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生物化学杂志。2007年9月15日;406(第3部分):457–467。
2007年8月29日在线发布。2007年6月6日在线预发布。 数字对象标识:10.1042/BJ20070392
预防性维修识别码:项目编号:C2049036
PMID:17550347

西方饮食,而不是高脂肪饮食,会导致Wistar大鼠心脏脂肪酸代谢紊乱和收缩功能障碍

摘要

肥胖和糖尿病与脂肪酸的可用性增加有关,而脂肪酸的氧化能力则超过了肌肉脂肪酸的抗氧化能力。这种不匹配与心脏收缩功能障碍的发病机制以及骨骼肌胰岛素抵抗的发展有关。我们测试了“西方”和高脂肪饮食会导致心脏和骨骼肌脂肪酸氧化适应不良,从而导致心脏收缩功能障碍的假设。Wistar大鼠在急性期(1天到1周)、短期期(4-8周)、中期期(16-24周)或长期期(32-48周)分别喂食低脂、“西方”或高脂肪(脂肪热量分别为10%、45%或60%)饮食。心肌油酸氧化体外在调查的所有时间点,随着高脂肪饮食的增加而增加。相反,在急性期、短期和中期,心脏油酸氧化随着西方饮食的增加而增加,但在长期内没有增加。与脂肪酸氧化适应不良相一致的是,只有长期西式饮食才能降低心率。相反,比目鱼肌油酸盐氧化(体外)仅在急性和短期内增加,无论是西方还是高脂肪喂养。与西方饮食相比,高脂肪饮食在心脏和比目鱼肌中增加了脂肪酸反应基因,包括PDHK4(丙酮酸脱氢酶激酶4)和CTE1(胞浆硫酯酶1)。总之,我们认为在西方饮食导致心脏功能障碍的过程中,脂肪酸反应基因盒的诱导不足,脂肪酸氧化激活受损。

关键词:心脏功能、心脏代谢、饮食诱导肥胖、徒劳循环、基因表达、三酰甘油
缩写:CPT,肉碱棕榈酰转移酶;CTE1,胞浆硫酯酶1;GLUT4,葡萄糖转运蛋白4;线粒体硫酯酶1;M(M)V(V)˙O(运行)2心肌耗氧量;NEFA,非酯化脂肪酸;丙酮酸脱氢酶激酶;过氧化物酶体增殖物激活受体α;活性氧;UCP3,解偶联蛋白3

简介

对生理环境变化的代谢适应是正常肌肉功能的必要条件。肥胖和糖尿病患者的心脏收缩功能障碍与心脏代谢功能障碍密不可分[1]。随着肥胖的日益流行[2]人类和动物模型中肥胖导致心脏功能障碍的报道[5]因此,研究心肌细胞内代谢紊乱对膳食脂类挑战的反应是很有意义的,这可能是导致心脏功能障碍的原因。适应饮食中特定的脂质成分(如饱和和不饱和脂肪酸的组成)的脂质代谢对维持正常的心脏功能很重要[67]。然而,饮食中多余热量来源的重要性还有待进一步研究。

心脏和骨骼肌适应高脂肪环境的主要机制是PPARα(过氧化物酶体增殖物激活受体α)转录因子的配体激活[8]。PPARα激活导致脂肪酸利用途径中多种酶的转录激活。当脂肪酸和三酰甘油供过于求时,PPARα激活增加脂肪酸氧化,保护心脏免受基质诱导的收缩功能障碍。相反,也有证据表明,在面对特定的脂肪酸挑战时,如摄入富含饱和长链脂肪酸的饮食,心脏中PPARα激活的不同终末过程的不当激活(例如脂肪酸储存)可能是有害的[9]。先前发表的研究强烈建议在高脂肪环境中严格调控多个PPARα调节过程的必要性,例如线粒体解偶联[1013]。长期暴露于高脂肪环境下心脏中PPARα介导的过程的差异激活尚不完全清楚。目前尚不清楚哪些脂肪酸利用过程(例如心肌内储存与脂肪酸介导的氧化磷酸化解偶联相比)具有保护作用,哪些对心脏功能有害。

了解肥胖或糖尿病患者心脏和骨骼肌中葡萄糖利用的调节与了解脂肪利用有关。在正常心脏中,高脂肪环境促进脂肪酸氧化,进而抑制葡萄糖氧化[14]。面对急性或长期的压力,这种情况可能是有害的。大量证据表明,当心脏受到压力时,葡萄糖的利用对维持收缩功能至关重要[1516]。同时,需要考虑饮食碳水化合物在组织中发生糖毒性的重要性,特别是当它与高脂肪供应状态有关时,如糖尿病和肥胖。

骨骼肌也适应和不适应高热量环境。骨骼肌的主要作用是处理葡萄糖。先前在饮食诱导的肥胖大鼠模型中的研究表明,长期(长达30周)高脂喂养会使骨骼肌产生胰岛素抵抗,而胰岛素信号在短期(8周)内保持不变[17]。最近对C57BL/6小鼠的研究表明,高脂肪喂养导致心肌在骨骼肌胰岛素抵抗之前产生胰岛素抵抗,而这两种不适应事件都早于心脏功能障碍的发生[18].

