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¿Qué mamíferos no pueden sintetizar taurina?

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Es bien sabido que los gatos domésticos no pueden sintetizar el compuesto taurina. Otros mamíferos parecen ser capaces de sintetizar taurina a partir de cisteína [fuente]. ¿Hay otros mamíferos que carecen de la capacidad de sintetizar taurina?


Es un error pensar que los gatos no pueden sintetizar taurina.

Gatos pueden sintetizan taurina, al igual que otros mamíferos, pero no lo suficiente para compensar una dieta completamente deficiente en taurina. Los gatos (y otros mamíferos carnívoros) habrían consumido una dieta rica en taurina en el entorno ancestral. Es solo cuando se les alimenta con alimentos derivados de vegetales / frutas / granos que muestran síntomas de deficiencia de taurina, porque esos alimentos tienen bajas cantidades de taurina y otros precursores de taurina.

Otras especies de mamíferos carnívoros domesticados o cautivos corren el riesgo de sufrir deficiencia de taurina si se les alimenta con alimentos derivados de vegetales, aunque miembros de la familia de los gatos (Felidae) son particularmente susceptibles.


Referencia principal: este artículo de 2003 sobre las concentraciones de taurina en la alimentación animal, especialmente la sección "Discusión".

La taurina es un nutriente esencial para los gatos porque la tasa de síntesis de taurina a partir de sus precursores de aminoácidos azufrados en la dieta, cisteína y metionina, es mucho menor que el grado de pérdida a través de los ácidos biliares fecales y la orina (Knopf et al., 1978). Desde un punto de vista evolutivo, la taurina era abundante en la dieta de un verdadero carnívoro, ya que se encuentran altas concentraciones de taurina en el tejido muscular. Sin embargo, como la mayoría de los felinos domesticados normalmente no consumen presas vivas, corren el riesgo de volverse deficientes en taurina si no se les suministra adecuadamente en la dieta.


Papel fisiológico de la taurina: del organismo al orgánulo

Correspondencia: I. H. Lambert, Dr. Scient., Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Edificio August Krogh, Universitetsparken 13, DK-2100 Copenhague Ø, Dinamarca.

Sección de Genómica y Biomedicina Molecular, Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Copenhague, Dinamarca

Sección de Investigación Celular y Metabólica, Departamento de Ciencias Biomédicas, Instituto Panum, Universidad de Copenhague, Copenhague N, Dinamarca

Sección de Genómica y Biomedicina Molecular, Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Copenhague, Dinamarca

Sección de Investigación Celular y Metabólica, Departamento de Ciencias Biomédicas, Instituto Panum, Universidad de Copenhague, Copenhague N, Dinamarca

Sección de Biología Celular y del Desarrollo, Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Copenhague Ø, Dinamarca

Correspondencia: I. H. Lambert, Dr. Scient., Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Edificio August Krogh, Universitetsparken 13, DK-2100 Copenhague Ø, Dinamarca.

Sección de Genómica y Biomedicina Molecular, Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Copenhague, Dinamarca

Sección de Investigación Celular y Metabólica, Departamento de Ciencias Biomédicas, Instituto Panum, Universidad de Copenhague, Copenhague N, Dinamarca

Sección de Genómica y Biomedicina Molecular, Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, Copenhague, Dinamarca

Sección de Investigación Celular y Metabólica, Departamento de Ciencias Biomédicas, Instituto Panum, Universidad de Copenhague, Copenhague N, Dinamarca

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Abstracto

A menudo se hace referencia a la taurina como un aminoácido semiesencial, ya que los mamíferos recién nacidos tienen una capacidad limitada para sintetizar taurina y dependen del suministro dietético. No se cree que la taurina se incorpore a proteínas ya que aún no se ha identificado aminoacil tRNA sintetasa y no se oxida en células de mamíferos. Sin embargo, la taurina contribuye significativamente a la reserva celular de osmolitos orgánicos y, en consecuencia, ha sido reconocida por su papel en la restauración del volumen celular después de la perturbación osmótica. Esta revisión describe la homeostasis de la taurina en células y orgánulos con énfasis en la biofísica de taurina / dinámica de membranas, la regulación de las proteínas de transporte involucradas en la captación activa de taurina y la liberación pasiva de taurina, así como procesos fisiológicos, por ejemplo, desarrollo, función pulmonar, función mitocondrial, defensa antioxidante. y apoptosis que parecen estar afectados por un cambio en la expresión de los transportadores de taurina y / o el contenido de taurina celular.


Contenido

La vía principal para la síntesis de taurina en mamíferos se produce en el hígado a través de la vía del ácido cisteína sulfínico. En esta vía, el grupo sulfhidrilo de la cisteína se oxida primero a ácido cisteína sulfínico por la enzima cisteína dioxigenasa. El ácido cisteína sulfínico, a su vez, es descarboxilado por la sulfinoalanina descarboxilasa para formar hipotaurina. No está claro si la hipotaurina se oxida entonces de forma espontánea o enzimática para producir taurina.

La taurina en el entorno farmacéutico y de laboratorio se sintetiza mediante una combinación de cisteína, metionina y vitamina E. Se produce naturalmente en los testículos de muchos mamíferos. Las leyendas urbanas que rodean la fuente de taurina han incluido el extracto de orina de toro y el semen de toro. Si bien es cierto que la taurina se encuentra en ambas fuentes, no es la fuente de taurina en la industria farmacéutica o alimentaria. Y aunque la taurina a veces se extrae de los intestinos del ganado, muchas fuentes de la industria alimentaria, incluida la popular bebida energética Red Bull, se esfuerzan por utilizar fuentes sintetizadas que sean aptas para vegetarianos.


Abstracto

La cisteína oxigenasa (CDO) es una enzima mononuclear distinta de la hemoglobina que cataliza la producción de taurina a través del cisteína (Cys) vía y juega un papel clave en la biosíntesis de taurina en mamíferos. Sin embargo, la función de los CDO en los peces óseos sigue siendo poco conocida. En este estudio, clonamos genes CDO (CaliforniaCDO1 y CaliforniaCDO2) desde Carassius auratus. Las secuencias de ADNc de ambos CaliforniaCDO1 y CaliforniaCDO2 codifica proteínas putativas con 201 aminoácidos, que incluyen características estructurales típicas de la familia de proteínas CDO. La alineación de múltiples secuencias y el análisis filogenético mostraron que CaliforniaCDO1 y CaliforniaCDO2 compartió identidades de secuencia alta y similitudes con C. carpio homólogos. Los resultados cuantitativos de la reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real (qRT-PCR) revelaron que CaliforniaCDO1 y CaliforniaCDO2 se expresaron ampliamente en todos los tejidos seleccionados y etapas de desarrollo en C. auratus pero tenía diferentes niveles de ARNm. Además, en comparación con los del grupo sin taurina, el en vivo Niveles de expresión de ARNm de ambos CaliforniaCDO1 y CaliforniaLa CDO2 disminuyó significativamente al aumentar los niveles de taurina en la dieta de 1.0 a 9.0 g / kg. Es más, in vitro Los tratamientos con taurina mostraron efectos inhibidores similares sobre la expresión de CaliforniaCDO1 y CaliforniaCDO2 en los intestinos de C. auratus. Nuestros resultados también mostraron que la expresión de ARNm de CaliforniaEl CDO2 en los intestinos era más alto que el de CaliforniaCDO1 en respuesta a en vivo y in vitro suplementación con taurina. En general, estos datos pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre la regulación de la expresión de CDO de peces y proporcionar conocimientos valiosos para mejorar las fórmulas dietéticas en la acuicultura.


Vitamina B12–La síntesis de taurina dependiente regula el crecimiento y la masa ósea

1 Laboratorio de Biología de Sistemas del Hueso, 2 Proyecto de Genética del Ratón Sanger, Departamento de Genética del Ratón y Pez Cebra, 3 Departamento de Genética de Patógenos, y 4 Departamento de Genética Humana, Wellcome Trust Sanger Institute, Cambridge, Reino Unido. 5 Instrument Core Facility, Universidad de Aberdeen, Foresterhill, Aberdeen, Reino Unido. 6 Laboratorio de Biología Molecular, Medical Research Council, Cambridge, Reino Unido. 7 Pediatría y hematología pediátrica, Hospital Universitario Kocaeli, Kocaeli, Turquía. 8 Unidad de Metabolómica, Instituto de Medicina Molecular de Finlandia FIMM, Helsinki, Finlandia.

Envíe la correspondencia a: Vijay K. Yadav, The Morgan Building (N235), Wellcome Trust Sanger Institute, Cambridge CB10 1SA, Reino Unido. Teléfono: 44.01223.496948 Fax: 44.01223.496826 Correo electrónico: [email protected]

Nota de autoría: Pablo Román-García, Isabel Quirós-González y Lynda Mottram contribuyeron igualmente a este trabajo.

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1 Laboratorio de Biología de Sistemas del Hueso, 2 Proyecto de Genética del Ratón Sanger, Departamento de Genética del Ratón y Pez Cebra, 3 Departamento de Genética de Patógenos, y 4 Departamento de Genética Humana, Wellcome Trust Sanger Institute, Cambridge, Reino Unido. 5 Instrument Core Facility, Universidad de Aberdeen, Foresterhill, Aberdeen, Reino Unido. 6 Laboratorio de Biología Molecular, Consejo de Investigación Médica, Cambridge, Reino Unido. 7 Pediatría y hematología pediátrica, Hospital Universitario Kocaeli, Kocaeli, Turquía. 8 Unidad de Metabolómica, Instituto de Medicina Molecular de Finlandia FIMM, Helsinki, Finlandia.

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Nota de autoría: Pablo Román-García, Isabel Quirós-González y Lynda Mottram contribuyeron igualmente a este trabajo.

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Nota de autoría: Pablo Román-García, Isabel Quirós-González y Lynda Mottram contribuyeron igualmente a este trabajo.

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Nota de autoría: Pablo Román-García, Isabel Quirós-González y Lynda Mottram contribuyeron igualmente a este trabajo.

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Nota de autoría: Pablo Román-García, Isabel Quirós-González y Lynda Mottram contribuyeron igualmente a este trabajo.

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El estado materno de B12 influye en la masa ósea de la descendencia

El entorno materno no solo afecta el desarrollo en el útero, sino que también puede influir drásticamente en los fenotipos posnatales. En este episodio, Vijay Yadav, Isabel Quiros-Gonzalez y Liesbet Lieben discuten el uso de un modelo genético murino para evaluar los efectos de la vitamina B materna.12 deficiencia en la formación ósea de la descendencia. Cachorros de B12-Madres deficientes mostraron retraso en el crecimiento y masa ósea reducida debido a una pérdida de síntesis de taurina en el hígado. Además, la administración de taurina a estos descendientes mejoró la formación ósea, mejorando los defectos de crecimiento. Los resultados de este estudio sugieren que B12/ La suplementación con taurina puede ser una estrategia terapéutica potencial para aumentar la masa ósea.

Tanto los factores maternos como los derivados de la descendencia contribuyen al crecimiento de por vida y a la acumulación de masa ósea, aunque no se comprende bien el papel específico de las deficiencias maternas en el crecimiento y la masa ósea de la descendencia. En el presente estudio, hemos demostrado que la vitamina B12 (B12) la deficiencia en un modelo genético murino da como resultado un severo retraso del crecimiento posdestete y osteoporosis, y la gravedad y el tiempo de aparición de este fenotipo en la descendencia depende del genotipo materno. Utilizando análisis fisiológico y metabolómico integrados, determinamos que B12 la deficiencia en la descendencia disminuye la producción de taurina en el hígado y se asocia con la anulación de un eje de la hormona del crecimiento / factor de crecimiento similar a la insulina 1 (GH / IGF1). La taurina aumentó la síntesis de IGF1 dependiente de GH en el hígado, que posteriormente mejoró la función de los osteoblastos, y en B12En la descendencia deficiente, la administración oral de taurina rescató sus fenotipos de retraso del crecimiento y osteoporosis. Estos resultados identifican B12 como vitamina esencial que regula positivamente el crecimiento posdestete y la formación ósea a través de la síntesis de taurina y sugiere posibles terapias para aumentar la masa ósea.

El entorno materno juega un papel fundamental en el desarrollo del feto en el útero y durante la vida posnatal (1, 2). Los factores derivados de la madre y transportados a través de la placenta, incluidos los nutrientes y las hormonas, regulan muchos procesos fisiológicos en el feto y, por lo tanto, influyen en gran medida en la salud de la descendencia en la vejez (3). Durante la gestación tardía y el período posnatal temprano, hay una deposición exponencial de hueso en los animales, conocida como acumulación ósea, que determina la masa ósea máxima alcanzada en el esqueleto adulto (4). El proceso que regula la acumulación ósea, también conocido como remodelación, consta de 2 fases: reabsorción de la matriz ósea mineralizada preexistente por el osteoclasto, seguida de la formación de hueso de novo por el osteoblasto (5 - 9). A pesar de la importancia del entorno materno en este proceso, los mecanismos a través de los cuales los factores de origen materno regulan el crecimiento neonatal y la masa ósea aún son poco conocidos.

