Personalisierte Adipositas-Prävention PAP-MV2022   
     
   Personalisierte Adipositas-Prävention 
   PAP-MV2022 
      + Ausschreibung
      + Zusammenfassung
      + Konsortium
      + Projektskizze
      + Arbeitspakete
         AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 AP7 AP8 AP9 
      + Aus- und Fortbildung
      + Projekte-Intranet
      + Aufgaben der Partner
      + PCT-Patent
      + Ziele
      + Infrastruktur
      + Updates
   Management 
      + Infos
      + Lenkungsausschuss
      + Advisory Board
      + Workshops
      + Fachtagungen
      + externe Forschungsverbünde
   Kontakt 
   Publikationen 
   WWW-Links 
   Forum PAP-MV 
   Potentielle Anschlußförderungen 
   MV 2020 
   Videos 
  02/2018  
  PAP-MV2022 Arbeitspaket  
 

Arbeitspaket 6 - Porcine Modelle für Stoffwechseltypen

Aufgrund der Ähnlichkeit des humanen und porcinen Stoffwechsels ist das Schwein ein Modell zur Klärung molekularer Mechanismen des Metabolismus. Hier werden porcine Modelle untersucht, die sich zu einen auszeichnen durch unterschiedliche genetische Veranlagung für und Ausprägung von Merkmalen der Futterverwertung bzw. zu anderen durch unterschiedliche Geburtsgewichte und kompensatorisches Wachstum, also unterschiedliche metabolische Prägung. Ausgehend von der Hypothese, dass Individuen über einen genetisch determinierten, epigenetisch geprägten Nährstoffbedarf, -an/-umsatz verfügen, werden im porcinen Modell mit divergentem Nährstoff- und Energiestoffwechsel die Konsequenzen gezielter diätetischer Auslenkung auf allen Ebenen der Genotyp-Phänotyp-Abbildung einschließlich des Mikrobioms untersucht. Die Untersuchungen dienen der Klärung welche genetischen und epigenetischen Variationen die metabolischen Differenzen sowie die unterschiedliche Reaktion auf die Diäten regulieren.

 

Ziele: In AP6 dienen porcine Modelle der Klärung der genetischen und epigenetischen Faktoren für Merkmale der Körperzusammensetzung und Nährstoffansatzes sowie der Regulation molekularer Pfade in der Antwort auf diätetische Auslenkung vor dem Hintergrund unterschiedlicher genetischer Ausstattung und epigenetischer Prägung.

AP6 dient zusammen mit AP5 und 7 der Qualifikation wissenschaftlichen Nachwuchses. Ein PostDoc wird in die Koordinierung und Durchführung der Analysen der genetischen und epigenetischen Variation sowie des Energiestoffwechsels und Parametern der Futtereffizienz in den porcinen und murinen Tiermodellen sowie die Betreuung von Promovierende eingebunden und erhält ein entsprechendes Mentoring. Der PostDoc wird in der Exzellenzinitiative für die anschließende Leitung einer Nachwuchsgruppe "Epigenetics and Fetal Programming", die am FBN ab Monat 37 eingerichtet wird, qualifiziert. Weiter wird eine Doktorandin im Rahmen von AP6 qualifiziert.

 

 

T6.1 - Maßnahme 1: Etablieren der porcinen Modelle

 

