абстрактно
Основното
Нарушеният фетален растеж, който води до ниско тегло при раждане, отдавна е свързан с повишен риск от развитие на анормални метаболитни функции в зряла възраст (1). По този начин ниското тегло при раждане увеличава риска от развитие на затлъстяване и диабет тип 2 в по-късен живот при хората (2). Ниското човешко тегло при раждане е свързано с нарушена сигнализация за инсулин на скелетните мускули в зряла възраст (3-5), чернодробна инсулинова резистентност (6) и намалена секреция на инсулин (7). Точният механизъм, по който нарушеният фетален растеж причинява инсулинова резистентност при потомството, е неизвестен, но наскоро се предлага митохондриален оксидативен стрес като възможен механизъм (8).
Разработени са няколко животински модела, които имитират нарушен фетален растеж, като всички те показват нерегулиран метаболизъм на глюкозата и променена инсулинова чувствителност в зряла възраст (9). Един такъв модел е ограничаването на гестационния протеин, при което майките се хранят с нископротеинова (LP) диета по време на бременност (9). Повечето проучвания върху ефектите на диетата на майката с LP са фокусирани върху дисфункцията на бета-клетките (9), въпреки че ефектът от диетата на майката с LP върху периферната чувствителност към инсулин е изследван, което показва увеличаване на броя на младите животни (10), но намаляване в броя на малките. стари животни (11, 12).
В това проучване ние съобщаваме, че диетата на майката с LP причинява значителни и качествено различни промени в генната експресия в черния дроб и скелетните мускули и че тауринът частично предотвратява промени в 30% от тези промени в черния дроб и 46% в скелетните мускули.
методи
Животните.
Девици от женски пол (на възраст 7-8 седмици, n = 3 на диетична група) мишки C57BL/6 (Taconic, Ejby, Дания) са чифтосвани с мишки C57BL/6. След наблюдение на вагиналната тапа (ден на бременност 0), мишките са рандомизирани до четири различни групи диети: нормален протеин (20% казеин; NP; Hope Farms 4400, 00, Woerden, NL) или LP (8% казеин; LP; Hope Farms 4400.01) с или без 1% (w/v) таурин в питейна вода (тау, т.е. NP + tau или LP + tau) (синтетичен таурин; Sigma Chemical Co.-Aldrich, Сейнт Луис, Мисури).
Четири различни диетични групи се считат за предимно изоклорични, тъй като добавянето на таурин допринася само незначително за приема на калории: Мишките пият приблизително 7 ml вода дневно и консумират приблизително 7 g фураж на ден (21). В случая с диетата на NP това съответства на общия прием на протеини във фуража от 1,4 g протеин (20% казеин) на ден или приблизително 0,22 g N-еквиваленти на ден (ако приемем 16% азот). По същия начин общият прием на протеини в диетата на ден за LP диета (8% казеин) е 0,56 g протеин или приблизително 0,09 g N-еквиваленти. Обогатената с таурин вода ще доставя 0,07 g таурин или 0,0078 g N-еквиваленти (съдържанието на таурин е 11,2% азот), т.е. по-малко от 10% увеличение на приема на азот. Независимо от своя N-принос, тауринът не може да замести намаления прием на есенциални аминокиселини, причинен от LP диетата.
Мишките се поддържат в 12-часов цикъл светлина/тъмнина. На 19 ден се раждат мишки и новородените се претеглят, жертват се чрез обезглавяване и скелетните мускули на черния дроб и задния крак се отстраняват бързо и количествено, претеглят се, замразяват се бързо в течен азот и се съхраняват при -80 ° C за допълнителен анализ . Анализирани са общо 25 малки от 12 различни майки, като 5 ≤ n ≤ 7 малки на група, като всички групи са смес от мъжки и женски малки. Всички експериментални процедури бяха одобрени от Националния комитет за опити с животни в Дания и местното животновъдно съоръжение в университета в Копенхаген в Дания.