本研究的重点是Wistar大鼠的饮食诱导肥胖模型。虽然大鼠心脏脂肪毒性有多种遗传模型(例如Zucker糖尿病脂肪大鼠[5]和Zucker肥胖大鼠[19])和老鼠(例如。对象/对象[20]和数据库/数据库老鼠[21]),我们决定对喂养“西方”或高脂肪饮食(脂肪热量分别为45%或60%)长达48周的Wistar大鼠的底物氧化和PPARα激活适应性进行表征。我们推断,这种方法与当今西方世界观察到的肥胖的主要原因最为相似。我们已经解决了三个主要目标:(i)表征心脏功能和心脏代谢灵活性,以应对慢性高脂肪环境和急性应激[隔离工作心脏中的肾上腺素(肾上腺素)刺激];(ii)确定关键PPARα调节基因对“西方”或高脂肪饮食的转录调控;以及(iii)确定在48周的过程中,心脏和骨骼肌在转录水平和底物氧化水平上对西方或高脂肪饮食的代谢适应之间的关系。在这里,我们报告了西方饮食(但不包括高脂肪饮食)导致的心脏收缩功能下降,这发生在脂肪酸氧化和脂肪酸反应基因盒的亚最大诱导状态。

实验

老鼠和喂食

所有程序均由休斯顿德克萨斯大学健康科学中心动物福利委员会批准。雄性Wistar大鼠(6周龄,150克)取自Harlan(美国印第安纳州印第安纳波利斯),并在受控条件下安置在休斯顿德克萨斯大学医学院动物护理中心。简单地说,大鼠成对被关在23±1°C的环境中,12小时光照/12小时暗循环。允许大鼠在开始“低脂”【10%热量来自脂肪,研究饮食编号D12450B(研究饮食,美国新泽西州新不伦瑞克)】、“西餐”(45%热量来自脂肪、研究饮食编号为D12451)或“高脂肪”(60%热量来自脂肪)饮食喂养前适应2周随意.饮食中的卡路里组成见表1。低脂饮食在宏观营养成分上与标准实验室食物相似(例如,LabDiet®啮齿动物饮食5001含有总热量的百分比:28%蛋白质、60%碳水化合物和12%脂肪)。每只大鼠每周称重一次。

表1

本研究中所用膳食的热量组成
热量组成(%)
低脂饮食西方饮食高脂肪饮食
蛋白质202020
碳水化合物703520
脂肪104560
饱和脂肪2.51622
单不饱和脂肪3.52028
多不饱和脂肪48.610

在第一组研究中,大鼠(n个=250)被处死(进入黑暗期6±1.5小时),并对心脏进行灌注体外喂食方案规定的1天和1周(急性期)、4周和8周(短期期)、16周和24周(中期期)以及32周和48周(长期期)后。在处死时,获取血浆并采集比目鱼肌;在进一步分析之前,将这两种样品都进行snap冷冻并储存在−80°C下。还测量了胫骨长度。

在第二组研究中,大鼠(n个=200),按照上述相同的喂养方案,处死(进入黑暗期6±1.5小时),分离两块比目鱼肌以测定胰岛素介导的底物代谢体外同时,对心脏的两个心室进行分离、称重、snap冷冻并储存在−80°C下,直至进一步分析。

心功率和心肌基质氧化的测定

为了确定高脂肪喂养后的代谢适应和心脏功能,按照前面所述,使用隔离工作心脏制剂对心脏进行灌注[2223]。简单地说,用水合氯醛(300 mg/kg体重腹腔注射)麻醉大鼠。迅速取出心脏,放入冰冷的Krebs-Henseleit缓冲液中[24](118.5 mM氯化钠,4.75 mM氯化钾,1.18 mM千赫2人事军官41.18 mM硫酸镁4,2.54 mM氯化钙2和25 mM NaHCO)最初在Langendorff模式下灌注Krebs–Henseleit缓冲液,缓冲液与95:5 O平衡2/CO公司2然后,在37°C的工作模式下(15 cm注水压力和100 cm后加水)进行40分钟非循环灌注,Krebs–Henseleit缓冲液与95:5 O平衡2/CO公司2含5 mMD类-葡萄糖{加上20μCi/l[U-14C] 葡萄糖(MP-Biomedicals,Solon,OH,U.S.A.)},0.4 mM油酸钠{加上30μCi/l[9,10-H] 油酸盐(Sigma–Aldrich,St.Louis,MO,U.S.A.)}与1%BSA(分数V,无脂肪酸;Serologicals,Norcross,GA,U.S.A.;透析)和40μU(微单位)/ml胰岛素(Sigma-Aldrich)结合。20分钟后,添加1μM肾上腺素(Sigma–Aldrich),后负荷增加至140 cm水。再让灌注持续20分钟,然后解剖心室并用液氮冷却的铝钳冷冻。心功率、心肌耗氧量(MV(V)˙O(运行)2),如前所述测定心脏效率、葡萄糖氧化通量和油酸盐氧化通量[23].

