Risposta ipotalamica attenuata al fruttosio tramite una via intestino-cervello dedicata. / Attenuated hypothalamic response to fructose via a dedicated gut-brain pathway
Risposta ipotalamica attenuata al fruttosio tramite una via intestino-cervello dedicata. / Attenuated hypothalamic response to fructose via a dedicated gut-brain pathway
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Figura Il fruttosio induce la secrezione di PYY ed il suo recettore è necessario affinché il fruttosio post-ingestione inibisca l'attività del neurone AgRP / Fructose induces PYY secretion, and its receptor is necessary for post-ingestive fructose to inhibit AgRP neuron activity
Nel profondo dell'ipotalamo, i neuroni che esprimono la proteina correlata all'agouti (AgRP) sono regolatori chiave del comportamento alimentare che sono attivi in caso di deficit energetico e vengono rapidamente inibiti dal rilevamento dei nutrienti nell'intestino. Il nostro precedente lavoro ha dimostrato che i neuroni afferenti sensoriali primari trasmettono segnali nutritivi dall'intestino ai neuroni AgRP: i neuroni afferenti spinali, ma non quelli vagali, sono necessari per l'inibizione dei neuroni AgRP mediata dal glucosio, mentre il grasso coinvolge il nervo vago per inibire questi neuroni. Nonostante questa diversità nelle vie afferenti, il modello prevalente è che l'attività dei neuroni AgRP sia proporzionale all'assunzione calorica, diminuendo proporzionalmente al rilevamento dei nutrienti.
In questo studio, mettiamo in discussione questo modello rivelando che l'asse intestino-cervello codifica l'identità dello zucchero piuttosto che il suo valore calorico. Dimostriamo che il fruttosio è molto meno efficace, a parità di calorie, nell'inibire l'attività dei neuroni AgRP, indipendentemente da come viene consumato. Dimostriamo inoltre che il fruttosio attiva una specifica via intestino-vagale-cervello che coinvolge la segnalazione PYY per inibire i neuroni AgRP, un meccanismo distinto da quello con cui il glucosio inibisce l'attività dei neuroni AgRP. Nel complesso, questi risultati rivelano una fondamentale dissociazione tra l'assunzione calorica e la segnalazione dei neuroni AgRP, fornendo una spiegazione a livello di circuito di come i diversi zuccheri influenzino in modo differente il comportamento alimentare.
Risultati
Il fruttosio produce una debole risposta di attività dei neuroni AgRP rispetto ad altri zuccheri.
Utilizzando le registrazioni di fotometria a fibra dell'indicatore di calcio GCaMP6s come proxy per l'attività neuronale, abbiamo dato a topi abituati allo zucchero e privati del cibo accesso a soluzioni di fruttosio o glucosio mentre monitoravamo l'attività dei neuroni AgRP. Come previsto, il consumo orale di glucosio ha inibito significativamente l'attività dei neuroni AgRP. Sorprendentemente, tuttavia, il consumo di fruttosio ha avuto un impatto minimo sull'attività dei neuroni AgRP. Dato che i roditori generalmente consumano più glucosio che fruttosio dopo l'esperienza con gli effetti post-ingestivi degli zuccheri, abbiamo poi monitorato l'attività dei neuroni AgRP in topi naive allo zucchero per determinare se gli effetti differenziali sull'attività dei neuroni AgRP esistono alla prima esposizione allo zucchero, prima della formazione della preferenza. Ancora una volta, il fruttosio si è dimostrato molto meno efficace nell'inibire l'attività dei neuroni AgRP rispetto al glucosio, nonostante il consumo equivalente di entrambi gli zuccheri. Queste differenze nell'attività dei neuroni AgRP in risposta al fruttosio ed al glucosio sono emerse solo con un consumo prolungato di zucchero (nell'arco di minuti). Al contrario, le risposte acute dell'attività dei neuroni AgRP (nell'arco di secondi) intorno al primo episodio di leccata non differivano tra i due zuccheri.
Poiché i neuroni AgRP richiedono un feedback post-ingestivo per un'inibizione sostenuta, abbiamo quindi impiantato nei topi cateteri duodenali o gastrici cronici per misurare le risposte dei neuroni AgRP alla somministrazione intestinale di zuccheri. La soppressione dell'attività dei neuroni AgRP da parte di diverse concentrazioni di fruttosio infuse nel duodeno il principale sito di assorbimento dei nutrienti – o nello stomaco è risultata significativamente attenuata rispetto alle infusioni di glucosio. L'impatto dell'infusione di fruttosio sull'attività dei neuroni AgRP non è probabilmente dovuto alla conversione del fruttosio in glucosio, poiché le infusioni di fruttosio non hanno determinato livelli elevati di glucosio nel sangue durante il periodo di registrazione della fotometria a fibre. Non è inoltre del tutto spiegato dalla percezione osmotica piuttosto che da quella nutrizionale, poiché gli effetti del fruttosio erano maggiori di quelli del mannitolo, un alcol zuccherino altamente osmotico ma metabolicamente inerte. Inoltre, l'inibizione dei neuroni AgRP da parte del saccarosio, un disaccaride contenente una molecola di fruttosio e una di glucosio, si avvicina all'inibizione media del fruttosio e del glucosio, riflettendo probabilmente l'idrolisi intestinale e la successiva segnalazione dei singoli monosaccaridi. Nel complesso, il fruttosio è meno efficace di quantità equicaloriche di glucosio nel sopprimere l'attività dei neuroni AgRP indipendentemente dalla concentrazione di zucchero, dalla via di somministrazione o dall'esperienza. Questi risultati suggeriscono che i neuroni AgRP non rispondono solo al valore calorico del cibo ma a caratteristiche specifiche dei nutrienti post-ingestivi.
Le risposte graduali dell'attività dei neuroni AgRP guidano la preferenza alimentare
Quali sono le conseguenze funzionali della differenza nelle risposte dei neuroni AgRP al fruttosio ed al glucosio sul comportamento alimentare? Abbiamo innanzitutto testato l'ipotesi che la risposta attenuata dei neuroni AgRP al fruttosio comporti una ridotta sazietà. A tal fine, abbiamo somministrato ai topi un precarico di fruttosio o glucosio e monitorato la successiva assunzione di cibo. Non abbiamo osservato alcuna differenza nell'assunzione di cibo, nella dimensione dei pasti o nel numero di pasti tra i topi a cui era stato somministrato fruttosio o glucosio. Questa assenza di effetto è persistita nei topi a cui era stato somministrato zucchero per via orale o tramite un precarico gastrico o che consumavano mangime standard o una dieta appetibile ad alto contenuto di grassi. Pertanto, la ridotta attività dei neuroni AgRP al fruttosio non si traduce direttamente in un cambiamento acuto nell'assunzione di cibo.
