Знижена активність MTHFD1 у самців мишей порушує фолієво-холінзалежний метаболізм

Марта С. Польова

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Келсі С. Шилдс

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Абарінова Олена Василівна

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Малишева Ольга Василівна

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Роберт Х. Аллен

4 Кафедра медицини та відділення гематології Університету Колорадо, Центр наук про здоров'я, Денвер, Колорадо

Саллі П. Стаблер

Джессіка А. Еш

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Барбара Дж. Штрупп

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Патрік Дж. Стовер

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Марі А. Коділь

3 Відділ харчових наук, Корнельський університет, Ітака, Нью-Йорк; і

Анотація

Вступ

Ген Mthfd1 кодує трифункціональний фермент, що метаболізує фолат, C1-тетрагідрофолат (ТГФ) 5-синтазу, який відіграє важливу роль як у синтезі нуклеотидів, так і в циклі метіоніну. Фермент C1THF-синтази [зазвичай називається метилентетрагідрофолатдегідрогеназа 1 (MTHFD1)] містить синтетазну активність, яка каталізує АТФ-залежне перетворення формату і ТГФ в 10-формилТГФ, циклогідролазну активність, яка каталізує взаємоперетворення 10-формилТГ і 5, 10-метенилТГФ та активність дегідрогенази, яка знижує 5,10-метенилТГФ до 5,10-метиленТФ (1) ( Рис. 1 ).

Робоча модель метаболічних ефектів дефіциту Mthfd1 на холіно- та фолат-опосередкований метаболізм 1-С. Продуктом гена Mthfd1 є синтаза C1THF, яка містить ферментативні дії FTHFS, MTHFC та MTHFD. "X" позначає ферментативні дії, які зменшуються на 50% у моделі миші Mthfd1 gt/+. Метаболіти в коробці - це ті, які були виміряні в цьому дослідженні: подвійна коробка вказує на те, що метаболіт вимірювали в печінці, одинарна коробка вказує, що метаболіт вимірювали в плазмі. Більш товста стрілка, процес посилений зниженою активністю MTHFD1; пунктирна стрілка, процес ослаблений зниженою активністю MTHFD1. AdoHcy, S-аденозилгомоцитеїн; АдоМет, S-аденозилметионін; 1-С, 1-вуглець; CBS, цистатіонін β-синтаза; DMG, диметилгліцин; FTHFS, 10-формилтетрагідрофолатсинтетаза; GPC, гліцерофосфохолін; Hcy, гомоцистеїн; Met, метіонін; MTHFC, метенилтетрагідрофолатциклогідролаза; MTHFD, метилентетрагідрофолатдегідрогеназа; MTHFR, 5,10-метилентетрагідрофолат-редуктаза; ПК, фосфатидилхолін; SHMT, серингідоксиметилтрансфераза; ТГФ, тетрагідрофолат.

Продукт каталізованих C1THF-синтазою реакцій, 5,10-метиленTHF, існує в точці розгалуження на шляху метаболізму фолатів. 5,10-MethyleneTHF є донором 1-вуглецю (1-C) для синтезу тимідилату de novo, або ж може бути безповоротно відновлений до 5-methylTHF за допомогою ферменту 5,10-метилентетрагідрофолат-редуктази (1). 5-MethylTHF є ключовим донором метилу для реметилування гомоцистеїну до метіоніну, реакції, яка функціонально є надлишковою з бетаїном: каталізоване перетворення гомоцистеїну метилтрансферазою гомоцистеїну в метіонін (2–4). Як фолієво-опосередкований метаболізм 1-С, так і деградація холіну можуть незалежно забезпечувати одиниці 1-С для реметилювання гомоцистеїну, і тому ці 2 шляхи дуже взаємопов'язані. Отже, зміни або стану фолатів, або холіну можуть призвести до співмірних змін стану іншого поживного речовини, як показано в декількох моделях гризунів (5–8) та дослідженнях на людях (9–11).

Основною метою цього дослідження було кількісно визначити вплив генотипу Mthfd1 gt/+ на біомаркери метаболізму холіну. Оскільки в нашому попередньому дослідженні використовувалася дієта, дефіцитна як фолієва кислота, так і холін, поточне дослідження намагалося дослідити наслідки порушення Mthdf1 на метаболізм 1-С в умовах лише харчової недостатності фолатів.

Матеріали і методи

Експериментальні миші та дієти.