比目鱼肌胰岛素介导底物利用率的测定

为了确定比目鱼肌对西方或高脂肪喂养的代谢适应性,如前所述对分离的比目鱼肌肉进行培养[25]。简单地说,用水合氯醛(300 mg/kg体重腹腔注射)麻醉大鼠,从每只大鼠身上分离出四条比目鱼肌条(18–40 mg),绑在不锈钢夹子上,并在37°C的摇动水浴中在25 ml Erlenmeyer烧瓶中与3 ml含有5 mM的Krebs–Henseleit缓冲液一起孵育D类-葡萄糖、与1%BSA结合的0.4 mM油酸钠(透析)和1μU/ml胰岛素,用95:5 O连续平衡2/CO公司245分钟后,将比目鱼肌条转移到3 ml含有5 mM的Krebs–Henseleit缓冲液中D类-葡萄糖(加上500μCi/l[U-14C] 葡萄糖),0.4 mM油酸钠(加750μCi/l[9,10-H] 油酸)结合到1%的BSA(透析)和100μU/ml(亚最大)或1000μU/ml(超最大)胰岛素,其与95:5 O平衡2/CO公司2持续30分钟,然后密封剩余的30分钟。在摇动水浴(37°C)中孵育后,取出肌肉条,将其冷冻并储存在−80°C下以进行进一步分析。如前所述,测定葡萄糖氧化、油酸盐氧化、放射性乳酸释放和放射性糖原生成的通量[25].

心脏和比目鱼肌代谢基因转录数的测定

为了确定与心脏和比目鱼肌高脂肪喂养适应相关的关键代谢基因的转录水平,如前所述进行定量RT(逆转录酶)-PCR[26]。引物和探针序列之前已经发布[12132728]。采用T7聚合酶法(Ambion,Austin,TX,U.S.A.),使用从大鼠心脏分离的总RNA,为所有检测制作标准RNA。The correlation between theC类t吨(荧光信号达到检测阈值所需的PCR周期数)和标准RNA的量在所有分析的5 log范围内呈线性(结果未显示)。表达的绝对水平表示为每纳克总RNA的转录物。

血浆代谢物水平的测定

采集心脏前,从下腔静脉抽取血液(2 ml),转移到含有EDTA的试管中,并在380℃的离心机中旋转持续20分钟。然后,将血浆转移到Eppendorf管中,并在−80°C下保存,直至进一步分析。使用商用试剂盒(NEFA C;美国弗吉尼亚州里士满Wako Chemicals)测定NEFA(非酯化脂肪酸)浓度。为所有样品制备样品空白,以校正可能的溶血。使用商业监测仪(FreeStyle;美国伊利诺伊州雅培公园雅培实验室)测定血糖浓度。

心脏三酰甘油含量的测定

为了确定不同饮食对心肌内三酰甘油的累积影响,在氯仿/甲醇中从大约50 mg心脏组织中提取心脏三酰甘油[29]并使用商用试剂盒(Sigma–Aldrich)进行量化。

心脏蛋白质羰基含量的测定

为了确定心肌蛋白质的羰基含量作为氧化损伤的标志,用2,4-二硝基苯肼衍生蛋白质并用分光光度计测量[3031]。简单地说,将0.7 ml 10 mM 2,4-二硝基苯肼溶于2 M HCl中添加到1 mg蛋白质溶于0.2 ml蛋白质提取缓冲液中[30 mM Hepes、2.5 mM EGTA、2.5 mM-EDTA、20 mM KCl、40 mM 2-甘油磷酸、40 mM-NaF、4 mM NaPP(焦磷酸钠)、0.1%诺奈特P40和10%甘油]。在室温(23°C)下,在持续摇晃的条件下,进行衍生形成20分钟。加入等体积的20%(v/v)三氯乙酸并在16060离心,沉淀蛋白质在台式离心机中放置5分钟。然后用三次1 ml乙酸乙酯/乙醇(1:1)洗涤颗粒。将颗粒重新悬浮在1 ml 6 M氯化胍中,并在280 nm和370 nm处读取吸光度。羰基含量(纳米)由A类370×45.5,根据制剂的背景吸光度进行校正[32]。蛋白质含量通过与6 M胍中已知BSA浓度的标准曲线280 nm处的吸光度进行比较来确定。

统计分析

心脏灌注数据以平均值±S表示。灌注20分钟(基线数据)或40分钟(急性肾上腺素刺激数据)时的E.M.,并使用SPSS 13.0版(美国伊利诺伊州芝加哥SPSS公司)进行分析。使用重复测量ANOVA分析两组之间的灌注数据。所有其他结果均以平均值±S表示。根据学生的t吨测试。对于所有分析,P(P)<0.05被认为具有统计学意义。

结果

吃西方和高脂肪食物的老鼠比吃低脂食物的老鼠增重更多

与低脂肪饮食的大鼠相比,喂食西方或高脂肪饮食的大鼠体重增加更多(+33%)(P(P)<0.001;图1). 两组之间的胫骨长度没有差异(结果未显示),这表明瘦体重的变化不太可能解释总体重的变化。在研究的所有时间点,各组的心室重量没有差异(结果未显示)。

