Дефіцит GDF15 сприяє ожирінню мишей, спричиненого дієтою

Ролі Куратор даних, Формальний аналіз, Розслідування, Методологія, Адміністрація проекту, Ресурси

Афілійовані відділи кардіометаболічних розладів; Amgen Inc., Південний Сан-Франциско, Каліфорнія, Сполучені Штати Америки

Ролі Куратор даних, дослідження, методологія

Ролі Концептуалізація, формальний аналіз, методологія, адміністрування проектів, ресурси, нагляд

Тханвієн Тран,
Цзіньпін Ян,
Джоніта Гарднер,
Юмей Сюн

Цифри

Анотація

Фармакологічне лікування білків рекомбінантного фактора диференціації росту 15 (GDF15) зменшує масу тіла ожирілих гризунів та приматів. Парадоксально, але рівень ожиріння GDF15 у циркуляції збільшується. Щоб дослідити роль ендогенного GDF15 у розвитку ожиріння, ми поставили мишей-нокаутів GDF15 та контролери дикого типу на дієту з високим вмістом жиру для мишей для розвитку ожиріння, спричиненого дієтою. У порівнянні з тваринами дикого типу, нокаутовані миші GDF15 були більш схильні до ожиріння, спричиненого дієтою. Миші-нокаути-самці демонстрували гіршу толерантність до глюкози, нижчу рухову активність та нижчий рівень метаболізму, ніж миші дикого типу. Крім того, дефіцит GDF15 збільшив кількість уражень шкіри, спричинених дієтою. Наші дані свідчать про те, що ендогенний GDF15 відіграє захисну роль у розвитку ожиріння, а відсутність GDF15 посилює прогресування ожиріння та супутні патологічні стани. Підвищений рівень GDF15 при ожирінні, можливо, був результатом реакції на подолання резистентності до GDF15.

Цитування: Tran T, Yang J, Gardner J, Xiong Y (2018) Дефіцит GDF15 сприяє підвищеному жиру, викликаному дієтою, у мишей. PLoS ONE 13 (8): e0201584. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0201584

Редактор: Джонатан М. Петерсон, Університет штату Східний Теннессі, США

Отримано: 6 березня 2018 р .; Прийнято: 18 липня 2018 р .; Опубліковано: 2 серпня 2018 р

Наявність даних: Усі відповідні дані містяться в роботі.

Фінансування: Це дослідження фінансувалось компанією Amgen Inc, яка відіграла важливу роль у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію або підготовці рукопису. Дослідження було розпочато, розроблено та проведено для підтримки відкриття та розробки препарату Amgen. Авторів найняли Amgen та акціонери Amgen stock. Конкретні ролі цих авторів сформульовані в розділі «Авторський внесок».

Конкуруючі інтереси: Приналежність авторів до Amgen не змінює дотримання авторами всіх політик PLOS ONE щодо обміну даними та матеріалами.

Вступ

Ожиріння є основним навантаженням на здоров'я населення, пов'язане із супутніми захворюваннями, що загрожують життю [1, 2]. Поширеність ожиріння зросла за останні кілька десятиліть, щоб досягти статусу пандемії [3, 4]. GDF15 є членом надсімейства з трансформуючим фактором росту β (TGF-β), який нещодавно викликав широкий інтерес як нова мета для розробки фармакотерапії ожиріння та супутніх супутніх захворювань. Звіти багатьох груп чітко продемонстрували, що лікування рекомбінантних білків GDF15 зменшує масу тіла та покращує толерантність до глюкози у гризунів із ожирінням та приматів [5–10]. Фармакологічні дослідження узгоджуються з попередніми повідомленнями про трансгенних мишей GDF15, стійких до ожиріння, спричиненого дієтою (DIO), та непереносимості глюкози [11–14], підтримуючи терапевтичну роль високого рівня екзогенного GDF15 у лікуванні ожиріння та діабету.

