TY - THES A1 - Kasch, Juliane T1 - Impact of maternal high-fat consumption on offspring exercise performance, skeletal muscle energy metabolism, and obesity susceptibility T1 - Einfluss der maternalen Ernährung auf den Energiestoffwechsel des Skelettmuskels, die Ausdauerleistung und die Adipositasentwicklung der Nachkommen N2 - Background: Obesity is thought to be the consequence of an unhealthy nutrition and a lack of physical activity. Although the resulting metabolic alterations such as impaired glucose homeostasis and insulin sensitivity can usually be improved by physical activity, some obese patients fail to enhance skeletal muscle metabolic health with exercise training. Since this might be largely heritable, maternal nutrition during pregnancy and lactation is hypothesized to impair offspring skeletal muscle physiology. Objectives: This PhD thesis aims to investigate the consequences of maternal high-fat diet (mHFD) consumption on offspring skeletal muscle physiology and exercise performance. We could show that maternal high-fat diet during gestation and lactation decreases the offspring’s training efficiency and endurance performance by influencing the epigenetic profile of their skeletal muscle and altering the adaptation to an acute exercise bout, which in long-term, increases offspring obesity susceptibility. Experimental setup: To investigate this issue in detail, we conducted several studies with a similar maternal feeding regime. Dams (C57BL/6J) were either fed a low-fat diet (LFD; 10 energy% from fat) or high-fat diet (HFD; 40 energy% from fat) during pregnancy and lactation. After weaning, male offspring of both maternal groups were switched to a LFD, on which they remained until sacrifice in week 6, 15 or 25. In one study, LFD feeding was followed by HFD provision from week 15 until week 25 to elucidate the effects on offspring obesity susceptibility. In week 7, all mice were randomly allocated to a sedentary group (without running wheel) or an exercised group (with running wheel for voluntary exercise training). Additionally, treadmill endurance tests were conducted to investigate training performance and efficiency. In order to uncover regulatory mechanisms, each study was combined with a specific analytical setup, such as whole genome microarray analysis, gene and protein expression analysis, DNA methylation analyses, and enzyme activity assays. Results: mHFD offspring displayed a reduced training efficiency and endurance capacity. This was not due to an altered skeletal muscle phenotype with changes in fiber size, number, and type. DNA methylation measurements in 6 week old offspring showed a hypomethylation of the Nr4a1 gene in mHFD offspring leading to an increased gene expression. Since Nr4a1 plays an important role in the regulation of skeletal muscle energy metabolism and early exercise adaptation, this could affect offspring training efficiency and exercise performance in later life. Investigation of the acute response to exercise showed that mHFD offspring displayed a reduced gene expression of vascularization markers (Hif1a, Vegfb, etc) pointing towards a reduced angiogenesis which could possibly contribute to their reduced endurance capacity. Furthermore, an impaired glucose utilization of skeletal muscle during the acute exercise bout by an impaired skeletal muscle glucose handling was evidenced by higher blood glucose levels, lower GLUT4 translocation and diminished Lactate dehydrogenase activity in mHFD offspring immediately after the endurance test. These points towards a disturbed use of glucose as a substrate during endurance exercise. Prolonged HFD feeding during adulthood increases offspring fat mass gain in mHFD offspring compared to offspring from low-fat fed mothers and also reduces their insulin sensitivity pointing towards a higher obesity and diabetes susceptibility despite exercise training. Consequently, mHFD reduces offspring responsiveness to the beneficial effects of voluntary exercise training. Conclusion: The results of this PhD thesis demonstrate that mHFD consumption impairs the offspring’s training efficiency and