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西餐和高脂肪饮食会增加体重

数值为平均值±S。每组14-22个独立实验的E.M。开放式方块(□) 代表低脂饮食大鼠,开圈(○) 代表西方饮食喂养的大鼠,开放三角形(Δ)代表高脂肪饮食喂养的老鼠。***,P(P)与整个喂养方案的低脂饮食相比,<0.001。

西方或高脂肪喂养导致血浆NEFA增加,心脏三酰甘油或蛋白质羰基化含量无净积累

在研究的所有时间点,各组喂食大鼠的血糖浓度没有显著差异(图2A) ●●●●。这表明没有证据表明长期西餐或高脂肪饮食会导致糖尿病。与两个高脂肪饮食组的体重增加相似,血浆NEFA水平与西方饮食和高脂肪饮食的升高程度相似(图2B) ●●●●。服用西餐后,急性期血浆NEFA增加99%(P(P)<0.01),这一趋势一直持续到中期,因此NEFA对心脏的供应平均增加了116%。在高脂肪饮食的情况下,急性期增加了182%(P(P)<0.001),在整个喂食方案中保持不变。

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在西方或高脂肪喂养的急性至慢性阶段,喂食的血浆NEFA浓度升高,心肌三酰甘油或蛋白质羰基化含量无净积累

喂食的血糖浓度(A类)、血浆NEFA浓度(B类),心肌三酰甘油含量(C类)和心肌羰基化蛋白含量(D类)在1天和1周(急性期,AT)、4周和8周(短期,ST)、16周和24周(中期,IT)以及32周和48周(长期,LT)的低脂、西餐或高脂饮食后。数值为平均值±S。每组12-27个独立实验的E.M。闭合正方形(■) 代表低脂肪饮食大鼠,封闭圈(●) 代表西方饮食老鼠和闭合三角形(▲) 代表高脂肪饮食大鼠。*,P(P)<0.05, **,P(P)<0.01和***,P(P)与同龄低脂肪饮食相比<0.001。

为了检查脂肪酸供应增加(即血浆NEFA)是否导致心脏三酰甘油的积累,从心脏中提取脂质。在所调查的任何时间点,心脏三酰甘油水平均无显著增加(图2C) ;然而,有一种趋势(P(P)=0.07),对于中期服用西式(+46%)或高脂肪(+42%)饮食的心肌三酰甘油增加。

为了确定由于西方或高脂肪饮食导致的心脏氧化应激,蛋白质羰基化含量被确定为氧化损伤的间接标志。在整个喂养方案中,无论是西方饮食还是高脂肪饮食都不会对蛋白质羰基含量产生影响(图2D) ●●●●。

长期服用西餐会降低心脏功能

图3代表低脂肪饮食大鼠心脏的平均心率和底物氧化。在基线上,油酸盐氧化是主要的能源。随着肾上腺素能的刺激和后负荷的增加,葡萄糖氧化迅速而强烈地增加。

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低脂饮食下Wistar大鼠离体灌流心脏的功急剧增加,葡萄糖氧化通量增加

代表性是指±S。心脏功率的E.M.(闭合正方形,■), 油酸盐氧化助焊剂(开环,○) 和葡萄糖氧化通量(闭合圈,●) 低脂肪饮食的Wistar大鼠(n个=58)在基线检查时(灌注时间0–20分钟),并对工作的急性增加作出反应(阴影区,灌注时间25–40分钟)。随后的心脏灌注数据的值表示为基线测量中灌注20分钟时的代表值,以及增加工作量测量中灌注40分钟时的典型值。

在基线检查时,低脂饮食组的心脏功能随着时间的推移逐渐成熟(这可能归因于心脏大小随年龄增长而增大;图4A) ●●●●。在高脂肪饮食中,心脏功能也有类似的成熟。然而,与西方饮食喂养大鼠相比,高脂肪喂养大鼠的心脏在短期内表现出更强的心力(P(P)<0.05) (图4A) ●●●●。此外,长期服用西餐后心脏功能下降了25%(P(P)<0.05). 在急性肾上腺素能刺激和后负荷增加的情况下,三组分离出的心脏的心率没有显著差异(结果未显示),这表明即使在长期内,西餐和高脂肪喂养也能保持收缩储备。

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长期服用西餐会降低心率

心脏功率(A类),男V(V)˙O(运行)2(B类),油酸盐氧化(C类)和葡萄糖氧化(D类)在基线检查时(实心圆圈),以及在低脂、西餐或高脂饮食的急性(at)、短期(ST)、中期(IT)和长期(LT)的工作(开放点)急剧增加的情况下。数值为平均值±S。每组12-18个独立实验的E.M。通量表示为每分钟每克干重(gdw)。闭合正方形(■) 代表低脂肪饮食大鼠,封闭圈(●) 代表西方饮食老鼠和闭合三角形(▲) 代表基线时的高脂肪大鼠。开放式方块(□) 代表低脂饮食大鼠,开圈(○) 代表西方饮食老鼠和开放三角形(△)代表工作急性增加后高脂肪饮食喂养的大鼠。*,P(P)<0.05, **,P(P)<0.01和***,P(P)与同龄低脂肪饮食相比<0.001美元,P(P)与同年龄段的西方饮食相比,<0.05。