Abbiamo quindi esplorato il motivo per cui il fruttosio ha effetti simili sull'assunzione di cibo rispetto al glucosio, nonostante la sua minore inibizione dell'attività dei neuroni AgRP. Poiché è stato dimostrato che il fruttosio, rispetto al glucosio, aumenta il contenuto di acqua intestinale, abbiamo verificato se le differenze nella distensione potessero essere alla base di questi infuso mannitolo, che è iperosmotico e produce effetti. Come controllo positivo, abbiamo anche distensione. In effetti, l'infusione di fruttosio o mannitolo ha causato una distensione significativamente maggiore rispetto all'infusione di glucosio, come misurato dal contenuto intestinale 30 minuti dopo l'infusione. Questa distensione probabilmente contribuisce alla soppressione dell'assunzione di cibo mediata dal fruttosio, poiché la sola distensione è sufficiente a inibire l'assunzione di cibo. Per determinare che questo effetto si verifica indipendentemente dall'attività dei neuroni AgRP, abbiamo fornito una stimolazione optogenetica dei neuroni AgRP a topi a digiuno durante un'infusione di fruttosio o glucosio, impedendo l'inibizione dei neuroni AgRP innescata dall'infusione. Questa stimolazione optogenetica ha bloccato gli effetti sazianti del glucosio, ma non quelli del fruttosio o del mannitolo, che inducono distensione. Nel complesso, questi dati suggeriscono ulteriormente meccanismi distinti attraverso i quali il fruttosio e il glucosio vengono percepiti dai neuroni AgRP e sopprimono l'assunzione di cibo.
Dato che è stato dimostrato che l'inibizione dei neuroni AgRP condiziona la preferenza per i sapori, abbiamo quindi verificato se le differenze nell'attività dei neuroni AgRP in risposta al fruttosio e al glucosio siano indicative per la scelta del cibo. In primo luogo, abbiamo confermato che i topi abituati allo zucchero preferiscono nettamente il glucosio al fruttosio in un test di preferenza a due bottiglie. Successivamente, per determinare se questa preferenza comportamentale sia spiegata dalle differenze nell'attività dei neuroni AgRP, abbiamo progettato una strategia chemogenetica per mimare l'inibizione dei neuroni AgRP da parte del fruttosio o del glucosio. Abbiamo incrociato topi AgRP-ires-Cre con topi hM4Di floxati e abbiamo effettuato registrazioni dell'attività dei neuroni AgRP per caratterizzare diversi livelli di inibizione dei neuroni AgRP. L'aumento delle concentrazioni del ligando selettivo hM4Di, clozapina-N-ossido (CNO), ha prodotto un'inibizione dose-dipendente dell'attività dei neuroni AgRP, consentendoci di selezionare dosi di CNO che riproducono l'inibizione dei neuroni AgRP osservata durante l'infusione di fruttosio o glucosio. Per chiarezza, ci riferiamo a queste dosi rispettivamente come "CNO fruttosio" (0,1 mg/kg) e "CNO glucosio" (1,0 mg/kg).
Abbiamo quindi associato la condizione CNO fruttosio all'assunzione di un sapore arbitrario e la condizione CNO glucosio all'assunzione di un secondo sapore distinto per il quale i topi non avevano alcuna preferenza iniziale. In tutte le sessioni di addestramento, il CNO è stato somministrato 5 minuti dopo che ciascun topo aveva assaggiato per la prima volta il sapore, assicurando che potessero associare l'inibizione del neurone AgRP al sapore associato. Durante l'addestramento, non sono state riscontrate differenze significative nel numero di leccate tra i sapori associati. Come previsto, i topi di controllo (AgRP:Ai9) hanno mostrato preferenze uguali per i sapori dopo l'addestramento. Al contrario, quasi tutti i topi sperimentali (AgRP:hM4Di) hanno spostato la loro preferenza dal sapore associato al CNO fruttosio verso il sapore associato al CNO glucosio, nonostante non vi fossero differenze nel numero totale di leccate tra i sapori. Nel loro insieme, questi dati dimostrano che le differenze nell'attività dei neuroni AgRP in risposta al fruttosio e al glucosio non influiscono direttamente sulla sazietà, ma sono sufficienti a influenzare la scelta degli alimenti.
L'aggiunta di glucosio al fruttosio per produrre HFCS aumenta la preferenza e l'inibizione dei neuroni AgRP
Il fruttosio viene comunemente aggiunto agli alimenti sotto forma di sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (HFCS), una soluzione molto appetibile per gli esseri umani in cui il contenuto di zucchero comprende circa il 55% di fruttosio e il 45% di glucosio. Sebbene i topi preferissero nettamente il glucosio al fruttosio, mostravano una preferenza equivalente per il glucosio e l'HFCS. Inoltre, sia l'accesso a breve termine che quello prolungato a queste soluzioni hanno rivelato che il glucosio e l'HFCS vengono consumati in quantità elevate, mentre l'assunzione di fruttosio rimane inferiore. In linea con le preferenze comportamentali, abbiamo dimostrato che l'HFCS causa una maggiore inibizione dei neuroni AgRP rispetto al fruttosio e, ad alte dosi, è indistinguibile dal glucosio. Nel complesso, questi dati dimostrano che l'aggiunta di glucosio al fruttosio aumenta notevolmente la preferenza e l'inibizione dei neuroni AgRP, il che potrebbe spiegare perché l'HFCS è così ampiamente consumato nel nostro ambiente alimentare moderno.
Il fruttosio provoca il rilascio di PYY, che inibisce l'attività dei neuroni AgRP.
Dopo aver identificato che il fruttosio è meno efficace del glucosio nell'inibire l'attività dei neuroni AgRP con conseguenze sulla preferenza alimentare, abbiamo cercato di determinare le vie intestino-cervello attraverso le quali il fruttosio comunica con i neuroni AgRP. Dato che l'attività dei neuroni AgRP è inibita dagli ormoni intestinali rilasciati in seguito alla percezione dei nutrienti, abbiamo ipotizzato che le differenze nell'inibizione dei neuroni AgRP tra fruttosio e glucosio siano dovute a una secrezione ormonale differenziale. Abbiamo innanzitutto utilizzato un ELISA multiplex per misurare i livelli circolanti di ormoni intestinali dopo l'infusione di fruttosio, glucosio o acqua ( Figura A). Nel complesso, fruttosio e glucosio hanno portato a profili distinti di ormoni intestinali circolanti e il fruttosio è risultato generalmente un secretagogo meno potente di diversi ormoni a 10 minuti dall'infusione. È interessante notare, tuttavia, che a 30 minuti dall'infusione, il fruttosio, rispetto al glucosio, ha innescato un aumento dei livelli plasmatici di peptide YY (PYY) e peptide-1 simile al glucagone (GLP-1) ( Figure B e C), noti mediatori del comportamento alimentare che vengono entrambi rilasciati dalle cellule L intestinali.
