Afiliații Institutul Liggins și Gravida: Centrul Național pentru Creștere și Dezvoltare, Universitatea din Auckland, Auckland, Noua Zeelandă, Institutul de Științe Naturale și Matematice, Universitatea Massey, Albany, Auckland, Noua Zeelandă

într-un

Afilieri Institutul de Științe Naturale și Matematice, Universitatea Massey, Albany, Auckland, Noua Zeelandă, Centrul Charles Perkins și Facultatea de Științe Veterinare și Școala de Științe Biologice, Universitatea din Sydney, Sydney, New South Wales, Australia

Afilieri Liggins Institute și Gravida: Centrul Național pentru Creștere și Dezvoltare, Universitatea din Auckland, Auckland, Noua Zeelandă, Școala de Științe Bio, Universitatea din Melbourne, Melbourne, Victoria, Australia

Afiliere Institutul Liggins și Gravida: Centrul Național pentru Creștere și Dezvoltare, Universitatea din Auckland, Auckland, Noua Zeelandă

Afiliere Institutul Liggins și Gravida: Centrul Național pentru Creștere și Dezvoltare, Universitatea din Auckland, Auckland, Noua Zeelandă

Afiliere Institutul Liggins și Gravida: Centrul Național pentru Creștere și Dezvoltare, Universitatea din Auckland, Auckland, Noua Zeelandă

  • Alice H. Tait,
  • David Raubenheimer,
  • Mark P. Green,
  • Cinda L. Cupido,
  • Peter D. Gluckman,
  • Mark H. Vickers

Cifre

Abstract

Citare: Tait AH, Raubenheimer D, Green MP, Cupido CL, Gluckman PD, Vickers MH (2015) Generările succesive într-un model de șobolan răspund diferit la un mediu obezogen constant. PLoS ONE 10 (7): e0129779. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0129779

Editor academic: Zane Andrews, Universitatea Monash, AUSTRALIA

Primit: 10 februarie 2015; Admis: 12 mai 2015; Publicat: 1 iulie 2015

Disponibilitatea datelor: Toate datele relevante se află în hârtie și în fișierele sale de informații de suport.

Finanțarea: Finanțarea a fost asigurată de Consiliul de Cercetare în Sănătate din Noua Zeelandă, Proiectul 05/244 (http://www.hrc.govt.nz/) Finanțare publică bună. Autorii recunosc, de asemenea, sprijinul pentru finanțare de la Gravida: Centrul Național pentru Creștere și Dezvoltare, Comisia de Educație Terțiară din Noua Zeelandă și Maurice Paykel Research Trust. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Studiile epidemiologice și experimentale pe modele animale au arătat că susceptibilitatea la apariția bolilor cronice la descendenți poate fi crescută dacă mama a suferit o perturbare nutrițională tranzitorie în timpul sarcinii sau în timpul alăptării, de exemplu o perioadă de restricție calorică, restricție proteică sau hrană bogată în grăsimi [1 –8]. Acest fenotip este exprimat chiar dacă descendenții înșiși nu au experimentat manipulări directe și au fost hrăniți în mod normal. Studiile pe animale au arătat în continuare că descendenții din a doua generație pot fi, de asemenea, susceptibili la apariția bolilor cronice ca urmare a perturbațiilor nutriționale tranzitorii experimentate de bunica lor, deși descendenții din a treia generație nu prezintă astfel de tendințe [9-16]. Se consideră că acest răspuns transgenerațional este susținut de mecanisme de moștenire epigenetică [17, 18].

Spre deosebire de ansamblul de date despre răspunsurile descendenților în urma unei schimbări tranzitorii a condițiilor de mediu materne, se știe puțin despre răspunsul urmat de o tranziție susținută în condițiile de mediu, care este întâmpinată mai întâi de părinte, apoi persistă de-a lungul generațiilor. Acest scenariu este extrem de relevant pentru tranziția nutrițională a omului. În societatea umană, globalizarea care implică liberalizarea comerțului global și creșterea veniturilor și a urbanizării a creat medii obezogene prin promovarea echilibrului energetic pozitiv prin: (a) tranziții nutriționale către diete bogate în produse de origine animală, cereale rafinate și zahăr adăugat; și (b) reduceri ale activității fizice [19-23]. Populațiile din întreaga lume sunt în tranziție în acest fel și continuă să experimenteze medii obezogene de-a lungul generațiilor. Aceasta a văzut prevalența mondială a obezității dublată între 1980 și 2008 [19, 24]; dacă această tendință va persista sau nu în fața mediilor obezogene în curs de desfășurare este de mare interes.