Усі протоколи досліджень були схвалені Інституційним комітетом з догляду та використання тварин Корнельського університету та відповідають Керівництву NIH з догляду та використання лабораторних тварин. Досліджуваних мишей генерували шляхом схрещування самок мишей C57Bl/6 з мишами-самцями 129P2/OlaHsd Mthfd gt/+. Миші C57Bl/6 Mthfd1 gt/+ були раніше описані (12). Під час відлучення нащадків чоловіків випадковим чином призначали або дієту AIN-93G (22) (контрольна дієта, дієти), що містила 2 мг/кг фолієвої кислоти, або модифіковану дієту AIN-93G без фолієвої кислоти [дефіцит фолієвої кислоти (FD) дієта, дієти]. Всім мишам годували відповідні дієти протягом 5 тижнів після відлучення. Експериментальних мишей генотипували, як описано в інших місцях (12).

Збір тканин.

Мишей вбивали вивихом шийки матки через 12 год позбавлення їжі. Кров збирали через серцеву пункцію в пробірки, покриті гепарином. Плазму відокремлювали центрифугуванням і заморожували в рідкому азоті. Зразки печінки промивали PBS і заморожували в рідкому азоті, потім зберігали при -80 ° C перед холіновим аналізом.

Аналіз метаболітів плазми.

Загальний гомоцистеїн плазми, цистатіонін, загальний цистеїн, метіонін, серин, гліцин, α-аміномасляна кислота, N, N-диметилгліцин та N-метилгліцин аналізували за допомогою стабільної ізотопної розрідженої капілярної газової хроматографії-МС, як описано раніше (23, 24).

Аналіз метаболітів холіну в печінці.

Рідка хроматографія-МС використовувалась для вимірювання вільного холіну, бетаїну та диметилгліцину (25), а також фосфатидилхоліну, лізофосфатидилхоліну, сфінгомієліну, фосфохоліну та гліцерофосфохоліну (26) із модифікаціями, заснованими на наших приладах (11).

Статистичний аналіз.

Статистичний аналіз проводили з використанням двосторонньої ANOVA з інтересними взаємодіями, включеними в початкову модель (JMP, SAS Institute). Ефекти вважалися значущими при P ≤ 0,05.

Результати

Генотип Mthfd1gt/+ асоціюється з вищим холіном печінки, бетаїном та диметилгліцином.

Як показано в Таблиця 1, генотип Mthfd1 gt/+ був пов'язаний з більш високими концентраціями холіну, бетаїну та диметилгліцину в тканині печінки. Печінка мишей Mthfd1 gt/+ мала на 95% вищий рівень холіну (P = 0,005), а також на 50% вищий рівень диметилгліцину (P = 0,004) та бетаїну (P = 0,013) щодо мишей Mthfd1 +/+. Миші Mthfd1 gt/+ також мали на 43% нижчі концентрації гліцерофосфохоліну в печінці (P = 0,002), ніж миші Mthfd1 +/+ (табл. 1). Примітно, що дієта FD не порушувала метаболіти холіну печінки ні у мишей Mthfd1 +/+, ні у Mthfd1 gt/+, а також не виявляла ніяких взаємодій ген-дієта (P> 0,10) (Таблиця 1).

ТАБЛИЦЯ 1

Метаболіти печінкового холіну у мишей +/+ gt/+ після 5 тижнів споживання контрольної або FD дієти 1

+/+			gt /+			P значення ефекту
Метаболіт	Контроль	FD	Всі	Контроль	FD	Всі	Дієта	Генотип
n	10	10	20	10	10	20
Холін, нмоль/р	346 ± 273	248 ± 189	299 ± 236	621 ± 195	552 ± 289	585 ± 245	росіяни	0,005
Бетаїн, нмоль/г	418 ± 202	331 ± 180	376 ± 192	618 ± 138	563 ± 262	589 ± 209	росіяни	0,013
Диметилгліцин, нмоль/г	38 ± 13	38 ± 12	38 ± 13	54 ± 14	54 ± 15	54 ± 12	росіяни	0,004
Гліцерофосфохолін, нмоль/г	173 ± 77	225 ± 137	198 ± 110	99 ± 22	125 ± 27	113 ± 28	росіяни	0,002
Фосфохолін, нмоль/г	409 ± 215	425 ± 287	417 ± 245	409 ± 176	268 ± 87	335 ± 151	росіяни	росіяни
Фосфатидилхолін, мкмоль/г	17,2 ± 2,75	17,1 ± 2,22	17,1 ± 2,44	17,2 ± 1,87	17,5 ± 0,97	17,4 ± 1,43	росіяни	росіяни
Сфінгомієлін, нмоль/г	567 ± 178	626 ± 151	595 ± 164	738 ± 125	657 ± 175	695 ± 155	росіяни	0,05
Лізофосфатидилхолін, нмоль/г	506 ± 152	498 ± 142	502 ± 144	523 ± 118	570 ± 112	548 ± 114	росіяни	росіяни