Az étrendi korlátozás különböző szintjeinek hatása a glükóz homeosztázisra és az anyagcsere-memóriára
Stephanie Matyi
1 Gerincgyógyászati Osztály, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma City, OK, USA
2 Reynolds Oklahoma Center on Aging, Oklahoma City, OK, USA
Jordan Jackson
1 Gerincgyógyászati Osztály, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma City, OK, USA
2 Reynolds Oklahoma Center on Aging, Oklahoma City, OK, USA
Karla Garrett
1 Gerincgyógyászati Osztály, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma City, OK, USA
2 Reynolds Oklahoma Center on Aging, Oklahoma City, OK, USA
Sathyaseelan S. Deepa
1 Gerincgyógyászati Osztály, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma City, OK, USA
2 Reynolds Oklahoma Center on Aging, Oklahoma City, OK, USA
Archana Unnikrishnan
1 Gerincgyógyászati Osztály, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma City, OK, USA
2 Reynolds Oklahoma Center on Aging, Oklahoma City, OK, USA
3 Harold Hamm Diabetikus Központ, Oklahoma City, OK, USA
Absztrakt
Az elmúlt 50 évben az étrendi korlátozás (DR) kimutatta, hogy sokféle organizmus élettartamát meghosszabbítja. A DR jellegzetes jellemzője a javított glükóz homeosztázis, amely az állatok fokozott glükóz toleranciáját és inzulinérzékenységét eredményezi, a rágcsálóktól az emberig. Ebben a tanulmányban bemutatjuk a DR változó szintjének korai hatásait a glükóz toleranciára. A 40% -os DR-t követő 10 napon belül a glükóz tolerancia jelentősen javult és 120 nappal; A 10 és 20% DR fokozott glükóz toleranciát mutatott. A DR mindhárom szintje csökkent zsírtartalmat, a zsírforgalomban szerepet játszó gének fokozott expresszióját és a gyulladás markereinek expressziójának csökkenését mutatta. Tanulmányok kimutatták, hogy a DR-étrenddel táplált egerek megőrzik a metabolikus memóriát a javított glükóz-tolerancia szempontjából még a DR-kezelés leállítása után is. Megmutattuk, hogy a DR 40% -ának nemcsak korai hatása van a glükóz toleranciára, hanem fenntartja azt is, miután a DR-t 2 hónapra abbahagyták. Ezért a glükóz tolerancia javulását a DR mindhárom szintje eredményezi, de az anyagcsere memória nem reagál a dózisra.
Bevezetés
Az első és a legtöbbet vizsgált manipuláció, amely az emlősök élettartamának növelését mutatja, az étrendi/kalóriakorlátozás. Az étrendi korlátozás (DR) először azt mutatta, hogy növeli a patkányok, majd a különböző egeretörzsek élettartamát. Az elmúlt két évtized kutatásai azt mutatják, hogy a DR megnöveli számos más élettartamát, a gerinctelenektől kezdve, mint például az élesztő, a C. elegans és a Drosophila, valamint a pókok és rotiforderek, a patkányok és egerek különböző törzseiig (Weindruch és Walford 1988; Swindell 2012). A DR-ről beszámoltak arról is, hogy más emlősök, például a Labrador Retrievers (Kealy és mtsai 2002) és a rhesus majmok (Colman és mtsai 2009) élettartamát növeli.
A patkányokkal és egerekkel végzett legtöbb vizsgálatban alkalmazott standard DR étrend 40% DR, ahol a rágcsálókat az ad libitummal (AL) etetett állatok által fogyasztott étrend 60% -ával etetik. Általában úgy gondolják, hogy a korlátozás szintjének növelése az élettartam nagyobb növekedéséhez vezet egy pontig (kb. 60% DR), és ahol a további korlátozás káros (Weindruch et al. 1986; Clancy et al. 2001). Például Weindruch és mtsai. (1986) arról számolt be, hogy az átlagos túlélés jelentős növekedése (több mint 20%) történt
55% DR nőstény C3B10RF1 egereknél. Két nemrégiben készült tanulmány azonban azt sugallja, hogy az alacsonyabb DR-szint ugyanolyan hatékonyan növeli az élettartamot, mint a DR 40% -a. Csoportunk kimutatta, hogy a 10% DR jelentősen megnövelte az F344 patkányok élettartamát olyan szintre, amely hasonló volt a 40% DR-vel megfigyelt élettartam növekedéshez (Richardson és mtsai 2016). Ezenkívül Mitchell és mtsai. (2016) kimutatta, hogy a C57BL/6 és a DBA/2 egerekben a 20% DR ugyanolyan hatékony volt, és egyes esetekben hatékonyabb, mint 40% DR.
