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Impact of maternal high-fat consumption on offspring exercise performance, skeletal muscle energy metabolism, and obesity susceptibility

Einfluss der maternalen Ernährung auf den Eenergiestoffwechsel des Skelettmuskels, die Ausdauerleistung und die Adipositasentwicklung der Nachkommen

  • 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 investigateBackground: 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.show moreshow less
  • 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 vermindertenHintergrund: 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Juliane KaschORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409703
Advisor:Susanne Klaus
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2018/04/25
Year of Completion:2017
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/03/09
Release Date:2018/04/25
Tag:Adipositas; Ausdauerleistung; Nachkommen; Skelettmuskel; maternale Ernährung
exercise performance; maternal diet; obesity; offspring; skeletal muscle
Pagenumber:XII, 95, XXV
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Ernährungswissenschaft
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
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