Te is az vagy, amit anyád eszik? Különleges proteomi portré az anya magas zsírtartalmú étrendjének eredményeként a felnőtt egér agykéregében

Tárgyak

Absztrakt

Az epidemiológiai vizsgálatok összefüggést sugallnak az anyák elhízása és az utódok káros neurodevelopmentális eredményei között. Célunk az volt, hogy összehasonlítsuk az agykéregben a globális proteomportrét azok között az egerek között, akik magas zsírtartalmú vagy kontroll étrendben lévő anyáktól születtek, akik maguk is magas zsírtartalmú vagy kontroll étrendet kaptak. A patkáktól született hím egerek kontroll (C) vagy magas zsírtartalmú (H) étrendet tápláltak 4 héttel a fogantatás előtt és a vemhesség alatt, és a laktációt C vagy H étrendhez rendelték az elválasztáskor. Az egereket a 19. héten leöltük, és agykérgüket kétdimenziós folyadékkromatográfia-tömegspektrometriás módszerrel elemeztük. Összesen 6 695 fehérjét azonosítottak (q

Bevezetés

A reproduktív korú nőstényeket nem mentesítették az elhízás járványa alól. 1 Mivel a „Barker” elmélet 22 évvel ezelőtt merült fel, 2 felhalmozódó bizonyíték alátámasztja, hogy a magzati táplálkozási szempontból veszélyeztetett intrauterin környezetekhez való alkalmazkodás (például alultápláltság, elhízás) későbbi életszakaszban káros következményekkel járhat, ezt a folyamatot fejlesztési programozásnak nevezik. 3, 4 Epidemiológiai vizsgálatok összefüggést találtak az anyák elhízása és az utódok neuropatológiai jellemzői között, mint például a kognitív problémák gyermekkorban, étkezési rendellenességek serdülőkorban és pszichotikus epizódok felnőttkorban. 5.

A magas zsírtartalmú étrend okozta elhízást rágcsálókban széles körben alkalmazták in vivo modell az elhízás különböző szervrendszerekre gyakorolt hatásainak tanulmányozására. 6 Legjobb tudomásunk szerint a globális szöveti proteomikát korábban nem alkalmazták az anya elhízásának a felnőtt utódok agyterületeire gyakorolt hatásainak felmérésére. Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk és összehasonlítsuk azon hím felnőtt egér agykérgek endofenotípusos arcképét, akiknek anyái a terhesség/szoptatás alatt és az elválasztás után maguk is magas zsírtartalmú vagy kontroll étrendnek voltak kitéve.

Anyagok és metódusok

Bizonyított C57b1/6 gátaknak kontrollt (C) adtak (21% kcal zsír, 17% kcal fehérje, 63% kcal szénhidrát, n= 4) vagy magas zsírtartalmú (H) chow étrend (45% kcal zsír, 20% kcal fehérje, 35% kcal szénhidrát; Special Diet Services, Egyesült Királyság, n= 4) 4 héttel a fogamzás előtt, valamint a vemhesség és a laktáció ideje alatt. Az elválasztáskor 4 hetes hím utódok (n= 24) C vagy H csoportba soroltuk, négy csoportot (CC, CH, HC, HH) létrehozva, n= 6 mindegyikre) (1a. Ábra).

(a) Proteomikai munkafolyamat és címkézési rendszer, (b) Az agykéreg összes elemzett fehérjéjének iTRAQ arányainak fő elemzése az egerek csoportosulását mutatja, az anyai étrend alapján, és nem a jelenlegi étrendjük alapján, vagyis a kék pontok (CH/CC) a vöröstől (HH/CC) külön csoportosulva és a zöld pontok (HC/CC) az 1. fő komponens mentén. A minta felosztása a 2. fő komponens mentén abból adódik, hogy az egyes mintákat elkülönítjük egy másik kontrollal, vagyis CC1-vel (pöttyök a tetején) vagy CC2-vel (pöttyök az alján). (c) A gyakran fel- és lefelé szabályozott fehérjék Venn-diagramjai CH, HC és HH egerekben a kontrollokkal (CC) összehasonlítva. (d) A modulált fehérjék hierarchikus csoportosítása: a HC és a HH csoportok hasonló proteomi portréval rendelkeznek, amely különbözik a CH egerekétől.