Abbiamo quindi verificato se questi siano coinvolti nelle risposte dei neuroni AgRP al fruttosio. In primo luogo, abbiamo creato un cocktail di antagonisti per gli ormoni intestinali noti per inibire l'attività dei neuroni AgRP : PYY, GLP-1, colecistochinina (CCK), amilina e serotonina. Il pretrattamento con questo cocktail ha attenuato significativamente la soppressione dell'attività dei neuroni AgRP mediata dal fruttosio, ma non quella mediata dal glucosio. Per determinare l'ormone o gli ormoni coinvolti in questo effetto, abbiamo applicato sistematicamente ciascun antagonista del recettore agli stessi topi in modo controbilanciato in diverse prove di infusioni intestinali di fruttosio. Questa analisi ha rivelato che solo il blocco di un recettore per PYY (Npy2r, noto anche come recettore Y2), ma non nessuno degli altri antagonisti, ha attenuato l'inibizione dei neuroni AgRP da parte del fruttosio. Al contrario, né l'antagonismo del recettore Y2 ( Figure F e I) né gli antagonisti degli altri recettori del segnale di sazietà hanno attenuato gli effetti del glucosio sull'attività dei neuroni AgRP. Questi dati dimostrano che il fruttosio è un potente secretagogo del PYY e, a differenza del glucosio, inibisce i neuroni AgRP agendo sul recettore Y2.
Il fruttosio attiva i neuroni afferenti vagali che esprimono il recettore Y2
In che modo la segnalazione PYY indotta dal fruttosio influenza l'attività dei neuroni AgRP? I recettori Y2 sono espressi nella periferia e in tutto il cervello, inclusi i neuroni AgRP. Per determinare se la segnalazione centrale del recettore Y2 media gli effetti del fruttosio sull'attività dei neuroni AgRP, abbiamo somministrato un'infusione cerebrale (ventricolo laterale) di un antagonista selettivo del recettore Y2 prima dell'infusione intestinale di fruttosio, monitorando contemporaneamente l'attività in vivo dei neuroni AgRP. Il blocco centrale dei recettori Y2 non ha influenzato l'effetto del fruttosio somministrato per via intestinale sull'attività dei neuroni AgRP, suggerendo che il PYY rilasciato dal fruttosio agisce sui recettori Y2 periferici per inibire l'attività dei neuroni AgRP.
Il recettore Y2 è espresso sui neuroni afferenti vagali che innervano l'intestino ed altri organi, e il PYY aumenta l'attività del calcio vagale tramite il recettore Y2. Pertanto, abbiamo successivamente verificato se il fruttosio attiva la segnalazione vagale. Abbiamo utilizzato l'imaging in vivo dei neuroni sensoriali vagali situati nei gangli nodosi (NG) per monitorare le risposte del calcio all'infusione duodenale di fruttosio e glucosio. È importante sottolineare che ogni topo ha ricevuto infusioni duodenali di entrambi gli zuccheri in modo controbilanciato all'interno dello stesso soggetto, consentendoci di confrontare le risposte a entrambi gli zuccheri negli stessi singoli neuroni. In tutte le cellule vagali, abbiamo scoperto che il fruttosio e il glucosio attivano ciascuno una popolazione ampiamente distinta di neuroni afferenti vagal: dei neuroni attivati, solo l'11% è stato attivato sia dal fruttosio che dal glucosio. Confrontando le risposte al calcio al fruttosio e al glucosio, abbiamo scoperto che l'entità della risposta al glucosio era quasi il doppio rispetto alla risposta al fruttosio. Queste registrazioni iniziali dimostrano che il fruttosio e il glucosio attivano i neuroni afferenti vagali, reclutando popolazioni perlopiù non sovrapposte.
Poiché gli effetti del fruttosio, ma non del glucosio, sull'attività dei neuroni AgRP richiedevano la segnalazione del recettore Y2, abbiamo quindi cercato di determinare se il fruttosio e il glucosio modulassero l'attività dei neuroni afferenti vagali che esprimono il recettore Y2. A tal fine, abbiamo registrato l'attività del calcio nei neuroni NG in topi che esprimevano tdTomato nei neuroni che esprimono il recettore Y2, consentendoci di monitorare l'attività selettivamente nei neuroni che esprimono il recettore Y2 allineando i segnali GCaMP6 con i segnali tdTomato. Nei neuroni vagali che esprimono il recettore Y2, abbiamo trovato un modello di attivazione simile a quello osservato nella popolazione più ampia: la maggior parte delle cellule reattive era attivata dal fruttosio (42%) o dal glucosio (34%), con solo una piccola popolazione (24%) attivata da entrambi gli zuccheri. Tuttavia, a differenza dell'intera popolazione di neuroni vagali, la dinamica media del calcio nei neuroni attivati dal fruttosio era paragonabile in termini di entità ( media del punteggio Z ) a quella dei neuroni attivati dal glucosio. In topi separati, per confermare che le cellule attivate dal fruttosio rispondevano a segnali nutritivi e non solo osmotici, abbiamo visualizzato tutti i neuroni afferenti vagali in risposta al fruttosio o allo stimolo osmotico mannitolo. Solo una piccola popolazione (13%) di neuroni sovrapposti è stata attivata sia dal fruttosio che dal mannitolo. Nel complesso, questi dati dimostrano l'esistenza di una popolazione unica di neuroni afferenti vagali attivati dal fruttosio.
I neuroni che esprimono il recettore vagale Y2 sono necessari per l'inibizione dei neuroni AgRP mediata dal fruttosio
Poiché il fruttosio attiva i neuroni afferenti vagali, abbiamo quindi cercato di determinare se il nervo vago contribuisca alle modifiche dell'attività dei neuroni AgRP mediate dal fruttosio. Questo è fondamentale perché il glucosio, che attiva anch'esso i neuroni afferenti vagali, richiede i neuroni afferenti spinali, ma non quelli vagali, per inibire i neuroni AgRP. Per verificare questa possibilità, abbiamo prima eseguito una vagotomia sottodiaframmatica completa e, come controllo positivo, abbiamo verificato che questa manipolazione bloccasse l'inibizione dei neuroni AgRP da parte del segnale di sazietà CCK. La vagotomia ha bloccato completamente gli effetti del fruttosio, ma non del glucosio, sull'attività dei neuroni AgRP.
Infine, per determinare se i neuroni afferenti vagali che esprimono il recettore Y2 siano necessari per gli effetti del fruttosio sull'attività dei neuroni AgRP, abbiamo incrociato topi Npy2r-ires-Cre con topi Npy-ires2-FlpO . Poiché i neuroni AgRP co-esprimono il neuropeptide Y (NPY), abbiamo iniettato un GCaMP6s dipendente da FlpO nell'ipotalamo arcuato per monitorare l'attività dei neuroni AgRP/NPY tramite fotometria a fibre. Successivamente, abbiamo iniettato bilateralmente un frammento A della tossina difterica (DTA) dipendente da Cre nel NG per ablare selettivamente i neuroni che esprimono il recettore Y2. I topi Cre-negativi con iniezione di DTA nel NG sono serviti da controlli. L'ablazione dei neuroni afferenti vagali Y2 ha abrogato gli effetti del fruttosio, ma non del glucosio, sull'attività dei neuroni AgRP, rivelando il ruolo critico di questi neuroni vagali per gli effetti del fruttosio sull'attività dei neuroni AgRP. Nel complesso, questi dati dimostrano che l'infusione intestinale di fruttosio attiva una popolazione distinta di neuroni afferenti vagali e che i neuroni che esprimono il recettore Y2 del nervo vago sono necessari per l'inibizione dei neuroni AgRP mediata dal fruttosio.