În acest studiu, folosind un model de șobolan, am manipulat mediul părinților pentru a imita scenariul uman de migrație din mediul rural în mediul urban sau de la o societate/țară cu venituri mici la cele cu venituri mari. Acest scenariu implică atât o schimbare radicală a mediului înconjurător, cât și o schimbare a nutriției către diete mai obezogene, ceea ce la om duce la un risc mai mare de obezitate [25, 26]. Generația noastră parentală de șobolani a experimentat simultan o schimbare a mediului prin mutarea de la unitatea furnizorului la unitatea de cercetare și o schimbare de la o dietă pe bază de cereale la o dietă purificată, asemănătoare cu trecerea la diete mai rafinate la om. Am înregistrat apoi compoziția corporală și aportul de alimente pentru descendenții din prima, a doua și a treia generație, menținuți în condiții constante pe dieta de tranziție. Pentru a investiga dacă echilibrul macronutrienților din dietă a afectat răspunsul transgenerațional, am introdus, de asemenea, o dietă bogată în grăsimi sau cu un conținut scăzut de proteine ​​purificate la un subset de descendenți din prima generație, ai căror descendenți au fost, de asemenea, hrăniți cu diete bogate în grăsimi sau cu conținut scăzut de proteine.

Metode

Proiectare experimentală

Generația parentală (P) de șobolani Wistar (15 bărbați, 30 femele, toți non-colegi) a fost obținută dintr-o colonie menținută pe o dietă pe bază de cereale (VRF1) de la Charles River Laboratories (Charles River UK Ltd., Kent, UK ) și transportat la unitatea noastră de cercetare din Auckland, Noua Zeelandă. La sosire, în vârstă de aproximativ 32 de zile, șobolanii P au experimentat o tranziție nutrițională către o dietă de referință cu ingrediente purificate (R) (Tabelul 1, Fig. 1). Dietele cu ingrediente purificate pot fi obezogene pentru șobolani datorită gustului crescut, densității energetice mai mari [27, 28] și eficienței mai mari de conversie a nutrienților [27, 29, 30]. Prima, a doua și a treia generație de descendenți de șobolani P (F1, F2 și, respectiv, F3) au fost hrăniți exclusiv cu diete cu ingrediente purificate.

Generația parentală de șobolani (P) a cunoscut o tranziție în vârstă de aprox. 32 de zile sub formă de mutare la unitatea noastră de animale și trecerea de la nutriția pe bază de cereale la o dietă de referință cu ingrediente purificate (R). Șobolanii P au fost împerecheați pentru a produce prima din cele trei generații hrănite exclusiv cu diete cu ingrediente purificate (F1). Descendenții F1 au fost fie menținuți pe R, fie au fost hrăniți cu o dietă bogată în grăsimi purificată (HF) sau cu o dietă moderat cu conținut scăzut de proteine ​​(LP) de la înțărcare. A doua și a treia generație de dietă purificată (F2, F3) au fost generate de împerecherea femelelor din fiecare descendență (R, HF, LP) cu masculi din descendența R.

Pentru a investiga dacă echilibrul macronutrienților din dieta cu ingrediente purificate a influențat sau nu răspunsul transgenerațional, în plus față de linia menținută în R, un subset de șobolani F1 a fost înțărcat fie pe o dietă bogată în grăsimi purificată cu ingrediente purificate (HF), fie cu proteine ​​moderat scăzute. dieta cu ingrediente purificate (LP) (Tabelul 1) (așternuturile F1 au fost distribuite sistematic între cele trei grupuri de tratament dietetic, pentru a evita prejudecățile de așternut în rândurile de tratament dietetic). Descendenții F2 și F3 au fost generați pe fiecare descendență dietetică (R, HF și LP) prin împerecherea femelelor din fiecare descendență cu bărbați independenți din aceeași generație din descendența R. Toate dietele cu ingrediente purificate au fost hrănite ad libitum și au fost furnizate de Purina TestDiet (PMI Nutrition, Richmond, IN, SUA; R = 58B0 (AIN-76A); HF = 58V8 (D12451); LP = 5A3U (modificat AIN-76A) ).