En humanos, vitamina B12 (B12) la deficiencia se asocia con retraso del crecimiento, niveles reducidos de osteocalcina sérica, menor densidad mineral ósea y mayor riesgo de fractura ósea, aunque los mecanismos subyacentes siguen sin estar claros (10 - 16). B12 es una vitamina esencial soluble en agua que regula una multitud de procesos celulares en vertebrados (17). En celdas, B12 Los derivados funcionan como cofactores para solo 2 enzimas conocidas, la metionina sintasa (MTR) y la metilmalonil-CoA mutasa (MUT), y a través de ellas afectan una variedad de vías metabólicas posteriores, como el ciclo de Kreb, la síntesis de aminoácidos y la metilación de ADN e histonas ( 18). Los mamíferos pueden reciclar B12 para mantener los procesos celulares dependientes de B12 (19). Absorción de la dieta B12 requiere factor intrínseco gástrico (Gif), una proteína específica del estómago que es esencial para la absorción de B12 desde la luz intestinal hasta el torrente sanguíneo (17), que luego se almacena en el hígado. Por lo tanto, una disminución en la producción de proteína funcional Gif causa B12 deficiencia.

La activación del eje de la hormona del crecimiento (GH) hipotalámico / pituitario durante el período posdestete temprano en la descendencia determina la expansión longitudinal y transversal del esqueleto y otros órganos en los vertebrados (20 - 22). Las perturbaciones en la acción de la GH durante la vida independiente temprana de la descendencia dan como resultado múltiples anomalías que se manifiestan en el esqueleto y otros órganos (23 - 26). Durante los últimos 20 años, los estudios genéticos moleculares en humanos y ratones han identificado numerosos componentes en el eje GH que regulan el brote de crecimiento peripuberal (23, 27). Sin embargo, los factores regulados por la GH en el hígado (mediante los cuales interviene en sus acciones) recién ahora comienzan a entenderse.

La taurina, un aminoácido que contiene azufre, es sintetizada principalmente por el hígado en la periferia y, después de su secreción en la circulación, se acumula en diferentes tejidos del cuerpo (28). Aunque la taurina no se incorpora a las proteínas, es un aminoácido (semi) esencial para los mamíferos que afecta el crecimiento y el metabolismo (29). De acuerdo con el papel fundamental de la taurina en la regulación del crecimiento, su deficiencia a menudo se asocia con un retraso del crecimiento prenatal y posnatal (29). A pesar de la importancia de la taurina en la regulación de diversas funciones biológicas, su interacción con el eje GH en la regulación del crecimiento y el metabolismo óseo permanece indefinida.

En el presente estudio, creamos un modelo genético de ratón de B12 deficiencia al eliminar el gen esencial para B12 absorción desde el intestino, Gif, para comprender la importancia de las B derivadas de la madre y la descendencia12 en la regulación del crecimiento y la homeostasis de la masa ósea. Mediante ensayos genéticos y farmacológicos en ratones utilizando B12descendencia deficiente, demostramos que B derivado de la madre12 es un nutriente esencial que regula la producción de taurina en la descendencia para regular el crecimiento y la masa ósea. Es importante destacar que la administración oral diaria de taurina en B12-La descendencia deficiente fue suficiente para prevenir su defecto de crecimiento y osteoporosis a través de la normalización del eje GH / IGF1. Estos resultados identifican B12 como una vitamina esencial que regula el crecimiento y la masa ósea e identifica nuevas vías para tratar las enfermedades óseas asociadas con una baja formación ósea.

B12 la deficiencia provoca retraso en el crecimiento y baja masa ósea. Para generar B12-animales deficientes, primero cruzamos Gif +/– ratones hembra con Gif +/– ratones machos, produciendo la primera generación Gif + / + [Gif + / + (F1)] y Gif - / - (F1) ratones. Análisis de PCR en tiempo real de Gif La expresión en diferentes tejidos mostró que Gif La expresión se restringió al estómago de los ratones WT, y esto fue abolido en Gif - / - (F1) ratones (Figura 1A). Medición de suero B12 niveles en Gif - / - (F1) La descendencia reveló una reducción de & gt20 veces en comparación con los ratones WT (600 ± 35 versus 12,000 ± 110 ng / l), sin embargo, estos ratones aún albergaban niveles detectables de suero B12 (Figura 1B). Para agotar aún más B12 niveles en la descendencia, luego cruzamos Gif - / - (F1) hembras con Gif - / - (F1) machos para generar segunda generación Gif - / - (F2) ratones Los ratones de control WT se generaron cruzando Gif + / + (F1) hembras con Gif + / + (F1) machos. Medición de suero B12 reveló niveles bajos de & lt45 ng / l (es decir, por debajo del límite de detección del ensayo) en Gif - / - (F2) ratones, en comparación con & gt11.000 ng / l en ratones WT (Figura 1B). Estos resultados revelaron que bajó B12 niveles en Gif - / - (F1) las hembras dieron como resultado una B inadecuada12 Transferencia a su progenie durante el embarazo, lo que llevó a niveles muy bajos de B12 en su suero.

B12 la deficiencia en ratones causa retraso en el crecimiento y baja masa ósea. (A) Análisis de PCR en tiempo real de Gif expresión en WT y Gif - / - tejidos. (B) Suero B12 niveles en WT, Gif - / - (F1), y Gif - / - (F2) ratones. (C) Análisis de peso corporal de WT, Gif - / - (F1) y Gif - / - (F2) ratones. (D) Análisis morfológico de WT de 8 semanas, Gif - / - (F1), y Gif - / - (F2) ratones. (mi y F) Análisis histológico de vértebras (mi) y análisis μCT de huesos largos (F) de WT, Gif - / - (F1), y Gif - / - (F2) ratones. La matriz ósea mineralizada (negro) se tiñó con reactivo de von Kossa. BV / TV, volumen óseo relativo al volumen total. Ct.Th., espesor cortical. (GRAMO) Tinción con azul de toluidina que muestra un número reducido de osteoblastos en la superficie ósea, con cuantificación de Ob.N / T.Ar. (H) Microfotografías que muestran casi ausencia de doble marcaje de calceína en la superficie del hueso trabecular en Gif - / - (F2) ratones, con cuantificación de BFR. (I) Microfotografías que muestran osteoclastos teñidos con TRAP en la superficie ósea (rosa), con cuantificación de superficie de osteoclasto por superficie ósea (OcS / BS). # PAG & lt 0.05 *PAG & lt 0.01. Los valores son la media ± SEM. norte = 8 [WT y Gif - / - (F2)] 9 [Gif - / - (F2)]. Las puntas de flecha en las imágenes indican la ubicación de los tipos de células o parámetros medidos. Barras de escala: 10 mm (D) 1 mm (mi y F) 0,1 mm (GRAMO) 50 μm (H) 10 μm (H, recuadros) 0,05 mm (I). Consulte también la Figura complementaria 1.

Nosotros usamos Gif - / - (F1) y Gif - / - (F2) ratones para abordar el efecto de B alterado12 niveles de crecimiento postnatal y acumulación de masa ósea. No hubo una diferencia importante en el crecimiento de WT, Gif - / - (F1), y Gif - / - (F2) animales hasta P21 (Figura 1C y Figura 1 complementaria, material complementario A y B disponible en línea con este artículo doi: 10.1172 / JCI72606DS1). Sin embargo, Gif - / - (F2) los animales mostraron detención del crecimiento entre P21 y P26, como lo demuestra su aumento de peso disminuido y su tamaño corporal reducido en comparación con el peso corporal, Gif - / - (F1), y Gif +/– (F2) animales (Figura 1, C y D, y Figura complementaria 1C). Estos resultados indicaron que aunque Gif - / - (F2) los ratones tienen un desarrollo postnatal temprano normal, el estirón de crecimiento posterior al destete observado en los animales WT está gravemente comprometido en estos ratones.

Análisis histológico y μCT en WT de 8 semanas de edad, Gif - / - (F1), y Gif - / - (F2) Los ratones revelaron una severa disminución de la masa ósea en las vértebras y los huesos largos en Gif - / - (F2) animales, mientras que los niveles fueron similares entre Gif - / - (F1) y ratones WT (Figura 1, E y F). La baja masa ósea en Gif - / - (F2) ratones fue causada por una disminución de & gt3 veces en el número de osteoblastos por área trabecular (Ob.N / T.Ar.), con una disminución dramática en la tasa de formación ósea (BFR), en comparación con los ratones WT (Figura 1, G y H ). En contraste con las consecuencias deletéreas de B12 deficiencia en el número y la función de los osteoblastos, los parámetros de los osteoclastos en Gif - / - (F2) los ratones eran similares a los de los ratones WT (Figura 1I).

Juntos, estos resultados obtenidos en primera y segunda generación Gif - / - la descendencia mostró (a) que B de origen materno12 se transfiere a través de al menos 2 generaciones (en la primera, es suficiente para sustentar el crecimiento de la descendencia, pero un mayor agotamiento en la segunda no logra sustentar su aceleración de crecimiento posterior al destete) y (b) que B12 la deficiencia en la descendencia disminuye la masa ósea al reducir el número de osteoblastos y la formación de hueso sin afectar la resorción ósea.

Una sola inyección de B12 a las madres previene el retraso del crecimiento y la osteoporosis en Gif - / - (F2) descendencia. Para abordar si el retraso del crecimiento y la osteoporosis en Gif - / - (F2) la progenie se debió a la incapacidad de sus madres para transferir B12, A continuación, le dimos una única inyección de B12 para Gif - / - (F1) madres. WT embarazada y Gif - / - (F1) a las hembras se les dio un vehículo o un solo s.c. inyección de 200 μg de cianocobalamina (CN-B12) a los 12,5 días post coitum (dpc), y su descendencia [denominada en el presente documento Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/B12, respectivamente] fueron estudiados. El análisis de la curva de crecimiento mostró que aunque Gif - / - (F2)/B12 descendencia, como Gif - / - (F2)Los ratones / VEH mostraron un retraso en el crecimiento de P21 a P26, alcanzaron rápidamente el crecimiento del ratón WT entre P26 y P31 y, de hecho, eran indistinguibles de los animales WT en P31 y posteriormente (Figura 2A). Además, el análisis de histología ósea e histomorfometría a las 8 semanas de edad mostró que la baja masa ósea observada en Gif - / - (F2)/ VEH se evitó por completo, tanto en vértebras como en huesos largos, en Gif - / - (F2)/B12 ratones a niveles observados en ratones WT, debido a la normalización de los parámetros de formación ósea (Figura 2, B y C). La curva de crecimiento y los parámetros óseos también se normalizaron en varones. Gif - / - (F2)/B12 ratones a los niveles observados en ratones WT (Figura complementaria 2, A – I). Así, un solo s.c. inyección de CN-B12 para Gif - / - (F1) madres fue suficiente para rescatar el retraso del crecimiento y la pérdida ósea en su progenie a las 8 semanas de edad. A pesar de que Gif - / - (F2)/B12 la descendencia tenía un peso corporal y una masa ósea similares a las 8 semanas de edad, aún mostraban un retraso en el crecimiento durante P21-P26, lo que indica un mayor requerimiento de B12 durante este período. Para probar este argumento, a continuación administramos una sola inyección de B12 a la descendencia en P11, más cerca del inicio del retraso del crecimiento en P21.Esta única inyección a la descendencia rescató por completo sus parámetros de crecimiento hasta las 24 semanas de edad (Figura complementaria 2J y datos no mostrados), lo que indica que el crecimiento exponencial observado después del destete en la descendencia requiere de hecho una mayor cantidad de B12.

Materna B12 regula el crecimiento de la descendencia y la masa ósea y B12 la deficiencia durante el envejecimiento regula la masa ósea independientemente del crecimiento corporal. (A) Análisis de la curva de crecimiento de WT / VEH, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/B12 ratones. (B y C) Análisis histológico del hueso vertebral (B) y análisis μCT de huesos largos (C) en WT / VEH de 8 semanas, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/B12 ratones, con cuantificación de BV / TV, Ob.N / T.Ar., BFR, OcS / BS y Ct.Th. (D y mi) BW (D) y longitud de la nariz a la cola (mi) de WT de 48 semanas y Gif - / - (F1) ratones. (F y GRAMO) Análisis histológico del hueso vertebral (F) y Ct.Th. análisis de huesos largosGRAMO) en WT de 48 semanas y Gif - / - (F1) ratones, con cuantificación de BV / TV, Ob.N / T.Ar., OcS / BS y Ct.Th. # PAG & lt 0.05 *PAG & lt 0.01. Los valores son la media ± SEM. norte = 4–6 [PESO] 5 [Gif - / - (F2)/ VEH], 7 [Gif - / - (F2)/B12] 6 [Gif - / - (F1)]. Todos los ratones mostrados son hembras. Barras de escala: 1 mm (B, C, y F). Consulte también la Figura complementaria 2.