РЕЗУЛТАТИТЕ
Родено тегло и ензимни дейности в черния дроб и мускулите на новородените.
Мишките бяха подложени на четири различни изоклорични диети от ден 1 на бременността до раждането, както е описано в материалите и методите. LP диетата предизвика ∼ 40% намаление (стр 
Диетата на майката LP носи промени в телесното тегло; частично спасяване с таурин. Новородените мишки, подложени на различни вътреутробни диети, както е описано в материалите и методите, са претеглени при раждането. NP (20% казеин) или LP (8% казеин) по време на бременност. Таурин, 1% добавка на таурин в питейната вода по време на бременност. ¶, стр
Профилиране на експресията на гени за експресия на черния дроб и скелетните мускули на новородени мишки, подложени на майчина LP диета със или без добавяне на таурин. Йерархично групиране на проби и модели на генна експресия значително се различават между новородените от мишки, изложени или на майчината LP диета, или на диетата на майката NP. (A) Черен дроб (2012 гени), (B) черен дроб, гени, запазени от таурин (600 гена), (C) скелетни мускули (967 гена), (D) скелетни мускули, гени, запазени от таурин (444 гена). NP (20% казеин) или LP (8% казеин) по време на бременност, тау, 1% добавка на таурин в питейната вода по време на бременност. Цифрите показват биологични копия.
Изображение в пълен размер
В черния дроб експресията на напълно неоткрити транскрипти през 2012 г. от всички известни кодиращи гени е значително променена от диетата на майката LP (Таблица S5A, //links.lww.com/PDR/A56), докато малко по-малък брой 967 ненужни преписи, всички кодиращи известни гени, променени в скелетната мускулатура (Таблица S5B, //links.lww.com/PDR/A56) (сдвоена честота на лъжливо откриване -16, точен тест на Фишърс).
Сред променените гени открихме, че митохондриалните гени (таблици S2 и S3, //links.lww.com/PDR/A56) и сред гените, участващи в окислителното фосфорилиране (Таблица S4, //links.lww.com/) PDR/A56) са най-често представените генни набори в черния дроб и скелетните мускули (Таблици 3 и 4). Гените, участващи в цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA), метаболизма на пирувата и гликолизата, присъстват само в скелетните мускули (Таблица 4). Наблюдава се свръхекспресия на гени, участващи в метаболизма на аминокиселините както в черния дроб, така и в скелетните мускули (таблици 3 и 4). Въпреки това, ключов регулатор на митохондриалната биогенеза, активираният от пероксизома пролифератор рецептор γ-коактиватор-1α (PGC-1α), беше регулиран надолу от LP диетата в двете тъкани (Таблица S1, // links.lww.com/PDR/A56). ).
Маса в пълен размер
Маса в пълен размер
Когато гените бяха групирани по функции (фиг. 3 А), се наблюдава голяма разлика между регулираните нагоре и надолу гени в енергийния метаболизъм в черния дроб и скелетните мускули, макар и в двете тъкани в различна посока. По същия начин, когато е налице най-големият генен фонд, митохондриалните гени (фиг. 3 Б), групирани по функции, се наблюдава ясна разлика между черния дроб и скелетните мускули. Не се наблюдава видима разлика в ефекта на спасяване на таурин между тъканите, когато гените са групирани по функции.
Класификация на променените гени по биологична функция. A, Гените са се променили значително при новородени в отговор на вътреутробна LP диета в черния дроб и скелетните мускули. За сравнение са показани само гени, които са променени в черния дроб и скелетните мускули. В, гените на митохондриите, променени при новородените в отговор на вътреутробна LP диета в черния дроб и скелетните мускули. Сивите/черни ленти показват надолу/нагоре гени при новородени от мишки, подложени на LP диета вътреутробно в сравнение с диетата NP. Излюпените ленти показват броя на гените, спасени чрез добавяне на таурин.
