Dieter med lågt protein ger divergerande effekter på energibalansen | vetenskapliga rapporter

Dieter med lågt protein ger divergerande effekter på energibalansen | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Fettmetabolism
  • homeostas
  • Fetma

Abstrakt

Diet med proteinbrist ökar ofta matförbrukningen, kroppsvikt och fettmassa; de underliggande mekanismerna förblir emellertid dåligt förstås. Vi jämförde effekterna av dieter som varierade i proteinkoncentrationer på energibalansen hos fetma benägna råttor. Vi visar att proteinfria (0% proteinkalorier) dieter minskade energiintaget och ökade energiutgifterna, mycket låga proteiner (5% protein) dieter ökade energiintaget och utgifterna, medan måttligt låga protein (10% protein) dieter ökade energiintaget utan förändring av utgifterna i förhållande till kontrolldiet (15% protein). Dessa dietinducerade förändringar i energiförbrukningen medieras delvis genom förbättrad serotonerg och p-adrenerg signalering kombinerad med uppreglering av viktiga termogena markörer i brunt fett och skelettmuskler. De proteinfria och mycket låga proteindietterna minskade plasmakoncentrationerna av flera essentiella aminosyror, anorexigena och metaboliska hormoner, men dessa dieter ökade vävnadsuttrycket och plasmakoncentrationerna av fibroblasttillväxtfaktor-21. Proteinfritt och mycket lågproteindieter inducerade fettlever, minskade energierknippbarheten och minskade mager massa och kroppsvikt som varade längre än begränsningsperioden. Däremot främjade måttligt låga proteindieter en ökning av kroppsvikt och fett efter perioden med proteinbegränsning. Tillsammans visar våra resultat att dieter med lågt protein ger divergerande effekter på energibalansen.

Introduktion

Konsumtion av protein utlöser adaptiva svar i intagande beteende, energiförbrukning och metabolism som är under homeostatiska kontroller. Hypotesen om "protein hävstångseffekt" säger att proteinintaget är tätt reglerat i flera arter inklusive råttor, möss och människor, som konsumerar att skaffa sitt nödvändiga protein snarare än att uppfylla kraven för fetter och kolhydrater 1, 2, 3 . En ökning av proteintätheten i kosten skulle minska intaget av kolhydrater och fetter med följaktligen minskat energiintag. Det finns väsentliga bevis för att dieter med högt protein främjar mättnad, viktminskning och förbättrar glykemisk kontroll 4, 5 . En följd av denna hypotes är att en minskning av proteinkoncentrationen i kosten skulle öka det totala energiintaget på grund av överförbrukning av kolhydrater och fett i ett försök att uppfylla proteinkraven. I överensstämmelse med detta visade sig måttligt proteinfattiga dieter producera hyperfagi i gnagare 6, 7, 8, 9 och i cirka 1, 10, 11 men inte alla humana studier 12, 13, medan allvarlig proteinbegränsning under en viss tröskel leder till en minskning av matintaget hos gnagare 9, 14 . Det är emellertid lite känt om de underliggande mekanismerna genom vilka måttlig proteinbrist framkallar sådana beteendemässiga och metaboliska anpassningar och främjar positiv energibalans med följdlig benägenhet till fetma och andra metaboliska störningar.

De hyperfagiska effekterna av dieter med måttligt protein som påstås vara genom flera mekanismer. Dessa inkluderar obalanser i koncentrationer av aminosyror i plasma och hjärnor i råttor 15, 16, 17, modulering av energisensorer i hypotalamus och främre piriform cortex hos råttor 18, och ökad aktivitet i belöningsområden såsom orbitofrontal cortex och striatum hos människor 11 . Kost med låga proteiner ökar också energiförbrukningen i gnagare 17, 19, 20, 21, 22, men de underliggande mekanismerna är dåligt förstås. Potentiella mekanismer inkluderar ökat sympatiskt flöde via ß-adrenerg receptor (ß-AR) signalering till brun fettvävnad (BAT) med följdlig uppreglering av mitokondriell frikopplingsprotein-1 (UCP1) uttryck 19, 21, 22, 23, samt ökad fibroblast tillväxtfaktor-21 (FGF21) medierad termogenes 17 . Emellertid är den relativa betydelsen av dessa mekanismer, och huruvida tarm-härledda signaler är förknippade med lågproteininducerad hyperfagi och termogenes, i stort sett okänd.

De enteroendokrina cellerna i tarmen utsöndrar flera hormoner inklusive peptid YY (PYY) som postuleras att spela en roll i de anorexigena effekterna av dieter med högt protein 24 ; det är okänt om tarmhormoner medierar effekterna av dieter med lågt protein på energibalansen. Bortsett från dessa hormoner har tarm-härledd serotonin, som står för över 95% av total kroppsserotonin 25, nyligen visat sig inducera fetma på grund av delvis minskad termogenes av brunt fett 26, 27, medan serotonin från hjärnan rapporterades inducera termogenes i brunt fett 28 . Effekterna av serotonin medieras av multipla receptorundertyper, varav 5-hydroxytryptamin (5HT3) receptorer medierar de hypofagiska effekterna av kolhydrat och fett 29, 30, 31 . Det är okänt om 5HT3-receptorer förmedlar effekterna av dieter med lågt protein på energibalansen.

Förutom att modulera energiintag och -utgifter har måttlig proteinbegränsning hos råttor och möss konsekvent associerats med förändringar i kroppssammansättning inklusive minskning av mager massa, ökat kroppsfettinnehåll och utveckling av fet lever 6, 8, 9, 14, 17, 32, 33 . Proteinbegränsade råttor försöker hämta kroppsvikt och fettreserver efter återfödning på en standardproteindiet 34, 35, 36, 37, 38 . Emellertid är mindre känt av de temporära förändringarna i kroppssammansättning, energiintag och energiförbrukning efter realisering av proteinbegränsade djur till vanliga proteindieter. I denna studie undersökte vi därför effekterna av dieter med lågt protein som varierar i proteintäthet på flera metaboliska parametrar hos fetma benägna råttor. Vi visar att proteinberövning minskade energiintaget och ökade energiförbrukningen. Vi visar också att låg till måttlig proteinbrist ökade energiintaget med antingen en ökning eller ingen förändring i energiförbrukningen. Det är viktigt att effekterna på energiförbrukningen förmedlas genom förbättrad serotonerg och ß-AR-signalering med samtidig uppreglering av viktiga termogena markörer i BAT och skelettmuskler. I motsats till den minskade mager massan och ökad leverlipidos som observerats med proteinsvält eller dieter med lågt protein, tillhandahåller vi bevis på att måttlig proteinbrist främjade ökad kroppsvikt och fettreserver efter perioden med proteinrester.

