A GDF15 hiánya elősegíti a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízást egerekben

Szerepek Adatkúra, formális elemzés, vizsgálat, módszertan, projekt adminisztráció, források

Kardiometabolikus rendellenességek osztályai; Amgen Inc., South San Francisco, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Adatkúra, vizsgálat, módszertan

Kardiometabolikus rendellenességek osztályai; Amgen Inc., South San Francisco, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Adatkúra, vizsgálat, módszertan

Kardiometabolikus rendellenességek osztályai; Amgen Inc., South San Francisco, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Konceptualizálás, formális elemzés, módszertan, projekt adminisztráció, erőforrások, felügyelet

Kardiometabolikus rendellenességek osztályai; Amgen Inc., South San Francisco, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Thanhvien Tran,
Jingping Yang,
Jonitha Gardner,
Yumei Xiong

Ábrák

Absztrakt

A rekombináns növekedési differenciálódási faktor 15 (GDF15) fehérjék farmakológiai kezelése csökkenti az elhízott rágcsálók és főemlősök testtömegét. Paradox módon a keringő GDF15 szintje megnövekszik az elhízásban. Az endogén GDF15 elhízás kialakulásában betöltött szerepének vizsgálatához a magas zsírtartalmú étrendre GDF15 knockout egereket és vad típusú kontrollokat vezettünk be, hogy az egerek étrend okozta elhízás alakulhassanak ki. A vad típusú állatokhoz képest a GDF15 kieső egerek hajlamosabbak voltak a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízásra. A hím knockout egereknél rosszabb a glükóz tolerancia, alacsonyabb a mozgásszervi aktivitás és az anyagcsere sebesség, mint a vad típusú egerekben. Ezenkívül a GDF15 hiány növelte a magas zsírtartalmú étrend okozta bőrelváltozások előfordulását. Adataink arra utalnak, hogy az endogén GDF15 védő szerepet játszik az elhízás kialakulásában, és a GDF15 hiánya súlyosbítja az elhízás előrehaladását és a kapcsolódó kóros állapotokat. Az elhízás megnövekedett GDF15-szintje a GDF15-rezisztencia leküzdésére adott válaszból származhat.

Idézet: Tran T, Yang J, Gardner J, Xiong Y (2018) A GDF15 hiánya elősegíti a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízást egerekben. PLoS ONE 13 (8): e0201584. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0201584

Szerkesztő: Jonathan M. Peterson, Kelet-Tennessee Állami Egyetem, EGYESÜLT ÁLLAMOK

Fogadott: 2018. március 6 .; Elfogadott: 2018. július 18 .; Közzétett: 2018. augusztus 2

Adatok elérhetősége: Minden lényeges adat a cikkben található.

Finanszírozás: Ezt a kutatást az Amgen Inc. finanszírozta, amely szerepet játszott a tanulmány tervezésében, az adatgyűjtésben és -elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében. A kutatást az Amgen gyógyszer felfedezésének és fejlesztésének támogatása céljából kezdeményezték, tervezték és hajtották végre. A szerzőket az Amgen és az Amgen stock részvényesei alkalmazták. E szerzők konkrét szerepeit a „szerzői hozzájárulás” részben fogalmazták meg.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők Amgenhez való kapcsolata nem változtatja meg a szerzőknek az adatok és anyagok megosztására vonatkozó PLOS ONE irányelvek betartását.

Bevezetés

Az elhízás az életet veszélyeztető társbetegségekhez kapcsolódó fő közegészségügyi teher [1, 2]. Az elhízás gyakorisága az elmúlt évtizedekben nőtt, hogy elérje a járvány állapotát [3, 4]. A GDF15 egy transzformáló növekedési faktor-β (TGF-β) szupercsaládtag, amely nemrégiben széleskörű érdeklődést váltott ki új célként az elhízás és az ezzel járó társbetegségek farmakoterápiáinak kifejlesztésére. Több csoport jelentései egyértelműen bizonyították, hogy a rekombináns GDF15 fehérjék kezelése csökkenti a testtömeget és javítja az elhízott rágcsálók és főemlősök glükóz toleranciáját [5–10]. A farmakológiai vizsgálatok összhangban állnak a GDF15 transzgénikus egerek rezisztenciájával a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízással (DIO) és a glükóz intoleranciával szemben [11–14], támogatva az exogén GDF15 magas szintjének terápiás szerepét az elhízás és a cukorbetegség kezelésében.