Tizenkilenc hetes egereket altattunk, intracardiálisan perfuzáltunk foszfáttal pufferolt sóoldattal, az agyakat eltávolítottuk, a frontoparietális kéregekre boncoltuk és fagyasztva megpattintottuk. A kísérleti eljárásokat a Southamptoni Egyetem Intézményi Állattenyésztési és Felhasználási Bizottsága és a Belügyminisztérium hagyta jóvá. 7

A feldolgozatlan nyers fájlokat a Proteome Discoverer 1.4-hez küldték a cél csalik keresésére a SequestHT segítségével triptikus peptidek számára, lehetővé téve két elmaradt hasítást, 10 ppm toleranciát, minimális 6-os peptidhosszat és 2 maximálisan változó (1 egyenlő) módosítást: oxidáció (M), deamidálás ( N, Q), foszforilezés (S, T, Y), iTRAQ 8plex (Y). A Methythio (C) és az iTRAQ (K és N-teminus) rögzített módosításai voltak. A töredezett iontömeg-tűrés 0,02 Da és 0,5 Da volt a nagyobb energiájú ütközés által indukált és az ütközés által indukált disszociációs spektrumok esetében. A hamis felfedezési arányt (FDR) a Percolator segítségével becsültük meg ⩽ 0,01-nél, és az érvényesítést beállítottuk q-érték

Eredmények

A proteomikai elemzés eredményeként 18 543 peptidet azonosítottunk 6695 egyedi fehérjévé (1. kiegészítő táblázat). A biológiai replikátumokon át profilált összes fehérje iTRAQ arányának átlagos együttható-variációját 16% -nak, 12% -nak és 13% -nak határoztuk meg a CH, HC és HH csoportokban. A biológiai replikátumok közötti analóg koefficiens variációs értékeket a szerzők hasonló proteomikai módszertanok felhasználásával jelentették. 8., 9. Az elemzett proteom főkomponens-elemzése azt mutatta, hogy a magas zsírtartalmú étrendnek perinatálisan kitett egerek csoportosulása a jelenlegi étrendtől függetlenül (1b. Ábra). Összesen 662 fehérjét (2. kiegészítő táblázat) találtunk modulálva a három csoport legalább egyikében. Hierarchikus csoportosulásukból kiderült, hogy azoknak az egereknek az agykérge, amelyeknek anyja magas zsírtartalmú étrendet folytatott, függetlenül a saját étrendjüktől, nagyon hasonló endofenotípusos arcképet osztottak meg, amely különbözött azoktól az egerekétől, akiknek anyja kontroll étrenden volt (1c ábra).

A modulált fehérjék közül 251 volt gyakori a HC és HH csoportokban (1d. Ábra és 3. kiegészítő táblázat). A MetaCore elemzés azt mutatta, hogy a hipoxiára/oxidatív stresszre adott válasz (FDR korrigálva P-= 1,45E-02) és az apoptózis/endoplazmatikus retikulum stressz útja (FDR korrigálva P-érték = 3,53E-02) csak a magas zsírtartalmú étrendnek perinatálisan kitett egerek agykérgében voltak jelentősen felülreprezentált folyamatok (2. ábra). Az apoptózis indukcióját oxidatív stressz hatására kereszt-referenciával vizsgáltuk a BiNGO-val (1. kiegészítő ábra). Ezzel szemben ezek a funkciók nem szignifikánsan gazdagodtak a CH egerekben.

Hálózati elemzés a MetaCore segítségével: jelentős gazdagítás a (a) hipoxiára/oxidatív stresszre adott válasz (FDR korrigálva P-= 3,53E-02) és (b) apoptózis/endoplazmatikus retikulum stressz útja (FDR korrigálva P-érték = 1,45E-02) a felnőtt utódok agykéregében az anyai zsírtartalmú étrend eredményeként. Az elemzett fehérjéket körrel jelöljük (piros = ureguláció, kék = downreguláció).

