Kronik Yüksek Yağlı Diyetin Arkuat Tirozin Hidroksilaz (TH) Nöronlarında Ghrelinle Uyarılan Kalsiyum Yanıtları Üzerindeki İn Vivo Etkileri

Öz

Diyet kaynaklı obezitenin, arkuat çekirdek (ARC) hormonal sinyalleşmesini bozarak ghrelin ve leptin direncinin gelişimine yol açtığı yapılan çalışmalar ile ortaya konmuştur. Direnç gelişiminde başta AgRP/NPY nöronları olmak üzere kanonik ARC popülasyonlarının rolleri iyi karakterize edilmiş olsa da diğer oreksijenik ARC popülasyonlarında büyük ölçüde araştırılmamıştır. Tirozin hidroksilaz (TH) eksprese eden ARC nöronları, beslenme kontrolündeki yerleşik rolleriyle böyle bir popülasyonu temsil etmekle birlikte, kronik yüksek yağlı diyet (HFD) maruziyetinin bu nöronların ghrelin ve leptine in vivo yanıt verme kapasitesini olası etkisi henüz bilinmemektedir. Bu çalışma, serbest hareket eden TH-Cre farelerde fiber fotometri kullanılarak HFD'nin ARC TH nöronlarının Ca²⁺ dinamiklerini beslenmeyle ilişkili evreler boyunca ve akut hormonal uyarılar sırasında nasıl şekillendirdiği araştırmak üzere gerçekleştirilmiştir. Toplamda 11 erkek TH-Cre fareler üç ay boyunca standart diyet (SD, n=5) veya HFD (n=6) ile beslenmiştir. ARC’ye Cre-bağımlı AAV.Syn.Flex.GCaMP6s virüsü enjekte edilmiş ve optik fiber implantasyonu gerçekleştirilmiştir. En az iki haftalık ekspresyon süresinin ardından in vivo fiber fotometri kayıtları alınmıştır. Floresan sinyaller ΔF/F olarak hesaplanmış ve dakika başına eğri altındaki alan (AUC/dk) şeklinde özetlenmiştir. Bazal aktivite, tokluk ve açlık koşullarında başlangıç (P1), besine maruziyet (P2) ve sindirim (P3) evrelerinde değerlendirilmiştir. Hormonal uyarılar için tok farelere intraperitoneal ghrelin (1 mg/kg), aç farelere ise leptin (5 mg/kg) uygulanmış ve analizler P1–P4 evrelerinde yapılmıştır. Bazal ARC TH aktivitesi her iki metabolik durumda da P1–P3 boyunca chow ve HFD grupları arasında benzer bulunmuştur. Ghrelin, chow grubunda P2 sırasında ARC TH aktivitesini anlamlı biçimde artırırken, bu yanıt HFD farelerde baskılanmıştır (p =0.043). Leptin ise her iki grupta benzer ve sınırlı etkiler göstermiştir. Sonuç olarak, kronik HFD maruziyeti, ARC TH nöronlarının bazal aktivitesini ve leptin yanıtını büyük ölçüde korurken, ghrelin ile indüklenen aktivasyonu seçici olarak zayıflatmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Arkuat çekirdek
• tirozin hidroksilaz
• yüksek yağlı diyet
• ghrelin
• leptin
• obezite

Destekleyen Kurum

Yeditepe Üniversitesi

Etik Beyan

Bu çalışma, Yeditepe Üniversitesi Hayvan Deneyleri Yerel Etik Kurulu (YÜDETAM) tarafından değerlendirilmiş ve etik açıdan uygun bulunmuştur. Çalışma protokolü 27.01.2023 tarihli toplantıda, Protokol No: 2023-02, Karar No: 2023/01-02 ile oy birliğiyle onaylanmıştır

In Vivo Responses of Arcuate Tyrosine Hydroxylase (TH) Neurons to Hormonal Challenges Under Chronic High-Fat Diet