Resultat

Energiintag, energiförbrukning och energistörningsbarhet

Jämfört med det dagliga energiintaget hos råttor som matade en kontrolldiet (15% protein, 15P; se tilläggstabell S1), minskades energiintaget hos råttor som matades med en proteinfri diet (0P) med 13–49% under 14 -dagarsbegränsning och med 14–54% under 21-dagarsbegränsningen, med efterföljande återhämtning till kontrollnivåer efter den första realiseringsveckan (fig. 1a, se kompletterande figurer S1a, S2a, b och S3a – h). I förhållande till 15P ökades det dagliga energiintaget med 12–16% och 11–21% under de första 7 dagarna hos råttor som matades med mycket lågproteindiet (5% protein; 5P) och måttligt lågproteindiet (10% protein; 10P) respektive (fig. 1a, se kompletterande figurer S2a, b och S3a – d). Jämfört med 15P ökades den genomsnittliga dagliga energiförbrukningen med 7% under 7 dagar i 0P och med 16–20% under 14 dagar i 5P (fig. 1b, se kompletterande figurer S2c, d och S4a, b). Den ökade energiförbrukningen för 0P och 5P var beständig även när mager massa användes som ett kovariat (se tilläggsfiguren S2g – i). I förhållande till 15P minskades andningskvotienten (RQ) under restriktion i 0P (se tilläggsfiguren S1c) men ökade i 5P från dag (d) 4 till d 11 (fig. 1c). Vidare, med d7, relativt 15P, ökades den totala energi-smältbarheten med 16% i 10P men minskade med 41% i 0P. Vid d 14 tenderade energidetigerbarheten ( P <0, 1) att minska med 12% i 5P och minska med 42% i 0P jämfört med 15P (kompletterande tabell S2). Intressant nog, när 0P-råttorna gjordes på 15P-dieten, ökades den genomsnittliga dagliga och mörka perioden energiförbrukningen från d 21 och framåt, och den genomsnittliga dagliga RQ ökade också från d 18 till d 25 (fig. 1b, c, se kompletterande figurer S1b, S2c, d och S4e – h).

( a ) Dagligt energiintag, ( b ) genomsnittlig energiförbrukning (EE), ( c ) genomsnittlig andningskvotient (RQ), ( d ) kroppsvikt, ( e ) kroppsfettmassa och ( f ) kroppsmassa massa av fetma benägna råttor. Djuren matades antingen med en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket låg protein (5% protein; 5P) eller proteinfri (0% protein; 0P) isokalorisk diet för 14 dagar, följt av en realiseringsfas med ad libitum-åtkomst till kontrolldieten (15P) under ytterligare 14 dagar. Prickad linje separerar begränsnings- och återhämtningsfaserna. Värdena är medelvärden ± SEM, n = 13–16. * P <0, 05 vs 15P.

Bild i full storlek

5HT3-receptorblockad med Ondansetron

Ondansetron, en selektiv 5HT3-receptorblockerare, användes för att bestämma om det serotonergiska systemet förmedlar effekterna av lågproteindieter på energiintag och -utgifter. Ondansetron ökade energiintaget med 25–58% under de första 4 timmarna av mörk period i 10P, med 82% vid 1 timme (h) i 5P och med 68% vid 3 timmar i 0P men inte i 15P-råttor (fig. 2a– d). I förhållande till fordon minskade ondansetron energiförbrukningen med 11–23% från 6 till 14 timmar i 10P, men inte i 0P, 5P och 15P (Fig. 2e – h).

Energiintag ( a – d ) och energiförbrukning (EE; ( e – h )) av råttor med fetma som är benägna att mata antingen en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket lågt protein ( 5% protein; 5P) eller proteinfri (0% protein; 0P) isokalorisk diet med injektioner av saltlösning eller ondansetron (1, 0 mg / kg; IP). Analyserna av data från de första 9 timmarna av mörk period visade att det fanns signifikanta fasta effekter av dietbehandling ( P <0, 001), läkemedel ( P = 0, 019) och tid ( P <0, 001) och interaktioner mellan dietbehandling × tid ( P <0, 001) och läkemedel × tid ( P = 0, 046) för kaloriintag. På liknande sätt fanns det signifikanta effekter av tid och kostbehandling ( P <0, 001) och interaktion mellan dietbehandling × tid ( P <0, 001) för energikostnader. Värden är medelvärde ± SEM, n = 8. * P <0, 05 saltlösning jämfört med ondansetron.

Bild i full storlek

p-AR-blockad med Propranolol

För att bestämma om det sympatiska systemet medierar effekterna av dieter med lågt protein på energiförbrukningen administrerade vi propranolol, en β1 och β2-AR-blockerare. Propranolol minskade energiförbrukningen i 0P-, 5P- och 10P-råttorna under den mörka perioden med 18%, 14% respektive 8% (Fig. 3a – d). Ytterligare visade area under kurvan (AUC) -analyser att propranolol minskade energiförbrukningen i större utsträckning i 0P (10%) och 5P (8%) än 15P.