Изображение в пълен размер
Спасителният ефект на таурина е значително по-висок за гените, участващи в метаболизма на чернодробните мастни киселини, в сравнение с други набори от гени (р = 0,027, точен тест на Фишърс) (Таблица 3), докато в скелетните мускули този спасителен ефект е налице само при гените, участващи в метаболизма . окислително фосфорилиране и TCA цикъл (p = 0,010 и p = 0,029, точен тест на Фишърс) (Таблица 4).
ДИСКУСИЯ
Новите открития на това проучване са 1) че диетата на майката с LP индуцира значителни промени в моделите на експресия на гена на черния дроб и скелетната мускулатура на новородените, 2) че промените в митохондриалните гени като цяло и в частност на гените за окислително фосфорилиране са значителни. в черния дроб и скелетните мускули, с предимно регулиране на нагоре в черния дроб и регулиране надолу в скелетните мускули и накрая 3), че добавката на майчин таурин в питейната вода по време на бременност до изненадващо голяма степен предотвратява тези промени в моделите на генна експресия в и двата случая. черен дроб и скелетни мускули (профилактика 30% в черния дроб и 46% в мускулите). Важно е, че тауринът също така частично предотвратява намаляването на теглото при раждане, причинено от диетата на майката с LP.
Тегло при раждане.
В сравнение с NN потомството, ние открихме 40% намаление на теглото при раждане на потомство LP. Това е малко по-голямо намаление на теглото при раждане, отчетено по-рано при гризачи, т.е. 18-35% при плъхове (11, 23) и 28% при мишки C57BL/6 (24), докато други наблюдават само 7% загуба на тегло при плъхове. . същия щам на мишки (25), най-вероятно поради разликите в диетичния състав. Не наблюдавахме никаква разлика в съотношението тегло на органи: общо телесно тегло, което изглежда е в контраст с предишно проучване при плъхове (23). Освен това беше изненадващо, че добавянето на таурин почти предотвратява ниското тегло при раждане; по-специално защото този ефект не е наблюдаван при плъхове в подобно проучване (19). Тези несъответствия обаче вероятно ще отразяват разликите между видовете.
Промени в моделите на глобална генна експресия в черния дроб и скелетните мускули.
В друг модел на плъхове за забавяне на вътрематочния растеж, лигация на маточна артерия, производство на чернодробна глюкоза, активност на фосфоенолпируват карбоксикиназа и PGC-1α и способността за окислително фосфорилиране намаляват в черния дроб (30) (31). Подобно наблюдение е направено и в скелетните мускули (32). Ограничаването на гестационния протеин не страда от страничния ефект от намаляването на наличния O 2, както се доказва от лигирането на маточната артерия и разликите в наблюденията могат да се отдадат на този факт.
Намаляването на окислителното фосфорилиране в скелетните мускули в няколко случая е свързано с развитието на диабет тип 2 и инсулинова резистентност (33-35). Въпреки че точният механизъм е неизвестен, намаляването на активността на скелетните мускули в митохондриите и/или активността на окислителното фосфорилиране, както и митохондриалната дисфункция при раждането може да бъде свързано с намален капацитет на β-окисление, което може да доведе до повишено вътреклетъчно съдържание на липиди и последващо нарушаване на инсулиновата сигнализация (36). Тази хипотеза обаче наскоро беше оспорена (37).
Интересното е, че при хората теглото при раждане е положително свързано с експресията на PGC-1α в скелетните мускули при възрастни (6), но въпреки PGC-1α, контролираща митохондриалната биогенеза (38), не се наблюдава съпътстваща разлика в експресията на митохондриални гени и окислителното фосфорилиране при възрастни ... с ниско тегло при раждане (6). Въпреки това, намаляването на експресията на митохондриален ген, наблюдавано в това проучване, а не при възрастни, може да отразява разликата между новородените и възрастните или разликите във видовете.
