通过D2多巴胺受体基因的多态性成瘾及其奖励过程:综述。 Eur Psychiatry。 2000; 15:79-89。 doi:10.1016 / S0924-9338(00)00208-X。 [考研[Cross Ref]
7。 Wang GJ,Tomasi D,Backus W,et al。 胃扩张激活了人脑中的饱腹感。 神经成像。 2008; 39:1824-1831。 doi:10.1016 / j.neuroimage.2007.11.008。 [考研[Cross Ref]
8。 Janero DR,Makriyannis A. Cannabinoid受体拮抗剂:药理学机会,临床经验和转化预后。 专家Opin Emerg Drugs。 2009; 14:43-65。 doi:10.1517 / 14728210902736568。 [考研[Cross Ref]
9。 Jaenisch R,Bird A.基因表达的表观遗传调控:基因组如何整合内在和环境信号。 Nat Genet。 2003; 33(增刊):245-254。 doi:10.1038 / ng1089。 [考研[Cross Ref]
10。 Ong ZY,Muhlhausler BS。 大鼠母体的母体“垃圾食品”喂养改变了后代的食物选择和中脑边缘奖励途径的发展。 FASEB J. 2011; 25:2167-2179。 doi:10.1096 / fj.10-178392。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
11。 Barres R,Osler ME,Yan J,et al。 通过DNMT1B的PGC-3alpha启动子的非CpG甲基化控制线粒体密度。 细胞代谢。 2009; 10:189-198。 doi:10.1016 / j.cmet.2009.07.011。 [考研[Cross Ref]
12。 Lee WJ,朱BT。 通过咖啡酸和绿原酸,两种常见的含儿茶酚的咖啡多酚抑制DNA甲基化。 致癌作用。 2006; 27:269-277。 doi:10.1093 / carcin / bgi206。 [考研[Cross Ref]
13。 方敏,王,,艾娜,等。 茶多酚( - ) - 表没食子儿茶素-3-没食子酸酯抑制DNA甲基转移酶并重新激活癌细胞系中甲基化沉默的基因。 癌症研究 2003; 63:7563-7570。 [考研]
14。 Kozuka C,Yabiku K,Sunagawa S,et al。 糙米及其成分γ-谷维素通过降低小鼠的下丘脑内质网应激来减弱对高脂饮食的偏好。 糖尿病。 2012; 61:3084-3093。 doi:10.2337 / db11-1767。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
15。 Kozuka C,Sunagawa S,Ueda R,et al。 γ-谷维素保护胰腺β细胞免受雄性小鼠内质网应激的影响。 内分泌。 2015; 156:1242-1250。 doi:10.1210 / en.2014-1748。 [考研[Cross Ref]
16。 Kozuka C,Yabiku K,Takayama C,Matsushita M,Shimabukuro M,Masuzaki H.基于天然食品科学的预防和治疗肥胖和2型糖尿病的新方法:最近对糙米和γ-谷维素的研究。 Obes Res Clin Pract。 2013; 7:e165-e172。 doi:10.1016 / j.orcp.2013.02.003。 [考研[Cross Ref]
17。 Kozuka C,Sunagawa S,Ueda R,et al。 通过抑制小鼠胰岛中局部多巴胺D受体信号传导的全谷物衍生的γ-谷维素的新型促胰岛素机制。 Br J Pharmacol。 2015; 172:4519-4534。 doi:10.1111 / bph.13236。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
18。 Karahoca M,Momparler RL。 5-aza-2'-脱氧胞苷(地西他滨)的药代动力学和药效学分析在其癌症治疗剂量方案的设计中。 临床表观遗传学。 2013; 5:3。 doi:10.1186 / 1868-7083-5-3。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
19。 Rein T,Zorbas H,DePamphilis ML。 活跃的哺乳动物复制起点与mCpG二核苷酸的高密度簇相关。 Mol Cell Biol。 1997; 17:416-426。 doi:10.1128 / MCB.17.1.416。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
20。 Tanaka T,Masuzaki H,Yasue S,et al。 中枢黑皮质素信号恢复在喂食高脂肪饮食的小鼠中骨骼肌AMP激活的蛋白激酶磷酸化。 细胞代谢。 2007; 5:395-402。 doi:10.1016 / j.cmet.2007.04.004。 [考研[Cross Ref]
21。 Okano M,Bell DW,Haber DA,Li E. DNA甲基转移酶Dnmt3a和Dnmt3b对于从头甲基化和哺乳动物发育至关重要。 细胞。 1999; 99:247-257。 doi:10.1016 / S0092-8674(00)81656-6。 [考研[Cross Ref]
22。 Zhang Y,Wang L.核受体SHP通过ERRγFEBS对Dnmt1表达的抑制作用。 2011; 585:1269-1275。 doi:10.1016 / j.febslet.2011.03.059。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
23。 Zhang Q,Wang HY,Woetmann A,Raghunath PN,Odum N,Wasik MA。 STAT3诱导恶性T淋巴细胞中DNA甲基转移酶1基因(DNMT1)的转录。 血液。 2006; 108:1058-1064。 doi:10.1182 / blood-2005-08-007377。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
24。 Bontempi S,Fiorentini C,Busi C,Guerra N,Spano P,Missale C.鉴定和表征多巴胺D2受体调节区中的两个核因子-κB位点。 内分泌。 2007; 148:2563-2570。 doi:10.1210 / en.2006-1618。 [考研[Cross Ref]
25。 Kim AY,Park YJ,Pan X,et al。 肥胖诱导的脂联素基因的DNA高甲基化介导胰岛素抵抗。 Nat Commun。 2015; 6:7585。 doi:10.1038 / ncomms8585。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]
26。 Ozcan L,Ergin AS,Lu A,et al。 内质网应激在瘦素抵抗的发展中起着重要作用。 细胞代谢。 2009; 9:35-51。 doi:10.1016 / j.cmet.2008.12.004。 [考研[Cross Ref]
27。 Waterland RA,Travisano M,Tahiliani KG,Rached MT,Mirza S. Methyl供体补充剂可防止肥胖的跨代扩增。 Int J Obes。 2008; 32:1373-1379。 doi:10.1038 / ijo.2008.100。 [PMC免费文章[考研[Cross Ref]