Multiple approaches in studying the biochemical effects of amino acid supplementation in preruminant calves

Abstract

Com el múscul esquelètic és el compartiment que es desenvolupa més ràpidament abans del deslletament, requereix que la síntesi de proteïnes funcioni de manera activa. Els aminoàcids, en ser la unitat bàsica de les proteïnes, juguen un paper molt important en el creixement dels animals. La suplementació amb aminoàcids en el lactoreemplaçant fa dècades que es du a terme en la producció de vedells, i s'han establert diversos mètodes per avaluar la funcionalitat, resultat i eficiència d'aquesta suplementació. En aquest treball, s'ha fet servir un abordatge "multi-òmic" per tal d'integrar els resultats obtinguts a partir d'anàlisis de metabolòmica i proteòmica (també conegut com "multi-òmica" o "foodòmica") per esbrinar el impacte a nivell molecular de la suplementació del lactoreemplaçant amb diferents aminoàcids per a l'alimentació de vedells. Aquest projecte està dividit en tres estudis: A l'Estudi 1, s'ha utilitzat una aproximació proteòmica i metabolòmica ("multi-òmica"), conjuntament amb paràmetres sèrics de bioquímica clínica, per estudiar els efectes en el múscul esquelètic de la suplementació del lactoreemplaçant amb diverses combinacions d'aminoàcids. Els animals es van dividir en quatre grups: Ctrl, dieta control sense suplementació; GP, control suplementat amb glicina (G) i prolina (P); FY, control suplementat amb fenilalanina (F) i tirosina (I); i MKT, control suplementat amb metionina (M), lisina (K) i treonina (T). La integració dels resultats indica que el grup amb la suplementació de M, K i T ha mostrat una lleu millora del creixement, i un increment dels nivells de creatinina i insulina en sèrum, de la ràtio de Fosfo-S6 / S6 i d'algunes proteïnes relacionades amb la funció muscular, tot i que alguns canvis no són significatius. L'anàlisi metabolòmica del múscul esquelètic ha revelat diverses diferències entre GP - FY i Ctrl - MKT, suggerint una adaptació metabòlica especialment en els grups GP i FY. A l'Estudi 2, s'ha utilitzat el mateix abordatge, incloent tant plasma com biòpsies de múscul esquelètic en l'anàlisi "multi-òmic". Els animals s'han dividit en tres grups: Ctrl, control sense suplementació; LT, control suplementat amb leucina (L) i treonina (T); i Leu, control suplementat amb leucina. En tots dos tractaments de suplementació, els resultats integrats han indicat que la leucina i els seus metabòlits es troben disponibles en l'organisme. En el grup LT comparat amb Ctrl, la integració dels resultats de metabolòmica i proteòmica han mostrat que la degradació d'aminoàcids ramificats (BCAA) i el metabolisme oxidatiu mitocondrial (cicle de l'àcid cítric, cadena respiratòria) són les vies principals activades en el múscul esquelètic. Els substrats del metabolisme energètic poden ser derivats de BCAA, butirat procedent del rumen i / o mobilització de lípids. Els efectes deleteris de l'activació de la fosforilació oxidativa són contrarestats per un augment de proteïnes antioxidants. El increment en la síntesi de proteïnes està indicat per l'augment de la ràtio entre Fosfo-S6 / S6 en el múscul esquelètic. En el grup de Leu, els animals han patit problemes digestius al inici de l'estudi, a més no van ser correctament randomitzats quan es van obtenir les biòpsies. Les anàlisis de bioquímica clínica, proteòmica i metabolòmica de múscul i sang han mostrat un perfil que és compatible amb un procés patològic i mostren el biaix causat per la biòpsia. A l'Estudi 3, s'han calculat els intervals de referència de diversos paràmetres bioquímics per a vedells lactants i per a garrins acabats de deslletar, utilitzant un elevat nombre d'animals de diferents edats, procedents d'assajos duts a terme en diferents estacions. La variable principal ha estat l'edat, mentre que no s'han observat diferències degudes a l'assaig, l'estació o el sexe. Aquesta informació proporciona eines diagnòstiques més adequades a veterinaris i investigadors en ciència animal, i possibilitarà una millor pràctica professional.

