Субекти

Резюме

Въведение

Предполага се, че хиперфагичните ефекти на диетите с умерено ниско съдържание на протеини са чрез множество механизми. Те включват дисбаланси в концентрациите на аминокиселини в плазмата и мозъка при плъхове 15,16,17, модулация на енергийни сензори в хипоталамуса и предната пириформна кора при плъхове 18 и повишена активност в областите за възнаграждение като орбитофронталната кора и стриатума при хората 11 . Диетите с ниско съдържание на протеини също увеличават енергийните разходи при гризачи 17,19,20,21,22, но основните механизми са слабо разбрани. Потенциалните механизми включват повишен симпатиков поток чрез β-адренергичен рецептор (β-AR), сигнализиращ за кафява мастна тъкан (BAT) с последващо регулиране на експресията на митохондриалния разединяващ протеин-1 (UCP1) 19,21,22,23, както и повишен фибробласт растежен фактор-21 (FGF21) медиирана термогенеза 17. Относителната важност на тези механизми и дали получените от червата сигнали са свързани с ниско протеинова индуцирана хиперфагия и термогенеза, са до голяма степен неизвестни.

Ентероендокринните клетки на червата секретират множество хормони, включително пептид YY (PYY), който се предполага, че играе роля в анорексигенните ефекти на високо протеиновите диети 24; неизвестно е дали хормоните на червата медиират ефекта от диетите с ниско съдържание на протеини върху енергийния баланс. Освен тези хормони, наскоро беше доказано, че серотонинът, получен от червата, който представлява над 95% от общия телесен серотонин 25, предизвиква затлъстяване, отчасти поради намалената термогенеза на кафяви мазнини 26,27, докато серотонинът, получен от мозъка, индуцира термогенеза в кафява мазнина 28. Ефектите на серотонина се медиират от множество рецепторни подтипове, от които 5-хидрокситриптаминовите (5НТ3) рецептори медиират хипофагичните ефекти на въглехидратите и мазнините 29,30,31. Не е известно дали 5НТ3 рецепторите медиират ефектите от диетите с ниско съдържание на протеини върху енергийния баланс.

Резултати

Приемане на енергия, разход на енергия и смилаемост на енергия

В сравнение с дневния енергиен прием на плъхове, хранени с контролна диета (15% протеин, 15P; вж. Допълнителна таблица S1), при плъхове, хранени с диета без протеини (0P), енергийният прием е намален с 13–49% през 14-те -дневно ограничение и с 14-54% по време на 21-дневното ограничение, с последващо възстановяване до контролни нива след първата седмица на реактивиране (фиг. 1а, вж. допълнителни фигури S1a, S2a, b и S3a – h). В сравнение с 15P, дневният енергиен прием се увеличава с 12-16% и 11-21% през първите 7 дни при плъхове, хранени с много ниско протеинова диета (5% протеин; 5P) и умерено ниско протеинова диета (10% протеин; 10P), съответно (фиг. 1а, виж допълнителни фигури S2a, b и S3a – d). В сравнение с 15P, средният дневен разход на енергия се увеличава със 7% за 7 дни в 0P и с 16-20% за 14 дни в 5P (фиг. 1b, виж допълнителни фигури S2c, d и S4a, b). Повишените енергийни разходи на 0P и 5P са постоянни, дори когато чистата маса се използва като ковариатор (вж. Допълнителна фигура S2g – i). В сравнение с 15P, коефициентът на дишане (RQ) е намален по време на рестрикцията в 0P (вж. Допълнителна фигура S1c), но се увеличава в 5P от ден (d) 4 до d 11 (фиг. 1в). Освен това, с d 7, спрямо 15P, общата усвояемост на енергия се увеличава с 16% за 10P, но намалява с 41% за 0P. Към d 14, усвояемостта на енергия е имала тенденция (P Фигура 1: Ефект на диетите с ниско съдържание на протеини върху енергийния баланс.

съдържание

5HT3 рецепторна блокада с Ondansetron

Ondansetron, селективен 5HT3 рецепторен блокер, беше използван, за да се определи дали серотонинергичната система медиира ефектите от диети с ниско съдържание на протеини върху енергийния прием и разход. Ondansetron увеличава енергийния прием с 25–58% за първите 4 часа тъмен период в 10P, с 82% на 1 час (h) в 5P и с 68% на 3 h в 0P, но не и при 15P плъхове (фиг. 2a– д). В сравнение с превозното средство, ондансетронът намалява енергийните разходи с 11–23% от 6 на 14 часа за 10P, но не и за 0P, 5P и 15P (фиг. 2e – h).

β-AR блокада с пропранолол

За да определим дали симпатиковата система медиира ефектите от диети с ниско съдържание на протеини върху енергийните разходи, ние администрирахме пропранолол, β1 и β2-AR блокер. Пропранололът намалява енергийните разходи при плъховете 0P, 5P и 10P през тъмния период, съответно с 18%, 14% и 8% (фиг. 3a – d). Освен това анализите на площта под кривата (AUC) разкриват, че пропранололът намалява енергийните разходи в по-голяма степен при 0P (10%) и 5P (8%) от 15P.

Състав на тялото

Плазмени аминокиселини, глюкоза и хормони

0P, 5P и 10P имат по-ниски постпрандиални плазмени концентрации на основните аминокиселини - треонин, триптофан, валин, фенилаланин, левцин, изолевцин и лизин в сравнение с 15P плъхове (вж. Допълнителна таблица S3). Концентрацията на хистидин намалява в 5P и 10P, но не и в 0P, аргининът се увеличава в 0P и метионинът се намалява в 0P и 5P. За несъществени аминокиселини 0P, 5P и 10P имат по-високи концентрации на серин и аланин, 0P и 5P имат по-голяма глицин, но по-нисък тирозин и 0P имат по-ниска орнитин, спрямо 15P. Плазмените концентрации на PYY, лептин, инсулин, С-пептид и кръвна глюкоза бяха намалени и амилинът и глюкозозависимият инсулинотропен пептид (GIP) имаха тенденция (P Фигура 4: Ефект на диети с ниско съдържание на протеини върху концентрациите на плазмените хормони.