Råttor med fetma utsattes för antingen en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket lågt protein (5% protein; 5P) eller proteinfritt (0% protein; 0P) isocalorisk diet med injektioner av saltlösning eller propranolol (10 mg / kg; SC). Analyserna under de första 8 timmarna av mörk period avslöjade att det fanns signifikanta effekter av tid, läkemedel, dietbehandling ( P <0, 001), dietbehandling × tid ( P = 0, 002), läkemedel × tid ( P <0, 001), dietbehandling × läkemedel ( P = 0, 026) och dietbehandling × läkemedel × tid ( P = 0, 009) för energiförbrukning (EE). Värdena är medelvärden ± SEM, n = 8. * P <0, 05 saltlösning vs propranolol.

Bild i full storlek

Kroppssammansättning

I förhållande till 15P-råttor minskade kroppens vikt av 0P med 15–35% under 14-dagars restriktion, med 18–42% under 21-dagars restriktion, och förblev lägre med 19–26% under realisering (Fig. 1d, se tilläggsfigur S1d). På liknande sätt minskade kroppsvikten på 5P med 8% med d 14 och förblev lägre med 8–12% jämfört med 15P under realisering. Kroppsvikten på 10P förändrades inte under begränsningen men ökade med 7–8% under realisering. Kroppssammansättningsanalyser visade att, relativt 15P, minskade fettmassan för 0P med 15–37% under 14-dagarsbegränsningen, med 18–48% under 21-dagarsbegränsningen, och minskades också med 28–38% under realimering (fig. 1E, se kompletterande figurer S1e och S2e). Under den 14-dagars begränsningen, även om fettmassan för 5P och 10P var lik 15P (fig. 1e), hade 5P relativt högre fettprocent (se kompletterande fig. S2e). Under realisering minskade fettmassan för 5P med 17% på d 21 medan fettmassan av 10P ökade med 11% med d 28 (fig. 1e); fett% följde också ett liknande mönster (se kompletterande figur S2e). Den magra massan av 0P minskade med 19–33% under 14-dagarsbegränsningen, med 18–39% under 21-dagarsbegränsningen och förblev lägre med 21–29% under realisering jämfört med 15P (fig. 1f, se Kompletterande figurer S1f och S2f). I förhållande till 15P var i 5P mager massa 12% respektive 10% lägre med d 14 respektive d 21 (fig. 1f), men mager% var relativt större i 0P och 5P under realisering (se kompletterande figur S2f). När uttryckt som andelar av kroppsvikt hade OP 26% högre hjärtvikt, medan 5P hade 15% högre levervikt jämfört med 15P (kompletterande tabell S2). Vidare hade 5P och 10P 58% och 16% större leverfett%, och 0P tenderade ( P = 0, 06) att ha 26% större leverfettprocent än 15P (kompletterande tabell S2). Jämfört med 15P var effektiviteten för att konvertera energi förbrukad till kroppsvikt större i 0P under begränsningen d 8–14 och genom hela realisering, medan effektiviteten var större för 5P och 10P under realiseringens d 22–28 (se tilläggstabell S4 ).

Plasmaminosyror, glukos och hormoner

0P, 5P och 10P hade lägre postprandiala plasmakoncentrationer av de essentiella aminosyrorna - treonin, tryptofan, valin, fenylalanin, leucin, isoleucin och lysin jämfört med 15P råttor (se kompletterande tabell S3). Koncentrationen av histidin minskade i 5P och 10P men inte 0P, arginin ökades i 0P och metionin minskade i 0P och 5P. För icke-essentiella aminosyror hade 0P, 5P och 10P större koncentrationer av serin och alanin, 0P och 5P hade större glycin men lägre tyrosin och 0P hade lägre ornitin, relativt 15P. Plasmakoncentrationerna av PYY, leptin, insulin, C-peptid och blodglukos minskade, och amylin och glukosberoende insulinotropisk peptid (GIP) tenderade att minska ( P <0, 1) efter en måltid i 0P jämfört med 15P (Fig. 4). Plasmainsulinkoncentrationer i 5P och 10P och glukos i 10P minskade tillfälligt jämfört med 15P. Det är viktigt att FGF21-koncentrationerna ökades i 0P och 5P och tenderade till 10P ( P <0, 1). Blodglukoskoncentrationer och total AUC för glukos efter ett intraperitonealt glukosetoleranstest (IPGTT) skilde sig inte mellan behandlingsgrupper (se kompletterande figur S5a, b).

( a ) Peptid YY (PYY), ( b ) glukosberoende insulinotropisk peptid (GIP), ( c ) amylin, ( d ) insulin, ( e ) C-peptid, ( f ) glukos, ( g ) fibroblasttillväxtfaktor 21 (FGF21) och ( h ) leptinkoncentrationer i fetma benägna råttor. Djuren matades antingen med en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket låg protein (5% protein; 5P) eller proteinfri (0% protein; 0P) isokalorisk diet för 14 dagar. Värdena är medelvärden ± SEM, n = 5–9. * P <0, 05 vs 15P.

Bild i full storlek

MRNA och proteinöverflödet av viktiga molekyler av energimetabolism i levern

MRNA-överflödet av molekyler som är involverade i upptag av aminosyror - löst bärarfamilj 7-medlem 5 (SLC7A5), löst bärarfamilj 3-medlem 2 (SLC3A2), aminosyrasensing - allmän kontroll ej-depressibel 2 (GCN2) och aktiverande transkriptionsfaktor 4 ( ATF4), aminosyrametabolism - grenad ketosyradehydrogenas E1, alfa-polypeptid (BCKDHA), fettsyraupptag - kluster av differentiering 36 (CD36), och fettsyrasyntes - fettsyrasyntas (FAS) var alla större i 0P, och FAS tenderade ( P <0, 1) att vara större i 5P jämfört med 15P-råttor (fig. 5a, b, d, f, h, j, k). I förhållande till 15P var proteinöverskottet av aminosyravkännande molekyler såsom ATF4 i 0P och fosforylerad eukaryot initieringsfaktor serin-51 2a (peIF2a (Ser 51 )): eIF2a-förhållandet i 0P och 5P, och överflödet av p-oxidation enzym 3-hydroxyacyl-CoA-dehydrogenas (HADH) var lägre i OP och 5P (fig. 5e, g, l). Vidare hade 0P och 5P större mRNA-överflöd av FGF21 än 15P (fig. 5i).

