Influence of a high-fat diet on the expression of clock genes and genes related to the fat metabolism and LPS response in human monocytes

Abstract

Background and aims: The circadian system regulates daily rhythms in various aspects of behavior and physiology including locomotor activity and energy homeostasis. On the other hand, metabolic processes feed back into the circadian clock as shown in human studies of obesity and type 2 diabetes and animal studies of high-fat diet interventions. However, little is known about the effect of nutrition on circadian mechanisms in humans. Another important question for human studies is the choice of target tissue investigated to monitor the functions of the clock machinery by a realizable and little- invasive method allowing repeated sampling over the day. To address this, we provided a comparative analysis of clock gene expression in human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and isolated monocytes before and after a high- fat diet intervention. Materials and methods: Daily expression profiles of ten clock genes, fat metabolic genes and cytokines were determined by real-time PCR in thirty non obese healthy individuals as part of the NUtriGenomics Analysis in Twins (NUGAT) study. Gene expression was measured at three time points (in the morning, at noon and in the afternoon) during three investigation days. The blood sampling was carried out after 6 weeks of a low fat, high-carbohydrate diet before the beginning of a high-fat low carbohydrate isocaloric diet (45 % kcal from fat) and after one and six weeks of this intervention. Results: (1) We demonstrated that PER1, PER2, PER3, BMAL1, REV-ERBα, DBP and TEF were rhythmically expressed in human monocytes (twelve non-obese subjects). The clock genes CLOCK, CRY1 and CRY2 displayed no significant daily expression changes. In PBMC, similar temporal expression profiles were detected. In response to high-fat diet, in monocytes, the expression and amplitude of PER1, PER2 and PER3 increased after one and six weeks of intervention, and with a relatively small increase in CLOCK, CRY1 and CRY2 after one or six weeks. In contrast, in PBMCs, we only found CRY2 increased after one week of the high-fat diet. Correlation analysis revealed disruption of the relationship among clock genes after a high-fat diet in monocytes and PBMCs. (2) Similar rhythmic expression of ten clock genes in monocytse was detected in thirty non-obese individuals. In addition, mRNA expression of CD14, CD180 and NFKBIA as well as NAMPT, FASN and CPT1A displayed significant daily variation, whereas other cytokines and fat metabolic genes studied showed no significant daily expression changes. Moreover, correlation analysis in monocytes revealed disruption of the relationship among clock genes and its relationship with genes related to inflammation and fat metabolism after a high-fat diet. Conclusion: Our results suggest that the consumption of a high-fat isocaloric diet can influence the circadian mechanism in humans already after 6 days of intervention and emphasize the role of nutrition-clock interaction in the regulation of human metabolism. High-fat diet induces alterations of clock gene expression in human monocytes which are undetectable in heterogenic PBMC population. Therefore, the investigation of the isolated monocytes could be a new perspective and a less-invasive method of the monitoring of the clock gene regulation and its molecular mechanisms in humans.

Das zirkadiane System regelt verschiedene Aspekte des Verhaltens und physiologische Prozesse, wie die Ernährung und den Energiestoffwechsel. Andererseits, es ist aus humanen Adipositas- und Diabetes Typ 2-Studien sowie aus den Tierversuchen mit Hochfettdiäten bekannt, das metabolische Prozesse den zirkadianen Rhythmus beeinflussen. Über den Einfluss der Ernährung auf zirkadiane Mechanismen beim Menschen ist jedoch noch sehr wenig bekannt. Eine der wichtigen Fragen für humane Studien ist die richtige Auswahl des Zielgewebes für Untersuchung der Clock-Gene. Die Eingriffe müssen minimal invasiv sein mit der Möglichkeit wiederholter Probenentnahmen während eines Tages. Um dieses Problem anzugehen, haben wir eine Vergleichsanalyse der Effekte einer fettreichen Diät auf die Expression der Clock-Gene in humanen mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMC) und isolierten Monozyten durchgeführt. Materialien und Methoden Im Rahmen der NUGAT-Zwillingsstudie (NUtriGenomics Analysis in Twins) wurde das tägliche Expressionsprofile von 10 Clock-Genen, Fettstoffwechsel-Genen und Zytokinen in 30 nicht übergewichtigen, gesunden Probanden mittels Real-Time PCR gemessen. Die Genexpression wurde zu drei Zeitpunkten (morgens, mittags und nachmittags) während drei Untersuchungstagen gemessen. Die Blutentnahme erfolgte nach 6 Wochen einer fettarmen, kohlenhydratreichen Diät vor Beginn der Intervention sowie nach einer und sechs Wochen der fettreichen, kohlenhydratarmen und isokalorischen Diät (45% Kcal aus Fett). Ergebnisse: Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Expression der PER1, PER2, PER3, BMAL1, REV-ERBα, DBP und TEF Gene in humanen Monozyten (bei zwölf nicht übergewichtigen Probanden) einem Rhythmus unterliegt. Für die Gene Clock, Cry1 und Cry2 wurde keine tageszeitliche Veränderungen nachgewiesen. In PBMC wurde ein ähnliches zeitliches Expressionsmuster beobachtet. Die fettreiche Ernährung hat die morgendliche Expression und die Amplitude der drei Period Gene Per1, Per2 und Per3 in Monozyten nach einer und/oder sechs Wochen der Intervention signifikant erhöht. Im Gegensatz dazu in der PBMC-Fraktion, fanden wir keine signifikanten Veränderungen der Expression der Clock-Gene. (2) Ähnliche rhythmische Expressionen wurden für zehn Clock-Gene in Monozyten in 30 nicht übergewichtigen Personen gemessen. Darüber hinaus wurden signifikante tägliche Veränderungen in mRNA-Expression von CD14, CD180 und NFKBIA sowie NAMPT, FASN und CPT1A beobachtet, während die untersuchten Zytokin- und Fettmetabolismus- Gene keine signifikanten Schwankungen in täglichen Expression zeigten. Diskussion: Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Verzehr einer fettreichen und isokalorischen Diät den zirkadianen Mechanismus bei Menschen bereits nach 6 Tagen Intervention beeinflussen kann, und betonen die Rolle der Ernährung- zirkadiane Rhythmus Interaktionen bei der Regulation des humanen Stoffwechsels. Fettreiche Diät induziert Veränderungen in Clock-Genexpression in humanen Monozyten, die nicht in heterogener PBMC-Population nachweisbar sind. Daher könnte die Untersuchung der isolierten Monozyten eine Perspektive und wenig invasive Methode der Analyse der zirkadianen Genregulation und ihrer molekularen Mechanismen beim Menschen darstellen.