реферат
Головний
Порушення росту плода, що призводить до низької ваги при народженні, давно пов'язане з підвищеним ризиком розвитку аномальних метаболічних функцій у дорослому віці (1). Таким чином, низька вага при народженні збільшує ризик розвитку ожиріння та діабету 2 типу в подальшому житті людини (2). Низька вага при народженні людини пов’язана з порушенням сигналізації інсуліну скелетних м’язів у дорослому віці (3-5), резистентністю до печінкового інсуліну (6) та зниженням секреції інсуліну (7). Точний механізм, за допомогою якого порушення розвитку плода спричиняє резистентність до інсуліну у нащадків, невідомий, проте нещодавно як можливий механізм пропонується окислювальний стрес у мітохондріях (8).
Було розроблено кілька моделей на тваринах, що імітують порушення росту плода, і всі вони демонструють порушення регуляції метаболізму глюкози та зміну чутливості до інсуліну у дорослому віці (9). Однією з таких моделей є обмеження гестаційного білка, коли матері під час вагітності харчуються дієтою з низьким вмістом білка (ЛП) (9). Більшість досліджень щодо ефекту материнської дієти ЛП зосереджувались на дисфункції бета-клітин (9), хоча досліджували вплив дієти ЛП матері на периферичну чутливість до інсуліну, вказуючи на збільшення кількості молодняку (10), але зменшення за кількістю дитинчат. старі тварини (11, 12).
У цьому дослідженні ми повідомляємо, що материнська дієта ЛП спричиняє значні та якісно виражені зміни в експресії генів у печінці та скелетних м’язах, і що таурин частково запобігає змінам у 30% цих змін у печінці та 46% у скелетних м’язах.
методи
Тварини.
Жінки-незаймані (7-8 тижнів, n = 3 на дієтичну групу) мишей C57BL/6 (Taconic, Ejby, Данія) спарювались з мишами C57BL/6. Після спостереження за вагінальною пробкою (день вагітності 0) мишей рандомізували до чотирьох різних груп дієт: нормальний білок (20% казеїну; NP; Hope Farms 4400, 00, Woerden, NL) або LP (8% казеїну; LP; Hope Farms 4400.01) з або без 1% (мас./об.) таурину у питній воді (тау, тобто NP + тау або LP + тау) (синтетичний таурин; Sigma Chemical Co.-Aldrich, Сент-Луїс, Міссурі).
Чотири різні дієтичні групи вважалися переважно ізоклоричними, оскільки добавки таурину лише незначно сприяли споживанню калорій: миші випивали приблизно 7 мл води щодня і споживали приблизно 7 г корму на день (21). У випадку з дієтою NP, це відповідає загальному споживанню білка в кормі 1,4 г білка (20% казеїну) на день або приблизно 0,22 г N-еквівалентів на день (припускаючи 16% азоту). Подібним чином, загальне споживання білка в раціоні на добу для дієти LP (8% казеїну) становить 0,56 г білка або приблизно 0,09 г N-еквівалентів. Вода, збагачена таурином, забезпечить 0,07 г таурину або 0,0078 г N-еквівалентів (вміст таурину становить 11,2% азоту), тобто менше 10% збільшення споживання азоту. Незалежно від його N-внеску, таурин не може замінити зменшене споживання незамінних амінокислот, спричинене дієтою LP.
Мишей підтримували протягом 12-годинного циклу світло/темрява. На 19 день народилися миші, і новонароджених зважили, жертвували декапітацією, а скелетний м’яз печінки та задньої ноги швидко та кількісно видаляли, зважували, швидко заморожували у рідкому азоті та зберігали при -80 ° C для подальшого аналізу . Всього було проаналізовано 25 щенят від 12 різних матерів, причому 5 ≤ n ≤ 7 щенят на групу, всі групи являли собою суміш щенят чоловічої та жіночої статі. Усі експериментальні процедури були затверджені Національним комітетом з експериментів на тваринах в Данії та місцевим об'єктом для тварин в Університеті Копенгагена в Данії.