Az endogén GDF15 biológiai funkciója nem teljesen egyértelmű. A GDF15 kiütéses egerekről beszámoltak arról, hogy valamivel nehezebbek, mint a vad típusú egerek [15], súlyosabb szívkárosodást tapasztalnak iszkémiás/reperfúzió után [16], és némi posztnatális motoros és szenzoros neuronvesztést mutatnak [17]. A jelentett fenotípusok enyheek, és az endogén GDF15 biológiai szerepének végleges megértése továbbra is megfoghatatlan. A keringő GDF15 szint normál fiziológiai körülmények között alacsony, de terhesség, öregedés és egyes betegségek esetén magas [18–22]. Korábban beszámoltunk arról, hogy a keringő GDF15 szint megnövekedett elhízott egerekben, patkányokban és emberekben [8]. Nem világos azonban, hogy a keringő GDF15 szint miért növekszik az elhízásban, és hogy az endogén GDF15 részt vesz-e az elhízás kialakulásában.

Epidemiológiai és laboratóriumi vizsgálatok kimutatták, hogy a fokozott zsírbevitel fontos tényező az elhízási járvány kialakulásában [3, 23, 24]. A magas zsírtartalmú étrendi táplálás rágcsáló modellekben is elhízást vált ki, hasznos eszközt biztosít az elhízás kutatásához [24, 25]. Annak megvizsgálására, hogy a keringő endogén GDF15 funkcionális szerepet játszik-e az elhízás kialakulásában, GDF15 kiütéses egereket és vad típusú kontrollokat vezettünk be a magas zsírtartalmú étrendbe, és tanulmányoztuk a GDF15 hiány hatását ezekben a diéta okozta elhízott (DIO) egerekben.

Anyagok és metódusok

Állatkísérlet

Valamennyi rágcsáló-vizsgálatot az Amgen Intézményi Állattenyésztési és Felhasználási Bizottság (IACUC) hagyta jóvá, és az Amgen Inc.-nél (Dél-San Francisco, Kalifornia) hajtották végre. Az állatokat 12 órás világos/sötét ciklusú, 22 ° C hőmérsékletű és 30–70% páratartalmú helyiségekben tartottuk. Az állatok szabad hozzáférést kaptak az élelemhez és a vízhez, és standard rágcsáló-chow-on tartották őket (Teklad global 18% protein, Envigo 2018), hacsak másképp nem jelöltük.

A magas zsírtartalmú étrendi takarmányozási vizsgálatokhoz az állatokat 60% kcal zsírtartalmú étrenden tartották (D12492, Research Diets).

GDF15 kieső egerek

A GDF15 konstitutív knockout egereket vegyes 129S x C57Bl/6 háttéren a Taconic Knockout Repository-ból szereztük be (Taconic, TF2337 modell). Az állatokat C57BL/6NTac háttérre tenyésztettük, hogy teljesen kongén legyen (Charles River). A GDF15 génnek 2 exonja van. A 2-es exonba egy neo-kazettát illesztettek a knockout egerek előállításához. A GDF15 knockout egerek genotipizálását a fülminták DNS-ének PCR-analízisével végeztük 3 PCR-primer alkalmazásával: common forward primer 5'-TCCCACATCAGCTGTCAGTC-3 ', wildty reverse reverse' 5'-CTACACCCCGGTGGTTCTTA-3 ', neo cassette reverse primer 5'-CGATGTG -3 '. A vad típusú allél PCR-terméke 418 bp. A knockout allél PCR-terméke 540 bp.

GDF15 ELISA

A keringő GDF15 szinteket egér/patkány GDF-15 Quantikine ELISA Kit (R&D rendszerek) segítségével mértük.

Testtömeg és táplálékfelvétel

A testtömeget kéthetente mérték házi ketrecekben. A táplálékbevitel méréséhez tiszta ketreceket készítettek előre lemért élelemmel, az állatokat rendszeres ketrecváltási időben szállították ezekbe a ketrecekbe, a táplálékfelvételt hetente kétszer, 2 hétig.

Test felépítés

A tudatban levő egerek zsírtömegét, sovány tömegét és folyadékát TD-NMR testalkat-elemzővel (Bruker) mértük.