Discussione
I nostri dati dimostrano che il fruttosio attiva un percorso intestino-vagale-cervello distinto che converge sui neuroni AgRP ipotalamici e che il fruttosio è costantemente meno efficace del glucosio nell'inibire l'attività di questi neuroni. I nostri risultati suggeriscono inoltre un rilascio differenziale di ormoni intestinali postprandiali e l'attivazione di percorsi neurali intestino-cervello distinti da parte del fruttosio e del glucosio. In particolare, il fruttosio ha causato livelli più elevati e più sostenuti di PYY circolante rispetto al glucosio, in modo simile ai risultati di studi su esseri umani che hanno bevuto soluzioni di glucosio o fruttosio A differenza del glucosio, che richiede la segnalazione afferente intestino-spinale, il fruttosio e il PYY attivano un percorso afferente vagale per inibire l'attività dei neuroni AgRP. Pertanto, oltre alle note differenze nel metabolismo del fruttosio e del glucosio negli organi periferici, abbiamo scoperto che questi zuccheri attivano anche meccanismi completamente diversi per la comunicazione intestino-cervello con i circuiti della fame, che in definitiva contribuiscono alla preferenza per gli zuccheri.
I neuroni AgRP sono noti da tempo come sensori centrali dei nutrienti, e recenti studi suggeriscono che l'attività dei neuroni AgRP in vivo sia inibita in proporzione al contenuto calorico post-ingestivo, indipendentemente dalla fonte dei nutrienti. I nostri risultati rompono questa relazione rivelando che il fruttosio, indipendentemente dalla concentrazione di zucchero, dalla via di somministrazione o dall'esperienza, è meno efficace del glucosio e di altri nutrienti nell'inibire l'attività dei neuroni AgRP. Questo risultato è coerente con i dati fMRI umani che dimostrano che il glucosio, ma non il fruttosio, riduce significativamente il flusso sanguigno cerebrale ipotalamico, un marker indiretto dell'attività neurale. È interessante notare che altri recenti risultati suggeriscono inibitori non calorici dell'attività dei neuroni AgRP, come lo stress acuto, il dolore acuto, i farmaci stimolanti o gli stimoli sociali nei topi neonati e giovani. Nel complesso, questi studi indicano che i neuroni AgRP sono modulati in modo differenziato da diversi tipi di nutrienti e stimoli ambientali.
Esistono almeno due possibili interpretazioni del risultato secondo cui il fruttosio provoca cambiamenti minori sui neuroni AgRP rispetto al glucosio. La prima possibilità è che vi sia un deficit generale nella risposta dell'asse intestino-cervello al fruttosio rispetto ad altri zuccheri/macronutrienti. Ciò potrebbe essere dovuto alle differenze di efficienza energetica tra fruttosio e glucosio, ma dato che il fruttosio richiede solo leggermente più energia del glucosio per il suo metabolismo, è improbabile che ciò spieghi le differenze piuttosto ampie osservate nell'attività dei neuroni AgRP. Inoltre, glucosio e fruttosio attivano un numero simile di neuroni afferenti vagali che esprimono il recettore Y2 non sovrapposti, e l'entità dell'attivazione di questi neuroni è simile per entrambi gli zuccheri, suggerendo che non vi sia un deficit generale negli effetti del fruttosio sull'asse intestino-cervello. Infine, se questa interpretazione fosse corretta, il ridotto impatto della segnalazione del fruttosio intestino-cervello porterebbe a una ridotta sazietà, come riportato in alcuni studi precedenti ma che rimane oggetto di dibattito. Infatti, nei nostri studi sistematici, un precarico di fruttosio non differiva da un precarico di glucosio nella sua capacità di influenzare l'assunzione di cibo successiva, indipendentemente dalla via di assunzione dello zucchero (cioè, consumo orale o somministrazione gastrica) o dal tipo di cibo consumato (cioè, mangime standard o una dieta appetibile ad alto contenuto di grassi), risolvendo questo dibattito almeno nei topi. Com'è possibile che la ridotta inibizione dei neuroni AgRP, strettamente legata all'assunzione di cibo successiva, da parte del fruttosio non porti a un aumento dell'appetito? Contrariamente ai suoi modesti effetti sull'attività dei neuroni AgRP, il fruttosio causa una distensione gastrointestinale molto maggiore rispetto al glucosio, sia nei topi che negli esseri umani. Questa maggiore distensione fornisce un segnale di sazietà post-ingestivo che riduce l'assunzione di cibo indipendentemente dall'inibizione dei neuroni AgRP.
La seconda possibilità è che i neuroni AgRP non rispondano semplicemente ai segnali calorici, ma piuttosto al tipo di nutriente per prevedere fonti di energia rapide o forse anche i futuri fabbisogni energetici. In questo caso, il fruttosio ha effetti minori sull'attività acuta dei neuroni AgRP, poiché viene utilizzato per l'immagazzinamento di energia e rappresenta la disponibilità di energia a lungo termine piuttosto che a breve termine.Infatti, mentre entrambi gli zuccheri iniziano a segnalare rapidamente – entro pochi secondi o minuti – al momento del rilevamento nell'intestino, il trasporto del fruttosio è passivo e saturabile, a differenza del glucosio, che viene trasportato e utilizzato rapidamente, il che potrebbe essere alla base dei livelli di PYY persistentemente elevati che abbiamo osservato. I nostri dati supportano questa possibilità, in quanto suggeriscono che i topi preferiscono la maggiore inibizione dell'attività dei neuroni AgRP che predice una rapida disponibilità di energia, ovvero quella legata all'assunzione di glucosio (rispetto alle minori variazioni dell'attività dei neuroni AgRP legate all'assunzione di fruttosio). Questo effetto dell'inibizione dei neuroni AgRP sulla scelta del cibo probabilmente si estende oltre la preferenza per gli zuccheri. Ad esempio, l'inibizione rapida, robusta e sostenuta dei neuroni AgRP verso altri alimenti ad alta densità energetica come il burro di arachidi, Ensure, o una dieta ricca di grassi e zuccheri conferirebbe anche preferenze condizionate. Nel complesso, questi risultati sottolineano il ruolo chiave dei neuroni AgRP nel guidare la preferenza alimentare ed evidenziano la capacità dei topi di differenziare tra sapori associati a livelli graduati di inibizione dei neuroni AgRP.