Monat 1-12

In der Schweinezucht wird als Parameter der Futtereffizienz der sogenannte "residual feed intake, RFI" definiert als die Futteraufnahme, die über den aufgrund des Grund und Leistungsumsatzes zu berechneten Nährstoffbedarfs hinausgeht. Dieser Parameter ist unabhängig von der Futteraufnahme und Wachstum und erfasst intrinsische metabolische Faktoren des Nährstoffumsatzes und -ansatzes. Aufgrund ihres Phänotypes, QTL-Genotyps bzw. Zuchtwertes werden Tiere mit divergenter Futtereffizienz ausgewählt. Aus der Nachkommenschaft von ca. 100 Muttertieren werden dazu Gruppen von je 12 divergenten Voll- und Halbgeschwistern gebildet. Ein weiteres Modell bilden Tiere mit extremem Geburtsgewichten (je 12), die bis zum Absetzen unterschiedliche Wachstumsraten (kompensatorisches Wachstum) aufweisen. Die Tiere beider Modelle werden ab der 4. Lebenswoche und mit einer Kontroll- bzw. einer experimentellen "Cafeteria-Diät" mit hohem Isoglukose-Anteil (HFCS) ad libitum gefuttert (12 Tiere/expr. Gruppe; 4x12=48). Die Futteraufnahme und das Fressverhalten (Zeitpunkt, Dauer, Frequenz) werden kontinuierlich individuell erfasst, darüber hinaus erfolgen wöchentliche Wägungen und monatliche Blutentnahmen zur Bestimmung klinischer-chemischer und metabolischer Parameter (M6.2). Die Schlachtung der Tiere erfolgt zum 150. Lebenstag mit umfassender Beprobung (Blut, M. longissimus, subkutanes und viszerales Fettgewebe, Leber, Hypothalamus, Hypophyse, Hypocampus, präfrontaler Cortex, Amygdala, Duodenum-, Jejunum-, Ileum-, Colon -wand und -inhalt).

 

 

M6.1 Meilenstein 1: Auswahl der Tiere (Schwein)

Eine Auswertung der Markergenotypen, Zuchtwerte und Phänotypen des aktuellen Tierbestands dient der Bestimmung der 48 Tiere der beiden Modelle. Ein Tierversuchsantrag wird unmittelbar nach Zusage der Projektförderung bei der zuständigen Behörde gestellt.

 

Monat 3

 

M6.2 Meilenstein 2: Abschluss der Tierexperimente (Schwein)

Mit der Schlachtung der Tiere sind die Erfassung der zootechnischen Parameter sowie die Beprobung der Tiere abgeschlossen.

 

Monat 12

 

 

T6.2 - Maßnahme 2: Stoffwechselparameter und Energiestoffwechsel

 

Monat 7-36

 

Zur Abbildung der Diät- und Stoffwechseltyp-spezifischen metabolischen Auslenkung in allen porcinen und murinen Modellen sowie der von humanen Probanden abgeleiteten iPS-Zellen werden Parameter des aeroben mitochondrialen sowie des anearoben glycolytischen Energiestoffwechsel der Zellen mittels Seahorse-Technologie erfasst. Unterschiede im Nährstoffumsatz und -ansatz stehen im Zusammenhang mit der anteiligen Nutzung und der Effektivität der oxidativen Phosphorylierung. Die parallelen Analyse in Echtzeit erfolgen in 96-well-Platten und bestimmen den Sauerstoffverbrauch (oxygen consumption rate, OCR) sowie die extrazelluläre Ansäuerung (extracellular acidification rate, ECAR), die eine Aussage über die Hauptenergie-Stoffwechselwege, oxidative Phosphorylierung, Glykolyse und Substratutilisierung erlauben. Neben den humanen iPS-Zellen werden primäre Fibroblasten-Zellkulturen der Schweine und Mäuse der experimentellen Gruppen unter Verwendung verschiedener spezifischer Inhibitoren bzw. Entkoppler der Atmungskette untersucht.

Darüber hinaus werden in den wiederholt gewonnenen Serumproben der Schweine und Mäuse klinisch-chemische Parameter des Stoffwechsels, wie bei den humanen Probanden erhoben; dies umfasst insbesondere Glukose, Freie Fettsäuren, Laktat, sowie Cortisol, T4, VitD, Insulin, IGF, IGFBP3, Somatotropin. Dazu werden Assays für klinisch-chemische Analyser (Fuji, DryChem; ABX Pentra), ELISA-Plattenreader sowie multiplex Immuno-Analyser (Luminex MagPix) eingesetzt.

 

 

M6.3 Meilenstein 3: Abschluss der Laboranalysen (Schwein)

 

Die Erfassung von Merkmalen des Stoffwechsels aus den porcinen Modellen ist erfolgt.

 

Monat 24

 

 

M6.4 Meilenstein 4: Erfassung der "omics"-Daten

Die Rohdaten aus den Analysen mittels Next-Generation-Sequencing zum Genom, Epigenom, Transkriptom und Mikrobiom liegen vor.