Model animal

Toate procedurile pentru animale au fost aprobate de Comitetul de etică a animalelor din cadrul Universității din Auckland (aprobarea R402). Șobolanii au fost adăpostiți de la înțărcare în perechi sau ca singuli în timpul sarcinii în condiții standard, cu așchii de lemn pentru așternut și acces gratuit la apă într-o cameră cu un ciclu de lumină 12 ore/12 ore întuneric, o temperatură de 25 ° C și o umiditate de 50% . Șobolanii F1, F2 și F3 au fost găzduiți în aceeași cameră și toate procedurile, inclusiv creșterea zilnică, au fost efectuate de aceeași echipă de personal pe tot parcursul studiului.

Femelele virgine au fost împerecheate în timp la vârsta de aproximativ 130 de zile, folosind un monitor de ciclu estru (Model EC40, Fine Science Tools, Foster City, CA, SUA) pentru a evalua stadiul de est înainte de introducerea masculului și au fost adăpostite singure după confirmarea sarcinii. . La naștere, sexul și greutatea fiecărui pui au fost înregistrate, dar așternuturile au fost lăsate intacte până în ziua 2 postnatală, când au fost standardizate la 8-10 pui (număr egal de bărbați și femele) pentru a elimina efectele potențiale ale dimensiunii așternutului (așternuturi de 8-10 puii au fost lăsați intacti, în timp ce puieturile de> 10 pui au fost standardizate la 10 pui prin selectarea aleatorie și apoi eliminarea excesului de pui). La vârsta de 22 de zile, puii erau țesute de la mame și adăpostite în perechi de frați de același sex. De la înțărcare până la sfârșitul studiului, animalele au fost verificate zilnic și greutățile lor corporale înregistrate la fiecare șase zile pentru a monitoriza bunăstarea generală. Detaliile modelului animal, inclusiv împerecherile, nașterile și supraviețuirea neonatală sunt prezentate în tabelul S1.

Compoziția corpului, aportul de calorii și eficiența conversiei nutrienților

Compoziția corpului a fost măsurată pe un subset de opt bărbați și opt femele pe grup la vârsta de aproximativ 115 zile. Acest lucru a fost făcut sub anestezie cu halotan ușor (3%) prin absorptiometrie cu raze X cu energie duală (DXA) cu software dedicat pentru animale mici (GE Medical Systems Lunar, Madison, WI, SUA). Aportul de alimente (calorii) a fost măsurat pe perioade consecutive de șase zile de la înțărcare. Raportăm aportul mediu de șobolani de la vârsta de 58 de zile încoace (pe parcursul a nouă perioade consecutive), timp în care aportul a fost relativ stabil. Deoarece șobolanii au fost găzduiți în perechi, aportul de alimente a fost măsurat pe pereche și menit să estimeze aportul pe șobolan. Eficiențele de conversie a nutrienților au fost, de asemenea, evaluate pe pereche de șobolani cu ANCOVA pentru a analiza masa slabă sau grasă corporală combinată a fiecărei perechi, folosind aportul zilnic mediu combinat de energie proteică sau respectiv energie neproteică, ca covariați [31, 32].

Analiza datelor

Datele de la șobolanii F1, F2 și F3 au fost analizate prin ANOVA sau ANCOVA cu două căi, folosind generația și dieta ca factori, unde un efect principal semnificativ al generației indică faptul că fenotipul nu a fost stabil (adică neconform) între generații, o statistică semnificativă interacțiunea dintre generație și dietă indică un efect al echilibrului macronutrienților asupra răspunsului transgenerațional, iar un efect principal semnificativ al dietei indică un efect al dietei în cadrul generației. Dimensiunile probelor sunt prezentate în tabelul S2. Datele despre bărbați și femei au fost analizate separat pe baza presupunerii a priori că sexele pot răspunde diferit. Datele privind compoziția corpului și aportul de calorii au fost analizate prin ANOVA bidirecțional, iar datele privind eficiența conversiei alimentelor au fost analizate prin ANCOVA bidirecțional, cu aportul de nutrienți ca covariați (energia proteică și neproteică ca covariata pentru masa slabă a corpului și, respectiv, grăsime) folosind SPSS (PASW Statistics 18, IBM Corp., Somers, NY, SUA). Homoscedascitatea a fost confirmată cu testul lui Levene cu o rădăcină pătrată sau transformare de rang aplicată după cum este necesar. În cazul în care interacțiunea statistică dintre generație și dietă a fost semnificativă (p Fig. 2. Greutățile la naștere ale descendenților (a, b), înțărcarea (c, d) și greutățile adulților (e, f), după sex.