( a ) Lös bärarfamilj 7 medlem 5 (SLC7A5), ( b ) löst bärarfamilj 3 medlem 2 (SLC3A2), ( c ) löst bärarfamilj 38 medlem 2 (SLC38A2), ( d ) allmän kontroll icke-depressibel 2 (GCN2) ( e ) serin 51 fosforylerad eukaryot initieringsfaktor 2a (peIF2a (Ser 51 )): eIF2a-förhållande, ( f, g ) aktiverande transkriptionsfaktor 4 (ATF4), ( h ) grenad ketosyradehydrogenas El, alfa-polypeptid (BCKDHA) ), ( i ) fibroblasttillväxtfaktor 21 (FGF21), ( j ) differentieringsgrupp 36 (CD36), ( k ) fettsyrasyntas (FAS), ( l ) 3-hydroxyacyl-CoA-dehydrogenas (HADH) i fetma benägna råttor. Djuren matades en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket lågt protein (5% protein; 5P) eller proteinfritt (0% protein; 0P) isokalorisk diet för 14 dagar. Det relativa mRNA- och proteinöverskottet bestämdes genom qPCR och immunblotanalys. P-Actin eller glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas (GAPDH) användes som referensmål. EIF2a, peIF2a (Ser 51 ) och GAPDH upprepades på samma fläckar. Värdena är medelvärden ± SEM, n = 5–9. * P <0, 05 vs 15P.

Bild i full storlek

MRNA-överflödet av viktiga molekyler av energimetabolism i BAT

Jämfört med 15P-råttor hade 0P, 5P och 10P ett större mRNA-överflöd av termogena gener som kodar för ß3-AR, β2-AR, peroxisomproliferatoraktiverad receptor gamma-koaktivator 1a (PGC1-a), UCP1, FGF21 och dess co- receptor ß-Klotho (Fig. 6a – f). Vidare ökade transkriptionsfrekvensen av ett viktigt enzym i serotoninsyntes - tryptofanhydroxylas 1 (TPH1) i 0P, 5P och 10P, och serotoninåterupptagningstransportören (SERT) ökades också i 5P och 10P, relativt 15P (Fig 6g, h).

( a ) p3-adrenerga receptorer (p3-AR), ( b ) p2-adrenerga receptorer (p2-AR), ( c ) peroxisomproliferator-aktiverad receptor gammakoaktivator 1 a (PGC1-a), ( d ) frikoppling av protein 1 (UCP1), ( e ) fibroblasttillväxtfaktor 21 (FGF21), ( f ) ß-Klotho, ( g ) serotonintransportör (SERT) och ( h ) tryptofanhydroxylas 1 (TPH1) i fetma benägna råttor. Djuren matades antingen med en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket låg protein (5% protein; 5P) eller proteinfri (0% protein; 0P) isokalorisk diet för 14 dagar. Det relativa mRNA-överflödet bestämdes med qPCR med användning av p-Actin som referensmål. Värdena är medelvärden ± SEM, n = 5–9. * P <0, 05 vs 15P.

Bild i full storlek

MRNA-överflödet av viktiga molekyler av energimetabolism i muskler

I skelettmuskeln var mängden mRNA av termogena gener såsom PGC1-a större i 0P, och FGF21 och irisin var större i 0P och 10P jämfört med 15P-råttor (Fig. 7a – e). Vidare inkluderar viktiga regulatoriska transkript i aminosyrametabolismen som uppreglerades lösta bärarfamilj 38-medlem 2 (SLC38A2) i 0P, SLC7A5 i 0P och 5P, och grenad ketosyradehydrogenas El, beta-polypeptid (BCKDHB) i 0P och 10P (Fig 7f – h).

( a ) P3-AR (P3-adrenerga receptorer), ( b ) peroxisomproliferatoraktiverad receptor gamma-koaktivator 1 a (PGC1-a), ( c ) frikoppling av protein 3 (UCP3), ( d ) fibroblasttillväxtfaktor 21 (FGF21) ), ( e ) irisin, ( f ) löst bärarfamilj 7 medlem 5 (SLC7A5), ( g ) löst bärarfamilj 38 medlem 2 (SLC38A2) och ( h ) grenad ketosyradehydrogenas El, beta-polypeptid (BCKDHB) i fetma -benägna råttor. Djuren matades antingen med en kontroll (15% protein; 15P), måttligt lågt protein (10% protein; 10P), mycket låg protein (5% protein; 5P) eller proteinfri (0% protein; 0P) isokalorisk diet för 14 dagar. Det relativa mRNA-överflödet bestämdes med qPCR med användning av p-Actin som referensmål. Värdena är medelvärden ± SEM, n = 5–9. * P <0, 05 vs 15P.