B12 la deficiencia durante el envejecimiento regula la masa ósea independientemente del crecimiento corporal. Nuestra observación de que la reserva materna de B12 en Gif - / - (F1) ratones fue suficiente para mantener su crecimiento postnatal y masa ósea hasta la edad adulta nos proporcionó un modelo en el que podemos usar ratones F1 envejecidos para disociar el efecto de B materno12 sobre la masa ósea por su efecto sobre el crecimiento. Razonamos que porque Gif - / - (F1) los ratones no tienen la capacidad de absorber B12 de sus dietas y solo reciben una cantidad finita de B12 de sus madres, eventualmente agotarían esta tienda, se convertirían en B12 deficiente y desarrollar osteoporosis. De acuerdo con este modelo, el análisis de pacientes de 48 semanas Gif - / - (F1) los ratones revelaron un crecimiento normal, como lo demuestra el peso corporal normal y la longitud de la nariz a la cola, en comparación con los ratones WT (Figura 2, D y E). En contraste con su peso corporal normal, 48 semanas de edad Gif - / - (F1) los ratones mostraron una disminución severa de la masa ósea en comparación con los animales WT tanto en las vértebras como en los huesos largos (Figura 2, F y G). Esta baja masa ósea se asoció con una disminución de & gt2 veces en Ob.N / T.Ar. en comparación con los ratones WT, sin cambios en los parámetros de los osteoclastos (Figura 2F). Estos resultados demostraron que B12 la deficiencia durante el envejecimiento en la descendencia afecta la masa ósea independientemente del crecimiento corporal.

B12 la deficiencia causa resistencia a la GH. Dada esa pérdida de B12 causó baja masa ósea y disminución del número de osteoblastos in vivo, consideramos la posibilidad de que B12 puede regular el número y la función de los osteoblastos actuando directamente sobre estas células para regular la masa ósea. Para probar esta afirmación, cultivamos osteoblastos primarios en B12-medio deficiente, los trató con diferentes dosis de B12y midió su proliferación y diferenciación. Reducir la concentración de B12 de 10.000 a 0 nM no tuvo ningún efecto significativo sobre la proliferación o diferenciación de osteoblastos (Figura complementaria 3A). De acuerdo con estos resultados, los osteoblastos primarios de B12Los ratones deficientes proliferaron y se diferenciaron igualmente bien como las células WT (Figura complementaria 3A). Estos resultados in vitro fueron sorprendentes, en contraste con los resultados in vivo de una disminución ≥3 veces en el número y la función de osteoblastos en B12animales deficientes, lo que sugiere que B12 La deficiencia probablemente afecta a los osteoblastos a través de un mecanismo endocrino.

La GH, una hormona producida en la glándula pituitaria, parecía ser la candidata probable, dado su papel en el crecimiento posdestete y la acumulación de masa ósea (23, 27, 30). Por lo tanto, primero analizamos los niveles séricos de GH en WT de 8 semanas y Gif - / - (F2) ratones. Los niveles de GH en suero aumentaron aproximadamente 3 veces en los mutantes en comparación con los ratones WT (Figura 3A). Este aumento de GH en Gif - / - (F2) animales se asoció con una mayor expresión de la hormona liberadora de GH (Ghrh), que regula la producción de GH hipofisaria, en el hipotálamo (Figura 3B). Estos resultados sugirieron que B12-los animales deficientes muestran resistencia o insensibilidad a la GH, al nivel de cualquiera de los receptores de GH (Ghr) o uno de sus efectores posteriores, en el hígado. Análisis de Ghr mostró una expresión normal en el hígado y los huesos en Gif - / - (F2) en los animales, sin embargo, los niveles de IGF1 en suero (a través del cual la GH media muchas de sus acciones periféricas) se redujeron & gt4 veces (Figura 3, C y D). La disminución de los niveles séricos de IGF1 se asoció con una disminución de la fosforilación del receptor de IGF1 (IGF1R) en los tejidos diana (Figura 3E).

B12 la deficiencia causa resistencia a la GH. (A) Niveles séricos de GH en WT (norte = 6) y Gif - / - (F2) (norte = 5) ratones. (B y C) Análisis de PCR en tiempo real de Ghrh en el hipotálamo (Hyp) (B), y Ghr expresión en hígado y hueso (C), de WT y Gif - / - (F2) ratones (norte = 5 por grupo). (D) Niveles séricos de IGF1 en WT y Gif - / - (F2) ratones (norte = 7–10). (mi y F) Análisis de transferencia Western de IGF1R (mi) y STAT5 (F) fosforilación en diferentes WT y Gif - / - (F2) la transferencia de tejidos se realizó en la misma transferencia después de quitar la membrana para pIGF1R y pSTAT5, respectivamente. Se muestra una transferencia representativa de 3 experimentos independientes que se ejecutaron diferentes tejidos de forma no contigua. A continuación se muestra la cuantificación relativa de pIGF1R y pSTAT5 (normalizados a IGF1R y STAT5, respectivamente). (GRAMO y H) Análisis de PCR en tiempo real de Socs2 (GRAMO) y el gen diana STAT5 (H) expresión en WT y Gif - / - (F2) hígado (norte = 5 por grupo). (I) Reacciones enzimáticas de MTR y MUT dependientes de B12cofactores metil-B generados12 y adenosil-B12, respectivamente. (J) Niveles de metionina, succinato y homocisteína (nmol / g de tejido hepático) en WT y Gif - / - (F2) ratones (norte = 5 por grupo). (K) Análisis de chip de histonas metiladas, que se muestra en relación con el control (asignado como 1), en diferentes regiones de Igf1 en Gif - / - (F2) hígado. P-, promotor E-, exón n.d., no detectable. (L) Supervivencia de WT / VEH, WT / IGF1, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Ratones IGF1 (norte = 5 por grupo). # PAG & lt 0.05 *PAG & lt 0.01. Los valores son la media ± SEM. Consulte también la Figura complementaria 3.

Ya que Igf1 La expresión está regulada por la señalización de STAT5 aguas abajo de GH, a continuación investigamos si la activación de STAT5 y sus principales objetivos está perturbada en Gif - / - (F2) ratones. En Gif - / - (F2) En ratones, la fosforilación de STAT5 estaba casi ausente en el hígado y el músculo, 2 tejidos diana de GH principales, pero no en otros tejidos (Figura 3F). La disminución de la fosforilación de STAT5 se asoció con un aumento importante en la expresión de Socs2, un inhibidor de STAT5, en Gif - / - (F2) hígado (Figura 3G). Además, los niveles de ARNm de los principales objetivos de STAT5 en el hígado (31), como la proteína de unión a IGF 1 (Igfbp1), se incrementó, mientras que la expresión de Igf1, Subunidad lábil de ácido de proteína de unión a IGF (Igfals), miembro de la familia de transportadores de aniones orgánicos portadores de solutos 1a1 (Slco1a1), las principales proteínas urinarias (Mup1Mup3) e hidroxiesteroide deshidrogenasa 3b5 (Hsd3b5) se redujo (Figura 3H y Figura complementaria 3B), similar a las observaciones anteriores en Stat5 - / - ratones (32). Esta resistencia a la GH también estuvo presente en ancianos Gif - / - (F1) ratones y B materno12 las inyecciones normalizaron los niveles de GH / IGF1 en Gif - / - (F2) descendencia (Figura complementaria 3, C y D). Estos resultados revelaron que B12 la deficiencia da como resultado una importante anulación de la acción de la GH en la descendencia.

A continuación, investigamos cómo B12 la deficiencia anula la acción de la GH, utilizando tejido hepático como modelo. B12 Los derivados en mamíferos actúan como cofactores para la función de solo 2 enzimas conocidas, MTR y MUT (Figura 3I), por lo tanto, primero medimos los metabolitos aguas abajo de estas enzimas para observar el efecto de B12 deficiencia en su función. La metionina, un producto de MTR, se redujo significativamente y su sustrato, la homocisteína, se incrementó, mientras que el succinato, un producto posterior de MUT, no se vio afectado (Figura 3J). La metionina es un precursor de la producción celular de S-adenosil metionina (SAM), que es un donante de metilo esencial para la metilación de histonas y ADN, 2 modificaciones epigenéticas que se sabe que afectan los niveles de expresión génica basal y estimulada por ligando (33). Debido a que observamos una importante disminución en la expresión de hígado Igf1, primero probamos si B12 la deficiencia altera el estado de metilación de este gen, utilizando la metilación de histonas como marcador. Análisis de chips de metilación de histonas en WT y Gif - / - (F2) Los tejidos hepáticos revelaron una disminución importante en la metilación de histonas (H3) en el Igf1 locus (Figura 3K). Estos resultados sugirieron que una disminución importante en la metilación de histonas podría conducir a una menor capacidad de respuesta de los tejidos diana a la GH, dando como resultado el desarrollo de resistencia a la GH.

Si la disminución observada en la síntesis de IGF1 en el hígado sola es necesaria y suficiente para causar retraso del crecimiento y osteoporosis en Gif - / - (F2) animales, entonces la administración de IGF1 a estos animales debería poder superar su retraso en el crecimiento. Para examinar esta posibilidad, tratamos Gif - / - (F2) animales comenzando en P20 con inyecciones dos veces al día de IGF1 recombinante, que previamente se ha demostrado que previene y / o cura las anomalías del crecimiento (34). Para nuestra sorpresa, el tratamiento con IGF1 condujo a la letalidad temprana de Gif - / - (F2) animales (Figura 3L). Esta respuesta extrema a IGF1 puede explicarse por los niveles de glucosa basal más bajos observados en estos animales (15,1 ± 1,2 frente a 25,5 ± 3,2 nM), probablemente debido a la resistencia a la GH, y la administración de IGF1 redujo aún más su estado glucémico (5,2 ± 1,3 nM en este momento). punto, si a los animales se les administraba un bolo de glucosa, reviviéndolos y previniendo la muerte), probablemente resultando en letalidad (Figura 3L). Además, la administración de SAM que normalizó la metilación del ADN no pudo rescatar el retraso del crecimiento y las anomalías óseas causadas por B12 deficiencia (datos no mostrados). Estos resultados sugieren que la supresión y / o activación de otro mediador de GH además de SAM (dependiente de B12, ya sea actuando de forma independiente o regulando la acción de IGF1) subyace a la resistencia a la GH en B12-Animales deficientes.

Identificación de taurina como metabolito crítico regulado positivamente por B12. Identificar los mediadores subyacentes a la resistencia a GH observada en B12 deficiencia, a continuación llevamos a cabo un análisis metabolómico dirigido en el hígado de Gif - / - (F2) ratones y compararon este perfil con el metaboloma regulado por GH. Análisis de datos metabolómicos sobre B12 La deficiencia reveló que la mayoría de los metabolitos estaban regulados a la baja y estaban involucrados en el metabolismo de aminoácidos, betaína, ácidos biliares primarios, proteínas y purinas (Figura 4A y Figura 4A complementaria). El perfil de metabolitos de los hepatocitos tratados con GH identificó muchos metabolitos que mostraban una regulación positiva similar por GH y B12 (Figura 4A y Figura 4B complementaria) y podría ser la base de la resistencia a la GH observada en B12 deficiencia.

El análisis metabolómico identifica la taurina como un metabolito crítico que conecta B12 deficiencia de señalización de GH. (A) Gráfico de agrupamiento jerárquico supervisado de metabolitos regulados hacia arriba o hacia abajo en Gif - / - (F2) hígado. Los metabolitos regulados por la GH en los hepatocitos se muestran en rojo. (B) Gráfico de resumen para análisis de enriquecimiento cuantitativo. Los conjuntos de metabolitos se clasifican según la tasa de descubrimiento falso (FDR). Las líneas discontinuas muestran los valores de corte de FDR. (C) La vista del metaboloma se refleja en la X eje que aumenta el impacto de la vía metabólica de acuerdo con la medida de centralidad de intermediación, que muestra los nodos clave en las vías metabólicas que se han alterado significativamente en B12 deficiencia. Los círculos de colores corresponden a las vías en B. (D) Parcela PLSDA-VIP. Los metabolitos se clasifican de acuerdo con su importancia creciente para la separación de grupos entre WT y Gif - / - (F2) ratones. (mi) Medición de taurina y sus derivados en WT / VEH, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/B12 hígado (norte = 5 por grupo). # PAG & lt 0.05 *PAG & lt 0.01. Los valores son la media ± SEM. Consulte también la Figura complementaria 4.