РЕЗУЛЬТАТИ
Вага та активність ферментів у печінці та м’язах новонароджених.
Мишей піддавали чотирьом різним ізоклоричним дієтам з 1 дня вагітності до народження, як описано в матеріалах та методах. Дієта ЛП спричинила зменшення ∼ 40% (с 
Дієта ЛП для матері вносить зміни у масу тіла; часткове врятування таурином. Новонароджених мишей, підданих різному внутрішньоутробному харчуванню, як описано в матеріалах та методах, зважували при народженні. NP (20% казеїну) або LP (8% казеїну) під час вагітності. Таурин, 1% добавка таурину в питну воду під час вагітності. ¶, стор
Профілювання експресії генів експресії печінки та скелетних м'язів у новонароджених мишей, які піддавались материнській дієті ЛП з добавкою таурину або без неї. Ієрархічне групування зразків та закономірності експресії генів суттєво різнились у новонароджених мишей, які піддавались або материнській дієті LP, або дієті NP матері. (A) Печінка (гени 2012 р.), (B) печінка, гени, збережені таурином (600 генів), (C) скелетні м’язи (967 генів), (D) скелетні м’язи, гени, збережені таурином (444 гени). NP (20% казеїну) або LP (8% казеїну) під час вагітності, тау, 1% добавки таурину в питну воду під час вагітності. Цифри вказують на біологічні копії.
Повнорозмірне зображення
У печінці експресія абсолютно не виявлених транскриптів у 2012 році з усіх відомих кодуючих генів суттєво змінилася материнською дієтою LP (Таблиця S5A, //links.lww.com/PDR/A56), тоді як дещо менша кількість 967 непотрібних розшифровок, всі кодують відомі гени, змінені в скелетних м'язах (таблиця S5B, //links.lww.com/PDR/A56) (парний коефіцієнт помилкового виявлення -16, точний тест Фішера).
Серед змінених генів ми виявили, що мітохондріальні гени (таблиці S2 і S3, //links.lww.com/PDR/A56) та серед генів, що беруть участь в окислювальному фосфорилюванні (таблиця S4, //links.lww.com/) PDR/A56) були найчастіше представленими наборами генів у печінці та скелетних м’язах (таблиці 3 та 4). Гени, що беруть участь у циклі трикарбонової кислоти (ТСА), метаболізмі пірувату та гліколізі, були присутні лише в скелетних м’язах (табл. 4). Надмірна експресія генів, що беруть участь в метаболізмі амінокислот, спостерігалася як у печінці, так і в скелетних м’язах (таблиці 3 та 4). Однак ключовий регулятор біогенезу мітохондрій, активований проліфератором пероксисоми γ-коактиватор-1α (PGC-1α), був регульований дієтою LP в обох тканинах (Таблиця S1, // links.lww.com/PDR/A56). ).
Стіл в натуральну величину
Стіл в натуральну величину
Коли гени були згруповані за функціями (рис. 3 А), спостерігалася велика різниця між регульованими вгору і вниз генами в енергетичному обміні в печінці та скелетних м’язах, хоча в обох тканинах в іншому напрямку. Подібним чином, коли був найбільший генофонд, гени мітохондрій (рис. 3 Б), згруповані за функціями, спостерігалася чітка різниця між печінкою та скелетними м’язами. Очевидної різниці в ефекті вживання таурину між тканинами не спостерігалося, коли гени групували за функціями.
Класифікація змінених генів за біологічною функцією. A, Гени суттєво змінились у новонароджених у відповідь на внутрішньоутробну дієту ЛП у печінці та скелетних м’язах. Для порівняння показано лише гени, які були змінені в печінці та скелетних м’язах. B, гени мітохондрій, змінені у новонароджених у відповідь на внутрішньоутробну дієту ЛП у печінці та скелетних м’язах. Сірі/чорні смуги позначають гени вниз/вгору у новонароджених мишей, яким внутрішньоутробно харчувались ЛП, порівняно з НП. Викреслені смужки вказують кількість генів, врятованих добавками таурину.
