Резюме

Затлъстяването е сложно заболяване и множество гени допринасят за характеристиката. Описанието на пет гена (ob, db, tub, A y и мазнини), отговорни за отделни синдроми на спонтанно моногенно затлъстяване при мишки, разшири познанията ни за генетиката на затлъстяването. Въпреки това, много други гени, участващи в експресията на това заболяване, предстои да бъдат определени. Тук докладваме идентифицирането на допълнителен клас гени, участващи в регулирането на масата на мастната тъкан. Тези гени кодират рецептори, медииращи левкоцитната адхезия. Мишките с дефицит на междуклетъчна адхезионна молекула-1 спонтанно затлъстяват в напреднала възраст при нормална миша чау или в млада възраст, когато им е осигурена диета, богата на мазнини. Мишки с дефицит в контрарецептора за междуклетъчна адхезионна молекула-1, левкоцитният интегрин αMβ2 (Mac-1), показват подобен фенотип на затлъстяването. Тъй като всички мишки консумират приблизително същото количество храна като контролите, функцията на левкоцитите изглежда е в регулирането на липидния метаболизъм и/или разхода на енергия. Нашите резултати показват, че (i) левкоцитите играят роля за предотвратяване на отлагането на излишни телесни мазнини и (ii) дефектите в рецепторите за адхезия на левкоцитите могат да доведат до затлъстяване.

клас

Междуклетъчната адхезионна молекула-1 (ICAM-1) е добре характеризиран рецептор с пет извънклетъчни домена, подобни на имуноглобулин (Ig), трансмембранен домен и къса цитоплазмена опашка (1). ICAM-1 се експресира върху левкоцити, ендотел, епител, хепатоцити, миоцити и фибробласти и може да бъде регулиран от цитокини във всички тези типове клетки (2–5). Основните клетъчни контрарецептори за ICAM-1 са β2 левкоцитните интегрини, например, LFA-1 (αLβ2, CD11a/CD18) и Mac-1 (αMβ2, CD11b/CD18). LFA-1 се експресира върху всички видове левкоцити и се свързва с извънклетъчния домен 1 на ICAM-1 (1). За разлика от това, експресията на Mac-1 е ограничена до моноцити/макрофаги, гранулоцити, естествени клетки убийци и субпопулация на Т клетки и се свързва с домейн 3 на ICAM-1 (1). Установено е, че чрез свързване и взаимодействие с LFA-1 и/или Mac-1, ICAM-1 функционира като основна клетъчно-клетъчна адхезионна молекула във възпалителна и имунна система (2, 6, 7).

Както се очаква, мишките с дефицит на ICAM-1 (ICAM-1 -/-) имат както възпалителни, така и имунни дефекти (8, 9). Те включват намалена емиграция на неутрофили при химически индуциран перитонит, намалена контактна свръхчувствителност, намалена способност на клетките на далака да действат като стимулатори при смесени лимфоцитни реакции и устойчивост на септичен шок. По подобен начин Mac-1-дефицитните (Mac-1 -/-) мишки проявяват дефекти в няколко неутрофилни функции, включително адхезия към ендотела, фагоцитоза и неутрофилна апоптоза (10). Въпреки това, докато експериментирахме с ICAM-1 -/- мишки и впоследствие с Mac-1 -/- мишки, наскоро забелязахме неочакван нов фенотип на тези мишки, т.е. затлъстяване. Нашите данни идентифицират нова функция на рецепторите за адхезия на левкоцити, а именно регулиране на телесното тегло и масата на мастната тъкан.

МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ

Животни.

Мишките с дефицит на ICAM-1 (ICAM-1 -/-), използвани в нашето проучване, са получени чрез целенасочено разрушаване на екзон 4 на гена ICAM-1 (9). Тези мишки първоначално бяха на смесен фон (9) и бяха кръстосани четири пъти до C57BL/6J. Дефицитните на Mac-1 (Mac-1 -/-) мишки, генерирани чрез целенасочено делеция на екзона, кодиращ сигналния пептид, бяха на смесен фон C57BL/6J × 129sv (10). Мишките се поддържат на 12-часови тъмни/12-часови светлинни цикли. Водата и храната се предлагаха ad libitum. Грижите за експерименталните мишки бяха в съответствие с насоките на Центъра за изследване на кръвта, Харвардското медицинско училище.