Como el músculo esquelético es el compartimento que se desarrolla más rápidamente antes de destete, requiere que la síntesis de proteínas funcione de manera activa. Los aminoácidos, al ser la unidad básica de las proteínas, juegan un papel muy importante en el crecimiento de los animales. La suplementación con aminoácidos en el lactoreemplazante hace décadas que se lleva a cabo en la producción de terneros, y se han establecido diversos métodos para evaluar la funcionalidad, resultado y eficiencia de esta suplementación. En este trabajo, se ha usado un abordaje “multi-ómico” con el fin de integrar los resultados obtenidos a partir de análisis de metabolómica y proteómica (también conocido como “multi-ómica” o “foodómica”) para elucidar el impacto a nivel molecular de la suplementación del lactoreemplazante con diferentes aminoácidos para la alimentación de terneros. Este proyecto está dividido en tres estudios: En el Estudio 1, se ha utilizado una aproximación proteómica y metabolómica (“multi-ómica”), conjuntamente con parámetros séricos de bioquímica clínica para estudiar los efectos en el músculo esquelético de la suplementación del lactoreemplazante con varias combinaciones de aminoácidos. Los animales se dividieron en cuatro grupos: Ctrl, dieta control sin suplementación; GP, control suplementado con glicina (G) y prolina (P); FY, control suplementado con fenilalanina (F) y tirosina (Y); y MKT, control suplementado con metionina (M), lisina (K) y treonina (T). La integración de los resultados indica que el grupo con la suplementación de M, K y T ha mostrado una leve mejora del crecimiento, y un incremento de los niveles de creatinina e insulina en suero, de la ratio de Fosfo-S6 / S6 y de algunas proteínas relacionadas con la función muscular, a pesar de que algunos cambios no son significativos. El análisis metabolómico del músculo esquelético ha revelado varias diferencias entre GP - FY y Ctrl - MKT, sugiriendo una adaptación metabólica especialmente en los grupos GP y FY. En el Estudio 2, se ha utilizado el mismo abordaje, incluyendo tanto plasma como biopsias de músculo esquelético en el análisis “multi-ómico”. Los animales se han dividido en tres grupos: Ctrl, control sin suplementación; LT, control suplementado con leucina (L) y treonina (T); y Leu, control suplementado con leucina. En ambos tratamientos de suplementación, los resultados integrados han indicado que la leucina y sus metabolitos se encuentran disponibles en el organismo. En el grupo LT comparado con Ctrl, la integración de los resultados de metabolómica y proteómica han mostrado que la degradación de aminoácidos ramificados (BCAA) y el metabolismo oxidativo mitocondrial (ciclo del ácido cítrico, cadena respiratoria) son las vías principales activadas en el músculo. Los sustratos del metabolismo energético pueden ser derivados de BCAA, butirato procedente del rumen y/o movilización de lípidos. Los efectos deletéreos de la activación de la fosforilación oxidativa son contrarrestados por un aumento de proteínas antioxidantes. El incremento en la síntesis de proteínas está indicado por el aumento de la ratio entre Fosfo-S6 / S6 en el músculo esquelético. En el grupo de Leu, los animales sufrieron problemas digestivos al inicio del estudio, y además no fueron correctamente randomizados cuando se obtuvieron las biopsias. Los análisis de bioquímica clínica de suero, proteómica y metabolómica de músculo y sangre han mostrado un perfil que es compatible con un proceso patológico y muestran el sesgo causado por la biopsia. En el Estudio 3, se han calculado los intervalos de referencia de varios parámetros bioquímicos para terneros lactantes y para lechones recién destetados, utilizando un elevado número de animales de diferentes edades, procedentes de ensayos llevados a cabo en diferentes estaciones. La variable principal ha sido la edad, mientras que no se han observado diferencias debidas al ensayo, la estación o el sexo. Esta información proporciona herramientas diagnósticas más adecuadas a veterinarios e investigadores en ciencia animal, y posibilitará una mejor práctica profesional.

As the muscle system is one of the most fast-growing compartments in calves before weaning, it requires a large amount of protein deposition. Amino acids, as the basic unit of proteins, play crucial roles in the growth of animals. Supplementation of several amino acids in milk replacers has been used in calf industry for decades and several approaches have been established to assess the functionality, outcome and efficiency of this supplementation. In this work, a “multi-omics” approach has been used, aiming to use large scale of data collected from metabolomic and proteomic analyses (known as “multi-omics” or “foodomics”) to elucidate the impact of several amino acid supplementations in the milk replacer for calves. The work of this project is divided into three studies and “multi-omics” were applied in Study 1 and Study 2: In Study 1, proteomics and metabolomics (“multi-omics”) and serum clinical chemistry were used to study the skeletal muscle of calves under supplementation with several amino acids in milk replacers. Animals were divided into four groups: Ctrl, control diet without supplementation; GP, control supplemented with Glycine (G) and Proline (P); FY, control supplemented with phenylalanine (F) and tyrosine (Y); and MKT, control supplemented with methionine (M), lysine (K) and threonine (T). The integrated results indicated that MKT supplementation yielded a mild improvement of growth, increased serum creatinine and insulin, muscle Phospho-S6 / S6 ratio as well as some proteins related to muscle function, despite some of the elevations are non-significant. The metabolome analysis from skeletal muscle biopsies revealed several differences between the GP - FY groups and the Ctrl - MKT groups, suggesting a metabolic adaptation especially in GP and FY groups. In Study 2, the same approaches to the Study 1 were used, but both plasma and skeletal muscle biopsies were included in the “multi-omics” analysis. Animals were divided into three groups: Ctrl, control diet without supplementation; LT, control supplemented with leucine (L) and threonine (T); and Leu, control supplemented with leucine. In both supplemented treatments, the integrated results indicated that leucine and its metabolites were available in the organism. In the LT group compared to the Ctrl group, integrated metabolomics and proteomics showed that branched-chain amino acids (BCAA) degradation and mitochondrial oxidative metabolism (citrate cycle, respiratory chain) were the main activated pathways in muscle. Energy metabolic substrates would be BCAA derivatives, butyrate from ruminal production and/or lipid mobilization. The deleterious effects of activated oxidative phosphorylation were balanced by the upregulation of antioxidant proteins. An increase in protein synthesis was indicated by the increase in Phospho-S6 / S6 ratio in skeletal muscle. In the Leu group, animals suffered digestive problems at the beginning of the study and the experimental design was not correctly randomized when biopsies were obtained. The serum/plasma chemical, proteomic and metabolomic analyses showed a profile compatible with a pathological process and a biopsy-caused bias. In Study 3, reference intervals for several biochemical parameters for unweaned calves and recently weaned piglets at different ages were calculated using large number of animals sampled at different ages from populations under different season trials. The main variable was age whereas no major trial- or sex-biased differences were noticed. This information will help veterinarians and animal science researchers to better practice their professions by providing them with more adequate diagnostic references.