Riportiamo una popolazione di neuroni afferenti vagali che viene attivata dal fruttosio ma non dal glucosio. Sebbene questo risultato contrasti con i dati delle registrazioni elettrofisiologiche del tronco cervicale del vago che hanno osservato un'attivazione mediata dal glucosio, ma non dal fruttosio, la nostra strategia per l'imaging del calcio in vivo di singoli neuroni afferenti vagali ha probabilmente consentito misurazioni dell'attività più sensibili. Questo approccio ha rivelato due popolazioni vagali distinte, di dimensioni pressoché uguali, che rispondono al fruttosio o al glucosio e una popolazione più piccola che risponde a entrambi gli zuccheri (potenzialmente sensori osmotici, poiché abbiamo osservato una percentuale altrettanto piccola di cellule che rispondono sia al fruttosio che al mannitolo). Questi risultati sono coerenti con uno studio che mostra che pochi (<10%) neuroni afferenti vagali che rispondono al glucosio sono attivati anche dal fruttosio.
In che modo il fruttosio influenza la segnalazione vagale e, in definitiva, l'attività dei neuroni AgRP? I nostri risultati indicano che questi effetti dipendono dal rilascio di PYY e dalla successiva segnalazione del recettore Y2. Precedenti studi hanno anche dimostrato che il PYY aumenta l'attività del calcio nei neuroni vagali in coltura, un effetto che risulta attenuato nei neuroni coltivati da topi knockout per il recettore Y2 specifico per NG. Un limite del nostro studio, tuttavia, è che, sebbene dimostriamo che i neuroni afferenti vagali che esprimono il recettore Y2 rispondono al fruttosio e sono necessari per la successiva inibizione dei neuroni AgRP, non abbiamo testato direttamente il ruolo del recettore vagale Y2 stesso. Sebbene i recettori Y2 siano altamente espressi sui terminali afferenti vagali, sono espressi anche su altri tessuti/organi periferici, tra cui i gangli delle radici dorsali e il midollo spinale, il tessuto adiposo, il tratto gastrointestinale e il rene. Pertanto, studi futuri dovrebbero confermare tramite studi knockout che i recettori vagali Y2, e non altre popolazioni di recettori Y2, mediano gli effetti del fruttosio sull'attività dei neuroni AgRP.
I nostri risultati rivelano che il fruttosio e il glucosio attivano percorsi intestino-cervello completamente diversi per inibire i neuroni AgRP. Il nostro lavoro precedente ha dimostrato che il glucosio non richiede la segnalazione vagale per inibire l'attività nei neuroni AgRP, anche se i neuroni afferenti vagali sono attivati dal glucosio e sono coinvolti nel rinforzo dello zucchero e nella segnalazione della dopamina. Qui, confermiamo che la segnalazione vagale non è necessaria per l'inibizione dei neuroni AgRP da parte del glucosio e dimostriamo che è in realtà essenziale per l'inibizione da parte del fruttosio. Allo stesso modo, mostriamo che l'inibizione dei neuroni AgRP da parte del fruttosio, ma non del glucosio, richiede una segnalazione intatta del recettore PYY-Y2. Al contrario, gli effetti del glucosio sull'attività dei neuroni AgRP non richiedono la segnalazione ormonale, sebbene la segnalazione del recettore del polipeptide insulinotropico glucosio-dipendente (GIP) possa essere parzialmente coinvolta. Questi risultati sollevano la possibilità che circuiti divergenti possano trasmettere segnali di fruttosio e glucosio in tutto il cervello. Dato che sia i circuiti afferenti vagali che quelli spinali proiettano al rombencefalo, sarà interessante determinare se popolazioni neuronali simili o diverse (e singoli neuroni) nelle regioni cerebrali di primo ordine e nei circuiti a valle siano attivate dal fruttosio e dal glucosio. Inoltre, l'imaging a singola cellula dei neuroni AgRP rivelerà se questi zuccheri inibiscono gli stessi o diversi singoli neuroni.
Le diete obesogene alterano l'attività neurale nel nervo vago, nell'ipotalamo, e nei centri di ricompensa mesolimbici. È interessante notare che sia le diete ricche di grassi che quelle ricche di saccarosio compromettono le risposte dei neuroni AgRP ai segnali derivati dall'intestino. L'attuale scoperta che la segnalazione del fruttosio ipotalamico è attenuata rispetto ad altri nutrienti, anche negli animali magri, giustifica ulteriori ricerche su come e se il consumo cronico di fruttosio/HFCS influisca sulla segnalazione intestino-cervello in vivo e su aspetti più ampi della salute metabolica. Alcuni studi su esseri umani e modelli animali indicano che un'eccessiva assunzione di fruttosio altera l'appetito, promuove la sintesi lipidica e contribuisce a una maggiore incidenza di sintomi di malattie metaboliche. Ad esempio, uno studio clinico randomizzato ha dimostrato che il fruttosio, rispetto al consumo di glucosio, aumenta l'adiposità viscerale, promuove la lipogenesi e diminuisce la sensibilità all'insulina nei soggetti umani. Al contrario, uno studio sull'iperalimentazione ha suggerito che il fruttosio non differisce dal glucosio, dal saccarosio o dai grassi nella sua capacità di promuovere la deposizione di grasso. Gli effetti del fruttosio sulla salute metabolica a lungo termine rimangono quindi oggetto di dibattito, nonostante la sua ampia presenza nella dieta occidentale. È interessante notare che il nostro lavoro dimostra che l'aggiunta di glucosio al fruttosio aumenta la preferenza, il che potrebbe spiegare perché lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (HFCS) sia così apprezzato. Inoltre, rivela come il fruttosio venga percepito in modo diverso rispetto ad altri zuccheri dal nervo vago e dai centri centrali dell'alimentazione e che questa differenza abbia implicazioni funzionali per la preferenza alimentare. Nel complesso, questo lavoro sottolinea la grande complessità della segnalazione nutrizionale tra intestino e cervello, poiché persino gli zuccheri semplici utilizzano percorsi sorprendentemente diversi per influenzare il comportamento alimentare.
ENGLISH
Deep within the hypothalamus, agouti-related protein (AgRP)-expressing neurons are key regulators of feeding behavior that are active in energy deficit and are rapidly inhibited by gut nutrient detection. Our previous work demonstrated that primary sensory afferent neurons transmit nutritive signals from the gut to AgRP neurons: spinal, but not vagal, afferent neurons are required for glucose-mediated AgRP neuron inhibition, whereas fat engages the vagus nerve to inhibit these neurons. Despite this diversity in afferent pathways, the prevailing model is that AgRP neuron activity scales with caloric intake, decreasing proportionally as nutrients are detected.
Here, we challenge this model by revealing that the gut-brain axis encodes sugar identity rather than caloric value. We show that fructose is much less effective, calorie for calorie, at inhibiting AgRP neuron activity, regardless of how it is consumed. We further demonstrate that fructose engages a dedicated gut-vagal-brain pathway involving PYY signaling to inhibit AgRP neurons, a mechanism distinct from that by which glucose inhibits AgRP neuron activity. Together, these findings uncover a fundamental dissociation between caloric intake and AgRP neuron signaling, providing a circuit-level explanation for how different sugars differentially influence feeding behavior.