Az alábbiakban leírt kísérletek célja annak meghatározása volt, hogy a DR különböző szintjei (10, 20 és 40%) milyen gyorsan javítják a glükóz toleranciát. Megfigyeltük, hogy a 40% -os DR-t követő 10 napon belül a glükóz tolerancia jelentősen javult, és 4 hónapra a 10 és 20% DR-vel táplált egerek hasonló javulást mutattak a glükóz toleranciában, mint a 40% DR. Megfigyeltük azt is, hogy a rövid távú 40% DR (4 hónap) metabolikus memóriát kölcsönöz az egereknek, amikor AL-etetésre váltottak, amit nem figyeltek meg 10 és 20% DR-vel etetett egerekben.
Mód
Állatok és étrend
Test felépítés
Az állatok testösszetételét mágneses rezonancia spektroszkópiával (NMR-Bruker minispec) mértük DR után és 2 hónappal az AL etetésre való áttérés után. Az egyes csoportokban az állatok testzsírát és sovány testtömegét mértük.
Valós idejű PCR
A gyulladásban, a zsírsav anyagcserében és az adipocita differenciálódásban szerepet játszó gének specifikus messenger RNS (mRNS) transzkriptumainak szintjét valós idejű PCR-rel mértük DR és AL egerek epididimális és szubkután fehér zsírszövetében 4 hónappal a DR megkezdése után. (n = 5 csoportonként). Röviden, az RNS-t a Qiagen (Germantown, MD, USA) RNeasy Kit segítségével izoláltuk. Az első szálú cDNS-t 1 μg RNS-ből szintetizáltuk véletlenszerű primerek alkalmazásával (Promega, Madison, WI, USA), és a QIAquick PCR tisztító készlet segítségével (Qiagen, Germantown, MD, USA) tisztítottuk. A jelölt gének expresszióját valós idejű PCR alkalmazásával számszerűsítettük SYBR Green alkalmazásával, és a példa szekvenciákat az 1. táblázatban adtuk meg. 1. A génátiratokat β-aktinná normalizáltuk. A relatív génexpressziót összehasonlító Ct elemzésként számszerűsítettük a 2 -AΔct analízis módszerrel, endogén kontrollként a β-aktint. Az egyedi minták statisztikai elemzéséhez egyirányú ANOVA-tervezést és Tukey többszörös tesztkorrekcióját alkalmazták.
Asztal 1
| Adiponektin | 5′-GCCGCTTATGTGTATCGCTCAG-3 ′ | 5′-GCCAGTGCTGCCGTCATAATG-3 ′ |
| Leptin | 5′-TGACACCAAAACCCTCATCA-3 ′ | 5′-TCATTGGCTATCTGCAGCAC-3 ′ |
| IL-6 | 5′-TGGTACTCCAGAAGACCAGAGG-3 ′ | 5′-AACGATGATGCACTTGCAGA-3 ′ |
| TNF-a | 5′-CACAGAAAGCATGATCCGCGACGT-3 ′ | 5′-CGGCAGAGAGGAGGTTGACTTTCT-3 ′ |
| MCP-1 | 5′-CCACTCACCTGCTGCTACTCAT-3 ′ | 5′-GGTGATCCTCTTGTAGCTCTCC-3 ′ |
| FAS | 5′-GGAGGTGGTGATAGCCGGTAT-3 ′ | 5′-TGGGTAATCCATAGAGCCCAG-3 ′ |
| ACC | 5′-GATGAACCATCTCCGTTGGC-3 ′ | 5′-GACCCAATTATGAATCGGGAGTG-3 ′ |
| CPT-1 | 5′-AAGGGTAGAGTGGGCAGAGG-3 ′ | 5′-GCAGGAGATAAGGGTGAAAGA-3 ′ |
| MCAD | 5′-CTAACCCAGATCCTAAAGTACCCG-3 ′ | 5′-GGTGTCGGCTTCCAAATGA-3 ′ |
| LCAD | 5′-CTTGCTTGGCATCAACATCGCAGA-3 ′ | 5′-ATTGTAGTACGCTTGCTCTTCCCA-3 ′ |
| PGC-1a | 5′-CCCTGCCATTGTTAAGACC-3 ′ | 5′-TGCTGCTGTTCCTGTTTTC-3 ′ |
| PPARγ-2 | 5′-CGAGGACATCCAAGACAAC-3 ′ | 5′-GTGCTCTGTGACGATCTG-3 ′ |
| CEBP-a | 5′-CAAGAACAGCAACGAGTACCG-3 ′ | 5′-GTCACTGGTCAACTCCAGCAC-3 ′ |
| AP-2 | 5′-TAACCCTAGATGGCGGGGCCC-3 ′ | 5′-AACACATTCCACCACCAGCTTGTC-3 ′ |
| β-aktin | 5′-GATGACCCAGATCATGTTTGAGACC-3 ′ | 5′-AGATGGGCACAGTGTGGGTGA-3 ′ |