最初,M减少了21%V(V)˙O(运行)2急性期吃西餐(P(P)<0.01) (图4B) ;M(M)V(V)˙O(运行)2此时,吃西餐的大鼠比吃高脂肪食物的大鼠低14%。然而,M有整体增加的趋势V(V)˙O(运行)2短期内高脂饮食与低脂饮食对大鼠心脏的影响(P(P)<0.05)和中间(P(P)=0.085)项。从长期来看,西餐的耗氧量减少了15%,同时此时心肌功能也下降了。M(M)V(V)˙O(运行)2所有组均增加,但工作量急剧增加(结果未显示)。当M增加时V(V)˙O(运行)2在基线检查时观察到从西方或高脂肪饮食喂养大鼠分离的心脏,这种增加在较高的工作负荷下持续。心脏效率的测量(收缩功除以MV(V)˙O(运行)2)在研究的所有时间点,喂食西方饮食的大鼠的心脏没有变化,但中期心脏效率下降(-27%,P(P)<0.01)。

心肌油酸氧化迅速适应底物供应的增加。在西方饮食的急性(+16%)、短期(+28%)和中期(+30%),油酸氧化增加,但在长期没有增加(图4C) 。与低脂饮食相比,在急性期(+38%)、短期(+44%)、中期(+62%)和长期(+15%)高脂肪饮食中油酸氧化进一步增加(图4C) 。在这两种饮食中,油酸盐氧化的增加随着工作的急剧增加而持续(结果未显示)。

与脂肪酸氧化增加相一致的是,喂食西方或高脂肪饮食的大鼠心脏中的葡萄糖氧化受到抑制(图4D) ●●●●。短期内,西餐(−41%)和高脂肪(−43%)饮食可立即降低基线葡萄糖氧化通量(P(P)<0.05;图4D) ;这种下降在整个喂养方案中都可以看到。当心脏工作急剧增加时,西方和高脂肪饮食大鼠的心脏葡萄糖氧化通量没有增加到相同的程度。研究结果表明,西方或高脂肪饮食会降低心脏的“代谢灵活性”。

西方饮食和高脂肪饮食在心脏中对脂肪酸介导的徒劳循环相关的脂肪酸反应基因的诱导不同

为了解释西方和高脂肪饮食中底物氧化的变化,测量了与脂肪和葡萄糖利用有关的关键代谢基因的转录水平。转录ppar公司α与西方饮食保持不变,但短期内下降(-20%,P(P)<0.05)和中间(-23%,P(P)<0.01)足月高脂肪饮食(图5A) 这表明PPARα调节基因转录物的增加是PPARα配体激活的结果。这一减少ppar公司当PPARα被慢性激活时,α转录可能是减少脂肪酸利用的整体激活的调节事件[1033].

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与西方饮食相比,高脂肪饮食在很大程度上增加了与脂肪酸无效循环有关的脂肪酸反应基因的心脏表达

mRNA表达ppar公司α (A类),解偶联蛋白3(B类),电流互感器1(C类),mte1型(D类),pdhk4(E类)和葡萄糖转运蛋白4(F类)在急性期(AT)、短期期(ST)、中期期(IT)和长期期(LT)喂食低脂、西方或高脂饮食的大鼠的心脏中。数值为平均值±S。每组12-16个独立实验的E.M。闭合正方形(■) 代表低脂肪饮食大鼠,封闭圈(●) 代表西方饮食老鼠和闭合三角形(▲) 代表高脂肪饮食大鼠。*,P(P)<0.05, **,P(P)<0.01和***,P(P)<0.001与同龄低脂肪相比。$,P(P)<0.05, $$,P(P)<0.01和$$$,P(P)<0.001,与同年龄段的西方人相比。

与脂肪酸介导的无效循环有关的PPARα调节基因在西方或高脂肪饮食中增加。UCP3(解偶联蛋白3)的转录水平急剧增加(+102%,P(P)<0.001),并在研究剩余时间内保持较高水平(平均+68%;图5B) ●●●●。解偶联蛋白3mRNA转录水平最初随着高脂肪饮食的增加而增加(+119%,P(P)<0.001)和长期(平均+117%)。与西方饮食相比,高脂肪饮食增加了解偶联蛋白3中期成绩单(+53%,P(P)<0.01;图5B) ●●●●。增加的功能重要性解偶联蛋白3PPARα激活的心脏中的mRNA表达尚不清楚。PPARα激活已被证明增加解偶联蛋白3转录水平和线粒体的棕榈酸输出,尽管UCP3蛋白水平没有增加[34].