Біологічна функція ендогенного GDF15 не зовсім зрозуміла. Як повідомляється, нокаутовані миші GDF15 були трохи важчими, ніж миші дикого типу [15], вони зазнали більш серйозних пошкоджень серця після ішемічної/реперфузійної [16] і демонстрували певну постнатальну втрату рухових та сенсорних нейронів [17]. Повідомлені фенотипи є м’якими, і остаточне розуміння біологічної ролі ендогенного GDF15 залишається незрозумілим. Рівень GDF15, що циркулює, низький за нормальних фізіологічних умов, але підвищений під час вагітності, старіння та деяких захворювань [18–22]. Раніше ми повідомляли, що рівень циркулюючих GDF15 підвищений у ожиріних мишей, щурів та людей [8]. Однак незрозуміло, чому циркулюючий рівень GDF15 зростає при ожирінні і чи бере участь ендогенний GDF15 у розвитку ожиріння.

Епідеміологія та лабораторні дослідження продемонстрували, що збільшення споживання жиру є важливим фактором, що сприяє пандемії ожиріння [3, 23, 24]. Харчування з високим вмістом жиру також викликає ожиріння у моделей гризунів, забезпечуючи корисний інструмент для дослідження ожиріння [24, 25]. Щоб дослідити, чи циркулюючий ендогенний GDF15 відіграє функціональну роль у розвитку ожиріння, ми поставили мишей-нокаутів GDF15 та контролерів дикого типу на дієту з високим вмістом жиру та вивчили вплив дефіциту GDF15 у цих мишей із ожирінням (DIO), викликаних дієтою.

Матеріали та методи

Дослідження на тваринах

Усі дослідження гризунів були схвалені Інституційним комітетом з догляду та використання тварин Amgen (IACUC) та проведені в Amgen Inc. (Південний Сан-Франциско, Каліфорнія). Тварин утримували в приміщеннях з 12-годинним циклом світло/темрява, температурою 22ºC та вологістю 30% до 70%. Тварини мали вільний доступ до їжі та води та утримувались на стандартній чау-гризу (Teklad global 18% protein, Envigo 2018)), якщо не вказано інше.

Для досліджень дієтичного харчування з високим вмістом жиру тварин дотримувались 60% жирної дієти (D12492, Дієти досліджень).

Миші-нокаути GDF15

Конститутивні миші-нокаути GDF15 на змішаному фоні 129S x C57Bl/6 були отримані з сховища нокаутів Taconic (Taconic, модель № TF2337). Тварин вивели за фоном C57BL/6NTac, щоб бути повністю вродженими (річка Чарльз). Ген GDF15 має 2 екзони. Нео-касету вставляли в екзон 2 для генерування нокаутних мишей. Генотипування мишей-нокаутів GDF15 проводили методом ПЛР-аналізу ДНК із зразків вух з використанням 3-х праймерів ПЛР: загальний прямий праймер 5'-TCCCACATCAGCTGTCAGTC-3 ', зворотний праймер дикого типу 5'-CTACACCCCGGTGGTTCTTA-3', неокасетний зворотний праймер 5'-CGTTGGGCT -3 '. Продукт ПЛР алеля дикого типу становить 418 п.н. Продукт ПЛР алекального нокауту становить 540 п.н.

ІФА GDF15

Рівні циркулюючого GDF15 вимірювали за допомогою набору для миші/щура GDF-15 Quantikine ELISA (системи R&D)

Вага тіла та споживання їжі

Вагу тіла вимірювали кожні 2 тижні в домашніх клітках. Для вимірювання споживання їжі готували чисті клітини з попередньо зваженою їжею, тварин переводили в ці клітини у звичайний час зміни клітки, споживання їжі вимірювали двічі на тиждень протягом 2 тижнів.

Будова тіла

Жирову масу, нежирну масу та рідину у мишей, що перебувають у свідомості, вимірювали за допомогою міні-специфічного аналізатора складу тіла TD-NMR (Bruker)

Глюкоза в крові та інсулін у сироватці крові

Рівні глюкози в крові вимірювали за допомогою смужки глюкози AlphaTrak 2 (Abbott Diagnostics). Рівні інсуліну в сироватці крові вимірювали за допомогою набору інсуліну миші ELISA (Alpco)

Тест на толерантність до глюкози

Тварин голодували протягом 4 годин перед початковим вимірюванням глюкози в крові, забором крові та пероральним болюсним навантаженням (20% глюкози, 10 мл/кг). Після виклику глюкози рівень глюкози в крові вимірювали через 15, 30, 60 хв.

