abstract
Principalul
Creșterea fetală afectată, care are ca rezultat o greutate scăzută la naștere, a fost mult timp asociată cu un risc crescut de a dezvolta funcții metabolice anormale la vârsta adultă (1). Astfel, greutatea redusă la naștere crește riscul de a dezvolta obezitate și diabet de tip 2 în viața ulterioară la om (2). Greutatea redusă la naștere la om este asociată cu semnalizarea insulinei musculare scheletice afectate la vârsta adultă (3-5), rezistența la insulină hepatică (6) și scăderea secreției de insulină (7). Mecanismul exact prin care creșterea fetală afectată determină rezistența la insulină la descendenți este necunoscut, dar stresul oxidativ mitocondrial a fost sugerat recent ca un posibil mecanism (8).
Au fost dezvoltate mai multe modele animale pentru a imita creșterea fetală afectată, toate care prezintă metabolismul glucozei neregulat și sensibilitatea la insulină modificată la vârsta adultă (9). Un astfel de model este restricția gestațională a proteinelor, în care mamele sunt hrănite cu o dietă săracă în proteine (LP) în timpul sarcinii (9). Majoritatea studiilor privind efectele dietei materne LP s-au concentrat pe disfuncția celulelor beta (9), deși a fost investigat efectul dietei materne LP asupra sensibilității periferice la insulină, indicând o creștere a numărului de animale tinere (10), dar o scădere în numărul puilor. animale vechi (11, 12).
În acest studiu, raportăm că dieta maternă LP determină modificări semnificative și calitativ distincte în expresia genelor în ficat și mușchiul scheletic și că taurina previne parțial modificările la 30% din aceste modificări la nivelul ficatului și 46% la mușchiul scheletic.
metode
Animalele.
Fecioarele feminine (7-8 săptămâni, n = 3 pe grup de dietă) Șoarecii C57BL/6 (Taconic, Ejby, Danemarca) au fost împerecheați cu șoareci C57BL/6. După observarea dopului vaginal (ziua de sarcină 0), șoarecii au fost randomizați la patru grupuri diferite de diete: proteine normale (20% cazeină; NP; Hope Farms 4400, 00, Woerden, NL) sau LP (8% cazeină; LP; Hope Farms 4400.01) cu sau fără 1% (g/v) Taurină în apă potabilă (tau, adică NP + tau sau LP + tau) (taurină sintetică; Sigma Chemical Co.-Aldrich, St. Louis, MO).
Patru grupuri de diete diferite au fost considerate predominant izoclorice, deoarece suplimentarea cu taurină a contribuit doar marginal la aportul caloric: Șoarecii au băut aproximativ 7 ml de apă zilnic și au consumat aproximativ 7 g de furaje pe zi (21). În cazul dietei NP, aceasta corespunde unui aport total de proteine în furaje de 1,4 g de proteine (20% cazeină) pe zi sau aproximativ 0,22 g de N-echivalenți pe zi (presupunând 16% azot). În mod similar, aportul total de proteine din dieta pe zi pentru dieta LP (8% cazeină) este de 0,56 g proteină sau aproximativ 0,09 g N-echivalenți. Apa îmbogățită cu taurină va furniza 0,07 g taurină sau 0,0078 g echivalenți de N (conținutul de taurină este de 11,2% azot), adică creșterea sub 10% a aportului de azot. Indiferent de contribuția sa N, taurina nu poate înlocui aportul redus de aminoacizi esențiali cauzat de dieta LP.
Șoarecii au fost menținuți pe un ciclu de lumină/întuneric de 12 ore. În ziua 19, șoarecii s-au născut și nou-născuții au fost cântăriți, sacrificați prin decapitare, iar mușchiul scheletic al ficatului și al piciorului posterior a fost îndepărtat rapid și cantitativ, cântărit, congelat rapid în azot lichid și depozitat la -80 ° C pentru o analiză ulterioară. . Au fost analizați un total de 25 de pui din 12 mame diferite, cu 5 ≤ n ≤ 7 pui pe grup, toate grupurile fiind un amestec de pui de sex masculin și femele. Toate procedurile experimentale au fost aprobate de Comitetul Național pentru Experimente Animale din Danemarca și de instalația locală pentru animale de la Universitatea din Copenhaga din Danemarca.