Cercurile reprezintă R, pătratele reprezintă HF și triunghiurile reprezintă LP. Datele sunt afișate ca mijloace ± SEM. * F2> F3; # LP & F2 @ HF> R și LP; $ F1> F2, + HF: F1 Fig 3. (a-f) Compoziția corpului, (g-h) aportul de calorii și (i-l) eficiența conversiei nutrienților.

Cercurile reprezintă R, pătratele reprezintă HF și triunghiurile reprezintă LP, unde compoziția corpului și valorile aportului de nutrienți sunt medii ± SEM, iar valorile eficienței conversiei nutrienților sunt medii marginale estimate ± SEM. * efectul generării, # efectul grupului dietetic. Rezultatele analizelor statistice corespunzătoare sunt prezentate în Tabelul 2.

Aportul de calorii

Aportul de calorii a fost, de asemenea, neconform între generații pentru ambele sexe (Tabelul 2, Fig 3G și 3H), F2 și F3 consumând mai puține calorii decât F1. Doar la femei, F2 a consumat mai puține calorii decât F3. Echilibrul macronutrienților nu a afectat traiectoria schimbării consumului de alimente de-a lungul generațiilor pentru niciunul dintre sexe, dar a avut un efect în cadrul generației pentru ambele sexe, unde HF și LP au consumat mai multe calorii decât R.

Eficiența conversiei alimentelor

Eficiența conversiei proteinelor ingerate în masa slabă a corpului a fost neconcordantă de-a lungul generațiilor pentru ambele sexe (Tabelul 2, Fig. 3I și 3J). La ambele sexe, această eficiență a fost mai mare la F2 și F3 față de F1, iar la bărbați această eficiență a fost, de asemenea, mai mare la F3 față de F2. Echilibrul macronutrienților nu a afectat traiectoria schimbării între generații, dar a avut un efect dependent de sex în generație, unde la bărbați IC a avut o eficiență redusă comparativ cu R, iar la femei LP a avut o eficiență mai mare decât R.

Eficiența de conversie a carbohidraților și a grăsimilor ingerate în masa de grăsime corporală a fost neconcordantă de-a lungul generațiilor doar pentru bărbați, unde a fost redusă în F3 față de F2 (Tabelul 2, Fig. 3K și 3L). Echilibrul macronutrienților nu a afectat traiectoria între generații, dar a avut un efect dependent de sex în generație, unde la bărbați LP a avut o eficiență redusă în comparație cu R, iar la femei HF a avut o eficiență mai mare decât R.

Discuţie

Pe baza modelelor epidemiologice și experimentale de schimbări de mediu tranzitorii, este probabil ca perturbarea mediului părinților să crească riscul de boli cronice la descendenții din prima generație prin generarea unui fenotip adipogen [3]. Cu toate acestea, o întrebare importantă este dacă acest fenotip va persista de-a lungul generațiilor dacă mediul rămâne nealterat în starea de tranziție? O posibilitate este ca fenotipul să persiste între generații dacă expunerea continuă la starea de tranziție recreează același răspuns în fiecare generație. Alternativ, fenotipul poate să nu persiste între generații dacă moștenirea epigenetică afectează modul în care generațiile succesive răspund la mediul în tranziție.