Частично спасяване на фенотипа чрез добавяне на таурин.
Доказано е, че в миналото тауринът е спасявал вредните ефекти от диетата на майката с LP върху функцията на панкреаса при потомството (19, 20, 39, 40). Такива ефекти обаче не са проучени върху черния дроб и скелетните мускули.
Открихме голям ефект на улавяне върху профилите на генна експресия в черния дроб и мускулите чрез добавяне на таурин, като значително повече митохондриални гени бяха спасени в скелетните мускули, отколкото в черния дроб, което предполага преференциален ефект на прихващане на митохондрии на таурина в скелетните мускули пред черния дроб. Освен това бяхме изненадани, че тауринът има още по-специфичен спасителен ефект, тъй като гените на метаболизма на мастните киселини в черния дроб и гените, участващи в окислителното фосфорилиране и TCA цикъла в скелетната мускулатура, бяха спасени предимно в сравнение с други гени (Таблици 3-4 ). Таблица S4, //links.lww.com/PDR/A56). Подобно проучване, изследващо ефекта на майчината LP диета и таурин върху експресията на островни гени, също установява намалена експресия на дихателни и TCA циклични гени, промени, които са напълно спасени чрез добавяне на таурин (40). В комбинация с нашите резултати, това категорично предполага, че ефектът на таурина се медиира от митохондриалния механизъм.
Плазмените нива на таурин се считат за маркер на здравословното хранене на плода (41) и се предполага, че достатъчните плазмени концентрации на таурин могат да бъдат предпоставка за нормалното развитие на плода (41). Това се потвърждава от наблюдението, че дефицитът на тауринов транспортер (TAUT) причинява значително намаляване на способността за упражнения (13), което може да бъде свързано и с наблюдението, че експресията на TAUT се увеличава по време на миогенезата и че тауринът е в състояние да предпази от индуциран от атрофия дексаметазон (42). Това създава картина на таурина като необходим фактор за миогенезата и евентуално митохондриалната биогенеза.
В черния дроб дефицитът на таурин, както се наблюдава при нокаутиращите мишки TAUT, причинява увеличаване на чернодробната апоптоза и възпаление, както и намаляване на съотношението на митохондриалния дихателен контрол (43). Доказано е също, че тауринът има антиапоптотичен ефект върху черния дроб и нормализира индуцираната от тамоксифен митохондриална дисфункция при плъхове (44). Има няколко съобщения за ефекта на диетата на майката с LP върху модели на потомство на ДНК (45, 46), но няма данни за участие на таурин в този процес. Интересното е, че тауринът намалява N-метилирането в сърцето на плъховете (47).
Методологични съображения.
Мишките C57BL/6 са хипертавринурични (15) и е важно да се прецени дали ефектът на таурина може да се дължи на допълнителен азот или сяра, доставяни като таурин. Азотното снабдяване с таурин е по-малка част от общия прием на азот (вж. Материали и методи) и е малко вероятно ефектите от таурин, наблюдавани в това проучване, да се дължат на повишена наличност на сярна аминокиселина, тъй като изглежда много малко или метаболитно превръщане на таурин в метионин или цистеин. (48). Повечето други подобни проучвания използват по-висока концентрация на таурин в питейната вода (2,0% или 2,5%) (19, 20, 39, 40) от 1% концентрация, използвана в това проучване.
В заключение, LP диетата за мишки по време на бременност причинява големи промени в профилите на телесно тегло, както и в генната експресия на черния дроб и скелетните мускули на новородените. Промените в експресията са свързани предимно с митохондриалните гени, но са значително различни в черния дроб и скелетните мускули. Добавките на таурин при майките в питейната вода частично предотвратяват промени в телесното тегло и промени в генната експресия. По-специално, гените на скелетните мускули, участващи в окислителното фосфорилиране, са почти напълно нормализирани чрез добавяне на таурин. Механизмът на тези ефекти на таурина остава неизвестен.