Vércukorszint és szérum inzulin

A vércukorszintet AlphaTrak 2 glükózcsíkkal (Abbott Diagnostics) mértük. A szérum inzulinszintet egér inzulin ELISA kit (Alpco) alkalmazásával mértük

Glükóz tolerancia teszt

Az állatokat 4 órán keresztül éheztettük a vércukorszint-mérés, a vérmintavétel és az orális glükóz-bolus terhelés (20% glükóz, 10 ml/kg) előtt. A glükózfertőzés után a vércukorszintet 15, 30, 60 percnél mértük.

Közvetett kalorimetria

Az indirekt kalorimetriát 12 kamrás átfogó laboratóriumi állatfigyelő (CLAMS) Oyxmax rendszer (Columbus) alkalmazásával végeztük. Az állatokat legfeljebb 2 hétig akklimatizáltuk a kamrákba a testtömeg stabilizálódása előtt az adatgyűjtés előtt. A vizsgálat során 13 perces intervallumban vettünk mintákat az O2-fogyasztás és a CO2-termelés mérésére, valamint a légzéscsere (RER) és a hőtermelés kiszámítására. A táplálékfelvételt 13 percenként regisztráltuk az adagoló súlyának változásaként. A mozgásszervi aktivitást infravörös sugarak megszakadásával mértük.

Statisztikai analízis

A statisztikai elemzést Graph Pad Prism szoftver (Graph Pad Inc., San Diego, CA, USA) és P segítségével végeztük. 1. ábra. A férfi GDF15 hajlamosabb volt a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízásra.

(A) A hím egerek testsúlya. (B) A nőstény egerek testsúlya. (C) Átlagos napi táplálékfelvétel. (D) A hím egerek testösszetétele. n = 12–21 hím egereknél. n = 11–22 nőstény egereknél. Az adatokat átlag ± SEM-ként mutatjuk be. * p 2. ábra. A hím GDF15 knockout DIO egereknél magasabb volt a glükózszint, inzulinszint és romlott a glükóz tolerancia.

(A) hím egerek 4 órás éhomi vércukorszintje. (B) Női egerek 4 órás éhomi vércukorszintje. (C) hím egerek 4 órás éhomi szérum inzulinszintje. (D) Női egerek 4 órás éhomi szérum inzulinszintje. (E) A hím egerek vércukorszintje az orális glükóz tolerancia teszt során. (F) Nőstény egerek vércukorszintje az orális glükóz tolerancia teszt során. n = 12–21 hím egereknél. n = 11–22 nőstény egereknél. Az adatokat átlag ± SEM-ként mutatjuk be. * p 3. ábra. A GDF15 kiütéses DIO egerek nagyobb testtömegűek és a bőrelváltozások gyakoribbak voltak.

(A) A hím GDF15 egerek testsúlya (n = 6–14). (B) A nőstény egerek testsúlya (n = 8–13). (C) A bőrelváltozások előfordulási száma és az első megfigyelés kora. A testtömeg-adatok átlag ± SEM-ként jelennek meg. * p 4. ábra. A hím GDF15 kiütéses DIO egerek mozgása alacsonyabb volt.

(A) DIO hím egerek X-tengely aktivitása: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (B) DIO hím egerek Z-tengely aktivitása: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (C) A hím DIO egerek táplálékfelvételének folyamatos 3-d felvétele. (D) A hím DIO egerek összesített táplálékfelvétele. n = 6. A nyers CLAMS rögzített adatok átlagként vannak feltüntetve. Az elemzett átlagértékek átlag ± SEM-ként jelennek meg. * p 5. ábra: A nőstény egerek mozgásszervi aktivitása és táplálékfelvétele.

(A) Nőstény DIO egerek X-tengely aktivitása: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (B) Nőstény DIO egerek Z-tengely aktivitása: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (C) A nőstény DIO egerek táplálékfelvételének folyamatos 3-d felvétele. (D) Nőstény DIO egerek összesített táplálékfelvétele. n = 5–7. A nyers CLAMS rögzített adatok átlagként vannak feltüntetve. Az elemzett átlagértékek átlag ± SEM-ként jelennek meg.

A hím GDF15 knockout DIO egerek metabolizmusa alacsonyabb volt, mint a vad típusú egereké

Ezután elemeztük az anyagcsere sebességét és az RER-t az Oxymax kamrákban mért O2-fogyasztás és CO2-termelés felhasználásával. A hím GDF15 knockout DIO egerek alacsonyabb O2-fogyasztást és hőtermelést mutattak, mint a vad típusú egerek, ami alacsonyabb metabolikus sebességet jelzett a knockout egerekben (6A. És 6B. Ábra). Nem voltak különbségek a RER-ben, amelyet a CO2-termelés és az O2-fogyasztás arányaként számoltak, ami arra utal, hogy a GDF15 hiány nem befolyásolta az energia szubsztrát kiválasztását (6C. Ábra). A nőstény GDF15 knockout DIO egerek 3-d O2 fogyasztása és hőtermelése szintén alacsonyabban húzódott, mint a vad típusú egereké, de az egyes fényciklusok átlagértékei statisztikailag nem különböztek a genotípusok között (7A. És 7B. Ábra).