Храна за мишки.

Чоу чау (Prolab 3000; PMI Feeds, Сейнт Луис) съдържа 5,0% (тегло/тегло) мазнини, 55% (тегло/тегло) въглехидрати и 22% (тегло/тегло) протеин. Диетата от западен тип (Harlan Teklad Adjusted Calories Western-Type Diet No. 88137, Madison, WI) съдържа 21% (тегло/тегло) мазнини (42% от калориите), 49,2% (тегло/тегло) въглехидрати и 19,8% (тегло/тегло) протеин.

Измерване на телесно тегло и храна.

Мишките бяха настанени по две до четири на клетка. Телесното тегло се измерва от един и същ индивид на всеки 2 седмици с помощта на скала (Mettler – Toledo). За да се измери консумацията на храна, се претегля достатъчно количество храна за 2 седмици и се предоставя на мишките ad libitum. След 1 или 2 седмици останалата храна се претегля и разликата се разделя на броя на мишките в клетка. Резултатът се изразява в грамове на мишка за 1 или 2 седмици за консумация на храна. За сравнение са използвани средни стойности на клетка.

Количествени измервания на фенотип.

Мишките са гладували цяла нощ преди транспортиране до лабораторията и събиране на кръв през ретроорбитален венозен плексус. Концентрациите на глюкоза в общата плазма се определят с помощта на ензимен анализ в съответствие с инструкциите на производителя (Sigma). Инсулинът се измерва чрез система за радиоимуноанализ (Linco Research Immunoassay, St. Charles, MO). Индексът на телесна маса се изчислява като телесно тегло (g), разделено на квадрата на анално-носната дължина (cm). Подкожните, ингвинални, две интраабдоминални (ретроперитонеални и оментални) подложки от бяла мазнина и кафява мастна подложка, разположени между двете лопатки, бяха разсечени и претеглени. Вътрешните органи, включително сърцето, черния дроб, далака и бъбреците, също бяха отстранени и претеглени.

Статистически анализ.

Данните са представени като средна стойност ± SE от средната стойност. Статистическата значимост е оценена чрез t тест на Student.

РЕЗУЛТАТИ

ICAM-1 -/- Мишките спонтанно затлъстяват без очевидно увеличение на приема на храна.

Крива на растеж на мишки от див тип и ICAM-1 -/- на нормална диета. Всяка група съдържа 13–14 мъжки мишки. Данните бяха комбинирани от два независими експеримента, показващи подобни резултати. ∗, P Вижте тази таблица:

  • Преглед на линия
  • Преглед на изскачащия прозорец

Характеристики на ICAM-1 -/- мишки на чау диета

ICAM-1 -/- Мишките демонстрират повишена чувствителност към затлъстяване, индуцирано от диета с високо съдържание на мазнини.

Регулирането на телесното тегло и състав включва принос както от гени, така и от околната среда (11). Това се демонстрира например от променливата чувствителност към затлъстяване на самородни щамове мишки, когато им се предлага диета с високо съдържание на мазнини (11). Тъй като гените, участващи в чувствителността към диетично затлъстяване при мишки, не са идентифицирани (12), ние се интересувахме от изследването дали ICAM-1 -/- мишките са по-чувствителни към индуцирано от диетата затлъстяване от контролните мишки. За да получат тази информация, 7-седмичната ICAM-1 -/- и дивия тип контроли са хранени с диета от западен тип, съдържаща 21% мазнини. Както мъжките, така и женските мутантни мишки бързо натрупаха повече телесно тегло от контролните (фиг. 2 А и В). Тези резултати предполагат, че генът ICAM-1 може да допринесе за намалена чувствителност на мишките към индуцирано от диетата затлъстяване. Въпреки натрупването на значително повече телесно тегло, както мъжките, така и женските мишки ICAM-1 -/- консумират същото количество храна от западен тип като контролите за продължителността на експеримента (фиг. 2 Д и Е).