Öz

Diet-induced obesity disrupts arcuate nucleus (ARC) hormonal signalling, including the development of ghrelin and leptin resistance, phenomena well-characterised in canonical AgRP/NPY neurons but largely unexplored in other orexigenic ARC populations. Tyrosine hydroxylase (TH)-expressing ARC neurons represent one such population with established roles in feeding control, yet whether chronic high-fat diet (HFD) exposure impairs their responsiveness to ghrelin and leptin in vivo remains unknown. Here, we investigated how HFD shapes ARC TH neuron Ca²⁺ dynamics across feeding-related states and during acute hormonal challenges using fibre photometry in freely moving TH-Cre mice. A total of 11 male TH-Cre mice were maintained on standard diet (SD, n=5) or HFD (n=6) for three months. A Cre-dependent AAV.Syn.Flex.GCaMP6s virus was injected into the ARC, followed by optical fibre implantation. After at least two weeks of expression, in vivo fiber photometry recordings were performed. Fluorescence signals were calculated as ΔF/F and summarized as area under the curve per minute (AUC/min). Basal activity was assessed during baseline (P1), food exposure (P2), and digestion (P3) under fed and fasted conditions. For hormonal challenges, fed mice received intraperitoneal ghrelin (1 mg/kg) and fasted mice received leptin (5 mg/kg), with analyses conducted across P1–P4 epochs. Basal ARC TH activity was comparable between chow and HFD groups across P1–P3 in both metabolic states. Ghrelin significantly increased ARC TH activity during P2 in chow controls, whereas this response was attenuated in HFD mice (p = 0.043). Leptin produced modest and similar effects in both groups. Chronic HFD selectively blunts ghrelin-evoked activation of ARC TH neurons while largely preserving basal activity and leptin responsiveness.

Anahtar Kelimeler

• arcuate nucleus
• tyrosine hydroxylase
• high-fat diet
• ghrelin
• leptin
• obesity

Destekleyen Kurum

Yeditepe University

Etik Beyan

All animal experiments were reviewed and approved by the Local Animal Experiments Ethics Committee of Yeditepe University (YÜDETAM). The study protocol was approved on January 27, 2023, under Protocol No: 2023-02 and Decision No: 2023/01-02.

Kaynakça

1. 1. Schwartz MW, Woods SC, Porte D, Seeley RJ, Baskin DG. Central nervous system control of food intake. Nature. 2000;404(6778):661-671. doi:10.1038/35007534
2. 2. Cowley MA, Smart JL, Rubinstein M, et al. Leptin activates anorexigenic POMC neurons through a neural network in the arcuate nucleus. Nature. 2001;411(6836):480-484. doi:10.1038/35078085
3. 3. Morton GJ, Cummings DE, Baskin DG, Barsh GS, Schwartz MW. Central nervous system control of food intake and body weight. Nature. 2006;443(7109):289-295. doi:10.1038/nature05026
4. 4. Chen Y, Lin YC, Kuo TW, Knight ZA. Sensory Detection of Food Rapidly Modulates Arcuate Feeding Circuits. Cell. 2015;160(5):829-841. doi:10.1016/j.cell.2015.01.033
5. 5. Jais A, Brüning JC. Arcuate Nucleus-Dependent Regulation of Metabolism-Pathways to Obesity and Diabetes Mellitus. Endocr Rev. 2022;43(2):314-328. doi:10.1210/endrev/bnab025
6. 6. De Souza CT, Araujo EP, Bordin S, et al. Consumption of a fat-rich diet activates a proinflammatory response and induces insulin resistance in the hypothalamus. Endocrinology. 2005;146(10):4192-4199. doi:10.1210/en.2004-1520
7. 7. Thaler JP, Yi CX, Schur EA, et al. Obesity is associated with hypothalamic injury in rodents and humans. J Clin Invest. 2012;122(1):153-162. doi:10.1172/JCI59660
8. 8. Cone RD. Anatomy and regulation of the central melanocortin system. Nat Neurosci. 2005;8(5):571-578. doi:10.1038/nn1455