Изобилието на иРНК и протеини на ключови молекули на енергийния метаболизъм в черния дроб

Изобилието от иРНК на молекули, участващи в усвояването на аминокиселини - 7-членно семейство на разтворено вещество 5 (SLC7A5), семейство на разтворено вещество-носител 3 (SLC3A2), сензориране на аминокиселини - общ контрол недепресируем 2 (GCN2) и активиране на транскрипционен фактор 4 ATF4), метаболизма на аминокиселините - разклонена верига кетокиселина дехидрогеназа Е1, алфа полипептид (BCKDHA), поемане на мастни киселини - клъстер на диференциация 36 (CD36) и синтез на мастни киселини - синтаза на мастни киселини (FAS) бяха всички по-големи в 0P и FAS има тенденция (P 51)): съотношението eIF2α в 0P и 5P са по-големи и изобилието на β-окислителния ензим 3-хидроксиацил-КоА дехидрогеназа (HADH) е по-ниско в 0P и 5P (Фиг. 5д, g, l). Освен това, 0P и 5P имат по-голямо изобилие на иРНК от FGF21 от 15P (фиг. 5i).

Изобилието на иРНК на ключови молекули на енергийния метаболизъм в НДНТ

В сравнение с 15P плъхове, 0P, 5P и 10P имат по-голямо количество мРНК на термогенни гени, кодиращи β3-AR, β2-AR, активиран от пероксизома пролифератор гама коактиватор 1 α (PGC1-α), UCP1, FGF21 и неговите съ- рецептор β-Klotho (фиг. 6a – f). Освен това изобилието на транскрипт на ключов ензим в синтеза на серотонин - триптофан хидроксилаза 1 (TPH1) се увеличава в 0P, 5P и 10P, а транспортерът за обратното поемане на серотонин (SERT) също се увеличава в 5P и 10P, спрямо 15P (Фиг. . 6g, h).

Изобилието на иРНК от ключови молекули на енергийния метаболизъм в мускулите

В скелетните мускули изобилието на mRNA от термогенни гени като PGC1-α е по-голямо при 0P, а FGF21 и иризин са по-големи при 0P и 10P в сравнение с 15P плъхове (Фиг. 7а-д). Освен това ключовите регулаторни транскрипти в метаболизма на аминокиселини, които са били регулирани, включват разтворено семейство носител 38 член 2 (SLC38A2) в 0P, SLC7A5 в 0P и 5P и разклонена верига кетокиселина дехидрогеназа E1, бета полипептид (BCKDHB) в 0P и 10P (Фиг. . 7f – h).

Дискусия

95%) от серотонин 25, засилен ендогенен серотонин, предимно от чревен произход, действащ чрез 5НТ3 рецептори, медиира ефектите от диети с ниско съдържание на протеини, но сравнително високо съдържание на въглехидрати върху енергийния прием.

В допълнение към засиленото симпатиково шофиране, ние предоставяме доказателства, че повишената серотонергична сигнализация, действаща чрез 5НТ3 рецептори, също е важна за увеличените разходи. Преди това беше показано, че metergoline, неселективен 5HT рецепторен антагонист и допаминов агонист, намалява VO2 в покой при животни, хранени с 8% протеинова диета 48. В нашето проучване селективният 5HT3 рецепторен антагонист ондансетрон намалява енергийните разходи, особено в групата 10P. Като се има предвид, че около 15% от циркулиращия ондансетрон получава достъп до мозъка 49, ефектите на антагониста върху разходите в настоящото проучване вероятно се медиират както от периферни, така и от централни механизми. Въпреки че серотонинът, получен от мозъка, може да играе роля в термогенезата 28, увеличеното изобилие на TPH1 и SERT в НДНТ на 10P и 5P плъхове предполага наместване на местното серотониново движение, което от своя страна може да действа чрез паракринен или автокринен начин за подобряване на термогенезата. Заедно тези открития предполагат, че повишената адаптивна термогенеза на диети с ниско съдържание на протеини вероятно е медиирана чрез сближаването на паралелни или взаимозависими симпатикови, серотонинергични и FGF21 сигнални пътища.

Безпротеиновите диети намаляват енергийния прием и увеличават енергийните разходи, което води до загуба на телесно тегло, мазнини и чиста маса, докато много нископротеиновите диети насърчават хиперфагия и термогенеза с произтичащо намаляване на теглото и чистата маса, а умерено ниско протеиновите диети са хиперфагични, без да променят разход на енергия и телесни мазнини и чиста маса. Подобрената секреция и сигнализация на симпатиковия, серотонинергичен и фибробластен растежен фактор-21 (FGF21) вероятно допринася за термогенните ефекти на диети без протеини и много ниско съдържание на протеини. Малко вероятно е анорексигенните чревни пептиди да играят роля в модулирането на приема, но засиленото серотонинергично сигнализиране, вероятно от чревен произход, медиира ефектите от диетите с ниско съдържание на протеини върху приема на храна. Освен това, недостигът на хранителни протеини насърчава чернодробната липидоза. Стрелките, насочени нагоре, надолу или хоризонтално, показват съответно увеличение, намаляване или липса на промяна. Пътищата, които се нуждаят от допълнителна проверка, са обозначени с пунктирани линии. Оцветените кръгове представляват относителни пропорции на протеини (синьо), въглехидрати (зелено) и мазнини (червено), съответно.