Снимка на ICAM-1 -/- (вдясно) и женски мишки от див тип (вляво) след хранене от диета от западен тип в продължение на 20 седмици, започвайки от 7-седмична възраст.

Характеристики на ICAM-1 -/- мишки на диета от западен тип

Крива на растеж на мишки Mac-1 -/- на диета от западен тип. Осем до 9 мъжки мишки от всяка група са били хранени с диета от западен тип, започвайки от 9-седмична възраст; от 2 до 18 седмици, P Вижте тази таблица:

  • Преглед на линия
  • Преглед на изскачащия прозорец

Характеристики на Mac-1 -/- мишки на диета от западен тип

ДИСКУСИЯ

В момента има пет известни мутации на мишки, които причиняват затлъстяване: ob, db, A y, мазнини и вана (14). Въпреки че полученото затлъстяване варира по тежест и време на поява, мутациите причиняват често срещан фенотип - т.е. значително увеличение на консумацията на храна (15–18). Например, мишките ob, които демонстрират затлъстяване с ранно начало, ядат 62% повече храна от нормалните мишки (15), а мишките agouti жълто с настъпване на зрялост затлъстяват консумират 36% повече храна от контролите (16). В това проучване показахме, че мишките с дефицит на ICAM-1 развиват затлъстяване с начална зрялост без очевидно увеличение на приема на храна от тези животни. Като се има предвид тази разлика между ICAM-1 -/- и петте известни мутации със затлъстяване, очакваме, че ICAM-1 -/- мишките ще се превърнат в животински модел за изучаване на нов молекулярен механизъм, регулиращ затлъстяването, без значителна промяна на апетита.

ICAM-1 -/- мишките обикновено се използват за изследване на ролята на този рецептор в различни възпалителни модели (19, 20). Фенотипът на затлъстяването на тези мишки може да не е бил забелязан преди това по две възможни причини. Първо, спонтанното наддаване на тегло започва едва на около 4-месечна възраст и по-младите животни са предпочитани за изследване на възпалението (19, 20). Второ, повечето изследователи са работили с мишки, мутирали в екзон 5 (8), докато ние анализирахме мишки с целенасочено разрушаване на екзон 4 (9). Exon 4 кодира Ig домейн 3 на ICAM-1, който е критичен за свързването с Mac-1 (1). Доказано е, че мутантните мишки на екзон 5 все още експресират някои изоформи на ICAM-1 поради сплайсинг на РНК с преобладаващ, функционален екзон 4–6 снадени видове (21). Производството на тази екзон 4–6 сплайсирана изоформа не би било възможно при мутантни мишки на екзон 4. Като се има предвид тази разлика, възможно е затлъстелият фенотип, наблюдаван при мишки, насочени към екзон 4, да липсва при мишки, мутирали в екзон 5.

Нашето проучване идентифицира неизвестна досега роля на левкоцитните рецептори за адхезия ICAM-1 и Mac-1 за поддържане на нормално телесно тегло и затлъстяване. Тази функция може да не бъде ограничена до тези две молекули и може да включва допълнителни рецептори, медииращи левкоцитната адхезия. Ще бъде важно да се изследва дали, както при мишките, ниската експресия на тези рецептори за адхезия на левкоцити е свързана със затлъстяването при хората.

Благодарности

Благодарни сме на членовете на лабораторията на д-р Брус М. Шпигелман, че ни научиха как да изолираме депата за мазнини, на Сюзън Чапман за отлична техническа помощ и на Лесли Кован за помощта при подготовката на ръкописа. Работата беше подкрепена от Националния здравен институт Grant R01HL41002 на D.D.W.

Бележки под линия

↵ § До кого трябва да бъдат отправени искания за повторно отпечатване: Център за изследване на кръвта, Харвардско медицинско училище, 800 Huntington Avenue, Бостън, Масачузетс 02115. e-mail: wagnercbr.med.harvard.edu .

Ричард О. Хайнс, Масачузетски технологичен институт, Кеймбридж, Масачузетс