Bild i full storlek

Diskussion

Vi tillhandahåller bevis på att isokaloriska dieter med graderade doser av protein ger divergerande effekter på energiintag, energiförbrukning, plasma-aminosyror och tarmhormoner och metaboliska markörer i perifera vävnader hos fetma benägna råttor. Först minskade en proteinfri diet (0P) energiintaget och ökade energiförbrukningen, mycket låg proteindiet (5P) ökade intaget och utgifterna, medan måttligt låg proteindiett (10P) ökade intaget utan någon förändring av utgifterna. Vid realimentation för att kontrollera diet (15P) hade 0P kortvarig anorexi men ökade energikostnaderna. För det andra medierade förbättrad serotonerg och sympatisk signalering de differentiella effekterna av dieter med lågt protein på energibalansen. Blockering av 5HT3-receptorer med ondansetron producerade hyperfagi i 0P, 5P och 10P, men minskade energiförbrukningen i 10P, vilket indikerar en roll för högre serotonerg ton att hämma energiintag i dessa grupper men för att öka energiförbrukningen i 10P-gruppen. Propranolol (ß-AR-antagonist) minskade energiförbrukningen i 0P, 5P och 10P, vilket delvis stöder en förbättrad sympatisk drivning i de metaboliska anpassningarna till dieter med lågt protein. Emellertid medieras den ökade energiförbrukningen troligen genom parallella eller inbördes beroende mekanismer eftersom mRNA-överflödet av viktiga termogena markörer i BAT (β2-AR, β3-AR, PGC1-α, UCP1, FGF21, β-Klotho, SERT, TPH1) och skelettmuskeln (PGC1-a, FGF21, irisin) ökades med varierande grader av proteinbegränsning. För det tredje minskade 0P och 5P plasmakoncentrationerna av flera essentiella aminosyror, 0P minskade anorexigena hormoner (PYY, leptin, insulin), men 0P och 5P ökade vävnadsuttrycket och plasmakoncentrationen av det metaboliska hormonet FGF21. För det fjärde producerade proteinproteinbrist skillnader på kroppsvikt och sammansättning. Under proteinbegränsning minskades kroppsvikt, fett och mager massa i 0P, kroppsvikt och mager massa minskades i 5P, medan dessa kroppsfack var oförändrade i 10P. Under realiseringsperioden ökade emellertid 10P vikt och fettmassa medan minskningen av vikt, fett och mager massa bibehölls i 0P- och 5P-grupperna. Vidare stöds det ökade hepatiska lipidinnehållet i 0P och 5P av en ökning av mRNA-mängden av viktiga lipogena markörer (CD36, FAS) och en ömsesidig minskning i överflöd av ett lipolytiskt protein (HADH). Således visar dessa data att proteinbrist i dieten på olika sätt modulerar energibalansen och ämnesomsättningen.

Den hypofagiska effekten av proteinfria dieter och den hyperfagiska effekten av mycket låga proteiner och måttligt låga proteindieter, i den aktuella studien överensstämmer med hypotesen 2 om "proteinhävstång", såväl som tidigare studier om proteinbegränsning hos råttor, möss och människor 1, 6, 7, 8, 9, 14, 17, 22 . Även om den lågproteininducerade hyperfagi är associerad med en central orexigenisk drivenhet 11, 15, 16, 17, 18, är de perifera signalerna som överför information till centrala neurala nätverk dåligt definierade. För att urskilja potentiella perifera mediatorer fokuserade vi på cirkulerande koncentrationer av aminosyror, anorexigena tarmhormoner och perifera serotonerga 5HT3, ß-adrenerga och FGF21 signalering. I likhet med andra rapporter 16, 17, i den aktuella studien, producerade proteinbegränsning en dosberoende minskning i majoriteten av de essentiella aminosyrorna. Intressant, arginin, serin och glycin ökade med samtidig anorexi i 0P-gruppen. Proteinberövande minskade plasmakoncentrationerna av PYY och GIP, delvis på grund av konsumtion av mindre mat av djur i denna grupp; därför är det osannolikt att dessa hormoner förmedlar de anorexiska effekterna av proteinfria dieter. Tidigare studier har visat att serotonerg signal i tarmen vid perifer 5HT3-receptor förmedlar de akuta hypofagiska effekterna av dietkolhydrat hos råttor 29, 30, 31 . Vi utvidgar dessa fynd och visar att ondansetron, en selektiv 5HT3-receptorantagonist, ökade energiintaget hos råttor som matades isokaloriska dieter innehållande 0%, 5% och 10% protein med 67%, 62% och 57% kolhydratkalorier. Eftersom tarmen är en viktig källa (~ 95%) av serotonin 25, förmedlar förstärkt endogent serotonin främst av tarmsprung som verkar via 5HT3-receptorer effekterna av dieter som är låga i protein, men jämförelsevis mycket kolhydrat, på energiintag.

Det finns begränsade bevis för de temporära förändringarna i energiförbrukningen och substratanvändning med proteinbrist i kosten. I den aktuella studien var den genomsnittliga dagliga energiförbrukningen större hos 5P-råttorna, vilket var sammanfallande med en tidigare hyperfagi under restriktion. Trots en initial ökning av energiförbrukningen kvarstod inte denna effekt i 0P troligen på grund av den fortsatta anorexin och viktminskningen. Tidigare studier har visat att en ökad sympatisk tillströmning till BAT krävs för de termogena effekterna av dieter med lågt protein 19, 20, 21, 22, 23 . I den aktuella studien, med användning av propranolol, en ß-AR-antagonist, visar vi att energiförbrukningen dämpades beroende på djur som matades med låga proteindieter med maximal dämpning hos råttor som berövats protein. Till stöd för förbättrad sympatisk signalering ökades transkriptionsöverskott av p2-AR, p3-AR, PGC1-a och UCP1 i BAT för lågproteindjur. Intressant nog uppvisade majoriteten av BAT-transkripten ett icke-linjärt paraboliskt svar på minskningen av proteininnehållet med maximala svar mellan 10P och 5P och en dämpning med 0P. Det finns slående likheter mellan våra fynd och vad andra har visat med beta-adrenerg signalering under kall anpassning. Kronisk exponering för förkylning och tillhörande ökning av sympatisk drivning har visat sig orsaka ß-adrenerg receptoravkänslighet med en minskning av ß3-transkript i brunt fett 39, 40, 41, 42 . Eftersom propranolol producerade maximal dämpning av energiförbrukningen i 0P är det troligt att den större och kroniska sympatiska drivningen i 0P leder till en adaptiv dämpning av en ökning av transkript för ß-adrenerg receptor och deras nedströmseffektorer PGC1a och UCP1. Dessutom fann vi också en nästan dosberoende uppreglering av transkript för FGF21 i levern och musklerna, ökad plasma FGF21 och ökat mRNA-överflöd för både FGF21 och dess co-receptor ß-Klotho i BAT med låga proteindieter. Eftersom det sympatiska systemet ökar FGF21-expression och utsöndring från brunt fett 43, och FGF21 förbättrar sympatisk drivning till brunt fett 44, kan de observerade förändringarna i FGF21- och ß-klotho-transkript troligen bero på en ömsesidig lokal eller systemisk frammatningsmekanism mellan FGF21 och sympatiska system. Förutom adrenerg kontroll kan FGF21-uttryck och sekretion också regleras av aminosyror. Tidigare har kostbegränsning av metionin 45 eller leucin 46 visats uppreglera vävnadsuttrycket och cirkulera FGF21-koncentrationer hos möss. Vi hittade större plasmakoncentrationer av FGF21 i 0P- och 5P-råttor, som också hade en samtidig minskning av plasmametionin och tyrosin men ökade i glycinkoncentrationer. Dessutom hade 10P större transkriptionsmängd av FGF21 i brunt fett och muskler tillsammans med en minskning av plasmatreonin, tryptofan, valin, fenylalanin, leucin, isoleucin och lysin och en ökning av serin och alanin. Huruvida förändringar i dessa aminosyror, antingen ensamma eller tillsammans, bidrar till de observerade förändringar med låg protein-diet i FGF21-uttryck i flera vävnader återstår att bestämma. Den relativt större ökningen av FGF21-transkriptet i levern än brunt fett i 0P antyder att källan till FGF21 kan förskjutas från brunt fett till levern beroende på graden av proteinbegränsning. Även om lever-härledd FGF21 kan verka genom en endokrin mekanism för att förbättra BAT-termogenesen 17, 47, tyder våra data på att förbättrad paracrin eller autokrin FGF21-signalering i BAT också är viktig för effekterna av lågproteindieter på termogenesen.