我们还检测了水解脂肪酰基辅酶A的硫酯酶的表达。CTE1(胞浆硫酯酶1)mRNA水平急剧增加(+226%,P(P)<0.001),并且在喂养方案的剩余时间内保持较高水平(平均+196%;图5C) ●●●●。电流互感器1与低脂肪(平均+451%)或西方饮食(平均+88%)相比,从高脂肪饮食喂养的大鼠中分离出的心脏表达量最大(图5C) 。MTE1(线粒体硫酯酶1)mRNA表达在西方饮食中没有增加。然而,随着高脂肪饮食的急剧增加(+37%,P(P)<0.05)和长期(平均+55%)。的表达式mte1型在短期内,喂食高脂肪饮食的大鼠的心脏中含量更高(+51%,P(P)<0.01)和中间(+42%,P(P)与西方饮食喂养大鼠相比,<0.01)个月(图5D) ●●●●。增加mte1型糖尿病或非诺贝特治疗后心脏中mRNA的表达与MTE1蛋白水平和MTE1活性的增加有关[34]。与观察结果一致的是,只有一盒参与徒劳循环的基因在西方和高脂肪饮食中升高,中链酰基脱氢酶、肌肉型CPT(肉碱棕榈酰转移酶)的mRNA转录水平升高,CD36和丙二酰辅酶A脱羧酶在所调查的所有时间点与西方或高脂肪饮食没有变化(结果未显示)。

丙酮酸脱氢酶复合物对葡萄糖氧化的调节由PPARα介导的PDHK4(丙酮酸脱氢酶激酶4)的诱导调节[103536].pdhk4心脏中的表达在西方饮食的所有其他时间点都急剧增加(平均+67%)。有趣的是,进一步激活了pdhk4与西方饮食相比,高脂饮食在中期表达量最大。与低脂饮食相比pdhk4急性期高脂肪饮食(+148%,P(P)<0.001),短(+171%,P(P)<0.001),中等(+220%,P(P)<0.001)和长(+125%,P(P)<0.001)项(图5E) ●●●●。激活pdhk4油酸氧化在西方和高脂肪饮食中的表达和激活(比较图4C带图5E) ●●●●。西方和高脂肪饮食改变了葡萄糖利用的其他调节蛋白。胰岛素敏感性GLUT4(葡萄糖转运蛋白4)的转录在中期(-26%,P(P)<0.05)和高脂肪饮食(−31%,P(P)<0.05)和中间(-32%,P(P)<0.01)项(图5F) ●●●●。

比目鱼肌油酸盐氧化不适应西方和高脂肪饮食中心脏油酸盐的氧化

除心肌外,我们还测定了分离比目鱼肌中胰岛素刺激的油酸盐和葡萄糖氧化通量,以及乳酸和糖原合成。我们的目的是确定氧化骨骼肌(主要是I型纤维)对高脂肪环境的适应和不适应的时间顺序。比目鱼肌中的油酸氧化最初在急性和短期内随着西方或高脂肪饮食的摄入而增加(P(P)<0.05;图6A) ●●●●。有趣的是,油酸盐氧化通量在中期恢复到低脂肪饲料动物的测量通量。这种不适应与在心肌中观察到的相似,但速度加快(比较图6A与图4C) 。胰岛素刺激引起的放射性乳酸释放仅在中期西餐或高脂肪饮食中减少(图6B) 这表明,在中间期油酸氧化能力下降之前,有足够的葡萄糖摄取。然而,葡萄糖氧化在急性期降低(-52%,P(P)<0.01),并且在整个喂养方案中保持下降(平均−45%)。同样,急性期葡萄糖氧化减少(−70%,P(P)<0.001),并在中期保持低水平(−82%,P(P)<0.001;图6C) 。在急性期(+32%,P(P)<0.001)和短(+31%,P(P)<0.05)期限(图6D) ●●●●。在高脂肪饮食中,糖原生成仅在急性期增加(+41%,P(P)<0.01). 这表明,在西式和高脂肪喂养的早期阶段,葡萄糖进入保持不变,并且在葡萄糖氧化减少的情况下,糖原生成增加。

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比目鱼肌油酸盐氧化障碍早于心脏油酸盐在西方或高脂肪饮食中的氧化

孤立比目鱼油酸盐氧化(A类),放射性乳酸释放(B类),葡萄糖氧化通量(C类)用100μU/ml胰岛素和最大糖原生成流量刺激(D类)用1000μU/ml胰岛素刺激低脂、西餐或高脂饮食的急性(AT)、短期(ST)、中期(IT)和长期(LT)。数值为平均值±S。每组12-16个独立实验的E.M。通量表示为每分钟每克湿重(gww)。闭合正方形(■) 代表低脂肪饮食大鼠,封闭圈(●) 代表西方饮食老鼠和闭合三角形(▲) 代表高脂肪饮食大鼠。*,P(P)<0.05, **,P(P)<0.01和***,P(P)与同龄低脂肪饮食相比<0.001。