endurance capacity, and reduced the beneficial effects of exercise on the development of diet-induced obesity and insulin resistance in the offspring. This might be due to changes in skeletal muscle epigenetic profile and/or an impaired skeletal muscle angiogenesis and glucose utilization during an acute exercise bout, which could contribute to a disturbed adaptive response to exercise training. N2 - Hintergrund: Übergewicht ist die Folge einer ungesunden Ernährung und einem Mangel an körperlicher Aktivität. Obwohl die daraus resultierenden metabolischen Veränderungen wie die beeinträchtigte Glukose-Homöostase und die Insulinsensitivität in der Regel durch körperliche Aktivität verbessert werden können, sind einige adipöse Patienten nicht in der Lage ihren Skelettmuskel-Metabolismus durch regelmäßiges Training zu verbessern. Da dies weitgehend vererbbar sein könnte, wird vermutet, dass die maternale Ernährung während der Gestation und Laktation einen beeinträchtigten Energiestoffwechsel des Skelettmuskels der Nachkommen begünstigt. Ziel: Ziel dieser Dissertation war es, den Einfluss der maternalen Hochfett-Diät (mHFD) auf den Skelettmuskel des Nachkommens zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass eine mHFD während der Gestation und Laktation die Trainingseffizienz und die Ausdauerleistung der Nachkommen verringert, verursacht durch die Veränderung des epigenetischen Profils des Skelettmuskels der Nachkommen und der verminderten Anpassung an eine akute Trainingsleistung, was langfristig die Anfälligkeit für die Entwicklung einer Adipositas im Nachkommen erhöht. Experimentelles Setup: Um dieses Thema ausführlich zu erforschen, hatten wir ein komplexes Studiendesign. Allen vier Studien ging dasselbe maternale Fütterungsregime voraus. Weibliche C57BL/6J Mäuse wurden entweder mit einer Niedrigfett-Diät (LFD; 10 Energie% aus Fett) oder Hochfett-Diät (HFD; 40 Energie% aus Fett) während der Gestation und Laktation gefüttert. Nach Absatz wurden die männlichen Nachkommen beider Gruppen auf eine LFD umgestellt, auf der sie bis zum Ende der jeweiligen Studie in der Woche 6, 15 oder 25 blieben. In einer Studie folgte auf die LFD-Fütterung eine HFD-Versorgung von Woche 15 bis Woche 25, um den Einfluss der maternalen Diät auf die Entwicklung einer Adipositas der Nachkommen aufzuklären. In der 7. Woche wurden alle Mäuse zufällig einer sesshaften Gruppe (ohne Laufrad) oder einer Trainingsgruppe (mit Laufrad für freiwilliges Trainingstraining) zugewiesen. Darüber hinaus wurden Laufband-Ausdauertests durchgeführt, um die Trainingsleistung und -effizienz zu untersuchen. Um die regulatorischen Mechanismen aufzudecken, wurde jede Studie mit einem spezifischen analytischen Aufbau kombiniert, wie z. B. einer Mikroarray-Analyse, Gen- und Protein-Expressionsanalysen, DNA-Methylierungsanalysen und Enzymaktivitäts-Assays. Ergebnisse: mHFD Nachkommen zeigten eine reduzierte Trainingseffizienz und Ausdauerkapazität. Dies ist nicht auf einen veränderten Skelettmuskel-Phänotyp mit Veränderungen der Muskelfasergröße, der Anzahl und der Muskelfasertypen zurückzuführen. DNA-Methylierungsmessungen bei 6 Wochen alten Nachkommen zeigten eine Hypomethylierung des Nr4a1-Gens in mHFD-Nachkommen, was wiederum in einer erhöhten Genexpression resultierte. Da Nr4a1 eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Skelettmuskel-Energiestoffwechsels und der frühen Trainingsanpassung spielt, könnte dies die Trainingseffizienz und -leistung der Nachkommen im späteren Leben beeinflussen. Bei der Untersuchung der Reaktion auf eine akute Ausdauerleistung zeigten die mHFD-Nachkommen eine reduzierte Genexpression von Vaskularisierungsmarkern (Hif1a, Vegfb usw.), die auf eine reduzierte Angiogenese hindeuteten, welche eine Ursache für ihre verminderte Ausdauerkapazität darstellen könnte. Darüber hinaus wurde eine beeinträchtigte Glucoseverwertung des Skelettmuskels während des akuten Ausdauertrainings durch eine beeinträchtigte Glucose-Nutzung des Skelettmuskels mit erhöhten Blutzuckerwerten, einer verminderten GLUT4-Translokation und Laktatdehydrogenase-Aktivität in mHFD-Nachkommen unmittelbar nach dem Ausdauertest gezeigt. Dies weist auf eine gestörte Verwertung der Glucose als Substrat während des Ausdauertrainings hin. Länger andauernde HFD-Fütterung während des Erwachsenenalters erhöht die Fettmasse in mHFD-Nachkommen im Vergleich zu mLFD-Nachkommen und verringert zudem ihre Insulinsensitivität, was Hinweise auf eine erhöhte Adipositas- und Diabetes-Anfälligkeit gibt. Folglich führt die mHFD zu einer verminderten Anpassung der Nachkommen an die positiven Effekte des freiwilligen Laufrad-Trainings. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass der mHFD-Konsum die Trainingseffizienz und Ausdauerkapazität der Nachkommen beeinträchtigt, was die Adipositas- und Diabetes-Anfälligkeit im Erwachsenenalter erhöhen kann. Dies könnte auf Veränderungen im epigenetischen Profil des Skelettmuskels und/oder Beeinträchtigungen der Angiogenese und Glukoseverwertung im Skelettmuskel während eines akuten Ausdauertrainings zurückzuführen sein, was zu einer gestörten Anpassung der Nachkommen an das Training beitragen könnte. KW - maternal diet KW - offspring KW - exercise performance KW - skeletal muscle KW - obesity KW - maternale Ernährung KW - Nachkommen KW - Ausdauerleistung KW - Skelettmuskel KW - Adipositas Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409703 ER - TY - THES A1 - Wittenbecher, Clemens T1 - Linking whole-grain bread, coffee, and red meat to the risk of type 2 diabetes T1 - Der Einfluss von Vollkornbrot, Kaffee, und rotem Fleisch auf das Typ 2 Diabetesrisiko BT - using metabolomics networks to infer potential biological mechanisms BT - Verwendung von Metabolomics-Netzwerken, um auf biologische Mechanismen zu schließen N2 - Background: Consumption of whole-grain, coffee, and red meat were consistently related to the risk of developing type 2 diabetes in prospective cohort studies, but potentially underlying biological mechanisms are not well understood. Metabolomics profiles were shown to be sensitive to these dietary exposures, and at the same time to be informative with respect to the risk of type 2 diabetes. Moreover, graphical network-models were demonstrated to reflect the biological processes underlying high-dimensional metabolomics profiles. Aim: The aim of this study was to infer hypotheses on the biological mechanisms that link consumption of whole-grain bread, coffee, and red meat, respectively, to the risk of developing type 2 diabetes. More specifically, it was aimed to consider network models of amino acid and lipid profiles as potential mediators of these risk-relations. Study population: Analyses were conducted in the prospective EPIC-Potsdam cohort (n = 27,548), applying a nested case-cohort design (n = 2731, including 692 incident diabetes cases). Habitual diet was assessed with validated semiquantitative food-frequency questionnaires. Concentrations of 126 metabolites (acylcarnitines, phosphatidylcholines, sphingomyelins, amino acids) were determined in baseline-serum samples. Incident type 2 diabetes cases were assed and validated in an active follow-up procedure. The median follow-up time was 6.6 years. Analytical design: The methodological approach was conceptually based on counterfactual causal inference theory. Observations on the network-encoded conditional independence structure restricted the space of possible causal explanations of observed metabolomics-data patterns. Given basic directionality assumptions (diet affects metabolism; metabolism affects future diabetes incidence), adjustment for a subset of direct neighbours was sufficient to consistently estimate network-independent direct effects. Further model-specification, however, was limited due to missing directionality information on the links between metabolites. Therefore, a multi-model approach was applied to infer the bounds of possible direct effects. All metabolite-exposure links and metabolite-outcome links, respectively, were classified into one of three categories: direct effect, ambiguous (some models indicated an effect others not), and no-effect. Cross-sectional and longitudinal relations were evaluated in multivariable-adjusted linear regression and Cox