Análisis de enriquecimiento cuantitativo en B12El metaboloma deficiente mostró perturbaciones importantes en las vías metabólicas asociadas con taurina e hipotaurina, biosíntesis de folato y ácidos biliares, metabolismos de nucleótidos y aminoácidos y síntesis de proteínas (Figura 4B). El análisis de la vía identificó que las vías de la taurina y la hipotaurina tenían un efecto sustancial sobre la función celular después de B12 deficiencia (Figura 4C). Identificar qué metabolitos contribuyen a la separación de grupos de WT y B12-muestras deficientes, realizamos una técnica de regresión multivariante supervisada, análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales (PLSDA). En el modelo PLSDA, el número de variables latentes (LV) que se utilizarán depende de la suma de cuadrados capturados por el modelo (R 2 ), R 2 con validación cruzada (Q 2 ) y precisiones de predicción basadas en validaciones cruzadas, con diferentes números de LV. La importancia variable en la proyección (VIP) es una de las medidas importantes de PLSDA, donde es una suma ponderada de cuadrados de las cargas de PLS teniendo en cuenta la cantidad de variación de clase explicada en cada dimensión. El análisis PLSDA-VIP de los datos de metabolómica hepática identificó que la taurina tenía la puntuación VIP más alta y podría servir como biomarcador para B12-Estado deficiente (Figura 4D). De acuerdo con la noción de que la perturbación en el metabolismo de la taurina subyace a la resistencia a la GH observada en B12 deficiencia, medición de taurina y sus derivados en Gif - / - (F2)/B12 El hígado mostró un rescate completo de estos metabolitos a los niveles observados en el hígado WT (Figura 4E). Además, lo que sugiere además un papel crítico de la taurina en la GH / B12-dependiente, la deficiencia de taurina se ha demostrado previamente que está asociada con la regulación a la baja de la señalización de GH / IGF1 en ratones enanos Ames (35), y el metabolismo de la metionina está significativamente perturbado en pacientes con deficiencia de GH (36).

En conjunto, estos análisis metabolómicos integrados en WT y Gif - / - (F2) hígado de ratón identificó una supresión hasta ahora inesperada del metabolismo de la taurina en B12 resistencia a la GH mediada por deficiencia.

GH regula la síntesis de taurina en un STAT5 / B12-dependiente. Hasta ahora, nuestros resultados proporcionaron evidencia correlativa de que B12 la deficiencia en el hígado da como resultado una producción reducida de taurina asociada con la anulación de la señalización de GH. A continuación, generamos modelos in vitro de B12 y deficiencia de STAT5 en hepatocitos y preguntó si la señalización de GH / STAT5 regula la producción de taurina y, de ser así, si este proceso se ve afectado por B12 deficiencia (Figura 5A). Usamos 2 estrategias para investigar esta pregunta. Primero, para investigar el B12 regulación de la síntesis de taurina dependiente de GH, utilizamos un enfoque de secuestro para la ablación de B12 acción en los hepatocitos mediante la sobreexpresión de una construcción de transcobalamina 2-oleosina (TCOL) en células HepG2. Tras la expresión, TCN2 se une a B12 en el citoplasma, y ​​la oleosina inmoviliza este TCN2-B12 complejo al retículo endoplásmico, quelante así cualquier B12 presente en el citosol (37). Con este fin, sintetizamos vectores de fusión TCOL y creamos células HepG2 transfectadas de forma estable con TCOL o un vector vacío como control. Medida de Oleosina La transcripción en las células mostró que sobreexpresamos con éxito TCOL (Figura 5B). La medición de taurina en las células transfectadas mostró que mientras que el tratamiento con GH aumentó significativamente la producción de pSTAT5 y taurina en las células transfectadas con vector, este aumento en pSTAT5 y taurina fue completamente anulado en células transfectadas con TCOL (Figura 5, C y D). El análisis de PLSDA-VIP de los datos metabolómicos derivados de estas células mostró que, una vez más, la taurina fue el principal impulsor de la separación de los 3 grupos (Figura 5E). Es importante destacar que la adición de taurina a las células transfectadas con TCOL restauró completamente la capacidad de respuesta a la GH, según se midió mediante el análisis de expresión de IGF1 (Figura complementaria 5A).

GH regula la síntesis de taurina en STAT5- y B12-dependiente. (A) Relación entre taurina, STAT5 y B12 en el hígado. (B) Régimen experimental utilizado para la prueba B12 participación en la regulación de la GH de la síntesis de taurina. También se muestra un análisis de RT-PCR para detectar Oleosina transcripción en las células después de la transfección con vector vacío o construcción TCOL. (C) Fosforilación de STAT5 tras el tratamiento con GH en células HepG2 transfectadas con vector vacío o TCOL. Las transferencias se realizaron de forma no contigua. (D) Niveles de taurina tras el tratamiento con GH en vector vacío o células HepG2 transfectadas con TCOL. (mi) Gráfico de puntuaciones de PLSDA-VIP de datos metabolómicos de hepatocitos después de la transfección vacía o con TCOL. (F) Régimen experimental utilizado para probar la participación de STAT5 en la regulación de GH de la producción de taurina. Las fotomicrografías muestran inmunohistoquímica de STAT5 en células HepG2 transfectadas con ARNhc no objetivo (vacío) o STAT5 (shSTAT5). (GRAMO) Expresión relativa de IGF1 tras el tratamiento con GH en células HepG2 vacías o transfectadas con shRNA STAT5. (H) Niveles de taurina tras el tratamiento con GH en células HepG2 vacías o transfectadas con shRNA STAT5. (I) Análisis de PCR en tiempo real de enzimas en la vía de síntesis de taurina en células vacías, TCOL o STAT5 transfectadas con shRNA tratadas con vehículo o GH. (J) Regulación de GH de la vía de síntesis de taurina. Metabolitos y genes rojos, regulados al alza (solo aquellos regulados al alza por GH y que no responden a GH tras la transfección de ARNhc o TCOL de STAT5) metabolitos y genes verdes, metabolitos y genes negros regulados a la baja, no metabolitos y genes grises alterados, no medidos. *PAG & lt 0.05 # PAG & lt 0.01. Los valores son la media ± SEM. Barras de escala: 20 μm (F). Consulte también la Figura 5 complementaria.

Las observaciones que B12Los animales deficientes tuvieron una disminución importante en la fosforilación de STAT5, y que la GH aumentó la producción de taurina, nos llevó a investigar a continuación si la GH, a través de la señalización de STAT5, regula la producción de taurina. Transfectamos de forma estable hepatocitos (células HepG2) con shRNA contra STAT5 o vector vacío, seguido del tratamiento de estas células con vehículo o GH. El análisis inmunohistoquímico de los niveles de STAT5 en estas células después de la transfección reveló que la expresión de STAT5 se derogó con éxito en las células transfectadas con ARNhc de STAT5 en comparación con las células transfectadas de forma simulada (Figura 5F). Medida de IGF1 La expresión confirmó que derogamos con éxito la acción de la GH (Figura 5G). A continuación, medimos la producción de taurina en respuesta a la GH. El tratamiento con GH aumentó significativamente la producción de taurina en las células transfectadas de forma simulada, pero este aumento se anuló por completo en las células transfectadas con ARNhc de STAT5 (Figura 5H).

Finalmente, cuestionamos cuáles de las enzimas en la vía de síntesis de taurina están reguladas por GH en un STAT5- y B12-dependiente. El tratamiento de los hepatocitos con GH conduce a un aumento en la expresión de gamma-glutamiltransferasa 6 (GGT6), cistationina beta sintasa (CBS), descarboxilasa de ácido cisteína sulfínico (CSAD), dimetilglicina deshidrogenasa (DMGDH), Similar a la S-adenosilhomocisteína hidrolasa 1 (AHCYL1), familia de la aldehído deshidrogenasa 7, miembro A1 (ALDH7A1) y glicina N-metiltransferasa (GNMT), mientras que no afectó la expresión de otras enzimas (BHMT, SHMT1, BAAT, y MAT1A) en esta vía (Figura 5I y datos no mostrados). El aumento en la expresión de estas enzimas observado con el tratamiento con GH se anuló después de la pérdida de STAT5 (ARNhc de STAT5) o con el secuestro de B12 en las celdas (Figura 5I). El análisis integrado de los metabolitos regulados por GH y los cambios en la expresión génica que unen la metionina al metabolismo de la taurina mostró que la señalización de la GH afectó la vía de biosíntesis de la taurina en múltiples niveles (Figura 5J).

Con base en estos resultados, concluimos (a) que la GH aumenta la producción de taurina en los hepatocitos en un STAT5- y B12-dependiente y (b) que STAT5 y B12 regular la síntesis de taurina regulando la expresión de enzimas y metabolitos críticos en la vía de síntesis de taurina. Juntos, estos resultados mostraron que las señales de GH en los hepatocitos en un STAT5 / B12-dependiente de regular la producción de taurina, cuya deficiencia en B12Los animales deficientes pueden ser la base de la resistencia a la GH y la osteoporosis.

Alimentación oral de taurina a B12-Gif deficiente - / - (F2) la descendencia normaliza el eje GH / IGF1 y previene el retraso del crecimiento y la osteoporosis. Si la disminución de los niveles de taurina es la causa de la resistencia a la GH y del fenotipo de masa ósea baja en Gif - / - (F2) animales, la administración de taurina a estos animales debería poder prevenir el crecimiento posdestete y las anomalías de la masa ósea. Con este fin, WT de 16 días y Gif - / - (F2) a las hembras se les administró vehículo o 500 mg / kg de peso corporal de taurina al día (por vía oral) [a las que se hace referencia en el presente documento como Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU, respectivamente]. El análisis de la curva de crecimiento mostró que aunque Gif - / - (F2)/ La descendencia de VEH mostró retraso en el crecimiento de P21 a P26, Gif - / - (F2)Los ratones / TAU crecieron normalmente entre P21 y P26 y posteriormente, y de hecho eran indistinguibles de los animales WT (Figura 6A). Este rescate del retraso del crecimiento en Gif - / - (F2)Los animales / TAU se asoció con la normalización de los niveles séricos de GH e IGF1, que se restauraron a los niveles observados en los animales WT (Figura 6, B y C). El análisis de PLSDA de los perfiles de metabolitos hepáticos reveló que Gif - / - (F2)/ TAU se agruparon con los ratones WT, mientras que Gif - / - (F2)Los ratones / VEH eran claramente distintos de estos 2 grupos (Figura complementaria 6A). Este rescate del metaboloma hepático también se reflejó en la agrupación bidireccional realizada en los perfiles de metabolitos (Figura complementaria 6B). Análisis histológico e histomorfometría de hueso de WT de 8 semanas, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ TAU revelaron que la baja masa ósea observada en Gif - / - (F2)/ Los ratones VEH fueron completamente rescatados en Gif - / - (F2)/ Ratones TAU, debido a un aumento importante en el número y la función de los osteoblastos, mientras que los parámetros de los osteoclastos no se vieron afectados (Figura 6D y Figura 6C complementaria). Por tanto, la administración oral diaria de taurina a B12-la descendencia deficiente previno el retraso del crecimiento y la baja masa ósea causada por B12 deficiencia. Estos resultados indicaron que la taurina es un mediador aguas abajo esencial de B12-Señalización de GH dependiente en la regulación del crecimiento y metabolismo óseo. La observación de que el rescate del crecimiento y las anomalías de la masa ósea en B tratados con taurina12Los ratones deficientes se asoció con un aumento importante en los niveles séricos de IGF1, un importante regulador de la función de los osteoblastos, lo que nos llevó a investigar a continuación la importancia de la señalización de IGF1 en este proceso. Realizamos un análisis de correlación entre la masa ósea o el número de osteoblastos y los niveles séricos de IGF1 para investigar si la señalización de IGF1 contribuye a los cambios en la masa ósea en B alimentados con taurina12-Animales deficientes. Este análisis mostró una correlación lineal entre los niveles de IGF1 en suero y la masa ósea o el número de osteoblastos en animales alimentados con taurina (Figura 6E y Figura 6D complementaria). Juntos, estos resultados sugieren que la síntesis de IGF1 del hígado y su acción en los tejidos diana de IGF1 subyace en el rescate mediado por taurina del retraso del crecimiento y la osteoporosis en Gif - / - (F2) ratones.

La administración oral de taurina previene el retraso del crecimiento y la osteoporosis en Gif - / - (F2) ratones. (A) Análisis de la curva de crecimiento de WT / VEH, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU. (B y C) Suero GH (B) y IGF1 (C) niveles en WT / VEH, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU. (D) Análisis histológico de vértebras en WT, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)Ratones / TAU, con cuantificación de BV / TV, Ob.N / T.Ar., BFR y OcS / BS. (mi) Gráfico de dispersión de correlación de Pearson entre BV / TV y los niveles de IGF1 en suero en ratones tratados con taurina. *PAG & lt 0.05 # PAG & lt 0.01. norte = 5 por grupo. Los valores son la media ± SEM. Barra de escala: 500 μm. Consulte también la Figura 6 complementaria.