饮食诱导比目鱼肌脂肪酸反应基因的诱导与心肌PPARα的激活模式相似

接下来,我们试图确定心肌中PPARα激活的转录变化是否也发生在骨骼肌中。转录ppar公司α仅在急性期下降(-27%,P(P)<0.05),与高脂饮食保持不变(图7A) ●●●●。与脂肪酸介导的无效循环有关的脂肪酸反应基因在西方或高脂肪饮食中增加。转录解偶联蛋白3急剧增加(+433%,P(P)<0.05),并在研究剩余时间内保持较高水平(平均+228%;图7B) ●●●●。解偶联蛋白3最初高脂肪饮食增加了转录(+748%,P(P)<0.001)和长期(平均+474%)。在高脂肪饮食中解偶联蛋白3与西方饮食相比,其诱导程度最大,总之(+73%,P(P)<0.05),中等(+89%,P(P)<0.05)和长(+127%,P(P)<0.01)项(图7B) ●●●●。电流互感器1mRNA急剧增加(+57%,P(P)<0.05),短期内保持较高水平(+220%,P(P)<0.05)和中间(+221%,P(P)<0.001)项(图7C) ●●●●。电流互感器1与低脂肪(平均+434%)或西方(平均+167%)饮食相比,高脂肪饮食进一步增加(图7C) ●●●●。mte1型仅在中期,西餐增加了表达(P(P)<0.05).mte1型然而,在急性期,高脂肪饮食增加了转录水平(+107%,P(P)<0.001)和整个中期(平均+185%)。的表达式mte1型短期内,喂食高脂肪饮食的大鼠比目鱼肌中的脂肪含量更高(+62%,P(P)<0.05)和中间(+75%,P(P)<0.05)与西方饮食喂养大鼠相比(图7D) ●●●●。

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与西方饮食相比,高脂肪饮食喂养在更大程度上增加了与脂肪酸无效循环有关的脂肪酸反应基因的比目鱼mRNA表达

mRNA表达ppar公司α (A类),解偶联蛋白3(B类),电流互感器1(C类),mte1型(D类),pdhk4(E类)和葡萄糖转运蛋白4(F类)在急性期(AT)、短期期(ST)、中期(IT)和长期期(LT),喂食低脂肪、西方或高脂肪饮食的大鼠比目鱼肌中。数值为平均值±S。每组14-24个独立实验的E.M。闭合正方形(■) 代表低脂肪饮食大鼠,封闭圈(●) 代表西方饮食老鼠和闭合三角形(▲) 代表高脂肪饮食大鼠。*,P(P)<0.05, **,P(P)<0.01和***,P(P)与同龄低脂肪饮食相比<0.001美元,P(P)<0.05, $$,P(P)<0.01和$$$,P(P)与同年龄段的西方饮食相比<0.001。

pdhk4只有急性期(+188%,P(P)<0.001)和中级(+80%,P(P)<0.01)西餐足月(图7E) ●●●●。有趣的是,进一步激活了pdhk4表达,与西方饮食相比,与高脂肪饮食。与低脂饮食相比pdhk4急性期(+539%,P(P)<0.001),短(+343%,P(P)<0.001),中等(+213%,P(P)<0.001)和长(+94%,P(P)<0.001)项(图7E) ●●●●。同样,就像在心肌中一样pdhk4西方和高脂饮食对比目鱼肌油酸氧化的表达和激活(比较图6A与图7E) ●●●●。索莱乌斯葡萄糖转运蛋白4在西方或高脂肪饮食中,表达基本上没有变化(图7F) ●●●●。

讨论

我们研究的主要发现如下:(i)吃西餐的Wistar大鼠在吃西餐8-12个月后出现心脏功能障碍。在喂食高脂肪饮食的大鼠中未观察到这种功能障碍。(ii)在西方饮食中,油酸氧化被激活,参与脂肪酸介导的无效循环的特定基因的mRNA转录物增加,尽管在喂食高脂肪饮食的大鼠心脏中测量到的程度较低。这些观察结果表明,解偶联的潜在激活不足,这可能导致西餐引起收缩功能障碍(图8). (iii)在骨骼肌中,与心脏相比,脂肪酸反应基因的底物氧化和转录与西方或高脂肪饮食有相似的适应性。这些过程在骨骼肌中以加速的速度适应不良,可以解释心脏产生的脂肪毒性。

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与高脂肪饮食相比,脂肪酸反应基因减少在西餐收缩功能障碍发生中的推测作用

脂肪酸(FA)通过脂肪酸转运体、脂肪酸转运蛋白(FATP)和/或脂肪酸转定位酶(CD36)进入细胞,并通过酰基辅酶A合成酶(ACS)的亚型激活为脂肪酰基辅酸(FA-CoA)。活化的FA-CoA可以通过CTE1进行水解(间接消耗ATP),与高脂肪饮食相比,CTE1在西方饮食中减少,从而降低脂肪酸介导的无效循环能力。在FA-CoAs通过CPT和肉碱酰基转移酶(CAT)进入线粒体后,与高脂肪饮食相比,西方饮食中MTE1和UCP3“解偶联”脂肪氧化(用虚线表示)的能力降低,这可能导致用于完全β-氧化的游离CoASH池减少,并增加电子传输链(ETC)产生的ROS。因此,FA-CoAs积累并进入“脂毒性途径”。

我们已经确定,脂肪酸反应基因的激活不足是西方饮食导致收缩功能障碍的潜在机制。因为只有在西方饮食中才能观察到无效循环成分的激活减少,这意味着PPARα(和/或PPARβ/δ)或PPARα的协同激活物的激活不足,这是葡萄糖脂类毒性的结果[37]。我们发现,与西方饮食相比,高脂肪饮食中饱和脂肪酸的供应增加(表1)促进脂肪酸反应基因的高表达。除了脂肪酸供应相对减少外,与高脂肪饮食相比,西方饮食还含有相对增加的碳水化合物(占总热量的15%)。先前的报告发现,葡萄糖过量供应会抑制PPARα的表达/活性以及靶基因的表达[3338].