Glükóz tolerancia teszt
A glükóz toleranciát 3, 10, 21 és 120 napos DR után egynapos egerekböjt után határoztuk meg. A glükóz toleranciát meghatároztuk a 40% -ban korlátozott C57BL/6 egereken is, akiket AL táplálásra (DR-AL) állítottak át, csoportonként n értéke 10. Az egereket lemértük és intraperitoneálisan injektáltuk 20% glükózzal (2 g/kg), és a farokból összegyűjtött vércukorszintet 120 perc alatt mértük glükométerrel (Contour NEXT EZ, Bayer, Whippany, Németország). Meghatároztuk a görbe alatti területet (AUC) az egyes görbéknél, és AUC-glükózként tüntettük fel (mmol × 120 perc).
Eredmények
A DR különböző szintjeinek hatása a testösszetételre
A vizsgálatok korábban kimutatták, hogy a DR 40% -a csökkenti a laboratóriumi rágcsálók testtömegét és teljes zsírtömegét (Barzilai et al. 1998; Mitchell et al. 2016). Ebben a tanulmányban megvizsgáltuk a DR korai hatását a hím C57BL/6 egerek testtömegére és testösszetételére, amelyek három DR szintet tápláltak (10, 20 és 40% DR). 4 hónapos korban kezdtük a DR-t, és 4 hónapon keresztül követtük nyomon a testtömeg és az összetétel változásait 8 hónapos korukig. Az 1. ábra az 1. ábra mutatja az állatok testtömegét és testösszetételét a DR 3., 10., 21., 60. és 120. napján. A 10 és 20% DR-vel táplált egerek egyetlen vizsgált időpontban sem mutattak szignifikáns változásokat testsúlyukban az AL csoporthoz képest (1.a ábra). Másrészt a 40% DR csoportba tartozó egereknél a testtömegük szignifikáns csökkenést mutatott az AL társaikhoz képest, már a DR 3 napjától kezdve. A 40% DR egerek 10–15% -os testtömeg-csökkenést mutattak, ami a 4 hónapos vizsgálat során fennmaradt (ábra (1.a ábra). 1 a). A teljes zsírtömeg jelentősen csökkent (
28%) 10 és 20% DR-vel táplált egerekben 21 napos DR után az AL társaikkal összehasonlítva (1. b ábra). 1 b). A 40% DR-vel táplált egereknél a teljes zsírtömeg jelentősen nagyobb csökkenést mutatott (
67%) a DR 10 napjától kezdve (1.b ábra). 1b). A 10 és 20% DR-vel táplált egerek sovány testtömege nem mutatott szignifikáns változást az AL csoporthoz képest; a 40% DR-vel táplált egereknek azonban szignifikáns csökkenése volt (
20%) sovány testtömegükben a DR 60. napjától kezdődően.
66% -os növekedés és a 20% DR-vel táplált egerek an
36% -kal nőtt a szubkután/epididymális zsír aránya az epididymális zsír csökkenése és a subcutan zsír változása miatt az AL-val etetett egerekhez képest. Ezzel szemben a 10% DR-vel táplált egerek nem mutattak szignifikáns különbséget a szubkután/epididymális zsír arányában az AL-vel táplált egerekhez képest 4 hónap DR után. Ismételten a szubkután/epididymális zsír arányának növekedését az epididymális zsír csökkenése okozta, anélkül, hogy a bőr alatti zsírban jelentős változás történt volna. Adataink azt mutatják, hogy a DR hatása a szubkután/epididymális zsír arányára változik a DR szintjével; ezért minél nagyobb a DR szintje, annál nagyobb az epididymális zsír csökkenése.