Vita

Vizsgálatunk az egér agykérgének eddigi legátfogóbb proteom profilja. Az eredmények új bizonyítékot szolgáltatnak az anyai zsírtartalmú étrend és a felnőtt utódok agykérgében bekövetkező endofenotípusos változások közötti összefüggésre. Az epigenetikus DNS-metilációs minták lehetséges mechanizmusok lehetnek e „táplálkozási lenyomat” létrehozására, 10 de ennek megfejtése meghaladta a tanulmány kereteit.

In silico A magas zsírtartalmú étrendnek perinatálisan kitett egerek agykéregében általában modulált fehérjék értelmezése a hipoxiára/oxidatív stresszre és az apoptózisra/endoplazmatikus retikulum stresszre adott válasz jelentős felülreprezentáltságát mutatta ki (2. ábra), amelyek egyaránt neurodegeneratív fenotípusra való progresszióra utalnak.

A hipoxiára/oxidatív stresszre adott reakcióval összefüggő elemzett enzimek a következők voltak: peroxiredoxin-1, peroxiredoxin-2, peroxiredoxin-4, szuperoxid-diszmutáz (Mn) mitokondriális, glutation-peroxidáz 1, glutation-S-transzferáz omega 1, tioredoxin-reduktáz 1 citoplazma dehidráz/xanthine oxidáz. Ezeknek a reaktív oxigénfajtáknak (ROS) gátló fehérjeinek szabályozása az anyai elhízás következtében megnövekedett oxidatív stresszre utalhat a felnőtt egerek agykéregében.

Korábban beszámoltak arról, hogy az anyai zsírtartalmú étrend fokozott oxidatív stresszhez vezet a felnőtt utód agyrégióiban a 3-nitrotirozin és a fehérje-karboxiláció szintjének mérésével, ezáltal közvetett utat adva az oxidatív stressznek. A zsírsavak oxidatív metabolizmusa általában ROS-t generál, amely az intracelluláris nukleofilek, például a mitokondriális DNS és a fehérjék kovalens módosulását okozza, beleértve a redoxfeldolgozásban részt vevőket is. 12 Az oxidatív károsodási termékek felhalmozódása az idegsejtek citoplazmájában megelőzi az Aβ lerakódását az agyi amiloid angiopathiában és az Alzheimer-kórban. 13 Az Aβ ROS által közvetített kovalens módosítása - más fehérjék mellett - szintén szerepet játszhat csökkentett clearance-ében. 14

A globális agyi ischaemia/reperfúzió (I/R) hasznos modell a megnövekedett oxidatív stressz agyi régiókban gyakorolt hatásaival kapcsolatban. Az I/R fokozza a szabadgyökök termelését és az oxidatív stresszt, ami viszont neuronális apoptózist okozhat. 15 Az I/R modellen keresztül azt tapasztalták, hogy az oxidatív stressz csökkentésével megelőzhető az agy neuronkárosodása. 16 Mivel a neuronális apoptózis irreverzibilis folyamat, az oxidatív stressz enyhítése csökkentheti a neurodegeneratív betegségek kockázatát. Egy nemrégiben végzett tanulmány kimutatta a kakukkfűből és petrezselyemből származó természetes termék, a β-mircén neuroprotektív hatásait egerekben az I/R nyomán. 17 Ebben a tanulmányban a β-mircén kezelés az I/R indukciójával egyidejűleg csökkentette az oxidatív stresszt és megakadályozta a neurodegenerációt ROS-gátló enzimek, például glutation-peroxidáz és szuperoxid-dismutáz indukciójával.

Egy másik tanulmány kimutatta, hogy a svájci albínó egerek S-allil-ciszteinnel, a fokhagymában fitokémiai anyagokkal történő előzetes kezelése megakadályozta a streptozotocin által kiváltott kísérleti demencia kognitív és viselkedési károsodását. Ezt a hatást ROS-gátló fehérjék, köztük glutation-peroxidáz indukciójának tulajdonították. 18 Hasonló tendenciákat figyeltek meg a gyümölcsből származó polifenolok esetében is. Alacsony szisztémás biohasznosulásuk és a ROS-fajok közvetlen elkülönítésében tapasztalható lassú reaktivitás ellenére a polifenolok sejt- és molekuláris mechanizmusokat indítanak el, részben ROS-gátló enzimek indukciója révén, amelyek csökkent neuronális oxidatív károsodást és kognitív hanyatlást eredményeznek. 19 Denny Joseph et al. 20 kiemelte a halolaj és a lilahagymában található vegyület, a kvercetin kombinálásának hatékonyságát az oxidatív stressz csökkentésében a patkányagyban, és ezáltal a neurodegeneráció elleni védelemben.