Förutom förbättrad sympatisk drivkraft ger vi bevis på att ökad serotonerg signalering som verkar via 5HT3-receptorer också är viktig för de ökade utgifterna. Tidigare visades det att metergolin, en icke-selektiv 5HT-receptorantagonist och dopaminagonist, reducerade vilande VO2 i djur som matades med 8% proteindier 48 . I vår studie minskade den selektiva 5HT3-receptorantagonisten ondansetron energiförbrukningen, särskilt i 10P-gruppen. Med tanke på att cirka 15% av cirkulerande ondansetron får tillgång till hjärnan 49, är antagonistens effekter på utgifterna i den aktuella studien troligen medierade via både perifera och centrala mekanismer. Även om serotonin från hjärnan kan spela en roll i termogenesen 28, antyder det ökade transkriptionsflödet av TPH1 och SERT i BAT för 10P- och 5P-råttor en uppreglering av lokal serotoninomsättning, som i sin tur kan verka via ett paracrin eller autokrin sätt för att förbättra termogenesen. Tillsammans antyder dessa fynd att ökad adaptiv termogenes av dieter med lågt protein sannolikt förmedlas genom konvergens av parallella eller inbördes beroende sympatiska, serotonerga och FGF21 signalvägar.

I den aktuella studien är minskning av kroppsviktökning och vävnadsreserver i djur som matas 0 till 5% proteindier överens med tidigare studier 6, 8, 9, 14, 17, 34 . Som förväntat hade 0P med de lägsta dietkvoterna mellan protein och kolhydrat (0:67) eller fett (0:33) den lägsta fett- och mager vävnadsmassan under restriktion. Anorexin med därmed ökad lipidanvändning, tillsammans med ökade energiförbrukningar, bidrog sannolikt till en fortsatt minskning av viktökning, fett och mager massa i 0P. Det lägre förhållandet protein till kolhydrat (5:62) i 5P-dieten ledde till en minskning av mager massa utan förändringar i fettmassa, vilket bidrog till en uppenbar ökning av fettprocenten under restriktion. Minskningen i vikt och mager massa i 5P beror sannolikt på ökade energiförbrukningar som inte kompenseras av hyperfagi för att upprätthålla energibalansen. Intressant nog tycks 5P-djuren skydda sin fettmassa medan de skiftar deras substratoxidation från fetter mot kolhydrater. Den föredragna oxidationen av kolhydrater i 5P återspeglar det högre kolhydratinnehållet och överensstämmer med andra rapporter 50, och fördelningen av dietfett mot fettreserver liknar också andra studier med adipogena effekter av lågproteinhaltiga kolhydratdieter i möss 51 . Tidigare studier har visat att efter proteinbegränsning försöker råttor att återfå kroppsvikt och fettreserver vid återfödning med en standardproteindiet 34, 35, 37, 38 ; tidsförloppet för förändringar i vävnadsfack och användning av substrat var emellertid relativt okänd. Vi visar att 0P och 5P under realiseringsperioden hade minskat kroppsvikt, kroppsfett och mager massa. Intressant nog uppvisade 0P vid realisering en stabil preferens för kolhydratanvändning, trots att alla grupper matades med en gemensam diet, och de större magra% i 0P och 5P antyder att båda grupperna snabbt fördelar dietproteinet mot att fylla på proteinreserver. Det är viktigt att 10P hade ökat kroppsvikt och kroppsfettinnehåll vid realisering till en standardproteindiet trots brist på skillnader i kroppssammansättning under begränsning. Den större fodereffektiviteten hos dessa djur under realiseringen resulterade i ökad viktökning med överskott av kalorier som delades upp mot fettreserver. Således utövar tidigare proteinbegränsning divergerande långtidseffekter på kroppssammansättning och substratanvändning med svår proteinbegränsning som fördröjer fett och mager ackretion och förbättrar kolhydratanvändningen under realisering, medan måttlig proteinbegränsning förutsätter viktökning och fetma. Dessa fynd har viktiga konsekvenser för långsiktiga konsekvenser av proteinbegränsning på fett.