proportional hazard regression models, respectively. Models were comprehensively adjusted for age, sex, body mass index, prevalence of hypertension, dietary and lifestyle factors, and medication. Results: Consumption of whole-grain bread was related to lower levels of several lipid metabolites with saturated and monounsaturated fatty acids. Coffee was related to lower aromatic and branched-chain amino acids, and had potential effects on the fatty acid profile within lipid classes. Red meat was linked to lower glycine levels and was related to higher circulating concentrations of branched-chain amino acids. In addition, potential marked effects of red meat consumption on the fatty acid composition within the investigated lipid classes were identified. Moreover, potential beneficial and adverse direct effects of metabolites on type 2 diabetes risk were detected. Aromatic amino acids and lipid metabolites with even-chain saturated (C14-C18) and with specific polyunsaturated fatty acids had adverse effects on type 2 diabetes risk. Glycine, glutamine, and lipid metabolites with monounsaturated fatty acids and with other species of polyunsaturated fatty acids were classified as having direct beneficial effects on type 2 diabetes risk. Potential mediators of the diet-diabetes links were identified by graphically overlaying this information in network models. Mediation analyses revealed that effects on lipid metabolites could potentially explain about one fourth of the whole-grain bread effect on type 2 diabetes risk; and that effects of coffee and red meat consumption on amino acid and lipid profiles could potentially explain about two thirds of the altered type 2 diabetes risk linked to these dietary exposures. Conclusion: An algorithm was developed that is capable to integrate single external variables (continuous exposures, survival time) and high-dimensional metabolomics-data in a joint graphical model. Application to the EPIC-Potsdam cohort study revealed that the observed conditional independence patterns were consistent with the a priori mediation hypothesis: Early effects on lipid and amino acid metabolism had the potential to explain large parts of the link between three of the most widely discussed diabetes-related dietary exposures and the risk of developing type 2 diabetes. N2 - Hintergrund: Evidenz aus prospektiven Kohortenstudien belegt, dass der gewohnheitsmäßige Verzehr von Vollkorn, Kaffee und rotem Fleisch mit dem Risiko an Typ 2 Diabetes zu erkranken assoziiert ist. Dieser Risikobeziehung eventuell zugrunde liegende Mechanismen sind allerdings noch weitgehend unklar. Des Weiteren wurde gezeigt, dass Metabolitenprofile im Blut durch die oben genannten Ernährungs-expositionen beeinflusst werden und außerdem in Zusammenhang mit dem Typ 2 Diabetesrisiko stehen. Zusätzlich wurde beschrieben, dass grafische Netzwerkmodelle von Metabolitenprofilen die zugrunde liegenden Stoffwechselprozesse gut abbilden. Zielstellung: Das Ziel dieser Arbeit war es, Hypothesen bezüglich biologischer Mechanismen zu generieren, die die Assoziationen des Vollkornverzehrs, des Kaffeekonsums und des Fleischverzehrs mit dem Typ 2 Diabetesrisiko erklären könnten. Im speziellen sollten Aminosäure- und Lipidprofile als mögliche Mediatoren des Risikozusammenhangs untersucht werden. Studienpopulation: Analysen wurden auf Grundlage von Daten aus der prospektiven EPIC-Potsdam Kohortenstudie (n=27,548) durchgeführt, wobei ein Fall-Kohorten-Design verwendet wurde (n=2317, darunter 692 inzidente Typ 2 Diabetesfälle). Ernährungsgewohnheiten wurden mit einem validierten, semiquantitativen Verzehrshäufigkeitsfragebogen erfasst. Die Konzentrationen von 126 Metaboliten (Aminosäuren, Acylcarnitine, Sphingomyeline und Phosphatidylcholine) wurden zur Basiserhebung genommen Blutproben gemessen. Inzidente Typ 2 Diabetesfälle wurden im Rahmen einer aktiven Folgeerhebung detektiert und verifiziert. Die mediane Dauer des berücksichtigten prospektiven Erhebungszeitraums lag für diese Studie bei 6,6 Jahren. Aufbau der Analysen: Die theoretische Grundlage für den methodischen Ansatz dieser Arbeit bildete die