Повнорозмірне зображення
Ефект врятування таурину був значно вищим для генів, які беруть участь у метаболізмі жирних кислот печінки, порівняно з іншими наборами генів (p = 0,027, точний тест Фішера) (табл. 3), тоді як у скелетних м’язах цей рятувальний ефект був присутній лише у генах, що беруть участь у метаболізмі . окисне фосфорилювання та цикл TCA (p = 0,010 та p = 0,029, точний тест Фішера) (таблиця 4).
ОБГОВОРЕННЯ
Нові висновки цього дослідження полягали в 1) тому, що дієта ЛП матері спричинила значні зміни в моделях експресії генів печінки та скелетних м'язів новонароджених, 2) що зміни в генах мітохондрій загалом та, зокрема, в генах окисного фосфорилювання. в печінці та скелетних м’язах, переважно з регуляцією вгору в печінці та зниженням в скелетних м’язах, і нарешті 3), що добавки материнського таурину в питну воду під час вагітності напрочуд запобігли цим змінам у моделях експресії генів у обидва випадки. печінка та скелетні м’язи (профілактика 30% у печінці та 46% у м’язах). Важливо, що таурин також частково запобігав зменшенню ваги при народженні, спричиненому материнською дієтою ЛП.
Вага при народженні.
Порівняно з потомством NN, ми виявили зменшення ваги при народженні нащадків LP на 40%. Це трохи більше зменшення ваги при народженні, ніж раніше повідомлялося у гризунів, тобто 18-35% у щурів (11, 23) та 28% у мишей C57BL/6 (24), тоді як інші спостерігали лише 7% втрати ваги у щурів. . той самий штам мишей (25), швидше за все, через різницю у складі дієти. Ми не спостерігали жодної різниці у співвідношенні ваги органу: загальної маси тіла, що, напевно, відрізняється від попереднього дослідження на щурах (23). Крім того, дивно, що добавки таурину майже запобігали низькій вазі при народженні; зокрема тому, що в подібному дослідженні цей ефект не спостерігався у щурів (19). Однак ці розбіжності, швидше за все, відображатимуть відмінності між видами.
Зміни в моделях глобальної експресії генів у печінці та скелетних м’язах.
В іншій моделі затримки внутрішньоутробного розвитку у щурів було встановлено, що в печінці знижується перев’язка маткових артерій, вироблення печінкової глюкози, активність фосфоенолпіруваткарбоксикінази та PGC-1α та здатність до окисного фосфорилювання (30) (31). Подібне спостереження було зроблено в скелетних м'язах (32). Гестаційне обмеження білка не страждає від побічного ефекту зменшення доступного O 2, про що свідчить перев'язка маткових артерій, і відмінності в спостереженнях можна пояснити цим фактом.
Зниження регуляції окисного фосфорилювання в скелетних м'язах у ряді випадків було пов'язане з розвитком діабету 2 типу та резистентності до інсуліну (33-35). Хоча точний механізм невідомий, зменшення мітохондрій скелетних м'язів та/або активність окисного фосфорилювання, а також дисфункція мітохондрій при народженні можуть, якщо вони постійні, бути пов'язані зі зниженням здатності до β-окислення, що може призвести до збільшення вмісту внутрішньоклітинних ліпідів і подальшого порушення інсулінової сигналізації (36). Однак нещодавно цю гіпотезу оскаржували (37).
Цікаво, що у людей маса тіла при народженні позитивно пов’язана з експресією PGC-1α у скелетних м’язах у дорослих (6), але, незважаючи на PGC-1α, що контролює біогенез мітохондрій (38), супутньої різниці в експресії генів мітохондрій та окислювальному фосфорилюванні у дорослих не спостерігалося ... з низькою вагою при народженні (6). Однак зменшення експресії генів мітохондрій, яке спостерігається в цьому дослідженні, а не у дорослих, може відображати різницю між новонародженими та дорослими або різницю у видах.
