Un defect metabolic promovează obezitatea și șoarecii lipsiți de receptori melanocortină-4 PNAS
Contribuție de Richard D. Palmiter
Abstract
Șoarecii nulați ai receptorului melanocortinei-4 (Mc4r) prezintă obezitate cu debut tardiv. Pentru a determina dacă metabolismul aberant contribuie la obezitate, consumul de alimente de la șoareci Mc4r-nul a fost limitat la (hrănit în pereche) la cel consumat de șoareci de tip sălbatic (WT). Femelele Mc4r-nule hrănite în perechi au menținut greutăți corporale intermediare față de cele ale femelelor WT și femelele Mc4r-nule hrănite în pereche, în timp ce hrănirea în pereche a normalizat greutățile corporale ale șoarecilor masculi Mc4r-nuli. Nivelurile de grăsime și leptină în circulație au fost crescute atât la șoareci de sex masculin cât și de sex feminin hrăniți cu perechi Mc4r-nul comparativ cu șoareci WT. Consumul de oxigen al șoarecilor Mc4r-nul cu greutăți corporale similare cu martorii WT a fost redus cu 20%. Activitatea locomotorie a tinerilor masculi non-obezi Mc4r-nul a fost semnificativ mai mică decât cea a bărbaților WT; cu toate acestea, locomoția femelelor tinere neobeze a fost normală. Temperatura centrală a șoarecilor Mc4r-nul a fost normală și au răspuns normal la expunerea la frig. Femelele tinere nonobeze Mc4r-nule nu au putut induce proteina 1 de decuplare (UCP1) în țesutul adipos maro ca răspuns la administrarea de leptină periferică, în timp ce mARN-ul UCP1 a crescut cu 60% la femelele WT. Aceste rezultate indică faptul că deficiența Mc4r îmbunătățește eficiența calorică, similară cu cea observată în sindromul obezității agouti și la șoarecii cu receptor melanocortin-3-nul.
Analizele mutațiilor la locusul agouti (A) împreună cu studiile farmacologice care implică proteina agouti recombinantă au oferit informații despre controlul pigmentării și al greutății corporale. Peptida agouti este în mod normal produsă și secretată tranzitoriu în piele, unde antagonizează acțiunea hormonului de stimulare a α-melanocitelor (α-MSH) care acționează asupra receptorului melanocortinei-1. Această interacțiune are ca rezultat depunerea benzilor de pigment galben în firele de păr negre, dând naștere la culoarea stratului de agouti (1, 2). La șoareci au fost identificate mai multe deleții cromozomiale spontane care plasează gena agouti sub controlul promotorilor din apropiere exprimate omniprezent (3). Șoarecii heterozigoți cu mutații galbene letale (A y) și galbene viabile (A vy) au un sindrom cunoscut sub numele de „sindromul galben al șoarecelui”, caracterizat prin obezitate la debutul maturității, creștere liniară crescută, hiperleptinemie, hiperinsulinemie, diabet zaharat noninsulin-dependent, și blana galbenă (4). Homozigoții pentru aceste alele mor in utero din cauza pierderii genelor esențiale (5).
Șoarecii cu mai multe copii ale genei agouti exprimate sub controlul unui promotor specific pielii au manifestat blană galbenă, dar nu au prezentat fenotipuri legate de obezitate caracteristice sindromului galben al șoarecelui (6). Studiile in vitro au arătat că proteina agouti ar putea, de asemenea, să antagonizeze receptorul melanocortinei-4 (Mc4r) (7), care este exprimat în primul rând în sistemul nervos cu niveluri ridicate în hipotalamus (8, 9). Deoarece hipotalamusul joacă un rol critic în reglarea poftei de mâncare și a ratei metabolice, sa emis ipoteza că antagonismul Mc4r de către agouti ar putea fi responsabil pentru obezitatea șoarecilor A y și A vy. Șoarecii cu întrerupere țintită a genei Mc4r (Mc4r-nul) au reprodus fenotipul obezității șoarecilor cu sindrom agouti, susținând această ipoteză (10).