La taurina aumenta la síntesis de IGF1 en los hepatocitos y su acción en los osteoblastos para regular la masa ósea. A continuación, investigamos los mecanismos a través de los cuales la taurina afecta la síntesis de IGF1 en el hígado aguas abajo de la GH para regular la masa ósea. El aumento mediado por taurina en la síntesis de IGF1 sugirió que la taurina fue capaz de superar las consecuencias de B12 deficiencia en el hígado. El análisis de los niveles de metabolitos en el hígado mostró que los niveles de metionina en los animales tratados con taurina se rescataron a los niveles observados en los animales WT (Figura 7A). Debido a que MTR, la principal enzima que sintetiza metionina en mamíferos, no puede funcionar en ausencia de B12, analizamos vías alternativas de síntesis de metionina que no dependen de B12 como cofactor y podría explicar el aumento de la síntesis de metionina en respuesta a la taurina. El análisis de los niveles de proteína y la actividad de la betaína-homocisteína S-metiltransferasa (BHMT), una enzima que lleva a cabo una reacción paralela para sintetizar metionina, reveló un aumento importante de sus niveles de proteína en el hígado de animales alimentados con taurina (Figura 7, B y C). De acuerdo con el aumento de los niveles de proteína de BHMT, sus sustratos (betaína y homocisteína) disminuyeron, mientras que sus productos (dimetilglicina y metionina) aumentaron, en el hígado (Figura 7, B y D). Bhmt se encontró que la expresión era indetectable en el hueso (Figura 7A suplementaria). Análisis de chips de me2K36, un marcador de los niveles de metilación de histonas, en el Igf1 locus mostró que este aumento en los niveles de metionina normalizó el estado de metilación de Igf1 en el hígado (Figura complementaria 7B). A diferencia de los cambios en el hígado Igf1, estado de metilación de Igf1 en osteoblastos o su expresión en el hueso largo no fue diferente entre WT, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU (Figura suplementaria 7, C y D). Juntos, estos resultados revelaron que la activación de la vía BHMT mediada por taurina condujo a la restauración del estado de metilación y la capacidad de respuesta de Igf1y otros genes, a la GH circulante.

La taurina aumenta la síntesis de IGF1 del hígado y su acción en los osteoblastos para regular la masa ósea. (AD) Muestras de hígado. (A) Niveles de metionina y homocisteína en WT, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Hígado TAU. (B) B12Vías de síntesis de metionina dependientes (MTR) e independientes (BHMT). (C) Análisis de Western blot de los niveles de BHMT en WT, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ TAU hígado. Los carriles se ejecutaron de forma contigua. U.D., indetectable. (D) Niveles de betaína y dimetilglicina en el hígado de WT, Gif - / - (F2)/ VEH y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU. (miGRAMO) Células de osteoblastos MC3T3-E1. Cambios en la incorporación de BrdU (mi), Fosforilación de IGF1R y ERK (F), y Ccnd1 expresión (GRAMO) en células tratadas durante 24 horas con vehículo, OSI906, taurina o taurina más OSI906. Carriles en F se realizaron de forma contigua, y las transferencias se eliminaron y se volvieron a analizar con IGF1R o ERK. La cuantificación relativa de pIGF1R y pERK (normalizados a IGF1R y ERK, respectivamente) se muestra a continuación. Se muestra una transferencia representativa de 3 experimentos diferentes. (H) Análisis de la curva de crecimiento de WT y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU + OSI906 (norte = 5 cada uno). (I) Análisis de masa ósea (BV / TV) en la vértebra de WT y Gif - / - (F2)/ Ratones TAU + OSI906 (norte = 5 por grupo). (J) Eje endocrino intestino / hígado / hueso, ilustrando GH / STAT5 / B12-Cambios dependientes del IGF1 sérico y la taurina que regulan la proliferación de osteoblastos y la masa ósea. *PAG & lt 0.05 # PAG & lt 0.01. Los valores son la media ± SEM. Barra de escala: 500 μm. Consulte también la Figura complementaria 7.

A continuación, investigamos qué aspectos de la biología de los osteoblastos se ven afectados por la taurina y si el efecto de la taurina depende de la señalización de IGF1. El tratamiento con taurina (20 mM) aumentó específicamente la proliferación de osteoblastos, pero no tuvo ningún efecto sobre la diferenciación o mineralización de estas células, y este aumento en la proliferación de osteoblastos fue bloqueado por el pretratamiento con el antagonista de IGF1R OSI906 (10 μM) (Figura 7E y Figura complementaria 7). , P.EJ). El análisis de las vías de señalización aguas abajo de la taurina en los osteoblastos reveló un aumento en la fosforilación de IGF1R y la activación aguas abajo de la vía ERK, como se refleja en el aumento de los niveles de pERK y el aumento de la expresión de su objetivo transcripcional. Ccnd1, ambos de los cuales fueron derogados por el pretratamiento de OSI906 (Figura 7, F y G). Este efecto de la taurina sobre la señalización de IGF1R también se observó en el hueso largo in vivo (Figura complementaria 7, H e I). Estos resultados mostraron que la taurina estimula la cascada de señalización de IGF1R / ERK para aumentar la proliferación de osteoblastos.

Finalmente, para investigar la importancia de IGF1R en la mediación de las anomalías óseas y del crecimiento en Gif - / - (F2) ratones, tratamos a estos ratones con vehículo [Gif - / - (F2)/ VEH] o taurina más OSI906 (50 mg / kg de peso corporal / día) [Gif - / - (F2)/ TAU + OSI906] desde P16 en adelante. La curva de crecimiento y los análisis histomorfométricos óseos mostraron que Gif - / - (F2)Los ratones / TAU + OSI906 permanecieron retardados en el crecimiento y osteoporóticos (Figura 7, H e I). Estos resultados indicaron que B12/ taurina es un mediador esencial de la acción de la GH que aumenta la síntesis de IGF1 en el hígado y su señalización en los osteoblastos para aumentar la proliferación de osteoblastos y la masa ósea mientras aumenta la señalización de la GH en otros tejidos, como el cartílago, que depende directamente de la GH para aumentar la crecimiento (Figura suplementaria 7J).

Evidencia de la B12/ taurina / vía ósea en niños y pacientes ancianos con B12 deficiencia. Muestras de suero de niños nacidos de B nutricionalmente12-Madres deficientes mostraron una disminución significativa en su suero B12, taurina y osteocalcina (como marcador de la formación de hueso) en comparación con los controles de la misma edad (Figura complementaria 8, A y B). El análisis de correlación utilizando todas las muestras mostró una correlación positiva significativa entre la variación en suero B12 y taurinaR = 0.877, PAG = 0,00018), B12 y osteocalcina (R = 0.830, PAG = 0,00083), y taurina y osteocalcina (R = 0.742, PAG = 0,0057) niveles (Figura 8, A – C).

B12 el estado se correlaciona con la taurina y el marcador de formación ósea osteocalcina durante la vida posnatal temprana y el envejecimiento en humanos. (AF) Gráficos de dispersión de correlación de Pearson entre (A y D) suero B12 y taurina,B y mi) B12 y osteocalcina, y (C y F) osteocalcina y taurina en (AC) hijos de B12-madres deficientes (símbolos rojos norte = 5) y de madres sanas (símbolos blancos norte = 7) y en (DF) envejecido B12-sujetos deficientes (símbolos rojos norte = 8) y controles saludables (símbolos blancos norte = 10). Pearson R al igual que PAG se muestran los valores. Consulte también la Figura complementaria 8.

Análisis de pacientes ancianos con B12 la deficiencia mostró niveles significativamente disminuidos de taurina y osteocalcina (Figura complementaria 8C). El análisis de correlación adicional utilizando todas las muestras de sujetos de edad mostró una correlación positiva significativa entre la variación en el suero B12 y taurinaR = 0.707 PAG = 0,001), B12 y osteocalcina (R = 0.946, PAG = 2,6 × 10 –9), y taurina y osteocalcina (R = 0.699 PAG = 0,0012) niveles (Figura 8, D – F). Estos datos proporcionan un apoyo adicional para un papel fisiológico de B12 en la regulación de la síntesis de taurina y la formación de huesos en humanos. Sin embargo, el tamaño de la muestra humana en nuestros estudios fue de pequeños ensayos clínicos controlados de seguimiento que correlacionan los marcadores de B12/ eje taurina con formación de hueso utilizando tamaños de muestra más grandes sería necesario.

Nuestros hallazgos actuales descubrieron una regulación inesperada del crecimiento y la masa ósea a través de una vitamina. Estos hallazgos cambian el enfoque hacia el medio nutricional materno como un actor principal en la esqueletogénesis y brindan evidencia concluyente de que la vitamina B derivada de la madre12 regula el crecimiento y la acumulación de hueso en la descendencia a través del eje GH / IGF1.

Nuestros estudios que demuestran un efecto de B12 derivado de la madre sobre la esqueletogénesis posnatal de la descendencia aumenta el repertorio de efectos maternos sobre el crecimiento de los órganos y la masa ósea. Hasta donde sabemos, B12 es la primera vitamina de origen materno cuya deficiencia o exceso manifiesta específicamente su consecuencia sobre la formación ósea posdestete. Nuestra conclusión de que las alteraciones en la capacidad materna para transferir B12 a la descendencia, el crecimiento regulado y la adquisición de masa ósea se basó en 2 líneas de evidencia. Primero, solo los cachorros nacidos de homocigotos Gif - / - madres, no las nacidas de heterocigotos Gif +/– madres, tenían retraso del crecimiento de inicio temprano y osteoporosis. En segundo lugar, una sola inyección de B12 a las madres homocigotas fue capaz de transferir suficiente B12 a su progenie y previno el desarrollo de retraso del crecimiento y osteoporosis. El inicio del retraso del crecimiento en la descendencia solo después del destete indicó que solo un mínimo de B12 se requiere durante los períodos críticos del embarazo para el metabolismo funcional del folato / metionina. Un estudio reciente informó que la metionina sintasa reductasa mutada (Mtrr), que activa el MTR / B12 complejas, causaron anomalías embrionarias transgeneracionales y / o letalidad que eran mucho más graves que nuestras B12-modelo de ratón deficiente (38). Por otro lado, en nuestro presente estudio, la mayor estabilidad de B12 superó esta letalidad neonatal y nos permitió investigar los efectos de la deficiencia en el metabolismo de la metionina / folato sobre el crecimiento y el metabolismo posnatal del ratón. Juntos, nuestros resultados indican que las modificaciones en el metabolismo de la metionina / folato durante el desarrollo o la vida posnatal tendrán consecuencias duraderas sobre el crecimiento y la homeostasis ósea.

B12 la deficiencia da como resultado la ablación de la actividad de las enzimas MTR y MUT en mamíferos y, en consecuencia, la acumulación de sus sustratos, incluidos la homocisteína y el ácido metilmalónico (MMA), respectivamente. La observación de que aumentaron los niveles de homocisteína y MMA en suero y tejidos sobre B12 La deficiencia tiene diversos efectos en múltiples vías intracelulares, lo que nos llevó a investigar si el B12 El retraso del crecimiento mediado por deficiencia y la baja masa ósea observada durante P21-P46 fue causada por su acumulación. La administración de homocisteína (50 mg / kg / d i.p.) o MMA (1 μmol / g BW / d i.p.) a ratones WT comenzando en P21 durante 4 semanas, período durante el cual observamos retraso del crecimiento en B12 deficiencia, no tuvo ningún efecto sobre el crecimiento o la masa ósea de los animales WT (Figura suplementaria 3, E y F). Estos resultados fueron consistentes con informes anteriores de que la administración posnatal de MMA no afecta el crecimiento de las ratas (39). Nuestros hallazgos sugieren que el retraso del crecimiento y la baja masa ósea en B12Los animales deficientes observados en P21 no fueron causados ​​por la acumulación de MMA u homocisteína, sino más bien por la producción regulada a la baja de otros B12-metabolitos aguas abajo dependientes. Sin embargo, es posible que la dosis y la duración de los tratamientos usados ​​en este documento no saturen los compartimentos intracelulares de MMA u homocisteína, y que el aumento adicional de sus niveles, o los niveles de otros metabolitos, durante períodos más prolongados pueda afectar los procesos celulares subyacentes al crecimiento. Finalmente, nuestro hallazgo de que la administración de taurina rescató las anomalías moleculares y celulares observadas en B12 La deficiencia sugirió que la síntesis de taurina se encuentra corriente arriba de los metabolitos perturbados en B12 deficiencia.

Análisis de Gif mutantes durante 2 generaciones mostraron que B de origen materno12 Procesos dependientes de GH profundamente regulados en la descendencia. Investigación sobre la resistencia a GH de B12Los mutantes deficientes conducen a la identificación de las principales vías metabólicas hepáticas subyacentes a esta resistencia. Múltiples líneas de evidencia dan crédito a nuestra afirmación de que la disminución en la masa ósea y el crecimiento de órganos observados en B12 la deficiencia es causada, al menos en parte, por la resistencia a la GH. Primero, B12ratones deficientes estrechamente fenocopia Ghr - / - y Stat5 - / - ratones (32, 40). Estos ratones mutantes tienen cambios similares en la expresión de genes hepáticos, incluida una reducción Igf1, Igfals, Mup1, Slco1a1, y Hsd3b5 ARNm y aumento Igfbp1. En segundo lugar, tanto B12-deficiente y Stat5 - / - los ratones muestran una disminución importante de los niveles de IGF1 en suero. En tercer lugar, hubo una reducción del 10% en el contenido de proteína total en suero en B12ratones deficientes (40,1 ± 5,1 g / l, frente a 50,4 ± 4,0 g / l en WT), una observación consistente con una reducción importante en los procesos anabólicos mediados por GH, como la síntesis de proteínas. En conjunto, las sorprendentes similitudes entre B12-deficiente y Stat5 - / - Los ratones apoyan firmemente la noción de que los efectos de B12 la deficiencia, al menos en el crecimiento y la masa ósea, está mediada por la abrogación de la señalización dependiente de STAT5 aguas abajo de la GH.