A vizsgálati korlátok magukban foglalják a nem validált tömegspektrometriás elemzési eredményeket alternatív megközelítések (például immunhisztokémia) alkalmazásával, a funkcionális vizsgálatok hiányát és a fehérje oxidációs állapotának értékelését. Ezek a prospektív tanulmányok célkitűzései. Összefoglalva, tanulmányunk kimutatta, hogy az anyai elhízás különböző proteom portrékat eredményezett, ami neurogeneratív fenotípust sugall a felnőtt utódok agykérgében.

Hivatkozások

Flegal KM, Carroll MD, Ogden CL, Curtin LR. Az elhízás elterjedtsége és tendenciái az amerikai felnőttek körében, 1999–2008. JAMA 2010; 303: 235–241.

Barker DJ. Az időskori betegségek magzati eredete. Eur J Clin Nutr 1992; 46: S3 – S9.

Iozzo P, Holmes M, Schmidt MV, Cirulli F, Guzzardi MA, Berry A et al. Az egészséges és egészségtelen öregedés fejlődési ORI-je: az anyai elhízás szerepe - bevezetés a DORIAN-ba. Obes tények 2014; 7: 130–151.

Gluckman PD, Hanson MA, Cooper C. Thornburg KL. A méhen belüli és a korai életkörülmények hatása a felnőttek egészségére és betegségeire. N Engl J Med 2008; 359: 61–73.

Van Lieshout RJ, Taylor VH, Boyle MH. A terhesség előtti és a terhességi elhízás, valamint az utódok neurodevelopmentális eredményei: szisztematikus áttekintés. Obes Rev 2011; 12.: e548 – e559.

Zambrano E, Nathanielsz PW. Mechanizmusok, amelyek segítségével az anyai elhízás programozza az elhízás utódjait: állatkísérletek bizonyítékai. Nutr Rev 2013; 71.: S42 – S54.

Hawkes Kalifornia, Gentleman SM, Nicoll JA, Carare RO. A szülés előtti, magas zsírtartalmú étrend megváltoztatja a β-amiloid agyi érrendszerét és clearance-ét felnőtt utódoknál. J Pathol 2014; 235: 619–631.

Papachristou EK, Roumeliotis TI, Chrysagi A, Trigoni C, Charvalos E, Townsend PA et al. Az emberi ThinPrep méhnyak kenetének puskás proteomikai vizsgálata iTRAQ tömegjelöléssel és 2D LC-FT-Orbitrap-MS alkalmazásával: az emberi papillomavírus kimutatása fehérjeszinten. J Proteome Res 2013; 12.: 2078–2089.

Al-Daghri NM, Al-Attas OS, Johnston HE, Singhania A, Alokail MS, Alkharfy KM et al. A teljes szérum 3D LC-nESI-FTMS kvantitatív proteomika feltárja a szexuális dimorfizmust a túlsúlyos és elhízott felnőttek Milieu Intérieur-jában. J Proteome Res 2014; 13.: 5094–5105.

Soubry A, Murphy SK, Wang F, Huang Z, Vidal AC, Fuemmeler BF et al. Az elhízott szülők újszülöttjei megváltoztatták a DNS-metilációs mintázatot a nyomtatott géneknél. Int J Obes (Lond) 2013. e-kocsma a nyomtatás előtt 2013. október 25. doi: 10.1038/ijo.2013.193.

Fehér CL, Pistell PJ, Purpera MN, Gupta S, Fernandez-Kim SO, Hise TL et al. A magas zsírtartalmú étrend hatása a patkányok Morris labirintus teljesítményére, oxidatív stresszére és gyulladására: az anyai étrend hozzájárulása. Neurobiol Dis 2009; 35: 3–13.