 

Monat 24

 

 

M6.5 Meilenstein 5: Abschluss der Laboranalysen (Maus, IPSC)

 

Die Erfassung von Merkmalen des Stoffwechsels aus den murinen Modellen und IPS-Zellen ist erfolgt.

 

Monat 36

 

 

 

D6.1 Ergebnis 1: Stoffwechseltyp-spezifische Antwort auf Diäten

 

Die Analyse von Wachstum, Körperzusammensetzung, Futteraufnahme, Fressverhalten, sowie klinisch-chemischen und metabolischen Parametern bei Tieren unterschiedlicher genetisch determinierter und epigenetisch geprägter Stoffwechseltypen zeigt an, in wieweit diese auf diätische Auslenkungen unterschiedlich reagieren. Es wird untersucht welche der Faktoren und Parameter beim Vergleich adipöser und normalgewichtiger Probanden in einer Hauptkomponenten-Analysen ebenfalls zu einer Differenzierung von Stoffwechsel-typen beitragen. Dies beantwortet Teilaspekte der Hypothese, dass (epi-) genotyp-spezifische also "personalisierte" Ernährungsempfehlungen eine gesunde, Adipositas-präventive Ernährung fördern.

 

Monat 24

 

 

 

D6.2 Ergebnis 2: Molekulare Grundlagen der Stoffwechseltypen

 

Mit der im A7 angesiedelten bioinformatischen Analyse der Daten aller Ebene der Genotyp-Phänotyp-Abbildung wird ein umfassendes Bild molekularer Ursachen und Konsequenzen für und von metabolischen Auslenkungen geliefert, das modellhaft für den Menschen ist. Die Analyse, welche der relevanten funktionellen Netzwerke sich bei den humanen IPS-Zellen als ebenfalls Gruppen-spezifisch moduliert erweisen, trägt zur Entwicklung der IPS-Zellen als individuelle Modelle für metabolische und nutrigenomische Analysen unter Vermeidung von kontroversen, ethischen Fragen im Zusammenhang mit der Anwendung embryonaler Stammzellen bei (AP3,AP8)

 

Monat 42

 

 

 

T6.3 - Maßnahme 3: Genotyp, epigenetische Modifikation, Expression, Mikrobiom

 

Monat 7-18

Die Analysen in porcinen Modellen fokussieren auf die Analyse der Zusammenhänge zwischen Genom, Epigenom, Transkriptom (mRNA, miRNA) und metabolischen Parametern. Vergleichende Analysen dienen der Schätzung des Beitrags genetischer Variation und epigenetischer Modifikationen zur Variation von Stoffwechselmerkmalen sowie der Identifizierung von einerseits Diät- und Stoffwechseltyp-spezifischen und andererseits gemeinsamen, sogenannten "gate-keepern", molekularen Pfaden, die als Antwort auf exogene, insbesondere nutritive Faktoren, reguliert werden. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen Genotyp, Stoffwechseltyp bzw. Futtereffizienz und dem Mikrobiom betrachtet. Mit Fortgang der Mikrobiom-Analysen im Schweinemodell wird darauf verwiesen, dass entsprechende Stuhlproben (menschliches Mikrobiom) asserviert werden (M2.1), sodass vergleichende Analysen möglich gemacht werden.

Die Genotypen an ca. 50.000 SNPs der Tiere der verwendeten Schweinepopulation sind bekannt und Markereffekte auf alle relevanten Merkmale des Stoffwechsels und insbesondere für die Körperzusammensetzung und Futtereffizienz werden geschätzt. Blut und Leberproben sowie Ingesta der Tiere der beiden porcinen Modelle werden zur Analyse der Variation der Genexpression, der DNA-Methylierung und des Mikrobioms mittels RNA-Seq, RRBS (Reduced-Representation-Bisulfite-Sequencing) bzw. 16S rRNA-Seq genutzt. Die Analysen erfolgen auf Illumina-Plattformen. Die integrierte bioinformatische Analyse der Daten erfolgt in AP7.