Results
Fructose produces a weak AgRP neuron activity response compared with other sugars
Using fiber photometry recordings of the calcium indicator GCaMP6s as a proxy for neural activity, we gave sugar-habituated, food-deprived mice access to fructose or glucose solutions while monitoring the activity of AgRP neurons. As expected, oral consumption of glucose significantly inhibited AgRP neuron activity. Surprisingly, however, fructose consumption had minimal impact on AgRP neuron activity. Given that rodents generally consume more glucose than fructose after experience with the post-ingestive effects of the sugars, we next monitored AgRP neuron activity in sugar-naive mice to determine whether the differential effects on AgRP neuron activity exist at the first sugar exposure, prior to preference formation. Again, fructose was much less effective at inhibiting AgRP neuron activity compared with glucose, despite equal consumption of both sugars. These differences in AgRP neuron activity in response to fructose and glucose emerged only with extended sugar consumption (over minutes). By comparison, acute AgRP neuron activity responses (over seconds) surrounding the first lick bout did not differ between the sugars
Because AgRP neurons require post-ingestive feedback for sustained inhibition, we next implanted mice with chronic duodenal or gastric catheters to measure AgRP neuron responses to gut delivery of sugars. The suppression of AgRP neuron activity by multiple concentrations of fructose infused into either the duodenum the major site of nutrient absorption—or the stomach was significantly attenuated compared with glucose infusions. The impact of fructose infusion on AgRP neuron activity is not likely due to fructose-to-glucose conversion, as fructose infusions did not result in elevated blood glucose levels over the time frame of the fiber photometry recordings. It is also not entirely explained by osmotic rather than nutrient sensing, as the effects of fructose were greater than the effects of mannitol, a highly osmotic but metabolically inert sugar alcohol. Further, the AgRP neuron inhibition by sucrose—a disaccharide containing one molecule of fructose and one molecule of glucose—approximates the average inhibition of fructose and glucose, likely reflecting intestinal hydrolysis and subsequent signaling of the individual monosaccharides. Taken together, fructose is less effective than equicaloric amounts of glucose at suppressing AgRP neuron activity regardless of sugar concentration, route of administration, or experience. These findings suggest that AgRP neurons are not responding just to the caloric value of food but to specific characteristics of post-ingestive nutrients.
Graded AgRP neuron activity responses guide food preference
What are the functional consequences of the difference in AgRP neuron responses to fructose and glucose for feeding behavior? We first tested the hypothesis that the attenuated AgRP neuron response to fructose results in impaired satiation. To do so, we gave mice a preload of fructose or glucose and monitored subsequent food intake. We did not observe any differences in food intake, meal size, or meal number between mice provided fructose or glucose. This lack of an effect persisted in mice that were provided sugar or via a gastric preload or were consuming chow or a palatable, high-fat diet. Therefore, the reduced AgRP neuron activity to fructose does not directly translate to an acute change in food intake.
We next explored why fructose has similar effects on food intake compared with glucose, despite its smaller AgRP neuron activity inhibition. Because fructose compared with glucose has been shown to increase intestinal water content, we tested whether differences in distension may underlie these effects. As a positive control, we also infused mannitol, which is hyperosmotic and produces distension. Indeed, fructose or mannitol infusion caused significantly more distension compared with glucose infusion as measured by intestinal contents 30 min after the infusion . This distension likely contributes to fructose-mediated food intake suppression, as distension alone is sufficient to inhibit food intake. To determine that this effect occurs independently of AgRP neuron activity, we provided optogenetic stimulation of AgRP neurons to fasted mice during an infusion of fructose or glucose, preventing the infusion-triggered AgRP neuron inhibition. This optogenetic stimulation blocked the satiating effects of glucose but not distension-inducing fructose or mannitol. Overall, these data further suggest distinct mechanisms by which fructose and glucose are sensed by AgRP neurons and suppress food intake.
Given that AgRP neuron inhibition has been shown to condition flavor preference, we next tested whether the differences in AgRP neuron activity in response to fructose and glucose are instructive for food choice. First, we confirmed that sugar-habituated mice robustly prefer glucose to fructose in a two-bottle preference test. Next, to determine whether this behavioral preference is explained by differences in AgRP neuron activity, we designed a chemogenetic strategy to mimic the AgRP neuron inhibition by fructose or glucose. We crossed AgRP-ires-Cre mice to floxed hM4Di mice and performed AgRP neuron activity recordings to characterize different levels of AgRP neuron inhibition. Increasing concentrations of the selective hM4Di ligand, clozapine-N-oxide (CNO), produced a dose-dependent inhibition of AgRP neuron activity, enabling us to select CNO doses that reproduce the AgRP neuron inhibition observed during fructose or glucose infusion. For clarity, we refer to these respective doses as “CNO fructose” (0.1 mg/kg) and “CNO glucose” (1.0 mg/kg).
We next paired the CNO fructose condition with intake of an arbitrary flavor, and the CNO glucose condition with intake of a second, distinct flavor for which mice had no initial preference. In all training sessions, CNO was administered 5 min after each mouse first sampled the flavor, ensuring that they could associate the AgRP neuron inhibition with the paired flavor. During training, there were no significant differences in the number of licks between the paired flavors . As expected, control (AgRP:Ai9) mice displayed equal preferences for the flavors after training. By contrast, nearly all experimental (AgRP:hM4Di) mice shifted their preference away from the flavor paired with CNO fructose and toward the flavor paired with CNO glucose, despite no differences in the total number of licks across flavors. Taken together, these data demonstrate that the differences in AgRP neuron activity in response to fructose and glucose do not directly impact satiation but are sufficient to influence food choice.
Adding glucose to fructose to make HFCS increases preference and AgRP neuron inhibition
Fructose is commonly added to food in the form of high-fructose corn syrup (HFCS), a solution that is highly palatable to humans where sugar content comprises approximately 55% fructose and 45% glucose. Although mice greatly preferred glucose to fructose (Figure S5), they equally preferred glucose and HFCS. Further, both short-term and extended access to these solutions revealed that glucose and HFCS are highly consumed, whereas fructose intake remains lower. Consistent with behavioral preference, we showed that HFCS causes more AgRP neuron inhibition than fructose and at high doses is indistinguishable from glucose. Overall, these data demonstrate that the addition of glucose to fructose robustly increases preference and AgRP neuron inhibition, perhaps explaining why HFCS is so widely consumed in our modern food environment.
Fructose causes PYY release to inhibit AgRP neuron activity
Having identified that fructose is less effective than glucose at inhibiting AgRP neuron activity with consequences for food preference, we next sought to determine the gut-brain pathways through which fructose communicates with AgRP neurons. Given that AgRP neuron activity is inhibited by gut hormones released following nutrient sensing, we hypothesized that differences in AgRP neuron inhibition between fructose and glucose are due to differential hormonal secretion. We first used a multiplex ELISA to measure circulating levels of gut hormones following infusion of either fructose, glucose, or water (Figure A). Overall, fructose and glucose led to discrete profiles of circulating gut hormones, and fructose was generally a less potent secretagogue of several hormones at 10 min post-infusion. Notably, however, at 30 min post-infusion, fructose, compared with glucose, triggered increased plasma levels of peptide YY (PYY) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) (Figures B and C), known mediators of feeding behavior that are both released from intestinal L cells.