Часткове врятування фенотипу добавками таурину.
Було показано, що таурин у минулому врятував шкідливий вплив дієти ЛП матері на функцію підшлункової залози у нащадків (19, 20, 39, 40). Однак такі ефекти не вивчались у печінці та скелетних м’язах.
Ми виявили великий ефект захоплення на профілі експресії генів у печінці та м'язах за допомогою добавки таурину, завдяки чому значно більше мітохондріальних генів було врятовано в скелетних м'язах, ніж у печінці, що свідчить про переважний ефект таурину в мітохондріальних захопленнях таурину в скелетних м'язах над печінкою. Крім того, ми були здивовані, що таурин має ще більш специфічний ефект порятунку, оскільки гени метаболізму жирних кислот у печінці та гени, що беруть участь в окислювальному фосфорилюванні та циклі TCA в скелетних м'язах, були переважно врятовані порівняно з іншими генами (Таблиці 3-4 ). Таблиця S4, //links.lww.com/PDR/A56). Подібне дослідження, що вивчало вплив дієти ЛП та таурину на експресію гена на острівцях, також виявило знижену експресію респіраторних та TCA циклічних генів, зміни, які були повністю врятовані добавками таурину (40). У поєднанні з нашими результатами це наводить на думку, що ефект таурину опосередковується мітохондріальним механізмом.
Рівень таурину в плазмі вважається маркером здорового харчування плода (41), і передбачається, що достатня концентрація таурину в плазмі може бути необхідною умовою нормального розвитку плода (41). Це підтверджується спостереженням, що дефіцит транспортера таурину (TAUT) спричиняє значне зниження фізичних вправ (13), що також може бути пов’язано із спостереженням, що експресія TAUT збільшується під час міогенезу і що таурин здатний захищати від індукованого атрофією дексаметазону (42). Це створює картину таурину як необхідного фактора міогенезу і, можливо, мітохондріального біогенезу.
У печінці дефіцит таурину, як це спостерігається у нокаутованих мишей TAUT, спричинює збільшення апоптозу та запалення печінки, а також зменшення співвідношення дихального контролю мітохондрій (43). Було також показано, що таурин має антиапоптотичну дію на печінку та нормалізує індуковану тамоксифеном дисфункцію мітохондрій у щурів (44). Є кілька повідомлень про вплив дієти ЛП на матері на моделі потомства ДНК щенят (45, 46), але відсутні дані про участь таурину в цьому процесі. Цікаво, що таурин зменшує N-метилювання в серці щурів (47).
Методологічні міркування.
Миші C57BL/6 є гіпертавринуричними (15), і важливо врахувати, чи може ефект таурину бути обумовлений додатковим азотом або сіркою, що надходить у якості таурину. Подача азоту таурину становить меншу частку від загального споживання азоту (див. Матеріали та методи), і малоймовірно, що ефекти таурину, що спостерігаються в цьому дослідженні, зумовлені підвищеною доступністю сірчаних амінокислот, оскільки, здається, дуже мало або метаболічне перетворення таурину в метіонін або цистеїн. (48). Більшість інших подібних досліджень використовували вищу концентрацію таурину у питній воді (2,0% або 2,5%) (19, 20, 39, 40), ніж концентрація 1%, використана в цьому дослідженні.
На закінчення, дієта LP для мишей під час вагітності спричинила значні зміни у профілях маси тіла, а також у експресії генів печінки та скелетних м’язів новонароджених. Зміни в експресії в першу чергу були пов’язані з мітохондріальними генами, але помітно відрізнялись у печінці та скелетних м’язах. Добавки таурину матері у питну воду частково запобігали змінам маси тіла та змінам експресії генів. Зокрема, гени скелетних м’язів, що беруть участь у окисному фосфорилюванні, майже повністю нормалізовані за допомогою добавок таурину. Механізм цих ефектів таурину залишається невідомим.