REZULTATELE
Greutatea născută și activitățile enzimatice la nivelul ficatului și mușchilor nou-născuților.
Șoarecii au fost supuși la patru diete izoclorice diferite din ziua 1 a sarcinii până la naștere, așa cum este descris în materiale și metode. Dieta LP a provocat o scădere cu aproximativ 40% (p 
Dieta maternă LP aduce modificări ale greutății corporale; salvare parțială cu taurină. Șoarecii nou-născuți supuși diferitelor diete in utero așa cum sunt descrise în materiale și metode au fost cântărite la naștere. NP (20% cazeină) sau LP (8% cazeină) în timpul sarcinii. Taurină, 1% supliment de taurină în apa potabilă în timpul sarcinii. ¶, p
Profilarea expresiei genelor de expresie a ficatului și a mușchilor scheletici la nou-născuții șoarecilor supuși unei diete materne LP cu sau fără supliment de taurină. Gruparea ierarhică a probelor și modelele de expresie genetică au diferit semnificativ între nou-născuții șoarecilor expuși fie la dieta maternă LP, fie la dieta maternă NP. (A) Ficat (gene 2012), (B) ficat, gene salvate de taurină (600 gene), (C) mușchi scheletic (967 gene), (D) mușchi scheletic, gene salvate de taurină (444 gene). NP (20% cazeină) sau LP (8% cazeină) în timpul sarcinii, tau, 1% supliment de taurină în apă potabilă în timpul sarcinii. Numerele indică replici biologice.
Imagine la dimensiune completă
În ficat, expresia transcrierilor total nedetectate în 2012, a tuturor genelor codificatoare cunoscute, a fost semnificativ modificată de dieta maternă LP (Tabelul S5A, //links.lww.com/PDR/A56), în timp ce un număr ușor mai mic de 967 transcrieri neredundante, toate codificând genele cunoscute, modificate în mușchiul scheletic (Tabelul S5B, //links.lww.com/PDR/A56) (rata de descoperire falsă asociată −16, testul exact Fishers).
Dintre genele modificate, am constatat că genele mitocondriale (Tabelele S2 și S3, //links.lww.com/PDR/A56) și printre genele implicate în fosforilarea oxidativă (Tabelul S4, //links.lww.com/) PDR/A56) au fost cele mai frecvent reprezentate seturi de gene în ficat și mușchiul scheletic (Tabelele 3 și 4). Genele implicate în ciclul acidului tricarboxilic (TCA), metabolismul piruvatului și glicoliza au fost prezente numai în mușchiul scheletic (Tabelul 4). O supraexpresie a genelor implicate în metabolismul aminoacizilor a fost observată atât la nivelul ficatului, cât și la nivelul mușchilor scheletici (tabelele 3 și 4). Cu toate acestea, un regulator cheie al biogenezei mitocondriale, receptorul activat cu proliferatorul peroxizomului γ-coactivator-1α (PGC-1α), a fost reglat în jos de dieta LP în ambele țesuturi (Tabelul S1, // links.lww.com/PDR/A56). ).
Tabel în dimensiune completă
Tabel în dimensiune completă
Când genele au fost grupate după funcție (Fig. 3 A), s-a observat o diferență mare între genele reglate în sus și în jos în metabolismul energetic în ficat și mușchiul scheletic, deși în ambele țesuturi într-o direcție diferită. În mod similar, atunci când a fost prezent cel mai mare fond de gene, genele mitocondriale (Fig. 3 B), grupate după funcție, s-a observat o diferență clară între ficat și mușchiul scheletic. Nu s-a observat nicio diferență aparentă în efectul de recuperare a taurinei între țesuturi atunci când genele au fost grupate după funcție.
Clasificarea genelor modificate după funcția biologică. A, Genele s-au schimbat semnificativ la nou-născuți ca răspuns la o dietă in utero LP în ficat și mușchiul scheletic. Pentru comparație, sunt prezentate numai genele care au fost modificate în ficat și mușchiul scheletic. B, genele mitocondriale s-au modificat la nou-născuți ca răspuns la o dietă in utero LP în ficat și mușchiul scheletic. Barele gri/negre indică gene descendente/sus la nou-născuții de șoareci supuși dietei LP in utero comparativ cu dieta NP. Barele eclozionate indică numărul de gene salvate prin suplimentarea cu taurină.