Rövid távú, 40% DR kimutatták, hogy egerekben, a fehér zsírszövetet is beleértve, sok szövetben növeli a mitokondriális biogenezis markereit (pl. PGC-1α) (Nisoli et al. 2005; Nisoli et al. 2003; Larrouy et al. 1999 Higami és mtsai., 2004). Vizsgálatunkban a DR 40% -a szignifikánsan növelte a PGC-1α expresszióját
75% csak az epididymális zsírban, de nem a szubkután zsírban (ábra (3.d ábra). 3 d). Másrészt a 10 és 20% DR nem volt szignifikáns hatással a PGC-1α epididimális zsírban történő expressziójára (ábra (3.d ábra). 3 d). Az epididymális zsírral szemben a szubkután zsír jelentős csökkenést mutatott (
40–60%) a PGC-1α expressziójában a DR mindhárom szintjén (ábra (3.d ábra). 3 d). Végül értékeltük az adipocita differenciálódásban részt vevő gének (PPAR-γ, CEBP-α és AP-2) expresszióját. Kimutatták, hogy az adiponektin stimulálja az adipocita differenciálódást (Fu és mtsai. 2005), és ennek megfelelően a 40% DR szignifikáns növekedést mutatott az adipocita differenciálódás markereiben mind az epididymális, mind a subcutan zsírban (ábra (3.d ábra), D), amelyek szintén szignifikáns növekedést mutattak az adiponektinben (3.a ábra). 3a). A 10% DR-vel táplált egerek epididimális zsírja szignifikáns növekedést mutatott a CEBP-α-ban, de nem mutatott szignifikáns különbséget a PPARγ-2 és AP-2 expressziójában, míg a szubkután zsírban 10% DR nem mutatott szignifikáns különbséget a vizsgált gének közül (ábra (3.d ábra). 3 d). Hasonlóképpen, a 20% DR is csak a CEBP-α szignifikáns növekedését mutatta az epididymális zsírban, de a 10% DR-vel ellentétben a 20% DR szignifikánsan növelte a bőr alatti zsírban a PPARγ-2 és a CEBP-α értékét (3. ábra ).
A DR különböző szintjeinek hatása a glükóz toleranciára
Gén expressziós elemzéseink mindkét zsírraktáron megmutatják a gyulladás, a zsírsav anyagcsere, a mitokondriális biogenezis és az adipocita differenciálódás különböző markereinek differenciális szabályozását a DR három szintje között, amelyek potenciálisan szerepet játszhatnak az inzulinérzékenységben. A laboratóriumi rágcsálók és a főemlősök adatai azt mutatták, hogy a DR 40% -a következetesen csökkenti a vércukorszintet (Masoro et al. 1992; McCarter et al. 2007; Gresl et al. 2001). Ezenkívül korábban kimutatták, hogy a DR (40%) javítja a glükóz toleranciát a laboratóriumi rágcsáló modellekben (Escriva és mtsai 2007; Cameron és mtsai 2012; Selman és Hempenstall 2012; Mitchell és mtsai 2016); ezért ebben a tanulmányban a DR mindhárom szintjének időbeli hatását vizsgáltuk a glükóz toleranciára. A 4. ábra a 4. ábra mutatja az AL-val és három DR-szinttel táplált hím C57BL/6 egerek görbék alatti területét (10, 20 és 40%). Ábrákból kitűnik. 4 szerint a DR 40% -a drámai hatással van a glükóz toleranciára. A 40% -os DR-érték 10 napon belül a glükóz tolerancia jelentősen javult (
20%). Az egerek 21% -ig 40% DR-vel táplálták a glükóz tolerancia további javulását
27% és 120 napos DR esetén a glükóz tolerancia javult
40% az AL-val etetett egerekhez képest. Így a 40% DR jelentősen javítja a glükóz toleranciát a megvalósítását követő 10 napon belül, és a glükóz tolerancia a vizsgálat további részében folyamatosan javult (4. ábra. 4. ábra). Amint az a 2. ábrán látható. A 4, 10 és 20% DR nem mutatott szignifikáns változást a glükóz toleranciában a DR 120 napig, ekkor a 10 és 20% DR javult (24, illetve 36%) a glükóz toleranciában az AL társaival összehasonlítva. A DR 120 napján a glükóz tolerancia nem különbözött szignifikánsan a 10, 20 vagy 40% DR-vel táplált egereknél. Tehát, míg a glükóz tolerancia javításának kinetikája változik a DR szintjével, úgy tűnik, hogy hasonló szintű javulás érhető el 120 napon belül.