我们已经确定脂肪酸反应基因的次优诱导与西方饮食喂养急性期发生的速度一样快,这表明PPARα或其共同激活物/共同阻遏物在西方饮食喂养1天后发生改变。潜在机制包括PPARα自身的磷酸化[39],或其他共同激活物,或通过其他机制调节转录调节剂,如用小泛素相关修饰物修饰[40]。面对高脂肪暴露,脂肪酸氧化激活不足的长期后果可能最终导致收缩功能障碍(图8). 这些发现与之前的报告一致,即肥胖的Zucker大鼠心脏无法对脂肪酸供应增加作出反应,从而导致收缩功能障碍[19]。然而,问题仍然是PPARα激活的哪一个终末过程是适应性的(即减轻脂肪毒性)或不适应性的(如加重脂肪毒性)。

正如中性三酰甘油在心脏中的沉积一样,徒劳的循环/解偶联对心脏收缩功能是适应性的还是有害的存在争议。ROS(活性氧)的产生对许多细胞功能有害,并被认为会促进脂肪酸的解偶联[4143]。众所周知,糖尿病会增加ROS和心脏解偶联,但人们认为解偶联也可能对整体功能有害,并可能解释糖尿病患者心脏效率降低的原因[44]。我们的工作指出,解耦是一种有益的适应,可能通过减缓活性氧的生成来实现。我们发现,当脂肪酸介导的无效循环成分发生更大程度的诱导时,高脂肪饮食可以保持收缩功能。此外,有很多关于UCP3在心脏和骨骼肌组织中的作用和重要性的推测[45]。虽然UCP3的确切机制尚不清楚,但高脂肪应激期间UCP3上调为UCP3参与脂质过多、潜在有害、氧化磷酸化状态下的能量耗散提供了线索(图8).

在没有直接测量食物消耗或全身能量消耗的情况下,与高脂肪饮食相比,吃西方饮食的大鼠体重增加了相似的数量,尽管事实上,吃高脂肪饮食的动物每天摄入的热量大约多11%(C.R.Wilson和H.Taegtmeyer,未发表的工作)。假设两组大鼠的活动量相同,这表明在整体水平上,高脂肪饮食的大鼠具有较高的代谢率,这支持了包括心脏和骨骼肌在内的多个组织中解偶联过程的更大激活。

在一项如此庞大的研究中,也有许多局限性。最重要的是,我们在体外模型,以便我们可以将可能补偿心脏性能固有变化的急性神经体液影响降至最低。因为我们保持了所有组的底物组成与低脂肪喂养大鼠环境相似,所以我们在西方或高脂肪喂养大白鼠心脏中测量到的功能障碍可能是由于灌注液中脂肪酸供应不足所致。在我们的模型中,我们没有测量脂肪酸不完全氧化的产物(即酰基肉碱衍生物)。先前对大鼠骨骼肌的研究表明,在高脂肪饮食大鼠从禁食到进食状态的过渡过程中,酰基肉碱积累[46]。此外,我们无法直接测量心脏或骨骼肌中葡萄糖或脂肪酸的摄取。相反,我们选择了一种放射性示踪剂策略,旨在同时测量葡萄糖和油酸的氧化通量,我们认为这对于定义对高脂肪环境的适应和不适应是必要的。在本研究中,葡萄糖和脂肪酸摄入是非常有用的测量指标,但这些测量需要额外的心脏灌注和比目鱼肌培养。虽然我们没有观察到喂食组之间心肌三酰甘油水平的显著差异,但可能会改变额外的脂毒性中间产物(例如神经酰胺)。最后,本研究并未尝试干预,以评估在西方饮食中观察到的重塑和功能障碍的可能可逆性。其他组在正常喂食8周后,在大鼠模型中证明了8周高脂饮食诱导的血脂异常和血管功能的可逆性[47]。此外,在饮食1天后,底物氧化和转录发生了许多变化,这增加了这些参数可能容易逆转的可能性。由于长期暴露于脂肪酸利用途径的激活不足而导致的心脏功能障碍是否可逆,需要进一步研究。

结论

吃西餐的Wistar大鼠出现心脏功能障碍体外而喂食高脂肪饮食的大鼠的功能保持不变。这种功能障碍发生在脂肪酸反应基因的长时间亚最佳转录激活中,这些基因参与丙酮酸氧化的无效循环和调节,以及脂肪氧化的亚最大激活。我们认为,长期接触这些不适应反应与西方饮食导致的收缩功能障碍有关。

致谢

我们感谢Patrick H.Guthrie提供的技术援助。我们还感谢Terri M.King在数据分析方面的帮助。该研究部分得到了国家心肺血液研究所的资助(RO1-HL073162给H.T.,HL074259给M.E.Y.)。C.R.W.获得了哈里·S·和伊莎贝尔·C·卡梅隆基金会的额外支持。M.K.T.获得了NIDDK(国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所)的机构培训拨款(T35 DK007676)。

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文章来自生物化学杂志由以下人员提供生物化学学会