Непряма калориметрія

Непряму калориметрію проводили за допомогою 12-камерної комплексної лабораторної системи моніторингу тварин (CLAMS) системи Oyxmax (Columbus). Тварин акліматизували в камерах протягом 2 тижнів, щоб маса тіла стабілізувалась перед збором даних. Під час дослідження відбирали проби з інтервалом у 13 хвилин для вимірювання споживання O2 та вироблення СО2, а також для розрахунку швидкості дихального обміну (RER) та виробництва тепла. Прийом їжі реєстрували кожні 13 хв як зміну ваги годівниці. Рухову активність вимірювали за допомогою проривів інфрачервоних променів.

Статистичний аналіз

Статистичний аналіз проводили за допомогою програмного забезпечення Graph Pad Prism (Graph Pad Inc., Сан-Дієго, Каліфорнія, США) та P Fig 1. Чоловіки GDF15 були більш схильні до ожиріння, спричиненого дієтою.

(А) Вага тіла мишей-самців. (В) Маса тіла самки мишей. (C) Середнє щоденне споживання їжі. (D) Склад тіла мишей-самців. n = 12–21 для самців мишей. n = 11–22 для самок мишей. Дані відображаються як середнє значення ± SEM. * p Рис. 2. Самці-носії DD-мишей GDF15 мали вищий рівень глюкози, рівень інсуліну та погіршення толерантності до глюкози.

(A) 4 години рівня глюкози в крові натще у самців мишей. (B) 4 години рівня глюкози в крові натще у самок мишей. (C) 4-годинний рівень інсуліну натще у сироватці мишей-самців. (D) 4 години рівні інсуліну натще у сироватці самки мишей. (E) Рівень глюкози в крові самців мишей під час перорального тесту на толерантність до глюкози. (F) Рівень глюкози в крові самки мишей під час перорального тесту на толерантність до глюкози. n = 12–21 для самців мишей. n = 11–22 для самок мишей. Дані відображаються як середнє значення ± SEM. * p Рис. 3. Миші DIO з нокаутом GDF15 мали більшу масу тіла та більшу частоту уражень шкіри.

(А) Вага тіла самців мишей GDF15 (n = 6–14). (B) Маса тіла самки мишей (n = 8–13). (C) Кількість уражень шкіри та вік першого спостереження. Дані про масу тіла представлені як середнє значення ± SEM. * p Рис. 4. Самці нокаутованих DIO-мишей GDF15 мали нижчу рухову активність.

(A) Активність по осі X самців мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (B) Активність по осі Z самців мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (C) Постійне триденне фіксування споживання їжі самцями мишей DIO. (D) Кумулятивний прийом їжі самцями мишей DIO. n = 6. Сировина записаних даних CLAMS відображається як середнє значення. Аналізовані середні значення відображаються як середнє значення ± SEM. * p Рис. 5. Рухова активність та споживання їжі самками мишей.

(A) Активність по осі X самки мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (B) Активність по осі Z самок мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (C) Постійне 3-денне фіксування споживання їжі самками мишей DIO. (D) Кумулятивне споживання їжі самками мишей DIO. n = 5–7. Дані, записані в RAW, відображаються як середнє значення. Аналізовані середні значення відображаються як середнє значення ± SEM.