kontrafaktische Theorie der Kausalinferenz. Die in Netzwerken kodierte konditionale Unabhängigkeitsstruktur wurde genutzt, um den Raum möglicher Modelle zu begrenzen, die die beobachteten Zusammenhänge zwischen den Metaboliten erklären könnten. Unter Annahme weniger grundlegender Effektrichtungen (von der Ernährung auf die Netzwerke gerichtete Effekte; von den Netzwerken auf das Diabetesrisiko gerichtete Effekte) genügt die Adjustierung für eine Teilmenge der direkten Nachbarn im Netzwerk, um netzwerkunabhängige direkte Effekte konsistent zu schätzen. Eine weitere Spezifizierung der Modelle war allerdings aufgrund fehlender Richtungsinformationen zu den Metaboliten-abhängigkeiten nicht möglich. Deshalb wurde ein Multi-Modellierungsansatz gewählt, um die Grenzen möglicher Effekte zu schlussfolgern. Alle möglichen Ernährungs-Metaboliten-Beziehungen und Metaboliten-Typ 2 Diabetesrisiko-Beziehungen wurden dadurch in eine der folgenden drei Kategorien klassifiziert: Direkter Effekt, Unklar, Kein Effekt. Querschnittsbeziehungen wurden in multivariabel adjustierten linearen Regressionsmodellen untersucht. Longitudinale Zusammenhänge wurden mit Cox-Regressionsmodellen geschätzt. Alle Modelle wurden für Alter, Geschlecht, Body-Mass-Index, prävalente Hypertonie, Ernährungs- und Lebensstilfaktoren und die Einnahme von Medikamenten adjustiert. Ergebnisse: Der Verzehr von Vollkornbrot stand im Zusammenhang mit niedrigeren Konzentrationen gesättigter und einfach ungesättigter Fettsäuren. Kaffee stand in Beziehung zu niedrigeren Konzentrationen verzweigtkettiger und aromatischer Aminosäuren und hatte potentielle Effekte auf das Fettsäureprofil in den Lipidmetaboliten. Rotes Fleisch zeigte einen Zusammenhang mit niedrigeren Glyzinspiegeln und mit höheren Konzentrationen verzweigtkettiger Aminosäuren. Außerdem stand das Fettsäureprofil in den verschieden Gruppen von Lipidmetaboliten in Zusammenhang mit dem Fleischverzehr. Des Weiteren wurden potentielle Effekte der Metabolite auf das Typ 2 Diabetesrisiko gefunden. Aromatische Aminosäuren und Lipidmetabolite mit geradzahligen, gesättigten (C14-C16) und mit spezifischen mehrfach ungesättigten Fettsäureseitenketten standen mit einem erhöhten Typ 2 Diabetesrisiko in Beziehung. Glyzin, Glutamin und Lipidmetabolite mit einfach ungesättigten und anderen mehrfach ungesättigten Fettsäureseitenketten zeigten einen günstigen Zusammenhang mit dem Diabetesrisiko. Mögliche Mediatoren der Beziehung der Ernährungsexpositionen wurden identifiziert, indem diese Informationen in gemeinsamen grafischen Modellen integriert wurden. Mediationsanalysen zeigten, dass die möglichen Effekte von Vollkornverzehr auf die Lipidmetabolite ungefähr ein Viertel des günstigen Einflusses von Vollkornverzehr auf das Diabetesrisikos erklären könnten. Die möglichen Effekte von Kaffeekonsum und von Fleischverzehr auf Aminosäuren und Lipidmetabolite könnten jeweils ungefähr zwei Drittel der Zusammenhänge mit dem Diabetesrisiko erklären. Schlussfolgerung: Grundlage für die Ergebnisse dieser Arbeit war die Entwicklung eines Algorithmus, der externe Faktoren (kontinuierlich Expositionsvariablen, Ereigniszeit-Daten) und hochdimensionale Metabolitenprofile in einem gemeinsamen grafischen Modell integriert. Die Anwendung dieses Algorithmus auf Daten aus der EPIC-Potsdam Kohortenstudie hat gezeigt, dass die beobachteten konditionalen Unabhängigkeitsstrukturen mit der a priori Mediationshypothese konsistent waren. Der frühe Einfluss auf den Aminosäure- und Lipidstoffwechsel könnte die beobachteten Zusammenhänge zwischen drei wichtigen Ernährungsfaktoren und dem Risiko an Typ 2 Diabetes zu erkranken zu großen Teilen erklären. KW - type 2 diabetes KW - nutrition KW - lipid metabolism KW - metabolomics KW - epidemiology KW - networks KW - graphical models KW - mediation analysis KW - red meat KW - whole-grain KW - Diabetes mellitus Typ 2 KW - Ernährung KW - Fettstoffwechsel KW - Metabolomics KW - Epidemiologie KW - Netzwerke KW - grafische Modelle KW - Mediationsanalyse KW - rotes Fleisch KW - Vollkorn KW - Kaffee KW - coffee Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404592 ER -