Jacobs AT, Marnett LJ. Az elektrofil stressz által kiváltott fehérje-modifikáció és sejtválaszok rendszerelemzése. Acc Chem Res 2010; 43: 673–683.

Carare RO, Hawkes Kalifornia, Jeffrey M, Kalaria RN, Weller RO. Áttekintés: agyi amiloid angiopathia, prion angiopathia, CADASIL és a fehérje eliminációs kudarc angiopathiák (PEFA) spektruma neurodegeneratív betegségben, a terápiára összpontosítva. Neuropathol Appl Neurobiol 2013; 39: 593–611.

Butterfield DA, Bader Lange ML, Sultana R. A lipidperoxidációs termék, a HNE bevonódása az Alzheimer-kór patogenezisébe és progressziójába. Biochim Biophys Acta 2010; 1801: 924–929.

Heo JW, Han SW, Lee SK. A szabad gyökök az agy ödéma kialakulásának kiváltó okai a stroke után. Ingyenes Radic Biol Med 2005; 39: 51–70.

Oztanir MN, Ciftci O, Cetin A, Aladag MA. A hesperidin C57BL/J6 egérmodellben csillapítja a globális agyi ischaemia/reperfúzió által okozott oxidatív és idegsejt károsodást. Neurol Sci 2014; 35: 1393–1399.

Ciftci O, Oztanir MN, Cetin A. A β-mircén neuroprotektív hatásai a globális agyi ischaemia/reperfúzió által közvetített oxidatív és neuronális károsodást követően egy C57BL/J6 egérben. Neurochem Res 2014; 39: 1717–1723.

Javed H, Khan MM, A kán, Vaibhav K, Ahmad A, Khuwaja G et al. Az S-allil-cisztein csillapítja az oxidatív stresszel járó kognitív károsodást és a neurodegenerációt az Alzheimer-típusú streptozotocin által kiváltott kísérleti demencia egérmodelljében. Brain Res 2011; 1389: 133–142.

Singh M, Arseneault M, Sanderson T, Murthy V, Ramassamy C. Az Alzheimer-kórban az élelmiszerekből származó polifenolok kutatásának kihívásai: biohasznosulás, anyagcsere, valamint sejtes és molekuláris mechanizmusok. J Agric Food Chem 2008; 56: 4855–4873.

Denny Joseph KM, Muralidhara. A halolaj fokozott neuroprotektív hatása kvercetinnel kombinálva a 3-nitropropionsav ellen indukált oxidatív stresszt patkányagyban. Prog Neuropsychopharmacol Biol Pszichiátria 2013; 40: 83–92.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a tanulmányt a BBSRC, a Rosetrees Trust és a Wessex Cancer Trust and Medical Research, Egyesült Királyság finanszírozta. Hálával tartozunk Roger Allsopp úrnak, Derek Coates úrnak és a Hope for Guernsey-nek a lelkesedésük, az adománygyűjtésük és a jövőképük miatt a proteomikai infrastruktúra létrehozásában a Southamptoni Egyetem - Ráktudományi Intézet/Élettudományi Intézetnél. Köszönjük Dr. X Zhangnak és Dr. D Ankrettnek a nagy teljesítményű folyadékkromatográfiai rendszer használatát. Ezúton is köszönjük a PRIDE csapat támogatását.

Szerzői információk

S D Garbis és R O Carare: Az SDG és a ROC közösen vezetik a tanulmányt, és társ-vezető szerzők.

Hovatartozások

Proteomikai Kutatóközpont, Élettudományi Intézet, Southamptoni Egyetem, Southampton, Egyesült Királyság

Egy Manousopoulou, H E Johnston & S D Garbis

Klinikai és kísérleti tudományok, Southamptoni Egyetem, Southampton, Egyesült Királyság

Egy Manousopoulou, J Woo, C H Woelk, A Singhania, C Hawkes, S D Garbis és R O Carare

Ráktudományok, University of Southampton, Southampton, Egyesült Királyság

H E Johnston & S D Garbis

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre

Levelező szerzők

S D Garbis vagy R O Carare levelezése.

Etikai nyilatkozatok

Versenyző érdekek

A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.

További információ

Kiegészítő információk kísérik ezt a cikket az International Journal of Obesity weboldalán