9. 9. Betley JN, Xu S, Cao ZFH, et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 2015;521(7551):180-185. doi:10.1038/nature14416
10. 10. Zhang X, Van den Pol AN. Dopamine/Tyrosine Hydroxylase Neurons of the Hypothalamic Arcuate Nucleus Release GABA, Communicate with Dopaminergic and Other Arcuate Neurons, and Respond to Dynorphin, Met-Enkephalin, and Oxytocin. J Neurosci. 2015;35(45):14966-14982. doi:10.1523/JNEUROSCI.0293-15.2015
11. 11.Briggs DI, Enriori PJ, Lemus MB, Cowley MA, Andrews ZB.Diet-induced obesity causes ghrelin resistance in arcuate NPY/AgRP neurons. Endocrinology. 2010;151(10):4745-4755. doi:10.1210/en.2010-0556
12. 12.Briggs DI, Lockie SH, Benzler J, et al. Evidence that diet-induced hyperleptinemia, but not hypothalamic gliosis, causes ghrelin resistance in NPY/AgRP neurons of male mice.Endocrinology. 2014;155(7):2411-2422. doi:10.1210/en.2013-1861
13. 13.Aklan I, Sayar Atasoy N, Yavuz Y, et al. NTS Catecholamine Neurons Mediate Hypoglycemic Hunger via MedialHypothalamic Feeding Pathways. Cell Metab. 2020;31(2):313-326.e5. doi:10.1016/j.cmet.2019.11.016
14. 14.Davis GL, Minerva AR, Lario A, Simmler LD, Rodriguez CI,Gunaydin LA. Ketamine increases activity of a fronto-striatal projection that regulates compulsive behavior in SAPAP3knockout mice. Nat Commun. 2021;12(1):6040. doi:10.1038/s41467-021-26247-2
15. 15.Kabra DG, Pfuhlmann K, García-Cáceres C, et al.Hypothalamic leptin action is mediated by histone deacetylase5.Nature Communications 2016 7:1. 2016;7(1):10782-. doi:10.1038/ncomms10782
16. 16.Heinrich G, Russo L, Castaneda TR, et al. Leptin Resistance Contributes to Obesity in Mice with Null Mutation ofCarcinoembryonic Antigen-related Cell Adhesion Molecule 1.J Biol Chem. 2016;291(21):11124. doi:10.1074/jbc.M116.716431
17. 17.Reed F, Reichenbach A, Dempsey H, et al. Acute inhibition ofhunger-sensing AgRP neurons promotes context-specific learning in mice. Mol Metab. 2023;77. doi:10.1016/j.molmet.2023.101803
18. 18.Wang L, Saint-Pierre DH, Taché Y. Peripheral ghrelin selectively increases Fos expression in neuropeptide Y -synthesizing neurons in mouse hypothalamic arcuate nucleus. Neurosci Lett. 2002;325(1):47-51. doi:10.1016/S0304-3940(02)00241-0
19. 19.Friedman JM, Halaas JL. Leptin and the regulation of body weight in mammals. Nature. 1998;395(6704):763-770. doi:10.1038/27376
20. 20.Myers MG, Leibel RL, Seeley RJ, Schwartz MW. Obesity and leptin resistance: Distinguishing cause from effect. Trends inEndocrinology and Metabolism. 2010;21(11):643-651. doi:10.1016/j.tem.2010.08.002
21. 21.Naznin F, Toshinai K, Waise TMZ, NamKoong C, Md MoinAS, Sakoda H, Nakazato M. Diet-induced obesity causes peripheral and central ghrelin resistance by promotinginflammation. J Endocrinol. 2015;226(1):81–92. doi:10.1530/JOE-15-0139
22. 22.Asarian L, Geary N. Sex differences in the physiology ofeating. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.2013;305(11):R1215–R1267. doi:10.1152/ajpregu.00446.2012
23. 23.Pettersson US, Waldén TB, Carlsson PO, Jansson L, PhillipsonM.Female Mice are Protected against High-Fat Diet InducedMetabolic Syndrome and Increase the Regulatory T Cell Population in Adipose Tissue. PLoS ONE. 2012;7(9):e46057. doi:10.1371/journal.pone.0046057
24. 24.Dorfman MD, Krull JE, Douglass JD, et al. Sex differences inmicroglial CX3CR1 signalling determine obesity susceptibility in mice. Nat Commun. 2017;8:14556. doi:10.1038/ncomms14556