Дефект метаболізму сприяє ожирінню у мишей, у яких відсутні рецептори меланокортину-4 PNAS
Внесені Річардом Д. Пальмітром
Анотація
Нульові миші з рецептором меланокортину-4 (Mc4r) демонструють ожиріння пізнього початку. Щоб визначити, чи аберрантний метаболізм сприяє ожирінню, споживання їжі мишами Mc4r-null обмежувалось (споживанням в парі) споживанням мишами дикого типу (WT). Жінки, що годували парами Mc4r-null, підтримували вагу тіла, проміжну до ваги WT, і самки Mc4r-null, що не годувались парами, тоді як годування парою нормалізувало вагу тіла мишей-самців Mc4r-null. Рівні жирової прокладки та циркулюючого лептину були підвищені як у самців, так і у жінок, які годувались парами мишей Mc4r-null порівняно з мишами WT. Споживання кисню мишами Mc4r-null з такою ж масою тіла, як контролі WT, було зменшено на 20%. Рухова активність молодих небідних самців Mc4r-нуль була значно нижчою, ніж у чоловіків WT; однак пересування молодих небідних самок було нормальним. Температура тіла у основних мишей Mc4r-null була нормальною, і вони нормально реагували на вплив холоду. Молоді нонобезні самки Mc4r-null не змогли індукувати роз’єднання білка 1 (UCP1) у коричневій жировій тканині у відповідь на периферичне введення лептину, тоді як іРНК UCP1 збільшилася на 60% у жінок із ВТ. Ці результати вказують на те, що дефіцит Mc4r підвищує калорійність, подібно до тієї, що спостерігається при синдромі ожиріння Агуті та у нульових мишей з рецептором меланокортину-3.
Аналіз мутацій у локусі агуті (А) разом із фармакологічними дослідженнями, що включають рекомбінантний білок агуті, дали уявлення про контроль пігментації та маси тіла. Пептид агуті, як правило, виробляється і тимчасово виділяється в шкірі, де антагонізує дію гормону, що стимулює α-меланоцити (α-MSH), діючи на рецептор меланокортину-1. Ця взаємодія призводить до осадження смуг жовтого пігменту на чорних волосках, що створює колір шерсті агуті (1, 2). У мишей було виявлено декілька спонтанних хромосомних делецій, які ставлять ген агуті під контроль сусідніх повсюдно експресованих промоторів (3). У гетерозиготних мишей із летальними жовтими (A y) та життєздатними жовтими (A vy) мутаціями спостерігається синдром, відомий як „синдром жовтої миші”, що характеризується ожирінням, що починається з зрілості, посиленим лінійним зростанням, гіперлептінемією, гіперінсулінемією, неінсулінозалежним цукровим діабетом і жовте хутро (4). Гомозиготи цих алелей гинуть внутрішньоутробно через втрату основних генів (5).
Миші з кількома копіями гена агуті, експресовані під контролем специфічного для шкіри промотору, виявляли жовте хутро, але не виявляли фенотипів, пов'язаних з ожирінням, характерних для синдрому жовтої миші (6). Дослідження in vitro показали, що білок агуті також може протидіяти рецептору меланокортину-4 (Mc4r) (7), що виражається переважно в нервовій системі з високим рівнем гіпоталамуса (8, 9). Оскільки гіпоталамус відіграє вирішальну роль у регуляції апетиту та швидкості метаболізму, було висловлено припущення, що антагонізм Mc4r з боку агуті може бути причиною ожиріння мишей A y та A vy. Миші з цілеспрямованим порушенням гена Mc4r (Mc4r-null) відтворювали фенотип ожиріння мишей з синдромом Агуті, підтверджуючи цю гіпотезу (10).
Вважається, що переривання передачі сигналів лептину або α-MSH в гіпоталамусі є основною причиною ожиріння мишей A y (11) та Mc4r-null. Лептин - гормон, що виробляється жировою тканиною, який передає рівень запасів енергії в організмі мозку. Тварини, яким не вистачає функціонального лептину, миші, що страждають ожирінням, мають низький рівень метаболізму. Лептин подає сигнали через проопіомеланокортин (POMC), що містять нейрони в дугоподібному ядрі, а також інші ядра в гіпоталамусі (12). POMC є попередником α-MSH, агоністом Mc4r. Ці нейрони, що експресують POMC, проектуються на бічний гіпоталамус і паравентрикулярне ядро, де знаходиться Mc4r. Встановлено, що активація цього сигнального шляху лептин-меланокортин впливає на споживання їжі та швидкість метаболізму. Дорослі миші A y не реагують на s.c. лептину і вимагають у 100 разів більшої кількості лептину для пригнічення годування (13). Подібним чином, дорослі миші Mc4r-null стійкі до дії лептину (внутрішньовенно або централізовано) щодо прийому їжі (14).
Як миші Mc4r-null (10), так і миші A y (4, 15–17) стають гіперфагічними; проте кілька експериментів свідчать про те, що метаболічний компонент сприяє їх ожирінню. Експерименти на мишах A vy (16) та нульових мишах рецептора меланокортину-3 (18) вказують на те, що ці мутантні штами мишей ефективніше зберігають калорії у вигляді жирової тканини, ніж контролери дикого типу (WT). Вимірювання споживання кисню вказує на те, що миші із ожирінням A y мають нижчий рівень метаболізму у спокої при тестуванні у віці від 2 до 12 місяців (19), але не при тестуванні у віці 6 тижнів. Нарешті, швидкість метаболізму дорослих Mc4r-null, які були значно важчими, ніж контрольні миші, була меншою, ніж товстий контроль або контроль ожиріння, спричинений дієтою, коли нормалізувався до загальної маси тіла (20).
Якщо Mc4r є критичним посередником метаболізму та індукованого дієтою термогенезу, тоді нуклеотидні миші Mc4r повинні бути ефективнішими в метаболічному відношенні, ніж контрольні миші, і повинні набирати більше ваги (як жирова тканина), ніж контрольні миші з однаковим споживанням їжі (тобто демонструють підвищений ефективність подачі). Ми провели довготривалі експерименти з парним вигодовуванням, які показали, що миші Mc4r-null, як миші з синдромом жовтої миші та миші-нульові рецептори меланокортину-3 (18), виявляють схильність до зберігання калорій як жирової тканини. Для подальшої характеристики цього метаболічного дефекту ми протестували споживання кисню, рухову активність, чутливість до холоду та здатність лептину індукувати мРНК UCP1 у мишей Mc4r-null.
Матеріали і методи
Усі процедури на тваринах відповідали настановам Національного інституту охорони здоров’я та були затверджені Комітетом з питань догляду за тваринами університету Вашингтона.
Експерименти з годуванням пар.
Мишей покоління F4 із змішаним гетерозиготним фоном гетерозиготних 129/Sv × C57BL/6J для порушеного алелю Mc4r виводили для отримання мишей Mc4r-нуль та WT безплідних мишей (10). Генотипування проводили, як описано (14). Мишей підтримували на стандартному чау-чау для мишей (стандартна лабораторія для мишей H8604 Харліна Теклада) при температурі 22 ° C протягом 12-годинного циклу світло-темрява. Споживання їжі мишами WT вимірювали щодня, починаючи приблизно з 5 тижнів. Щодня груповим самцям і самкам Mc4r-нульових мишей давали середню кількість їжі, яку споживали їхні односемейні підстилки WT попереднього дня (27). Окремим групам утримуваних у групі самців і самок мишей Mc4r-null був наданий доступ за умови вільного доступу до їжі. Ваги тіла вимірювали щотижня.