Role of early postnatal nutrition during lactation in offspring metabolic health programming

Abstract

Childhood obesity and overweight can often cause severe complications, including hypertension, dyslipidemia, insulin resistance, type 2 diabetes, and non-alcoholic fatty liver disease, amongst other disorders. Several studies have shown that early postnatal nutrition is of great importance in modulating newborn health outcomes. In this work, we have studied the role of nutrition during early stages of life in long-term metabolic health applying two different approaches: a) transgenerational transmission of impaired metabolic health induced by accelerated early weight gain caused by postnatal overnutrition and b) short and long-term metabolic effects on offspring of maternal diet supplementation with betaine. Rapid weight gain during early life has been associated with several components of the Metabolic Syndrome. Previously we developed a mouse model of neonatal overfeeding and rapid weight gain by litter size reduction. Neonatal overnutrition (ON) altered the metabolism of the exposed individuals (F0). Furthermore, offspring (F1) and grand-offspring (F2) of postnatal overfed male mice also developed metabolic complications during adulthood. In agreement, it has been shown that environmental exposure on males can affect health in subsequent generations. Here, we hypothesized that epigenetic modifications, including DNA methylation, histone modifications, and noncoding-RNA, might be involved in the inheritance of diabetes risk in our model. We analyzed sperm methylome of F0 and F1 generations, and in the liver of 8-day-old mice of F1 and F2 generations, observing significant changes in methylation of specific DNA regions. We found 912 probes differentially methylated when comparing control and ON mice throughout the three generations, between the two tissues. Our results suggest that methylation of the male germ line caused by nutritional challenges during early life may carry information that influence metabolism across multiple generations. We then analyzed gene expression by qPCR of these genes in the liver of 8-days-old mice finding differences in some genes. Breast milk composition is important in modulating growth and health of the infant. Amongst the many nutrients that breast milk contains one worth highlighting is glycine betaine (or betaine). In addition to decreasing levels of fat in the liver, previous data demonstrated that maternal supplementation with betaine during breastfeeding also improves glucose homeostasis and modulates offspring early-life gut microbiota composition. Gut microbiota in the newborn is defined at birth and during early nutrition. Breast milk also contains essential bacteria that can influence gut microbiota composition of the breastfed infant. Changes in the microbiome caused by antibiotic administration during early life were significantly correlated to higher adiposity and development of obesity during adulthood. We observed beneficial short and long-term metabolic effects of betaine on offspring and protection against adult diet-induced obesity. We have analyzed ilea and gut microbiota of mice supplemented with betaine, and with or without antibiotics at different stages of life. Analyzing the microbiome we found that microbial community composition was modulated by betaine supplementation in 2-week-old offspring. Antibiotic treatment annulled completely long-term betaine-induced effects on body weight. Moreover, glucose tolerance was no longer improved when combining antibiotics with betaine treatment.

L'obesitat i el sobrepès infantil poden causar sovint complicacions greus en la salut, incloent hipertensió, dislipèmia, resistència a la insulina, diabetis tipus 2 i esteatosis hepàtica no alcohòlica, entre d’altres. Diversos estudis han demostrat que la nutrició post-natal precoç és de gran importància en la modulació de la salut del nounat. En aquesta tesis, hem estudiat el paper de la nutrició durant les primeres etapes de la vida en la salut metabòlica a llarg termini aplicant dos enfocaments diferents: a) efectes metabòlics de suplementar de la dieta materna durant la lactància amb betaïna sobre la descendència a curt i llarg termini i b) transmissió transgeneracional del fenotip d’intolerància a la glucosa induïda per un augment accelerat de pes en etapes primerenques de la vida, causat per l'excés de nutrició post-natal. La composició de la llet materna és important per modular el creixement i la salut metabòlica de l'infant. Entre els nutrients que conté la llet materna, cal destacar la glicina betaïna (o betaïna). A més de disminuir els nivells de greix en fetge, diverses publicacions demostren que suplementar la dieta materna amb betaïna durant la lactància també millora l'homeòstasi de la glucosa i modula la composició de la microbiota intestinal del nounat. Al suplementar amb betaïna l’aigua de femelles durant la lactància vam observar efectes beneficiosos en la descendència a nivell metabòlic a curt i llarg termini. També vam poder observar que la betaïna protegia contra l'obesitat induïda per una dieta rica en greixos en l’etapa adulta. Se sap que la llet materna també conté bacteris essencials que poden influir en la composició de microbiota intestinal del lactant. S'ha analitzat la microbiota de l’ili i cec de ratolins suplementats amb betaïna, i amb o sense antibiòtics en diferents etapes de la vida. Analitzant el microbioma trobem que la composició de la comunitat microbiana dels ratolins de dues setmanes de vida estava modulada per la suplementació de betaina. Els canvis en el microbioma causats per l'administració d'antibiòtics durant la lactància estan significativament correlacionats amb una major adipositat i risc de desenvolupar obesitat durant l'edat adulta. El tractament amb antibiòtics en els nostres ratolins va anul·lar els efectes induïts per betaïna a llarg termini sobre el pes corporal. A més, la tolerància a la glucosa no estava millorarada quan es combinaven els antibiòtics amb el tractament amb betaïna. L'augment ràpid de pes durant les primeres etapes de la vida s'ha associat a diversos components de la Síndrome Metabòlica en l’adult. Prèviament en aquest laboratori hem desenvolupat un model murí de sobrealimentació neonatal i augment de pes ràpid a partir d’una reducció de la mida de la ventrada. L'excés d'alimentació neonatal (ON) va alterar el metabolisme dels mascles exposats (F0). A més, els fills (F1) i els néts (F2) dels ratolins exposats a la sobrenutrició també van desenvolupar un metabolisme alterat durant l'edat adulta. En acord, s'ha demostrat que l'exposició ambiental sobre els mascles pot afectar la salut de generacions posteriors. Així, ens vam plantejar que les modificacions epigenètiques, incloses la metilació de l'ADN, les modificacions de l'histona i l'ARN no codificant, podrien estar implicades en l'herència del risc de diabetis en el nostre model. Es va analitzar el metilma d’esperma de les generacions F0 i F1, i el metiloma de fetges de ratolins de 8 dies d'edat de les generacions F1 i F2, observant canvis significatius en la metilació de regions específiques d'ADN. Al comparar els ratolins control amb ON de cada generació i teixit, vam trobar 912 sondes diferentment metiladas. Els nostres resultats suggereixen que la metilació de la línia germinal masculina provocada per reptes nutricionals durant etapes primerenques de la vida pot portar informació que influeixi en el metabolisme en les següents generacions.