Se consideră că întreruperea semnalizării leptinei sau a-MSH în hipotalamus este principala cauză a obezității prezentate de șoarecii A y (11) și Mc4r-nul. Leptina este un hormon produs de țesutul adipos care comunică nivelul depozitelor de energie din corp către creier. Animalele care nu au leptină funcțională, șoareci ob/ob, sunt obezi morbid și au o rată metabolică scăzută. Leptina semnalizează prin neuronii care conțin pro-opiomelanocortină (POMC) din nucleul arcuat, precum și din alți nuclei din hipotalamus (12). POMC este precursorul α-MSH, un agonist al lui Mc4r. Acești neuroni care exprimă POMC se proiectează către hipotalamusul lateral și nucleul paraventricular, unde se află Mc4r. Activarea acestei căi de semnalizare a leptinei - melanocortinei sa dovedit a afecta aportul de alimente și rata metabolică. Șoarecii adulți A nu răspund la s.c. leptină și necesită de 100 de ori mai multă leptină pentru a inhiba hrănirea (13). De asemenea, șoarecii adulți Mc4r-null sunt rezistenți la acțiunea leptinei (i.p. sau administrată central) în ceea ce privește aportul de alimente (14).
Atât șoarecii Mc4r-null (10), cât și șoarecii A y (4, 15-17) devin hiperfagi; cu toate acestea, mai multe experimente sugerează că o componentă metabolică contribuie la obezitatea lor. Experimentele efectuate la șoareci A vy (16) și șoareci cu receptor melanocortin-3 (18) indică faptul că aceste tulpini mutante de șoareci sunt mai eficiente în stocarea caloriilor ca țesut adipos decât controalele de tip sălbatic (WT). Măsurătorile consumului de oxigen indică faptul că șoarecii obezi A y au o rată metabolică de odihnă mai mică atunci când sunt testați între 2 și 12 luni (19), dar nu și când sunt testați la 6 săptămâni. În cele din urmă, rata metabolică a adulților Mc4r-null, care au fost semnificativ mai grele decât șoarecii martori, a fost mai mică decât martorii slabi sau martorii obezi induși de dietă atunci când s-a normalizat la greutatea corporală totală (20).
Dacă Mc4r este un mediator critic al metabolismului și al termogenezei induse de dietă, atunci șoarecii nuli Mc4r ar trebui să fie mai eficienți din punct de vedere metabolic decât șoarecii de control și ar trebui să câștige mai multă greutate (ca țesut adipos) decât șoarecii de control cu același consum de alimente eficiența alimentării). Am efectuat experimente pe termen lung, hrănire în perechi, care au dezvăluit că șoarecii Mc4r-nul, precum șoarecii cu sindromul galben al șoarecelui și șoarecii receptorului melanocortin-3-nul (18), arată o predispoziție de a stoca calorii ca țesut adipos. Pentru a caracteriza în continuare acest defect metabolic, am testat consumul de oxigen, activitatea locomotorie, capacitatea de reacție la frig și capacitatea leptinei de a induce UCP1 mRNA la șoareci Mc4r-nul.
Materiale și metode
Toate procedurile pentru animale au respectat orientările Institutelor Naționale de Sănătate și au fost aprobate de Comitetul Facilității de îngrijire a animalelor de la Universitatea din Washington.
Experimente de alimentare în perechi.
Șoareci de generație F4 de heterozigoți de fond mixt 129/Sv × C57BL/6J pentru alela Mc4r perturbată au fost crescuți pentru a genera șoareci Mc4r-null și WT (10). Genotiparea a fost efectuată așa cum este descris (14). Șoarecii au fost menținuți pe șoricelul standard al șoarecelui (șoricelul standard de laborator al lui Harlin Teklad H8604) la 22 ° C pe un ciclu de lumină - întuneric de 12 ore. Aportul alimentar al șoarecilor WT a fost măsurat zilnic începând cu vârsta de aproximativ 5 săptămâni. În fiecare zi, șoarecilor de sex masculin și de sex masculin Mc4r-null găzduiți în grup li s-a dat cantitatea medie de alimente consumate de colegii lor WT cu sex în ziua precedentă (27). Grupurilor separate de șoareci de sex masculin și femele Mc4r-null adăpostite li s-a permis accesul ad libitum la alimente. Greutățile corporale au fost măsurate săptămânal.