Investigación de los mediadores posteriores de la acción de la GH que subyacen al retraso del crecimiento y la osteoporosis en B12-los animales deficientes llevaron al descubrimiento de la taurina como metabolito regulado por B12 y la resistencia subyacente a la GH en B12-Cría deficiente. La taurina es un aminoácido poco conocido cuya función en la fisiología corporal no ha sido clara. Nuestra demostración de que un medio por el cual la GH regula el crecimiento y la masa ósea es mediante la regulación de B12-La producción de taurina hepática dependiente está respaldada por 3 líneas de evidencias. Primero, la producción de taurina fue regulada por GH en hepatocitos en un STAT5- y B12-dependiente, porque en ausencia de cualquiera de ellos, la GH no pudo aumentar la producción de taurina. En segundo lugar, la taurina aumentó la síntesis de IGF1 en el hígado y su acción sobre los osteoblastos mediante la regulación de la señalización de IGF1R. En tercer lugar, alimentar con taurina a B12Los animales deficientes previnieron el retraso del crecimiento y la osteoporosis al normalizar su resistencia a la GH mediante la activación de una vía alternativa de síntesis de metionina (BHMT). Nuestro hallazgo de que B12 la deficiencia o la administración de taurina no afectó Igf1 expresión en el hueso, pero lo hizo profundamente en el hígado (Figura complementaria 7, B-D), sugiere que el hígado es mucho más sensible a los cambios en B12 niveles que el hueso. Esto está respaldado por nuestros resultados in vitro en los que B12 la deficiencia de osteoblastos no afectó su proliferación o función, mientras que condujo a la disfunción de los hepatocitos. Observamos que B12 la deficiencia o el rescate de masa ósea mediado por taurina no se asoció con cambios en los niveles de ARNm de los marcadores de diferenciación de osteoblastos. Es probable que la taurina afecte más profundamente a los marcadores de diferenciación de osteoblastos a nivel de traducción de ARNm / síntesis de proteínas, una función principal regulada por el eje GH / IGF1. Esta explicación está respaldada por nuestro hallazgo de que los niveles de proteína de OCN, un marcador de diferenciación de osteoblastos, se vieron afectados por cambios en B12/ niveles de taurina, mientras que los niveles de ARNm de Ocn no eran (Figura suplementaria 7, F y G). Finalmente, nuestra identificación de la síntesis de taurina del hígado como un proceso esencial, en ausencia del cual IGF1 no podría rescatar el crecimiento y la masa ósea aguas abajo de B12, reveló un papel inesperado de la taurina como un regulador aguas arriba de la síntesis y acción de IGF1, ampliando aún más la importancia de IGF1 en la fisiología corporal (27).

En resumen, nuestros hallazgos actuales (a) muestran una regulación no anticipada del crecimiento y la masa ósea por B de origen materno12 mediante la regulación del eje GH / IGF1 / taurina en la descendencia (b) identificar las anomalías celulares y metabólicas asociadas con B12 deficiencia (c) muestran que la síntesis de taurina en el hígado se encuentra aguas arriba de la síntesis y acción de IGF1 y es necesaria y suficiente para prevenir el retraso del crecimiento y la osteoporosis observados en B12 deficiencia y (d) demuestran que la taurina media su acción sobre el crecimiento y la masa ósea mediante la regulación de la síntesis de IGF1 del hígado y su acción en el hueso. Juntos, estos resultados in vitro e in vivo respaldan el concepto de que B12 regula el crecimiento y la masa ósea mediante la regulación de la sensibilidad a la GH en la descendencia al regular la producción de taurina en el hígado, y aumenta la importancia del papel que desempeña el hígado en la regulación de la fisiología de todo el cuerpo (41).

Nuestra identificación de un nuevo eje endocrino intestino / hígado / hueso (Figura 7J) como regulador del crecimiento y la masa ósea plantea varias preguntas. Primero, ¿cuáles son los reguladores moleculares de B12 absorción y las moléculas que se coabsorben con ella en la fisiología del cuerpo? En segundo lugar, ¿existen otras vitaminas que afecten la formación ósea a través de mecanismos maternos similares? En tercer lugar, ¿cuáles son los otros efectos de B12 en fisiología corporal? En cuarto lugar, ¿cómo aumenta la taurina los niveles y la actividad de BHMT? ¿Existen otros metabolitos que puedan realizar la misma función? Finalmente, como sugiere la profunda influencia positiva de B12 sobre la formación ósea, ¿podría la regulación de B12 y / o su efector taurina corriente abajo tienen el potencial de incrementar la formación ósea para tratar enfermedades esqueléticas? Abordar estas preguntas requerirá una mayor investigación sobre los mecanismos regulatorios que rodean a B12 fisiología y el eje GH / taurina, y puede conducir al desarrollo de nuevas terapias para curar enfermedades del crecimiento y de los huesos.

Gif - / - ratones (Gif tm1aWtsi / tm1aWtsi ), generados por el Sanger Mouse Genetics Program, llevan un alelo knockout-first en el que un casete sin promotor que incluye LacZ y neo fue insertado en Gif, lo que resulta en un alelo de pérdida de función. Gif - / - Los ratones se generaron como parte del proyecto de genética de ratones utilizando células madre embrionarias C57BL / 6N y estaban sobre un fondo C57 puro. Se utilizaron controles de compañeros de camada WT durante todo el estudio.

Para CN-B12 tratamiento a madres embarazadas, virgen Gif - / - (F1) las hembras fueron apareadas con Gif - / - (F1) ratones machos. Los animales preñados recibieron vehículo (solución salina) o 200 μg de CN-B12 (s.c.) en 12,5 dpc. Donde se indique, WT y Gif - / - (F1) las crías se trataron por vía oral con taurina (500 mg / kg / d) y / o el antagonista de IGF1R OSI906 (50 mg / kg de peso corporal / d) de P16. Los ratones se sacrificaron a las edades indicadas.

μCT y análisis esqueléticos

El análisis de μCT se realizó utilizando un sistema Skyscan 1172 μCT con software estándar proporcionado por el fabricante (Skyscan). Se realizaron análisis histológicos (Osteomeasure Analysis System Osteometrics) y preparaciones esqueléticas como se describió anteriormente (42, 43). Se analizaron de 6 a 12 animales por grupo (ver Métodos suplementarios y leyendas de figuras).

Cultivos celulares y ensayos moleculares

Se cultivaron osteoblastos primarios o células MC3T3 en B12-medio deficiente o / y α-MEM, y la proliferación celular (ELISA de proliferación celular BrdU Roche Applied Science) y diferenciación (SensoLyte pNPP Alkaline Phosphatase Assay kit AnaSpec Inc.) se realizó como se describió anteriormente (43). El análisis de transferencia Western se realizó usando métodos estándar usando anticuerpos de Cell Signalling.

Las células HepG2 de hepatoma humano cultivadas en α-MEM se transfectaron de manera estable con STAT5b (SureSulencing shRNA Plasmid Kit Qiagen) o TCOL (ref: _00DA0IMFs._500A0Bty7J Origene) o con un vector vacío (simulado) usando Attractene (ShRNA) o Turbofect (plásmidos).

Metabolómica y suero B12 análisis

Los metabolitos polares se extrajeron de muestras de hígado y células de ratón, se separaron mediante cromatografía líquida de ultra rendimiento Waters Acquity y se analizaron mediante espectrometría de masas de triple cuadrupolo. Suero B12 Los niveles se analizaron mediante inmunoensayo competitivo en un analizador de inmunoensayo Siemens ADVIA Centaur. Consulte Métodos suplementarios para obtener más detalles.

Análisis cuantitativo de RT-PCR

El ARN total se extrajo utilizando un kit de extracción de ARN de Qiagen y la PCR en tiempo real se realizó mediante protocolos estándar.

El suero se preparó con BD Vacutainer SST, se congeló instantáneamente en nitrógeno líquido y se almacenó a –80 ° C hasta su análisis. La GH sérica se midió usando ELISA de hormona de crecimiento de ratón (Millipore Inc.), y el IGF1 se midió usando el kit ELISA de ratón / humano IGF1 (Abcam Inc.). Los ensayos de indicador de luciferasa se llevaron a cabo usando métodos estándar.

Niños. Todas las evaluaciones clínicas y las recolecciones de muestras fueron realizadas por un hematólogo experimentado. Lactantes de 3 a 24 meses de edad que presentan anemia megaloblástica o síntomas de B12 deficiencia (debilidad, retraso del crecimiento, rechazo al destete, vómitos, retraso en el desarrollo, irritabilidad y temblor) se inscribieron durante su ingreso en las consultas externas de pediatría y hematología pediátrica del Hospital Universitario Kocaeli. Lactantes con suero B12 niveles & lt150 pmol / l fueron elegibles para el estudio. Se registró la historia dietética de los lactantes, especialmente el consumo de leche materna y proteínas animales (leche, yogur, huevos, pollo, pescado y otros productos cárnicos), así como la ingesta de píldoras vitamínicas durante el embarazo / lactancia en las madres.

Sujetos envejecidos. Todas las muestras utilizadas en este estudio fueron del Kuopio Ischemic Heart Disease Risk Factor Study (estudio KIHD), un estudio de cohorte poblacional en curso para investigar los factores de riesgo de enfermedades coronarias, aterosclerosis y otros resultados relacionados en la población del este de Finlandia. (44), y fueron donadas por J. Kauhanen y T. Nurmi (Universidad de Finlandia Oriental, Kuopio, Finlandia). Sujetos con B12 niveles & lt150 pmol / l se consideraron los B12-grupo deficiente (45). Según esta clasificación, 8 sujetos de la B12-grupo deficiente y 10 controles (pareados por edad y sexo) se incluyeron en este estudio. Las características clínicas de los sujetos se dan en la Figura 8 complementaria.

Los resultados se dan como media ± SEM. El análisis estadístico fue realizado por Student de 2 colas t prueba o prueba χ 2. A PAG se consideró significativo un valor inferior a 0,05.

Estudios con animales. Todos los procedimientos realizados en ratones se ajustaban a las directrices de regulación ética del Wellcome Trust Sanger Institute y a las directrices del Ministerio del Interior del Reino Unido (licencia de proyecto nº PPL80 / 2479).

Niños. El comité de investigación ética del Hospital Universitario Kocaeli aprobó los protocolos (estudio n. ° 2013-1, centro n. ° 12) y se obtuvo el consentimiento por escrito de los adultos que acompañaban a los controles o pacientes.

Sujetos envejecidos. Las muestras clínicas de sujetos de edad fueron del estudio KIHD descrito anteriormente (44).

Los autores agradecen a la instalación de ratones Sanger por su ayuda con los experimentos con animales, Kevin McKinzee para la generación y análisis de datos de μCT, Miep Helfrich por su generoso apoyo y Vasudev Kantae, Bhargavi Carasala y Jonathan Broomfield por las mediciones de metabolitos. V.K. Yadav dedica este estudio a su madre, Bhagwanti Devi. P. Roman-Garcia e I. Quiros-Gonzalez cuentan con el apoyo de las becas postdoctorales ERA-EDTA (ERA LTF-78/2011 y 107/2012). Este trabajo fue apoyado por Wellcome Trust (subvención nº 098051).

Conflicto de intereses: Los autores han declarado que no existe ningún conflicto de intereses.

Informacion de referencia: J Clin Invest. 2014124 (7): 2988–3002. doi: 10.1172 / JCI72606.


Metodología

En el presente estudio, los datos publicados después del año 2000 relacionados con las funciones de la taurina en la dieta en la nutrición de los peces se analizaron y visualizaron utilizando un modelo de minería de literatura computacional. Las técnicas de extracción de textos literarios se han utilizado ampliamente en la investigación bioinformática y biomédica debido a la alta eficiencia de la captura de literatura en cualquier tema específico. El presente estudio recopiló datos de investigación de la extracción de datos y el filtrado por "rentrez", paquete R de acuerdo con el título del artículo, especies de peces, etapas de vida, suplementación con taurina y respuesta primaria (invierno de 2017). Luego, los datos recopilados se resumieron y tabularon cuidadosamente para su análisis y visualización. Se utilizaron bases de datos genéticas, incluida la base de datos de genes del Centro Nacional de Biotecnología (NCBI), para recopilar las frecuencias de los genes Tenso gen en diferentes especies de peces (Lamurias y Couto 2019). Para calcular el nivel óptimo de suplementación dietética, todos los datos de taurina se ingresaron por separado y se tabularon. Los datos tabulados se filtraron para hacer gráficos y figuras. Los datos se expresaron como media ± SEM (error estándar de la media) y se analizaron mediante análisis de varianza unidireccional (ANOVA) utilizando SPSS 23.0. El número de veces que se utilizó la suplementación con taurina según la especie de pez y los niveles de taurina se visualizó mediante Tableau Desktop 2020.1. Los artículos se resumieron según las especies de peces, las etapas de vida, el entorno de vida del pez, el nivel de taurina mejor recomendado, con o sin harina de pescado, la respuesta primaria y las principales fuentes de proteínas en la dieta. Además, se estudiaron los efectos sinérgicos de diferentes nutrientes con la taurina.