Миші-носії DIO-самців GDF15 мали нижчий рівень метаболізму, ніж миші дикого типу

Далі ми проаналізували швидкість метаболізму та коефіцієнт RER, використовуючи споживання O2 та вироблення CO2, виміряні в камерах Oxymax. Миші-носії DIO-самців GDF15 демонстрували нижчий рівень споживання O2 і виробництво тепла, ніж миші дикого типу, що вказує на нижчий рівень метаболізму у нокаутованих мишей (рис. 6А та 6В). Не було відмінностей у RER, розрахованому як відношення виробництва CO2 до споживання O2, що припускає, що дефіцит GDF15 не впливав на вибір енергетичного субстрату (рис. 6C). Тривимірне споживання O2 та виробництво тепла у самок мишей-носіїв DDO GDF15 також відставало нижче, ніж у мишей дикого типу, але середні значення кожного світлового циклу статистично не відрізнялися між генотипами (рис. 7А та 7В).

(A) Споживання кисню у самців мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (B) RER самців мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (C) Виробництво тепла у самців мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. n = 6. Записані дані CLAMS відображаються як середнє значення. Аналізовані середні значення відображаються як середнє значення ± SEM. * p Рис. 7. Швидкість метаболізму та RER самок мишей.

(A) Споживання кисню у самок мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (B) RER самок мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. (C) Виробництво тепла у самок мишей DIO: безперервний 3-d запис та середнє значення кожного світлового циклу. n = 5–7. Записані дані CLAMS відображаються як середнє значення. Аналізовані середні значення відображаються як середнє значення ± SEM.

Обговорення

Миші-нокаути GDF15 не показали грубих відхилень, що свідчить про те, що GDF15 не є важливим для підтримки основних життєвих функцій. Коли вони отримували дієзогенну дієту з високим вмістом жиру, самці мишей-нокаутів GDF15 швидко набирали більше ваги, ніж миші дикого типу, і розвивали погіршення толерантності до глюкози, що свідчить про захисну роль ендогенного GDF15 у відповідь на умови, що викликають ожиріння. Енергетичний гомеостаз підтримується балансом між споживанням енергії та витратами енергії. У порівнянні з контрольними тваринами дикого типу, у нокаутованих мишей GDF15 було більше споживання їжі та менша швидкість метаболізму, і те, й інше, сприяло розвитку ожиріння, що посилюється. Загальні витрати енергії - це сума основного метаболізму, індукованого їжею тепла, терморегуляції та енергетичних витрат, пов’язаних з фізичною активністю. Оскільки миші-нокаути GDF15 мали нижчу рухову активність, зменшення енергетичних витрат, пов’язаних із фізичною активністю, є, ймовірно, чинником, що сприяє зниженню швидкості метаболізму. Однак залишається з'ясувати, якщо дефіцит GDF15 також впливає на базальний обмін та терморегуляцію.

У нашому дослідженні самки мишей за багатьма параметрами демонстрували набагато менш стійкий фенотип, ніж самці. Як повідомляється, самки мишей були значно менш чутливими, ніж самці, до ожиріння, спричиненого дієтою, з високим вмістом жиру, резистентності до інсуліну, системного запалення та дефіциту навчання [28–31]. Ми припускаємо, що менш стійкий фенотип у самок мишей-нокаутів GDF15 є результатом того, що ця модель менш чутлива до дієти з високим вмістом жиру. Незрозуміло, чому самки мишей менш чутливі до дієти з високим вмістом жиру, ніж миші самці. Але відомо, що гормональні коливання, пов’язані з естрозним циклом, впливають на безліч шляхів, важливих для енергетичного балансу, і саме чоловіки є найкращою статтю в метаболічних дослідженнях на гризунах [32–35]. Надійний фенотип, що спостерігається у самців мишей, свідчить про те, що ендогенний GDF15 важливий для захисту від розвитку ожиріння в обезогенному середовищі, і ми припускаємо, що підвищений рівень GDF15 при ожирінні, можливо, був результатом реакції на подолання стійкості до GDF15.

Додаткова інформація

S1 Рис. Миші-нокаути GDF15.

(A) ПЛР-аналіз зразків вух від мишей дикого типу, гетерозиготних, гомозиготних нокаутів. (B) Циркулюючий рівень мишачого GDF15 у мишей дикого типу та нокауту на звичайному чау. (C) Циркулюючий рівень мишачого GDF15 у мишей дикого типу та нокаутів на дієті з високим вмістом жиру.