Trots bristen på förändringar i totalt kroppsfett i 5P och 10P under proteinbegränsning fann vi att dessa djur, tillsammans med 0P, hade större leverfettprocent som tyder på leverlipidos. Som stöd för fettansamling i levern fann vi att 0P-råttor hade minskat proteinöverflödet av den lever lipolytiska markören HADH, med en ömsesidig ökning av mRNA-mängden av de viktiga lipogena markörerna CD36 och FAS. I vår studie innehöll dieterna med låga proteiner 67–57% kolhydrater med 33% fett. Andra rapporterade att dieter som var relativt höga i kolhydrater och fett, liknande intervallet i vår studie, främjade utvecklingen av fet lever och försämrad glukostolerans hos både råttor 52, 53, 54 och möss 51, medan lågproteinhög kolhydratdiet ökade fett och fet lever med paradoxal förbättring av glukostolerans hos möss 6, 32, 33 . Trots viktminskning med 0P- och 5P-dieter har den ökade leverlipidosen därför sannolikt avskaffat några förbättringar i glukostolerans. Därefter fokuserade vi på viktiga markörer för aminosyrametabolismen i levern och skelettmusklerna. Som förväntat ledde proteindrivning till en uppreglering av den hepatiska aminosyrasensorn GCN2 och dess nedströmsmål peIF2a (Ser 51 ): eIF2a och ATF4. Vi observerade också tydliga förändringar i viktiga regulatorer för aminosyrametabolismen. Uppregleringen av transkript för aminosyratransportörerna SLC7A5 och SLC3A2 och det hastighetsbegränsande enzymet i grenad aminosyrakatabolism i levern och musklerna BCKDH, särskilt 0P-råttorna, indikerar förbättrad upptag och metabolism av grenade aminosyror av dessa vävnader.

Ett potentiellt förbehåll för vår modell är att de fetma-benägna OP-CD-råttorna, som ursprungligen utvecklades från Sprague Dawley-råttor, har genomgått flera generationer av avel, och vi testade inte effekterna av lågproteindieter i den kontrollfetma-resistenta stammen . Det är emellertid anmärkningsvärt att hyperfagi, förstärkt termogenes och minskning av viktökning med våra 0P och 5P, och hyperfagi med 10P, överensstämmer med många andra studier som rapporterar liknande resultat i normala magra Sprague Dawley-råttor 7, 8, 9, 19 21, 55, 56 . Även om den termogena aktiviteten hos brun fettvävnad mot dietstimuli ofta är svag hos överviktiga djur 57, tyder den förstärkta termogenesen med dietproteinbegränsning i våra OP-CD-råttor på att effekter av lågproteindieter på energibalansen kan bevaras i både magra och feta fenotyper. De potentiella mekanismerna genom vilka lågproteindieter modulerar energibalansen avbildas i fig. 8. Vi ger bevis för att svår proteinberövning ger ett tillstånd av negativ energibalans som kvarstår utöver berövningsperioden främst på grund av en minskning av energiintaget och en ökning i energiförbrukning. Däremot producerar måttlig proteinbrist hyperfagi utan att förändra energiförbrukningen och predisponerar för viktökning, fett och lipidos i levern. Vi visar också att proteinbrist engagerar sympatisk och serotonerg signalering främst i BAT för att inducera termogenes. Tillsammans visar våra resultat att proteinbrist i kosten har divergerande effekter på flera metaboliska parametrar hos fetma benägna råttor. Med tanke på att måttligt låga proteindieter främjar hyperfagi hos människor 1, 10, 11, visar våra data, med en djurmodell som bättre representerar mänsklig fetma, att sådana dieter kan förvärra befintlig känslighet för viktökning och fetma.

Proteinfria dieter minskar energiintaget och ökar energiförbrukningen vilket resulterar i förlust av kroppsvikt, fett och mager massa, medan mycket låga proteindieter främjar hyperfagi och termogenes med resulterande minskning i vikt och mager massa, och måttligt låga proteindieter är hyperfagiska utan att förändra energiförbrukning och kroppsfett och mager massa. Förbättrad sympatisk, serotonerg och fibroblast tillväxtfaktor-21 (FGF21) utsöndring och signalering bidrar sannolikt till de termogena effekterna av proteinfria och mycket låga proteindieter. Det är osannolikt att anorexigena tarmpeptider spelar en roll i modulering av intag, men förbättrad serotonerg signalering, troligen av tarmens ursprung, förmedlar effekterna av lågproteindieter på matintaget. Vidare främjar proteinbrist i dieten leverlipidos. Pilar som pekar uppåt, nedåt eller horisontellt indikerar en ökning respektive minskning eller ingen förändring. Sökvägar som behöver ytterligare validering indikeras med streckade linjer. De färgade cirklarna representerar relativa andelar av protein (blått), kolhydrat (grönt) och fett (rött) i kosten.

Bild i full storlek

metoder

Djur, bostäder och behandlingar

Djurförsöken godkändes av University of Calgary Animal Care Committee (# AC12–0033). Sprague Dawley-råttor som är benägna med fetma för hankön (~ 155 g, 6 veckor gamla; Crl: OP-CD, Strain 463; Charles River, Montreal, QC, Kanada) valdes när de fångar kännetecknen för mänsklig fetma inklusive polygenärvning, glukosintolerans och fetma 58, 59, 60 ; därför skulle de ha en större translationell betydelse för att testa de obesogena effekterna av dieter med lågt protein. De var inrymda individuellt i metaboliska burar i Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS ®, Columbus Instruments; Columbus, OH, USA) under standardtemperatur (23–24 ° C) och ljusförhållanden (12 timmars ljusmörkcykel; ljus tänd vid 1100 timmar). Det allmänna underhållet och uppfödningen (kompletterande metoder) var enligt våra tidigare publicerade förfaranden 5 .

Prior to testing, animals were acclimatized to the environment and experimental conditions for 2 weeks. During the acclimatization period, they received a standard chow diet (25% protein, 62% carbohydrate, 13% fat, energy density 4.07 kcal/g; PicoLab® Rodent Diet 20; LabDiet, St. Louis, MO, USA) for 4 days, followed by a high-fat control diet for 10 days (Supplementary Table S1). The rats (279 ± 3 g body weight) were then weight-matched and randomly allocated to four isocaloric high-fat diets (4.4 kcal/g; 33% fat calories) with protein contributing to 15% (control; 15P), 10% (10P), 5% (5P) or 0% (0P) calories. These diets represent arbitrary states of protein starvation or total deprivation (0P), very low (5P) and moderately low (10P) dietary protein, relative to recommended control (15P) requirements 61 . Diets were made in-house (Supplementary Table S1) using ingredients from Dyets, Inc. (Bethlehem, PA, USA). Three experiments were conducted. In experiment 1, to determine the metabolic responses to the duration of protein deprivation, rats (n = 8/group) were randomized to 0P for 14 days, 0P for 21 days, or 15P, during the restriction phase followed by a realimentation phase with feeding on 15P diet for 28 or 21 days. Since the metabolic responses were similar between 14 vs 21 days of protein deprivation, in experiment 2, rats (n = 4–8/group) were randomized to either 15P, 10P, 5P or 0P for 14 days of restriction followed by 14 days of realimentation on the 15P diet. Multiple energy balance parameters were measured in both phases. In experiment 3, the rats (n = 8–10/group) were randomly assigned to identical treatment groups as indicated above for experiment-2, and fed the test diets for 14 days followed by a meal challenge and subsequent tissue sampling.