Propiedades y biosíntesis de taurina

El nombre químico completo de la taurina es ácido 2-aminometanosulfónico. Se convierte a partir de l-cisteína después del proceso de acción enzimática oxidativa en los procesos de biosíntesis en el hígado (Liu et al. 2017). En 1827, la taurina fue aislada inicialmente por Leopold Gmelin y Friedrich Tiedemann (Seidel et al.2018). Originalmente se encontraba en los ácidos biliares del buey (Bostaurus) y el nombre se deriva de Tauro. Como aminoácido que contiene azufre, la taurina es muy abundante en la mayoría de los tejidos animales, especialmente en los animales marinos. Las plantas y los hongos contienen concentraciones muy bajas (Sundararajan et al. 2014). La taurina se encuentra comúnmente en los músculos, el cerebro, el hígado y los riñones, y ayuda a desarrollar las funciones de los músculos esqueléticos, los sistemas cardiovascular y nervioso central y la retina (Onsri y Srisawat 2016). En el pescado, la taurina se sintetiza en el hígado a partir de metionina y cisteína. Sin embargo, la capacidad de biosíntesis varía según la especie de pez. Además, se ha destacado que la deficiencia de taurina conduce a ciertas anomalías fisiológicas y de rendimiento inferior (Shen et al. 2018). La taurina generalmente se considera un aminoácido esencial para el pescado. Se requiere en situaciones primarias cuando la producción está disminuyendo debido a deficiencias o falta de capacidad para sintetizar taurina en el hígado (El-Sayed 2013).

La taurina afecta a las proteínas porque tiene la capacidad principal de interactuar directamente a través de una amina (NH3 +) grupo (Bruździak et al.2018). La taurina participa en varias vías metabólicas, como el metabolismo de la metionina (Andersen et al. 2015), la biosíntesis de ácidos biliares (Salze y Davis 2015), el transporte de la membrana interna (Luirink et al. 2005) y el metabolismo del azufre (Liu et al. 1994). . Tiene muchas funciones, como la síntesis de ácidos biliares, la regulación del volumen celular, la citoprotección del sistema nervioso central y la modulación del calcio intracelular (Ripps y Shen 2012). Normalmente, la homocisteína derivada de la metionina es una fuente de azufre y sus productos de condensación con la serina se convierten en cisteína en los animales. La vía principal de la biosíntesis de taurina incluye varias secuencias del proceso de oxidación. La cisteína se convierte en ácido cisteína sulfínico por la cisteína dioxigenasa (CDO), y luego la hipotaurina es producida por el ácido cisteína sulfínico por la cisteína sulfonato descarboxilasa (CSD) seguida de hipotaurina deshidrogenasa y produce taurina (Fig. 1). La CDO regula la concentración de cisteína y la enzima CSD es el paso limitante de la velocidad en la biosíntesis de taurina. CDO y CSD son las enzimas clave en el proceso de biosíntesis de taurina en el hígado (Wang et al. 2014). Además, un transportador de taurina de membrana tiene un papel crítico para el transporte y reciclaje de taurina. Sin embargo, la regulación de la biosíntesis de taurina difiere según la especie de pez debido a las actividades enzimáticas clave, especialmente CDO y CSD. Estas actividades enzimáticas dependen de las condiciones osmóticas, las etapas ontogenéticas, el estado hormonal y la formulación de la dieta. La biosíntesis de taurina es mayor en la trucha arco iris que en la platija japonesa (Wang et al. 2016). La taurina se sintetiza a través de una vía de transulfuración mediante el uso de aspartato aminotransferasa en algunas especies de peces de agua dulce, como la trucha arco iris y la carpa común (Guimaraes et al. 2018). Sin embargo, la vía de biosíntesis de la taurina en los peces todavía está mal descrita en la literatura (Salze y Davis 2015). La adición de taurina al pez cebra (Danio rerio) las células hepáticas cultivadas en medio sin taurina tiene poco efecto sobre los niveles de transcripción de los genes de la vía biosintética para la cisteína dioxigenasa (CDO), cisteína sulfonato descarboxilasa (CSAD) o cisteamina dioxigenasa (ADO). Por el contrario, la suplementación con taurina provoca una reducción del 30% en los niveles de transcripción del transportador de taurina, TauT. La importancia de la taurina para Tenso Se ha confirmado la expresión génica en el hígado (Liu et al. 2017).

Vía de biosíntesis de taurina. (Fuente: KEGG pathway map-00430, Liu et al.2017). CDO cisteína dioxigenasa tipo 1, CSD cisteína sulfonato descarboxilasa, GLD descarboxilato de glutamato, DEA 2-aminoetanotiol dioxigenasa

La baja o ausencia de actividad de la CSD en el hígado podría provocar una falta o una baja capacidad de síntesis de taurina, especialmente en la etapa juvenil de los peces (Martins et al.2018). La concentración de taurina hepática aumentó marginalmente con el crecimiento de la trucha arco iris. Además, los niveles de ARNm y CSD aumentaron drásticamente con el crecimiento de la trucha arco iris (Wang et al. 2015). Los aminoácidos azufrados de la dieta, como la metionina y la cisteína, estimularon la biosíntesis de taurina con un aumento de la CDO hepática y la concentración de taurina hepática, pero no afectaron significativamente las actividades de la CSD hepática en el rodaballo (Psetta maxima) (Wang et al. 2014). Los peces carnívoros tienen una menor capacidad de biosíntesis de taurina que los peces herbívoros. La suplementación de taurina en la dieta aumenta la utilización de proteína vegetal en peces carnívoros (Zhang et al. 2018). Entonces, la taurina mejora el rendimiento de crecimiento de varios peces carnívoros, incluido el rodaballo (Scophthalmus maximus) (Liu et al.2018 Wei et al.2018 Zhang et al.2019), besugo (Pagrus major) (Takagi et al.2010), platija japonesa (P. olivaceus) (Kim et al.2017) y jurel (Seriola quinqueradiata) (Khaoian et al.2014 Nguyen et al.2015). Por lo tanto, la taurina es un nutriente vital para las especies de peces mencionadas anteriormente, especialmente en su etapa de rápido crecimiento, donde la mayoría de las acciones de las CSD tienen lugar en el hígado. Entonces, todas esas propiedades son factores de vital importancia en la nutrición de los peces.

Análisis estadístico de la investigación sobre la nutrición de la taurina de pescado

Según el conjunto de datos, se tabularon más de 100 consultas específicas de la literatura. La línea de tendencia de la investigación fue con R 2 = 0,46 y PAG valor = 0,0018. Se calcula un modelo de tendencia lineal para la suma del número de registros dados los años publicados. El número de literatura se incrementó significativamente por año (PAG & lt 0,05). El número máximo se registró en el año 2018 con 18 registros, y el número mínimo se registró con un registro en el año 2001, 2002, 2009 y 2010, respectivamente. Hubo una línea de tendencia de un número significativamente mayor de artículos en el campo especial de la suplementación y el metabolismo de la taurina debido al aumento de la investigación, la financiación, la alta demanda de productos del mar como fuente de proteínas, la limitación y el alto precio de la harina de pescado, un número cada vez mayor de preocupaciones sobre la taurina y las motivaciones de la investigación previa. Platija japonesaP. olivaceus) fue la especie de pez más estudiada, seguida de la dorada, la jurel y el rodaballo. Se registraron los numerosos efectos positivos con pocos efectos negativos de la suplementación con taurina en la dieta sobre el crecimiento y el metabolismo en los peces (Tabla 1). Se necesitan más investigaciones sobre ciertos peces y sus diferentes etapas de vida para aclarar el papel de la taurina y su valor nutricional para el metabolismo de otros nutrientes.

Rendimiento de crecimiento

En la mayoría de los estudios publicados, se encontraron los efectos positivos de la suplementación con taurina en la dieta sobre el crecimiento y la utilización de alimento de los peces, especialmente para los peces alimentados con dietas a base de proteínas vegetales. Estas especies de peces incluyen la dorada blanca (Sargo diplodus) (Magalhães et al.2019), rodaballo (Liu et al.2018 Sampath et al.2020 Wei et al.2018 Zhang et al.2019), besugo (Oplegnathus fasciatus) (Ferreira et al.2014), carpa común (Cyprinus carpio) (Abdel-Tawwab y Monier 2017), pargo (Lutjanus colorado) (Hernandez et al.2018), carpa negra (Mylopharyngodon piceus) (Zhang et al.2018) y bagre de canal (Peterson y Li 2018). Además, se encontró que la suplementación con metionina en la dieta era ineficiente en las dietas a base de plantas para superar la deficiencia de taurina para el rendimiento de crecimiento de la corvina (Argyrosomus regius). Por lo tanto, la suplementación con taurina es necesaria para las dietas a base de proteínas vegetales (Moura et al.2018).

Sin embargo, la falta de respuesta o los efectos negativos de la suplementación con taurina en la dieta en el pescado también se encontraron en algunos estudios previos. Crecimiento y utilización de alimento de barramundi (Lates calcarifer) no se vieron significativamente afectados por la suplementación con taurina de las dietas a base de plantas con un 1,5% del contenido final de taurina (Poppi et al.2018). Además, Kato et al. (2014) no encontraron diferencias significativas en el crecimiento, la supervivencia, el consumo de alimento y la eficiencia alimenticia de la dorada alimentada con o sin una dieta suplementada con taurina. No se encontraron efectos significativos de la suplementación con taurina en la dieta sobre el rendimiento del crecimiento en algunas otras especies de peces, como la carpa herbívora (Yang et al. 2013) y la jurel (Khaoian et al. 2014). Además, Hoseini et al. (2017) encontraron efectos negativos sobre el crecimiento del esturión persa juvenil (Acipenser persicus) alimentados con una dieta suplementada con taurina en comparación con los controles sin suplementación con taurina. Se encontraron resultados negativos similares en el esturión persa (A. persicus) (Hoseini et al.2017) y la lubina europea (Dicentrarchus labrax) (Coutinho et al.2017).

Con base en los efectos positivos de la suplementación con taurina en la dieta, los resultados de la mayoría de las investigaciones sugirieron que el contenido óptimo de taurina en la dieta estaba entre 0.5 y 1.5%, mientras que el 1% fue el valor más registrado (Fig. 2). Según el conjunto de datos, el contenido estadísticamente óptimo de taurina en la dieta para el crecimiento y el metabolismo de los peces fue 0,91 ± 0,06% (el valor medio) (Fig. 3). Entre los artículos publicados, la etapa juvenil fue la etapa de vida más probada del pez. Se observaron algunas desviaciones del contenido de taurina dietético estadísticamente óptimo debido a las condiciones experimentales específicas y las diferentes etapas de vida de los peces. Entonces, incluso con la misma especie de pez, el nivel óptimo de taurina se ha desviado según las etapas de vida, la fórmula del alimento y las condiciones experimentales. Además, se ha sugerido que el nivel óptimo de taurina es un factor específico de la especie para los peces. Kim y col. (2017) sugirieron que el contenido de taurina en la dieta era del 0,9% al 1,3% para la platija japonesa alimentada con una dieta a base de harina de pescado. Satriyo y col. (2017) sugirieron que se requiere un nivel mínimo de 0,45% de taurina en la dieta con harina de pescado lavada como principal fuente de proteína para normalizar las condiciones fisiológicas de la totoaba juvenil, a saber, hígado verde, índice somático de vesícula biliar bajo (GBSI), plasma bajo colesterol total, baja digestibilidad de lípidos, bajo recambio de eritrocitos y bajo contenido de grasa visceral. Dado que la mayoría de los casos utilizan más contenido que el nivel óptimo, la taurina dietética no tiene efectos negativos en el pescado o los tiene (Hu et al. 2018b Stuart et al. 2018 Zheng et al. 2016). Por lo tanto, el conocimiento actual sobre los niveles óptimos de taurina en la dieta es muy importante para la acuicultura, así como para la investigación futura. En cualquier caso, la taurina ha mostrado efectos específicos de especies en la nutrición de los peces. Por lo tanto, hubo más efectos positivos y algunos efectos negativos en ciertas especies de peces. Además, la taurina es un nutriente crítico para las dietas proteicas a base de plantas para peces cuando se considera el rendimiento del crecimiento.