În prezentul studiu am demonstrat că, în urma unei tranziții de mediu în generația părintească, atunci când generațiile de succes de descendenți de șobolani sunt menținute în condiții constante în mediul de tranziție, fenotipul nu este stabil între generații. Această instabilitate de-a lungul generațiilor implică schimbări în compoziția corpului, aportul de calorii și eficiența conversiei nutrienților, toate acestea fiind factori în dezvoltarea obezității și a comorbidităților sale. În timp ce efectele transgeneraționale asupra fenotipului au fost raportate anterior la descendenți în urma unei perturbații de mediu materne tranzitorii [10, 12, 15, 16], este pentru prima dată, după cum știm, că s-a dovedit că apar atunci când descendenții sunt menținuți în mai degrabă decât să revină la condițiile de pre-tranziție. Acesta este un punct critic de diferență din două motive. În primul rând, designul nostru are o mai mare relevanță pentru scenariul uman în care populațiile din întreaga lume sunt în tranziție și ulterior au continuat să experimenteze medii obezogene. În al doilea rând, prin proiectarea noastră suntem capabili să abordăm problema dacă fenotipurile se pot adapta la menținerea în mediul în tranziție [33].

Moștenirea epigenetică este mecanismul cel mai probabil pentru schimbarea fenotipului observată de-a lungul generațiilor în prezentul studiu. Datorită intervalului de timp al experimentului nostru, posibilitatea unor modificări progresive sau reversibile în metilarea ADN-ului sau a profilurilor microARN pot fi câțiva dintre factorii epigenetici moleculari care stau la baza modificărilor fiziologice transgeneraționale pe care le-am observat. Un exemplu în acest sens a fost raportat pentru dezvoltarea muștelor, prin care s-a demonstrat că o gamă largă de mecanisme (unele moștenite epigenetic) se dezvoltă pentru a face față provocărilor recurente de mediu [45]. Un alt exemplu a fost cel al lucrărilor recente ale lui Li și colab. ceea ce a arătat că o schimbare alimentară susținută (donatori excesivi de metil din dietă) a crescut variația epigenetică la șoarecii izogeni [46]. Mai mult, există, de asemenea, o serie de mecanisme proximale care pot fi implicate, cum ar fi mecanisme epigenetice transmeiotice, modificări ale stării corpului feminin (de exemplu, dimensiunea uterului, echilibrul hormonal etc.) sau un aspect al alăptării.

Un alt mecanism care ar putea fi implicat este modificarea microbiotei intestinale. Microbiota intestinală are potențialul de a modula obezitatea prin rate de fermentare și extracție a energiei, precum și prin alte mecanisme modulate microbial [47]. De exemplu, studiile efectuate pe șoareci în care microbiota intestinală a șoarecilor obezi și controalele slabe a fost transplantată la destinatari fără germeni au arătat că șoarecii care primesc microbiota intestinală de la donatori obezi au câștigat semnificativ mai multă grăsime corporală decât șoarecii care primesc microbiota slabă [48-50 ]. Ce mecanisme proximale au fost implicate în răspunsul transgenerațional găsit în acest studiu este o întrebare interesantă la care se poate răspunde în viitoarele studii independente.

O întrebare stringentă este dacă și cum lucrarea prezentată aici poate fi transpusă în mediul uman. Tranziția nutrițională aplicată generației parentale de șobolani în studiul nostru, adică trecerea de la o dietă pe bază de cereale, nerafinată la o dietă cu ingrediente rafinate, cu conținut ridicat de zahăr, cu conținut ridicat de grăsimi sau cu conținut scăzut de proteine, este caracteristică tranziției nutriționale umane [55, 56], atât în ​​ceea ce privește schimbarea alimentară în societăți, cât și în prezent migrația frecventă între societăți. Dacă generațiile de succes ale oamenilor ar răspunde la mediul tranziționat într-un mod similar cu cel observat în prezentul studiu al rozătoarelor, această traiectorie de schimbare a fenotipului ar reprezenta probabil o schimbare către un fenotip metabolic care ar prezenta un risc mai scăzut de boală cronică în viața ulterioară.

informatii justificative

S1 FIG. (a) Creșterea în greutate a mamei și (b) aportul de calorii în timpul sarcinii, dimensiunea așternutului (c) și aportul de calorii materne în timpul alăptării (d) (nu se măsoară pentru F1).

Cercurile reprezintă R, pătratele reprezintă HF și triunghiurile reprezintă LP, unde valorile sunt medii ± SEM. ^ F2> F1; % HF și LP> R. Rezultatele analizelor statistice corespunzătoare sunt prezentate în tabelul S3.