Imagine la dimensiune completă
Efectul de salvare a taurinei a fost semnificativ mai mare pentru genele implicate în metabolismul hepatic al acizilor grași comparativ cu alte seturi de gene (p = 0,027, testul exact al Fishers) (Tabelul 3), în timp ce la mușchiul scheletic acest efect de salvare a fost prezent doar la genele implicate în metabolism . fosforilarea oxidativă și ciclul TCA (p = 0,010 și p = 0,029, testul exact Fishers) (Tabelul 4).
DISCUŢIE
Noile descoperiri ale acestui studiu au fost 1) că dieta maternă LP a indus modificări semnificative în tiparele neonatale de exprimare a genei ficatului și a mușchilor scheletici, 2) că modificările genelor mitocondriale în general și ale genelor de fosforilare oxidativă în special au fost semnificative. în ficat și mușchiul scheletic, cu o reglare predominantă în ficat și o reglare descendentă în mușchiul scheletic și, în cele din urmă 3) că suplimentarea taurină maternă în apa potabilă în timpul sarcinii într-o măsură surprinzător de mare a împiedicat aceste modificări în modelele de expresie genică în ambele cazuri. ficat și mușchi scheletic (prevenire 30% în ficat și 46% în mușchi). Foarte important, taurina a împiedicat parțial scăderea greutății la naștere cauzată de dieta maternă LP.
Greutate la nastere.
Comparativ cu descendenții NN, am constatat o scădere cu 40% a greutății la naștere a descendenților LP. Aceasta este o scădere ușor mai mare a greutății la naștere decât a fost raportată anterior la rozătoare, adică 18-35% la șobolani (11, 23) și 28% la șoareci C57BL/6 (24), în timp ce alții au observat doar 7% pierderea în greutate. . aceeași tulpină de șoareci (25), cel mai probabil datorită diferențelor în compoziția dietetică. Nu am observat nicio diferență în raportul dintre greutatea organelor: greutatea corporală totală, care pare să fie în contrast cu un studiu anterior la șobolani (23). În plus, a fost surprinzător faptul că suplimentarea cu taurină a împiedicat aproape greutatea mică la naștere; în special pentru că acest efect nu a fost observat la șobolani într-un studiu similar (19). Cu toate acestea, este posibil ca aceste discrepanțe să reflecte diferențe între specii.
Modificări ale modelelor de expresie genetică globală la nivelul ficatului și mușchiului scheletic.
Într-un alt model de întârziere a creșterii intrauterine la șobolani, ligarea arterei uterine, producția de glucoză hepatică, fosfoenolpiruvat carboxicinază și activitatea PGC-1α și capacitatea de fosforilare oxidativă au fost scăzute în ficat (30) [31]. O observație similară a fost făcută la nivelul mușchilor scheletici (32). Restricția gestațională a proteinelor nu suferă de efectul secundar al unei scăderi a O 2 disponibil, după cum se dovedește prin ligarea arterei uterine, iar diferențelor în observații pot fi atribuite acestui fapt.
Reglarea descendentă a fosforilării oxidative în mușchiul scheletic a fost, în mai multe cazuri, asociată cu dezvoltarea diabetului de tip 2 și a rezistenței la insulină (33-35). Deși mecanismul exact este necunoscut, o reducere a mitocondriilor mușchilor scheletici și/sau a activității de fosforilare oxidativă, precum și a disfuncției mitocondriale la naștere poate fi asociată, dacă este persistentă, cu scăderea capacității de β-oxidare, care poate duce la creșterea conținutului de lipide intracelulare și perturbarea semnalizării insulinei (36). Cu toate acestea, această ipoteză a fost recent contestată (37).
În mod interesant, la om, greutatea la naștere este asociată pozitiv cu expresia PGC-1α la mușchiul scheletic la adulți (6), dar în ciuda PGC-1α care controlează biogeneza mitocondrială (38), nu a fost observată nicio diferență concomitentă în expresia genei mitocondriale și fosforilarea oxidativă la adulți (6) . cu greutate redusă la naștere (6). Cu toate acestea, scăderea expresiei genelor mitocondriale observată în acest studiu, și nu la adulți, poate reflecta o diferență între nou-născuți și adulți sau diferențe de specii.