Metaboliska mätningar

Food intake and energy expenditure were recorded daily using CLAMS ® throughout the study (Supplementary Methods) as we reported previously 5 . The rats were weighed twice a week and body composition was measured weekly using a Minispec LF110® NMR Analyzer (Bruker Corporation, Milton, ON, Canada). IPGTT was performed in all animals at d 10–13 as we previously described 5, 62 . Gross energy content (kilocalories per gram) of fecal samples collected towards the end of the first and second week of the study were analyzed by bomb calorimetry (1341 Plain Jacket Bomb Calorimeter, Parr Instrument Company, Moline, IL, USA) and energy digestibility calculated from the differences between total energy intake and fecal energy output.

Blockade of 5HT3 receptors and β-AR

To assess the role of 5HT3 receptors and β-AR in energy balance, ondansetron (Ondansetron hydrochloride, Tocris, Burlington, ON, Canada, #2891) a selective 5HT3 receptor antagonist, and propranolol (Propranolol hydrochloride; Sigma-Aldrich, Oakville, ON, Canada, #P8688) a β1 and β2-AR blocker, were administered on d 6–8 and 15–17, respectively. In a cross-over design, following an overnight fast, each animal received intraperitoneal injection of saline or ondansetron (0.5 ml; 1 mg/kg in sterile 0.9% saline) 29, 30, 31 at 1030 h (30 min before the onset of dark period) with ~48 h between injections. Similarly, overnight fasted rats received subcutaneous injection of either saline or propranolol (0.5 ml; 10 mg/kg in sterile 0.9% saline) 20, 63 .

Meal test and tissue harvesting

In experiment 3, on d 19, following an overnight fast, rats were allowed to freely consume their usual treatment diet for 1 h after dark onset (1100 h). Blood samples were obtained from the saphenous vein before (0 min) and at 60 and 120 min after onset of food access, plasma separated, and various tissues sampled at termination (Supplementary Materials and Methods). Blood glucose concentrations were measured using a glucometer at the above mentioned time points (Accu-Chek®; Roche Diagnostics, QC, Canada).

Plasma hormones and amino acids

Plasma concentrations of PYY, GIP, amylin, insulin, C-peptide and leptin were measured in duplicate using a Milliplex® Map rat gut hormone panel (Millipore, Luminex Corp., Austin, TX; RGT 88 K) on a Luminex® platform (Bio-Plex 200) following our published procedures 5, 62 . Plasma FGF21 concentrations were measured using a commercially available rat/mouse FGF21 ELISA kit (EMD Millipore Corporation, Saint Charles, MO, USA, #EZRMFGF21–26 K). The intra-assay coefficient of variation for PYY, GIP, amylin, insulin, C-peptide, leptin and FGF21 were 8.42, 19.21, 11.45, 3.46, 5.03, 8.13 and 3.75%, respectively. Terminal postprandial samples were used for measuring plasma amino acid concentrations (Supplementary Materials and Methods).

Immunoblot and reverse transcription semi-quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR) analyses

Immunoblotting was performed (see Supplementary Methods and Supplementary Table S5) for eIF2α, peIF2α (Ser 51 ), ATF4, and HADH in liver following our published procedures 5, 62, 64 . RT-qPCR was performed (see Supplementary Methods and Supplementary Table S6) for GCN2, ATF4, FGF21, β-Klotho, SLC38A2, SLC7A5, SLC3A2, BCKDH, CD36, FAS, CPT1, SERT, TPH1, β3-AR, UCP1, UCP3, irisin, and PGC1-α in BAT, muscle and liver following our published procedures 5, 62, 64 .

Statistisk analys

Repeated measures on energy intake, energy expenditure, body composition, body weight, IPGTT and plasma hormones were analyzed by linear mixed models using SPSS (IBM® SPSS® Statistics Version 22, Armonk, NY, USA). Metabolic measurements during the 14-day protein restriction phase of experiments 1 to 3 were combined prior to analyses. The fixed effects of dietary treatment, time and the interaction of dietary treatment and time were included in the model. In addition, energy expenditure was also analyzed by incorporating lean mass as a covariate in the above model, followed by ANCOVA at each time point. For ondansetron and propranolol effects on energy intake and energy expenditure, data were modeled to include fixed effects of dietary treatment, drug, time and interactions of dietary treatment, drug and time. Animal nested in dietary treatment was the random variable on which repeated measures were taken and covariance structures modeled either as compound symmetry, heterogenous compound symmetry, first-order antedependence, autoregressive, heterogenous autoregressive or toeplitz. Discrete data on plasma amino acids, AUC for drug effects on energy expenditure, digestible energy, feed efficiency, and protein and mRNA abundance of tissue markers, were analyzed by one-way ANOVA with dietary treatment as a between-subject factor. Means were separated by Dunnett's post hoc test with 15P dietary treatment as the control. For drug effects within groups, paired t-test was used to separate means. Data are presented as the mean ± standard error of the mean (SEM). P values < 0.05 were considered to declare significant difference and trends were indicated at P values < 0.10.

ytterligare information

How to cite this article : Pezeshki, A. et al. Low protein diets produce divergent effects on energy balance. Sci. Rep. 6, 25145; doi: 10.1038/srep25145 (2016).

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.