(A) Hím DIO egerek oxigénfogyasztása: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (B) Hím DIO egerek RER: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (C) Hím DIO egerek hőtermelése: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. n = 6. A CLAMS által rögzített adatok átlagként vannak feltüntetve. Az elemzett átlagértékek átlag ± SEM-ként jelennek meg. * p 7. ábra. A nőstény egerek metabolikus sebessége és RER-je.

(A) Nőstény DIO egerek oxigénfogyasztása: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (B) Nőstény DIO egerek RER: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. (C) Nőstény DIO egerek hőtermelése: folyamatos 3-d felvétel és az egyes fényciklusok átlagos értéke. n = 5–7. A CLAMS által rögzített adatok átlagként vannak feltüntetve. Az elemzett átlagértékek átlag ± SEM-ként jelennek meg.

Vita

A GDF15 kieső egerek nem mutattak durva rendellenességeket, ami arra utal, hogy a GDF15 nem elengedhetetlen az alapvető életfunkciók fenntartásához. Ha obesogén, magas zsírtartalmú étrendet alkalmaznak, a hím GDF15 kieső egerek gyorsan nagyobb súlyra tettek szert, mint a vad típusú egerek, és romlott a glükóz tolerancia, ami az endogén GDF15 védő szerepére utal az elhízást kiváltó állapotokra reagálva. Az energiaháztartást az energiafogyasztás és az energiafelhasználás egyensúlya tartja fenn. A vad típusú kontroll állatokhoz képest a GDF15 kiütéses egerek nagyobb táplálékfelvételt és alacsonyabb anyagcserét hajtottak végre, mindkettő valószínűleg hozzájárult az elhízás súlyosbodásához. Az összes energiafelhasználás az alapcsere-anyagcsere, az élelmiszer okozta hőtermelés, a hőszabályozás és a fizikai aktivitással járó energiaköltségek összege. Mivel a GDF15 knockout egereknek alacsonyabb volt a mozgásszervi aktivitásuk, a fizikai aktivitással járó energiafelhasználás csökkenése valószínűleg hozzájárul az alacsonyabb anyagcsere sebességhez. Azt azonban még meg kell tisztázni, hogy a GDF15-hiány befolyásolja-e a bazális metabolizmust és a hőszabályozást is.

Vizsgálatunk során a nőstény egerek sok paraméterben sokkal kevésbé robusztus fenotípust mutattak, mint a hím egerek. A nőstény egerekről elmondható, hogy a hím egereknél lényegesen kevésbé érzékenyek a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízásra, inzulinrezisztenciára, szisztémás gyulladásra és tanulási hiányokra [28–31]. Feltételezzük, hogy a kevésbé robusztus fenotípus nőstény GDF15 egerekben annak az eredménye, hogy ez a modell kevésbé érzékeny a magas zsírtartalmú étrendre. Nem világos, hogy a nőstény egerek miért kevésbé érzékenyek a magas zsírtartalmú étrendre, mint a hím egerek. De köztudott, hogy az ösztrikus ciklushoz kapcsolódó hormonális eltérések az energiaegyensúly szempontjából fontos több utat is befolyásolják, és a rágcsálók anyagcsere-vizsgálatai során a férfi a preferált nem [32–35]. A hím egerekben megfigyelt robusztus fenotípus azt sugallja, hogy az endogén GDF15 fontos az obesogén környezetben az elhízás kialakulása elleni védelemben, és azt javasoljuk, hogy az elhízás megemelkedett GDF15 szintje a GDF15 rezisztencia leküzdésére adott válaszból származhat.

Segítő információ

S1. Ábra: GDF15 kiütéses egerek.

(A) Vad típusú, heterozigóta, homozigóta knockout egerek fülmintáinak PCR-elemzése. (B) A keringő egér GDF15 szintje vad típusú és kiütéses egerekben normál chow-on. (C) A keringő egér GDF15 szintje vad típusú és knockout egerekben magas zsírtartalmú étrenden.