Untersuchungen zum Einfluss hochkalorisch fettreicher Ernährung in der Perinatalzeit auf Epigenetische Veränderungen in der Nachkommenschaft im Modell der Gastric inhibitory polypeptide receptor knock out (GIPR-/-) Maus Michael Kruse Abteilung Klinische Ernährung Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke Ernährung 2012 14.-16. Juni 2012, Nürnberg
Hintergrund (I) Induktion von Stoffwechselerkrankungen durch Veränderungen des intra uterinen Milieus Warner und Ozanne, 2010, Biochem J
Hintergrund (I) Hyperkalorische Ernährung und Fetale Programmierung Eine mütterliche hyperkalorische Ernährung induziert die Entwicklung eines Metabolischen Sydroms in den Nachkommen. Eine hochkalorisch fettreiche Nahrung (HFN) wird für die Übertragung westlicher Ernährungsgewohnheiten auf Tiermodelle benutzt. Auswirkungen auf die Nachkommen: Adipositas, Insulinresistenz, Hypertonie, Hepatosteatose. (Samuelsson et al., 2008, Hypertesion; Bruce et al., 2009, Hepatology).
Hintergrund (II) Gastric Inhibitory Polypeptide (GIP)/ GIP-Rezeptor Freisetzung der Inkretine - Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) und - Gastric inhibitory polypeptide (GIP) nach Nahrungsaufnahme. modifiziert nach: Baggio und Drucker, 2007, Gastroenterology.
Hintergrund (II) Gastric Inhibitory Polypeptide (GIP)/ GIP-Rezeptor Gastric Inhibitory Polypeptide (GIP) beeinflusst den Lipidstoffwechsel in Adipozyten: - steigert die Aktivität der Lipoproteinlipase in Adipozyten (Knapper et al., 1995, J Nutr). - verstärkt die Aufnahme von Fettsäuren in Adipozyten (Beck und Max, 1983, Regul Pept). GIP-Rezeptor knock out Mäuse (GIPR KO): Protektion vor Adipositas nach Exposition mit fetthaltiger Nahrung Höhere Adiponektin-Konzentration, verbesserte periphere Fettsäureoxidation (Miyawaki et al., 2002, Nat Med; Naitoh et al., 2008, Biochem Biophys Res Commun)
Fragestellung und Methodik der Pilotstudie Fragestellung: Sind GIPR KO Mäuse weiterhin vor der Entwicklung einer Adipositas durch eine HFN geschützt, wenn sie während der Schwangerschaft und Säuglingszeit über die Mutter bereits dieser HFN ausgesetzt waren? WT Geburt Entwöhnung, 3. Woche HF (60% Fett), 25. Woche 45 Wochen 23 Wochen Kontrollnahrung 20 Wochen Hochfett-Nahrung WT C-HF GIPR KO KO C-HF GIPR KO KO HF-HF Wildtyp (WT) und GIP Rezeptor Knock Out (GIPR KO) Mäuse, n = 5 13, C57BL/6
KO HF-HF zeigen keine signifikante Veränderung des Körpergewichts im Vergleich zu KO C-HF Gewichtsverlauf mit Kontroll-Nahrung Gewichtsverlauf mit HF-Nahrung 60 Körpergewicht (g) 35 30 25 20 15 10 Körpergewicht (g) 50 40 30 20 HFN 5 10 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Alter (Wochen) 0 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Alter (Wochen) WT C-HF KO C-HF KO HF-HF P<0.05, P<0.01
KO HF-HF haben einen höheren Körperfettanteil als KO C-HF Körperfettanteil 50 45 40 35 Köperfett (%) 30 25 20 15 10 5 WT C-HF KO C-HF KO HF-HF 0 13 22 31 43 Kontroll-Nahrung 6 Wochen HF 18 Wochen HF Alter (Wochen) P<0.05, P<0.01, P<0.005
Geringere Energieaufnahme in KO HF-HF als in KO C-HF Kumulative Energieaufnahme (HF-Nahrung) 50 45 WT C-HF 40 KO C-HF 35 KO HF-HF (kcal/gkg) 30 25 20 15 10 5 0 25 27 31 34 38 42 44 Alter (Woche) P<0.01, P<0.005
Erhöhte Genexpression inflammatorischer Zytokine in KO HF-HF Genexpression inflammatorischer Zytokine im Fettgewebe 2.5 2 WT C-HF KO C-HF Relative Expression 1.5 1 KO HF-HF 0.5 0 TNF-alpha MCP-1 MIF-1alpha F4/80 P<0.05
Ziele des Forschungsvorhabens Es soll untersucht werden: 1) Epigenetische Histon- und/ oder DNA-Modifikationen im Fettgewebe von GIPR KO Mäusen ( Mechanismus der Protektion vor nahrungsinduzierter Adipositas). 2) Ob eine mütterliche HFN in der Peripartalzeit in GIPR KO Mäusen Veränderungen in den Histon- und/ oder DNA-Modifikationen induziert und 3) ob diese durch eine Re-Exposition mit der gleichen HFN nochmals modifiziert werden. 4) Gezielt Expressionsmuster von Genen der Nahrungsaufnahme im Hypothalamus.
Arbeitsprogramm Aufbau der Studie Adaptation Schwangerschaft Säuglingsperiode 2 Wochen 3 Wochen 3 Wochen 20 Wochen WT Ciu-C WT Ciu-HF KO Ciu-C KO Ciu-HF Kreuzung mit männl. GIPR+/- WT GIPR-/- WT HFiu-C WT HFiu-HF KO HFiu-C KO HFiu-HF WT weibl. GIPR+/- GIPR-/- weibl. GIPR+/- Geburt Kontrollnahrung Hochfettnahrung
Arbeitsprogramm Gewichtsbestimmungen und kumulative Nahrungsaufnahme: Wöchentlich bis zum Endpunkt der Studie (23. Lebenswoche). Körperfettanteil: 13. Lebenswoche und am Studienendpunkt (23. Lebenswoche) mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Energieumsatz: 22. Lebenswoche mittels indirekter Kalorimetrie. Glukose- (GTT) und Insulin- (ITT) Toleranztest: 20. bzw. 21. Lebenswoche. Plasma Metabolite: Glukose, Insulin, Triglyceride, freie Fettsäuren. Genexpression im Hypothalamus: Analyse anorexigener (POMC, CART, CRH) und orexigener Neuropeptide (MCH, AGRP, NPY, CNR1) mittels quantitativer real time PCR.
Arbeitsprogramm DNA-Methylierung und Histon-Modifizierung im Fettgewebe DNA-Methylierung: Analyse von > 450.000 sog. CpG-Inseln auf deren Methylierungsstatus mit Hilfe von Illumina Micro- Array-Chips. (Kooperation: Genome Analysis Center, Helmholtz Zentrum München). Histon-Modifizierung: Histon H3: Azetylierung Lysin an Position 9, 18; Mono-, Di- und Trimethylierung Lysin an Position 9 (Western-Blot). Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) gegen die Histon-Modifizierungen und Analyse mittels qrt- PCR auf Veränderungen in der Expression von Promotoren der inflammatorischen Gene MCP-1, MIP-1α, TNF-α, IL-6, und IL-8. (Qui, 2006, Nature)
Vielen Dank and die Deutsche Gesellschaft für Ernährungsmedizin e.v. (DGEM) für die Unterstützung dieses Forschungsvorhabens!