We therefore tested whether these are involved in AgRP neuron responses to fructose. First, we created a cocktail of antagonists for gut hormones known to inhibit AgRP neuron activity: PYY, GLP-1, cholecystokinin (CCK), amylin, and serotonin. Pretreatment with this cocktail significantly attenuated fructose-mediated, but not glucose-mediated AgRP neuron activity suppression. To determine the hormone(s) involved in this effect, we systematically applied each receptor antagonist to the same mice in a counterbalanced manner across different trials of gut fructose infusions. This analysis revealed that only blockade of a receptor for PYY (Npy2r, also known as the Y2 receptor), but not any of the other antagonists, attenuated the inhibition of AgRP neurons by fructose (Figures D–J). By contrast, neither Y2 receptor antagonism (Figures F and I) nor antagonists for the other satiation signal receptors attenuated the effects of glucose on AgRP neuron activity. These data demonstrate that fructose is a potent secretagogue of PYY, and unlike glucose, it inhibits AgRP neurons via action on the Y2 receptor.
Fructose engages Y2 receptor-expressing vagal afferent neurons
How does fructose-induced PYY signaling impact activity in AgRP neurons? Y2 receptors are expressed in the periphery and throughout the brain, including on AgRP neurons. To determine whether central Y2 receptor signaling mediates the effects of fructose on AgRP neuron activity, we gave a brain (lateral ventricle) infusion of a selective Y2 receptor antagonist prior to gut infusion of fructose while monitoring in vivo AgRP neuron activity. Central blockade of Y2 receptors did not influence the effect of gut-delivered fructose on AgRP neuron activity, suggesting that PYY released by fructose acts on peripheral Y2 receptors to inhibit AgRP neuron activity.
The Y2 receptor is expressed on vagal afferent neurons that innervate the intestine and other organs, and PYY increases vagal calcium activity via the Y2 receptor. Therefore, we next tested whether fructose engages vagal signaling. We employed in vivo imaging of vagal sensory neurons located in the nodose ganglia (NGs) to monitor calcium responses to duodenal infusion of fructose and glucose. Importantly, each mouse received duodenal infusions of both sugars in a within-subjects, counterbalanced manner, allowing us to compare responses to both sugars in the same individual neurons. Across all vagal cells, we found that fructose and glucose each activate a largely distinct population of vagal afferent neurons out of the activated neurons, only 11% were activated by both fructose and glucose. When comparing the calcium responses to fructose and glucose, we found that the magnitude of the response to glucose was almost two-fold higher than the response to fructose. These initial recordings demonstrate that fructose and glucose activate vagal afferent neurons, recruiting mostly non-overlapping populations.
Because the effects of fructose, but not glucose, on AgRP neuron activity required Y2 receptor signaling, we next sought to determine whether fructose and glucose modulate the activity of Y2 receptor-expressing vagal afferent neurons. To do so, we recorded calcium activity in NG neurons in mice expressing tdTomato in Y2 receptor-expressing neurons, allowing us to monitor activity selectively in Y2 receptor-expressing neurons by aligning GCaMP6s with tdTomato signals. In Y2 receptor-expressing vagal neurons, we found a similar pattern of activation to what we observed in the broader population: the majority of responsive cells were activated by either fructose (42%) or glucose (34%), with only a small population (24%) activated by both sugars. However, in contrast to the whole population of vagal neurons, the average calcium dynamics in fructose-activated neurons were comparable in magnitude (Z scored average) to those of the glucose-activated neurons. In separate mice, to confirm that fructose-activated cells were responding to nutritive and not just osmotic signals, we imaged all vagal afferent neurons in response to fructose or the osmotic stimulus mannitol. Only a small population (13%) of overlapping neurons were activated by both fructose and mannitol. Together, these data demonstrate a unique population of fructose-activated vagal afferent neurons.
Vagal Y2 receptor-expressing neurons are required for fructose-mediated AgRP neuron inhibition
Because fructose activates vagal afferent neurons, we next sought to determine whether the vagus nerve contributes to fructose-mediated AgRP neuron activity changes. This is critical because glucose, which also activates vagal afferent neurons, requires spinal, but not vagal, afferent neurons to inhibit AgRP neurons. To test this possibility, we first performed a complete subdiaphragmatic vagotomy and, as a positive control, verified that this manipulation blocked AgRP neuron inhibition by the satiation signal CCK. Vagotomy completely blocked the effects of fructose, but not glucose,12 on AgRP neuron activity.
Finally, to determine whether Y2 receptor-expressing vagal afferent neurons are required for the effects of fructose on AgRP neuron activity, we crossed Npy2r-ires-Cre mice to Npy-ires2-FlpO mice. Because AgRP neurons co-express neuropeptide Y (NPY), we injected a FlpO-dependent GCaMP6s into the arcuate hypothalamus to monitor AgRP/NPY neuron activity via fiber photometry. Next, we injected a Cre-dependent diphtheria toxin fragment A (DTA) bilaterally into the NG to selectively ablate Y2 receptor-expressing neurons. Cre-negative mice with NG DTA injection served as controls. Vagal afferent Y2 neuron ablation abrogated the effects of fructose, but not glucose, on AgRP neuron activity, revealing the critical role of these vagal neurons for the effects of fructose on AgRP neuron activity. Overall, these data demonstrate that intestinal infusion of fructose activates a discrete population of vagal afferent neurons and that vagus nerve Y2 receptor-expressing neurons are necessary for fructose-mediated AgRP neuron inhibition.
Discussion
Our data demonstrate that fructose engages a distinct gut-vagal-brain pathway that converges on hypothalamic AgRP neurons and that fructose is consistently less effective than glucose at inhibiting activity in these neurons. Our findings further suggest differential release of post-prandial gut hormones and the engagement of distinct gut-brain neural pathways by fructose and glucose. In particular, fructose caused greater and more sustained levels of circulating PYY compared with glucose, similar to findings from studies of humans who drank glucose or fructose solutions. Unlike glucose, which requires gut-spinal afferent signaling, fructose and PYY engage a vagal afferent pathway to inhibit activity in AgRP neurons. Therefore, in addition to the known differences in fructose and glucose metabolism in peripheral organs, we discovered that these sugars also engage completely different mechanisms for gut-brain communication with hunger circuits, which ultimately contribute to sugar preference.
AgRP neurons have long been known as central nutrient sensors, with recent reports suggesting that in vivo AgRP neuron activity is inhibited in proportion to post-ingestive calorie content, regardless of nutrient source. Our findings break this relationship by revealing that fructose—regardless of sugar concentration, route of administration, or experience—is less effective than glucose and other nutrients at inhibiting AgRP neuron activity. This finding is consistent with human fMRI data demonstrating that glucose, but not fructose, significantly reduces hypothalamic cerebral blood flow, an indirect marker of neural activity. Interestingly, other recent findings suggest non-caloric inhibitors of AgRP neuron activity, such as acute stress, acute pain, stimulant drugs, or social stimuli in infant and juvenile mice. Together, these studies indicate that AgRP neurons are differentially modulated by different types of nutrients and environmental stimuli.
