Довічне недоїдання білка у щурів (Rattus norvegicus) призводить до змінених моделей черепно-лицевого росту та дрібних особин

Анотація

Вступ

Наявність дієтичного білка є обмежуючим фактором репродуктивного успіху ссавців (Stewart et al. 1975; Desai et al. 1996; Reichling, 1999), розвитку (Cameron & Eshelman, 1996; Gomez et al. 1996; da Silva Faria et al . 2004 р.; Fortman та ін. 2005) та валовий соматичний ріст (Stewart та ін., 1975; Edozier & Switzer, 1978; Pond & Wu, 1981; Miller & German, 1999; Reichling & German, 2000). Обмеження дієтичного білка впливає на траєкторії зростання скелета, нелінійні закономірності розміру змінюються з часом. Навіть сезонні коливання у багатих білками джерелах їжі можуть суттєво затримати досягнення дорослого статусу порівняно з добре харчуваними особами (McAdam & Boutin, 2003). Молоді самки вразливі до неадекватного білка, оскільки вони можуть розмножуватися, поки все ще ростуть. Тоді обмежений запас амінокислот буде розподілений між двома фізіологічними процесами, успішним розмноженням і постійним ростом. Таким чином, наслідки недоїдання білка можуть торкнутися не одного покоління.

Інші дослідження впливу білкового недоїдання на ріст потомства ставлять материнське покоління на дієту з низьким вмістом білка незадовго до зачаття, при виявленні вагітності або при пологах (Pond & Wu, 1981; Desai et al. 1996; El- Хаттабі та ін., 2003). Самки в таких дослідженнях добре харчуються до настання вагітності та/або лактації. Порівняно з самками, які дотримувались низькобілкової дієти до досягнення репродуктивної зрілості, у цих дослідженнях, мабуть, накопичився більший вміст м'язового білка та запаси жиру, обидва з яких можуть бути катаболізовані для підтримки росту плода та доповнення вищих енергетичних витрат на виробництво молока. Таким чином, їхнє потомство не можна порівняти з потомством самок, які недоїдали білком під час їх фази росту після відлучення.

Субоптимальні рівні дієтичного білка впливають на фізіологічні системи, які регулюють темп і терміни росту та дозрівання скелета. Короткочасне обмеження білка призводить до зменшення амплітуди або концентрації вивільнення гормону росту (GH), але не до нормальних 3,3-годинних циклів вивільнення, а також до зниження концентрації IGF-I у плазмі крові та концентрації інсуліну (Harel & Tannenbaum, 1993; Thissen et al. 1994; Underwood et al. 1994; Bourrin et al. 2000; El-Khattabi et al. 2003; Jimenez-Gancedo et al. 2004; Martin et al. 2004). У культивованих клітинах кісткового мозку від недоїданих щурів тривалість генерації клітин більша, ніж у контролів, в основному через чотириразове збільшення часу, проведеного у фазах мейозу I та gap1, хоча фаза синтезу була коротшою, ніж у контролів (Gomez et al. 1996). Існують додаткові докази того, що обмеження білка впливає на швидкість синтезу ДНК та білка на тканиноспецифічній основі (Masanes et al. 1999; Proud, 2002; El-Khattabi et al. 2003). Ці ефекти на клітинний цикл і швидкість синтезу можуть бути пов'язані з регуляцією трансляції мРНК та виробленням рибосомних складових поживними речовинами, зокрема білками (Proud, 2002; Kimball & Jefferson, 2004). Нарешті, обмеження білка потенційно впливає на схеми метилювання ДНК, що матиме пізніші наслідки для росту цілого організму (Kuzawa, 2005).

Протягом кількох поколінь потенційний вплив недоїдання білка на ці клітинні або фізіологічні процеси може впливати на ріст всього організму кількома способами. По-перше, якщо недоїдання білка збільшує тривалість росту тіла, більша тривалість може компенсувати очікувані повільніші темпи росту кісток. Це призведе до того, що тварини будуть не меншими за добре вигодованих тварин (Miller & German, 1999; Reichling & German, 2000). З іншого боку, порушення "нормального" скелетного онтогенезу через незначні рівні харчового білка протягом усього життя тварин може принципово змінити траєкторію росту. У такому випадку люди ніколи не можуть досягти нормального загального розміру або пропорції. Однак вивчення лише остаточних розмірів дорослих у популяціях, які зазнають цієї екологічної шкоди, не забезпечить даних, необхідних для розуміння того, як недоїдання білка впливає на ріст скелета у особин, або зміни в характері зростання в популяції. Вивчення всієї траєкторії росту необхідне для того, щоб повністю оцінити вплив обмеженого вмісту білка протягом усього життя тварин.

Матеріали та методи

Дієти

Дієти (Дієти, Віфлеєм, Пенсільванія, США, №111146, 111147) базувались на стандартах дієти для гризунів AIN-93G для росту, вагітності та лактації (Reeves et al. 1993). Ці дієти були ідентичними тим, які використовувались у попередніх дослідженнях (Miller & German, 1999; Reichling & German, 2000). Контрольна дієта з високим вмістом білка мала 27,6% білка у формі казеїну за вагою (табл. 1). Ця дієта підтримувала максимальні темпи зростання, пов’язані із збільшенням споживання білка (Edozier & Switzer, 1978). В ізокалорійній дієті з низьким вмістом білка було 4,6% білка. Ця дієта не шкодила здоров’ю щурів, які недоїдали після відлучення (Edozier & Switzer, 1978; Cameron & Eshelman, 1996), але мала достатньо менше білка, щоб виявити різницю в швидкості росту. Дієти були повноцінними щодо амінокислотного складу і містили однакову кількість калорій - 3,4 ккал/кг. Рівні кальцію та калію були змінені при дієті з низьким вмістом білка. Калорійність для кожної тварини визначалася за даними однолітніх контрольних тварин, яким дозволено їсти за бажанням (Miller & German, 1999). Всіх щурів годували рівною кількістю калорій на грам маси тіла, так що лише споживання білка різнилось між групами (Таблиця 2).

Таблиця 1

Склад контрольної та експериментальної дієти з низьким вмістом білка. Обидві дієти мають по 3,4 ккал кг -1. Усі кількості вказані в міліграмах інгредієнта на грам їжі