Salvarea parțială a fenotipului prin suplimentarea taurinei.
Sa demonstrat că taurina a salvat în trecut efectele nocive ale dietei materne LP asupra funcției pancreatice la descendenți (19, 20, 39, 40). Cu toate acestea, astfel de efecte nu au fost studiate la nivelul ficatului și al mușchilor scheletici.
Am găsit un efect mare de captare asupra profilurilor de exprimare a genelor în ficat și mușchi prin suplimentarea taurinei, cu mai multe gene mitocondriale fiind salvate în mușchiul scheletic decât în ficat, sugerând un efect preferențial de convulsie mitocondrială a taurinei în mușchiul scheletic peste ficat. Mai mult, am fost surprinși de faptul că taurina are un efect de salvare și mai specific, deoarece genele metabolismului acizilor grași din ficat și genele implicate în fosforilarea oxidativă și ciclul TCA în mușchiul scheletic au fost salvate preferențial în comparație cu alte gene (Tabelele 3-4 ). Tabelul S4, //links.lww.com/PDR/A56). Un studiu similar care examinează efectul dietei LP materne și al taurinei asupra expresiei genelor insulelor a constatat, de asemenea, o expresie redusă a genelor ciclice respiratorii și TCA, modificări care au fost complet salvate prin suplimentarea taurinei (40). În combinație cu rezultatele noastre, acest lucru sugerează cu tărie că efectul taurinei este mediat de mecanismul mitocondrial.
Nivelurile de taurină plasmatică sunt considerate un marker al nutriției fetale sănătoase (41) și se presupune că concentrații suficiente de taurină plasmatică pot fi o condiție prealabilă pentru dezvoltarea fetală normală (41). Acest lucru este confirmat de observația că deficitul de transportor de taurină (TAUT) determină o reducere semnificativă a capacității de efort (13), care poate fi, de asemenea, legată de observația că expresia TAUT crește în timpul miogenezei și că taurina este capabilă să protejeze împotriva dexametazonei indusă de atrofie. (42). Acest lucru creează o imagine a taurinei ca factor necesar în miogeneza și, eventual, în biogeneza mitocondrială.
În ficat, deficitul de taurină, așa cum se observă la șoarecii knockout TAUT, determină o creștere a apoptozei și inflamației hepatice, precum și o scădere a raportului controlului respirator mitocondrial (43). Sa demonstrat că taurina are un efect antiapoptotic asupra ficatului și normalizează disfuncția mitocondrială indusă de tamoxifen la șobolani (44). Există mai multe rapoarte despre efectul dietei LP materne asupra modelelor de pui de ADN descendenți (45, 46), dar nu există dovezi ale implicării taurinei în acest proces. Interesant este că taurina reduce N-metilarea în inima șobolanului (47).
Considerații metodologice.
Șoarecii C57BL/6 sunt hipertaurinurici (15) și este important să se ia în considerare dacă efectul taurinei s-ar putea datora azotului suplimentar sau sulfului furnizat ca taurină. Aprovizionarea cu azot a taurinei este o fracțiune mai mică din aportul total de azot (a se vedea Materiale și metode) și este puțin probabil ca efectele taurinei observate în acest studiu să fie cauzate de disponibilitatea crescută a aminoacizilor de sulf. (48). Majoritatea celorlalte studii similare au folosit o concentrație mai mare de taurină în apa potabilă (2,0% sau 2,5%) (19, 20, 39, 40) decât concentrația de 1% utilizată în acest studiu.
În concluzie, dieta LP pentru șoareci în timpul sarcinii a provocat modificări mari în profilurile de greutate corporală, precum și în expresia genică a ficatului și a mușchilor scheletici ai nou-născuților. Modificările exprimării au fost legate în primul rând de genele mitocondriale, dar au fost semnificativ diferite la nivelul ficatului și al mușchilor scheletici. Suplimentarea taurină maternă în apa potabilă a prevenit parțial modificările greutății corporale și modificările expresiei genelor. În special, genele mușchilor scheletici implicați în fosforilarea oxidativă au fost aproape complet normalizate prin suplimentarea taurinei. Mecanismul acestor efecte ale taurinei rămâne necunoscut.