There are at least two potential interpretations of the finding that fructose elicits smaller changes on AgRP neurons compared with glucose. The first possibility is that there is a broad deficit in how the gut-brain axis responds to fructose in comparison to other sugars/macronutrients. This could be due to the differences in energy efficiency between fructose and glucose, but given that fructose requires only slightly more energy than glucose for its metabolism, this is unlikely to explain the rather large observed differences in AgRP neuron activity. Further, glucose and fructose activate a similar number of non-overlapping Y2 receptor-expressing vagal afferent neurons, and the magnitude of activation of these neurons is similar across both sugars, suggesting there is not a broad deficit in the effects of fructose on the gut-brain axis. Finally, if this interpretation were correct, the reduced impact of gut-brain fructose signaling would lead to impaired satiation, which has been reported in some previous studies but remains debatable. Indeed, in our systematic studies, a fructose preload did not differ from a glucose preload in its ability to influence subsequent food intake, no matter the route of sugar intake (i.e., oral consumption or gastric delivery) or the type of food consumed (i.e., chow or a palatable, high-fat diet), resolving this debate at least in mice. How is it possible that reduced AgRP neuron inhibition—which is tightly linked to subsequent food intake12—by fructose does not lead to elevated appetite? In contrast to its modest effects on AgRP neuron activity, fructose causes much more gastrointestinal distension compared with glucose, both in mice and in humans. This increased distension provides a post-ingestive satiation signal that reduces food intake independently of AgRP neuron inhibition.
The second possibility is that AgRP neurons are not simply responding to caloric signals but rather are responding to nutrient type to predict rapid sources of energy or perhaps even future energetic needs. In this case, fructose has smaller effects on acute AgRP neuron activity, as it is used for energy storage and represents long-term rather than short-term energy availability. Indeed, while both sugars begin to signal quickly—within seconds to minutes—upon gut detection, fructose transport is passive and saturable in contrast to glucose, which is rapidly transported and utilized, potentially underlying the persistently elevated PYY levels that we observed. Our data support this possibility, as they suggest that mice prefer the larger AgRP neuron activity inhibition that is predictive of rapid energy availability, i.e., that linked to glucose intake (compared with the smaller AgRP neuron activity changes linked to fructose intake). This effect of AgRP neuron inhibition on food choice likely extends beyond sugar preference. For example, the rapid, robust, and sustained AgRP neuron inhibition to other energy-dense foods such as peanut butter, Ensure, or a high-fat, high-sugar diet would also confer conditioned preferences. Overall, these findings underscore the key role of AgRP neurons in guiding food preference and highlight the ability of mice to differentiate between flavors paired with graded levels of AgRP neuron inhibition.
We report a population of vagal afferent neurons that is activated by fructose but not glucose. Although this finding contrasts data from electrophysiological recordings of the cervical trunk of the vagus that observed glucose-mediated, but not fructose-mediated, activation, our strategy for in vivo calcium imaging of individual vagal afferent neurons likely enabled more sensitive activity measurements. This approach revealed two discrete vagal populations—roughly equal in size—that respond to fructose or glucose and a smaller population responsive to both sugars (potentially osmotic sensors, as we observed a similarly small percentage of cells responsive to both fructose and mannitol). These findings are consistent with a study showing that few (<10%) glucose-responsive vagal afferent neurons are also activated by fructose.
How does fructose impact vagal signaling and ultimately AgRP neuron activity? Our results indicate that these effects rely on PYY release and subsequent Y2 receptor signaling. Previous work has also demonstrated that PYY increases calcium activity in cultured vagal neurons, an effect that is attenuated in neurons cultured from NG-specific Y2 receptor knockout mice. A limitation of our study, however, is that while we show that Y2 receptor-expressing vagal afferent neurons respond to fructose and are necessary for subsequent AgRP neuron inhibition, we have not directly tested the role of the vagal Y2 receptor itself. While Y2 receptors are highly expressed on vagal afferent terminals, they are also expressed on other peripheral tissues/organs, including dorsal root ganglia and the spinal cord, adipose tissue, the gastrointestinal tract, and the kidney. Therefore, future studies should confirm via knockout studies that vagal Y2 receptors, and not other Y2 receptor populations, mediate the effects of fructose on AgRP neuron activity.
Our findings reveal that fructose and glucose engage entirely different gut-brain pathways to inhibit AgRP neurons. Our previous work demonstrated that glucose does not require vagal signaling to inhibit activity in AgRP neurons, even though vagal afferent neurons are activated by glucose and are involved in sugar reinforcement and dopamine signaling. Here, we confirm that vagal signaling is not required for AgRP neuron inhibition by glucose and demonstrate that it is in fact essential for inhibition by fructose. Similarly, we show that AgRP neuron inhibition by fructose, but not glucose, requires intact PYY-Y2 receptor signaling. By contrast, the effects of glucose on AgRP neuron activity do not require hormonal signaling, although glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) receptor signaling may be partially involved. These findings raise the possibility that divergent circuits may also transmit fructose vs. glucose signals throughout the brain. Given that both vagal and spinal afferent circuits project to the hindbrain, it will be interesting to determine whether similar or different neuron populations (and individual neurons) in first-order brain regions and downstream circuits are engaged by fructose and glucose. Additionally, single-cell imaging of AgRP neurons will reveal whether these sugars inhibit the same or different individual neurons.
Obesogenic diets dysregulate neural activity in the vagus nerve, the hypothalamus, and mesolimbic reward centers. Interestingly, both high-fat and high-sucrose diets impair AgRP neuron responses to gut-derived signals. The current finding that hypothalamic fructose signaling is attenuated compared with other nutrients, even in lean animals, warrants future research on whether and how chronic fructose/HFCS consumption impacts in vivo gut-brain signaling and broader aspects of metabolic health. Some studies in humans and animal models indicate that excessive fructose intake alters appetite, promotes lipid synthesis, and contributes to a higher incidence of metabolic disease symptoms. For example, a randomized clinical trial showed that fructose compared with glucose consumption increases visceral adiposity, promotes lipogenesis, and decreases insulin sensitivity in human subjects. By contrast, an overfeeding study suggested that fructose does not differ from glucose, sucrose, or fat in its ability to promote fat deposition. The effects of fructose on long-term metabolic health therefore remain debatable, despite its widespread presence in the western diet. Intriguingly, our work demonstrates that adding glucose to fructose increases preference, perhaps explaining why HFCS is so well-liked. Further, it reveals how fructose is sensed differently than other sugars by the vagus nerve and by central feeding centers and that this difference has functional implications for food preference. Overall, this work underscores the vast complexities of gut-brain nutrient signaling, as even simple sugars utilize strikingly different pathways to influence feeding behavior.
Da:
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(26)00384-3?et_rid=1132634684&et_cid=5984949
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