Hepatic and muscular transcriptomic responses of porcine progeny to gestational diets varying in protein content

Abstract

Inadequate maternal protein supply during gestation represents an environmental factor that is known to affect physiological signaling pathways and impacts the phenotype of the progeny in animal models and in humans with long-term consequences for growth, function and structure of various tissues. The provoked intrauterine adaptive responses are termed 'Fetal Programming'. Hypothesising that the progeny's transcriptome is persistently altered by maternal diets, we used a porcine model to monitor the longitudinal expression changes in liver and muscle tissue to identify pathways relevant to fetal initiation of postnatal growth and development. Throughout the whole pregnancy nulliparous German landrace sows were fed one of three isoenergetic diets differing in their protein:carbohydrate ratio, resulting in a low protein diet (LP: 6.5 % crude protein), a high protein diet (HP: 30 % crude protein) and an adequate protein diet (AP: 12.1 % crude protein). All progeny was nursed by foster sows that received a standard diet. Postweaning, the progeny was fed standard diets ad libitum. The progeny's liver (n = 192) and muscle tissue M. longissimus dorsi; n = 72) were collected at 94 days post conception (dpc) and 1, 28, and 188 days post natum (dpn) for expression profiling. The analyses included comparisons between dietary groups within ontogenetic stages as well as comparisons between ontogenetic stages within dietary groups to separate diet-specific transcriptional changes and maturation processes. An in utero exposure to adverse gestational protein diets revealed a 'Programming' of the progeny's genome in a diet-, tissue- and stage-dependent manner. Transcriptional alterations during pre- and postnatal development differed considerably among dietary groups, particularly for genes related to energy metabolism, lipid metabolism, cell cycle regulation, organismal and cellular growth, and glucocorticoid receptor signaling. No single gene was found differentially expressed between the groups along all examined stages. The transcriptional responses in both HP and LP progeny were interpreted as the molecular equivalent to developmental plasticity which accounts for adaptation and maintenance of the organismal phenotype and affects signaling pathways related to energy utilisation. Obviously, the 'Fetal Programming' of the genome warrants adaptation processes regarding to compensatory growth, probably at the expense of a predisposition for metabolic disturbances up to adult stages.

<strong>Transkriptionelle Antworten auf Trächtigkeitsdiäten unterschiedlicher Proteingehalte in porcinen Nachkommen</strong><br /> Ungünstige Umwelteinflüsse während der fetalen Entwicklung bewirken eine intrauterine adaptive Antwort mit langfristigen Konsequenzen auf Wachstum, Funktion und Struktur verschiedener Gewebe der Nachkommen. Diese Zusammenhänge werden als 'Fetale Programmierung' bezeichnet. So stellt eine unangepasste maternale Proteinversorgung während der Gestation einen Umweltfaktor dar, der sowohl physiologische Signalwege beeinflusst als auch phänotypische Anpassungen bei Nachkommen von Mensch und Tier hervorruft. In der vorliegenden Arbeit wurde die Hypothese einer persistenten Transkriptomregulation der Nachkommen in Abhängigkeit von der mütterlichen Diät in einem porcinen Model bearbeitet. Ziel war es, molekulare Signalwege und Mechanismen mit Relevanz zur fetalen Initiierung von postnatalem Wachstum und Entwicklung zu identifizieren. Jungsauen der Deutschen Landrasse wurden während der gesamten Trächtigkeit mit einer von drei isoenergetischen Diäten ernährt, die sich in ihrem Protein:Kohlenhydrat-Verhältnis unterschieden. Die experimentellen Gruppen wurden als Niedrigproteindiät (LP, 6% Rohprotein, Protein:Kohlenhydrat 1:10), Hochproteindiät (HP, 30% Rohprotein, Protein:Kohlenhydrat 1:1,3) und adäquate Proteindiät (AP, 12% Rohprotein, Protein:Kohlenhydrat 1:5) bezeichnet. Die Nachkommen wurden von Ammensauen gesäugt, welche mit Standardfutter ernährt wurden. Nach dem Absetzen erhielten die Nachkommen Standardfutter ad libitum. Um Genexpressionsprofile abzubilden, wurde der Nachkommenschaft Leber (n = 192) und Muskelgewebe M. longissimus dorsi; n = 72) am 94. Tag der Trächtigkeit (dpc) sowie am 1., 28., und 188. Lebenstag (dpn) entnommen. Durch das longitudinale Studiendesign konnten sowohl Vergleiche zwischen Diätgruppen innerhalb der ontogenetischen Stadien als auch Vergleiche zwischen ontogenetischen Stadien innerhalb der einzelnen Diätgruppen vorgenommen werden. Auf diese Weise war es möglich, Diät-spezifische transkriptionelle Änderungen von physiologischen Reifungsprozessen zu unterscheiden. Die in utero Exposition zu nicht bedarfsgerechten maternalen Proteindiäten zeigte eine 'Programmierung' des Genoms der Nachkommenschaft in Abhängigkeit von Diät, Gewebe und ontogenetischem Stadium. Die Diät-abhängigen transkriptionellen Regulationen in den Nachkommen umfassten Änderungen des Lipidmetabolismus, der Zellzyklusregulation, des Energiemetabolismus, des organismischen und zellulären Wachstums sowie des Glukokortikoidrezeptor Signalweges. Es wurden keine Gene gefunden, die in allen untersuchten ontogenetischen Stadien eine differentielle Auslenkung zwischen den Diätgruppen aufwiesen. Die transkriptionelle Auslenkung in den HP und LP Nachkommen wurde als molekulares Äquivalent einer Entwicklungsplastizität interpretiert, welche für die Adaptation und den Erhalt des rassetypischen Phänotyps sorgt und daneben Signalwege der Energieausnutzung beeinflusst. Offensichtlich garantiert die 'Fetale Programmierung' des Genoms ein rassespezifisches Wachstum, welches mit einer Prädisposition für metabolische Störungen bis zum Erwachsenenalter einhergeht.