Suma del número de registros desglosados ​​por concentración de taurina recomendada / requerida (%). El tamaño del círculo y el color muestran la suma del número de registros

Gráfico de radar del porcentaje probado de suplementación con taurina con especies de peces y sus etapas de vida. El círculo resaltado es el valor medio del% de taurina (0,91)

Efectos antioxidantes e inmunes

La taurina tiene propiedades antioxidantes debido a su efecto sobre las enzimas y genes antioxidantes en el hígado y el intestino de los peces (Coutinho et al. 2017). Según Zhang et al. (2018), enzimas antioxidantes, incluidas SOD y GSH-px, en carpa negra juvenil (M. piceus) aumentaron significativamente con la suplementación dietética con taurina. El efecto interactivo de la taurina y la glutamina en la dieta dio una capacidad antioxidante significativamente mayor en la platija japonesa (Han et al. 2014). Además, el aumento de la metionina en la dieta con taurina aumentó las actividades de CAT y GPX en el hígado de la lubina europea (Dicentrarchus labrax). Actividades del CAT, T-SOD y la capacidad antioxidante total (T-AOC) en la anguila arrocera (Monopterus albus) aumentaron significativamente con el aumento de los niveles de taurina en la dieta (Hu et al. 2018b). Las actividades de la SOD y el contenido de glutatión en la carpa negra juvenil (M. piceus) aumentaron con la suplementación con taurina en la dieta baja en harina de pescado (Zhang et al.2018). Los mismos resultados se encontraron en algunas otras especies, como la lubina europea (Feidantsis et al.2014) y la carpa común (C. carpio) (Abdel-Tawwab y Monier 2017).

Bagre amarillo juvenil (Pelteobagrus fulvidraco) alimentados con una dieta de proteína a base de plantas que contenía 1.09% de suplementos de taurina, aumento de glóbulos rojos, hemoglobina, inmunoglobulina total, índice fagocítico, explosión respiratoria y actividades de SOD, GPX, CAT y lisozima en sangre (Li et al.2016) . Sin embargo, cuando la harina de pescado en la dieta fue reemplazada por concentrados de proteína de soja con suplementos de taurina, glóbulos rojos, hemoglobina plasmática y hematocrito en totoaba juvenil (Totoaba macdonaldi) no fueron significativamente diferentes de aquellos alimentados con la dieta de control (López et al. 2015). Además, la suplementación con taurina en la dieta no tuvo efectos significativos sobre los parámetros inmunológicos en la dorada (D. sargus) alimentados con dietas altas y bajas en harina de pescado (Magalhães et al.2019). Los mismos resultados se confirmaron en la platija japonesa (P. olivaceus) (Han et al. 2014). Además, la dorada (P. mayor) alimentados con dietas bajas en harina de pescado (22-36%) a bajas temperaturas del agua (14.5 ± 1.95 ° C) con 1% de suplementación dietética habían aumentado la inmunidad innata en comparación con los peces que recibieron altos niveles de harina de pescado (45%). Sin embargo, los parámetros hematológicos y bioquímicos no se vieron afectados por la suplementación con taurina (Gunathilaka et al.2019).

Por lo tanto, la taurina mejoró las propiedades antioxidantes del pescado al optimizar los parámetros antioxidantes e inmunitarios, tanto a nivel de proteínas como de genes en el hígado y el intestino. Estos parámetros incluyen enzimas antioxidantes (por ejemplo, CAT, SOD y GPX), hemoglobina y niveles de inmunoglobulina total.


¿Los miembros de la familia de los gatos necesitan comer carne?

La respuesta simple a esa pregunta en nuestro mundo posterior a la caída (Génesis 3) es "sí". Sin embargo, sabemos por Génesis 1: 29–30 que a Adán y Eva ya todos los animales se les ordenó comer solo “plantas / hierbas verdes” como alimento. El tipo de gato (probablemente incluido en las "bestias de la tierra" - Génesis 1:24) originalmente tenía el mandato de comer solo plantas, por lo tanto, sus cuerpos deben haber podido obtener todos los nutrientes necesarios de las plantas. La dieta de Little Tyke (varios granos) puede haberse parecido más a la del tipo de gato original.

En un mundo posterior a la caída, se cree que la carne es una parte necesaria de la dieta del gato para obtener nutrientes como la taurina y la cobalamina (vitamina B12). La taurina es un ácido orgánico que se sintetiza a partir del aminoácido cisteína. Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas, que son un componente principal de la carne, pero no de las plantas (que son principalmente carbohidratos, incluida la celulosa no digerible). Los gatos son los únicos mamíferos que se sabe que carecen de la capacidad de sintetizar taurina. La falta de taurina en la dieta de un gato puede provocar problemas oculares, pérdida de cabello, caries y problemas cardíacos. La taurina es tan importante que es un aditivo necesario para la comida para gatos.

La vitamina B12 se encuentra naturalmente en la carne, la leche y los huevos. Algunos animales (como los herbívoros) poseen bacterias en su rumen o intestino que sintetizan B12. La vitamina B12 participa en muchos aspectos del metabolismo celular, especialmente en la síntesis de ADN. Posiblemente, todos los animales y humanos originalmente tenían bacterias simbióticas en sus intestinos que sintetizaban B12 (esta relación se alteró después de la Caída). También es plausible que las plantas antes de la caída / antes de la inundación tuvieran niveles de taurina y B12 que cumplían con los requisitos para el tipo de gato.2 Los mecanismos degenerativos, como la mutación después de la caída o la extinción de las plantas, pueden haber llevado a cambios en el calidad nutricional y disponibilidad de las plantas, lo que hace que la carne sea una parte necesaria de la dieta del gato.

En 2006, se publicó un estudio sobre los efectos de las dietas vegetarianas en los gatos.4 El estudio encontró que todos los gatos que seguían la dieta vegetariana tenían niveles normales de cobalamina y la mayoría tenían niveles normales de taurina en la sangre. La comida vegetariana para gatos disponible comercialmente se complementa con cobalamina y taurina, y ambas sustancias también se pueden obtener como un suplemento que se agrega a la dieta del gato.

La dieta de Little Tyke no incluía suplementos de estas sustancias, aunque habrían estado presentes en la leche y los huevos que consumía. Sin embargo, no le dieron leche ni huevos en cantidades que pudieran haberle proporcionado cantidades suficientes de estas sustancias. Los niveles de taurina y cobalamina nunca se evaluaron en Little Tyke, pero no se encontró que padeciera ninguno de los problemas típicamente asociados con las deficiencias de estos nutrientes en los gatos. Obviamente, todavía queda mucho por aprender sobre el metabolismo y la necesidad de estos nutrientes en la dieta del gato.


Contenido

La síntesis de ácidos biliares ocurre en las células del hígado, que sintetizan ácidos biliares primarios (ácido cólico y ácido quenodesoxicólico en humanos) a través de la oxidación del colesterol mediada por el citocromo P450 en un proceso de múltiples pasos. Aproximadamente 600 mg de sales biliares se sintetizan diariamente para reemplazar los ácidos biliares perdidos en las heces, aunque, como se describe a continuación, se secretan cantidades mucho mayores, se reabsorben en el intestino y se reciclan. El paso limitante de la velocidad en la síntesis es la adición de un grupo hidroxilo de la séptima posición del núcleo esteroide por la enzima colesterol 7 alfa-hidroxilasa. Esta enzima está regulada a la baja por el ácido cólico, regulada al alza por el colesterol y es inhibida por las acciones de la hormona ileal FGF15 / 19. [2] [3]

Antes de secretar cualquiera de los ácidos biliares (primarios o secundarios, ver más abajo), las células del hígado los conjugan con glicina o taurina, para formar un total de 8 posibles ácidos biliares conjugados. Estos ácidos biliares conjugados a menudo se denominan sales biliares. El pKa de los ácidos biliares no conjugados está entre 5 y 6,5, [4] y el pH del duodeno oscila entre 3 y 5, por lo que cuando los ácidos biliares no conjugados están en el duodeno, casi siempre están protonados (forma HA), lo que hace relativamente insolubles en agua. La conjugación de ácidos biliares con aminoácidos reduce el pKa del conjugado ácido biliar / aminoácido entre 1 y 4. Por lo tanto, los ácidos biliares conjugados casi siempre están en su forma desprotonada (A-) en el duodeno, lo que los convierte en mucha más agua. -Solubles y mucho más capaces de cumplir su función fisiológica de emulsionar grasas. [8] [9]

Una vez secretadas en la luz del intestino, las bacterias intestinales modifican las sales biliares. Están parcialmente deshidroxilados. Sus grupos glicina y taurina se eliminan para dar el ácidos biliares secundarios, ácido desoxicólico y ácido litocólico. El ácido cólico se convierte en ácido desoxicólico y el ácido quenodesoxicólico en ácido litocólico. Los cuatro de estos ácidos biliares se reciclaron, en un proceso conocido como circulación enterohepática. [2] [3]

Como moléculas anfipáticas con regiones hidrófobas e hidrófilas, las sales biliares conjugadas se asientan en la interfase lípido / agua y, por encima de la concentración correcta, forman micelas. [9] La solubilidad adicional de las sales biliares conjugadas ayuda en su función al prevenir la reabsorción pasiva en el intestino delgado. Como resultado, la concentración de ácidos / sales biliares en el intestino delgado es lo suficientemente alta como para formar micelas y solubilizar lípidos. "Concentración micelar crítica" se refiere tanto a una propiedad intrínseca del propio ácido biliar como a la cantidad de ácido biliar necesaria para funcionar en la formación espontánea y dinámica de micelas. [9] Las micelas que contienen ácidos biliares ayudan a las lipasas a digerir los lípidos y los acercan a la membrana del borde en cepillo intestinal, lo que resulta en la absorción de grasas. [6]

La síntesis de ácidos biliares es una ruta principal del metabolismo del colesterol en la mayoría de las especies distintas de los humanos. El cuerpo produce alrededor de 800 mg de colesterol por día y aproximadamente la mitad se usa para la síntesis de ácidos biliares produciendo 400 a 600 mg al día. Los adultos humanos secretan entre 12 y 18 g de ácidos biliares en el intestino cada día, principalmente después de las comidas. El tamaño de la reserva de ácidos biliares está entre 4 y 6 g, lo que significa que los ácidos biliares se reciclan varias veces al día. Aproximadamente el 95% de los ácidos biliares se reabsorben por transporte activo en el íleon y se reciclan al hígado para su posterior secreción en el sistema biliar y la vesícula biliar. Esta circulación enterohepática de ácidos biliares permite una baja tasa de síntesis, solo alrededor de 0,3 g / día, pero con grandes cantidades que se secretan en el intestino. [5]

Los ácidos biliares tienen otras funciones, que incluyen eliminar el colesterol del cuerpo, impulsar el flujo de bilis para eliminar ciertos catabolitos (incluida la bilirrubina), emulsionar las vitaminas liposolubles para permitir su absorción y ayudar a la motilidad y la reducción de la flora bacteriana que se encuentra en el intestino delgado y el tracto biliar. [5]

Los ácidos biliares tienen acciones metabólicas en el cuerpo similares a las de las hormonas, actuando a través de dos receptores específicos, el receptor X farnesoide y el receptor de ácidos biliares acoplado a proteína G / TGR5. [7] [10] Se unen menos específicamente a algunos otros receptores y se ha informado que regulan la actividad de ciertas enzimas [11] y canales iónicos [12] y la síntesis de diversas sustancias, incluidas las etanolamidas de ácidos grasos endógenos. [13] [14]

Las sales biliares constituyen una gran familia de moléculas, compuestas por una estructura esteroidea con cuatro anillos, una cadena lateral de cinco u ocho carbonos que termina en un ácido carboxílico y varios grupos hidroxilo, cuyo número y orientación es diferente entre los específicos. sales biliares. [1] Los cuatro anillos están etiquetados como A, B, C y D, desde el más lejano al más cercano a la cadena lateral con el grupo carboxilo. El anillo D es un carbono más pequeño que los otros tres. La estructura se dibuja comúnmente con A a la izquierda y D a la derecha. Los grupos hidroxilo pueden estar en cualquiera de dos configuraciones: arriba (o afuera), denominado beta (β a menudo dibujado por convención como una línea continua), o abajo, denominado alfa (α mostrado como una línea discontinua). Todos los ácidos biliares tienen un grupo 3-hidroxilo, derivado de la molécula madre, el colesterol, en el que el 3-hidroxilo es beta. [1]

El paso inicial en la ruta clásica de la síntesis hepática de ácidos biliares es la adición enzimática de un grupo hidroxilo 7α por la colesterol 7α-hidroxilasa (CYP7A1) formando 7α-hidroxicolesterol. Luego se metaboliza a 7α-hidroxi-4-colesten-3-ona. Hay varios pasos en la síntesis de ácidos biliares que requieren 14 enzimas en total. [3] Esto da como resultado que la unión entre los dos primeros anillos de esteroides (A y B) se altere, haciendo que la molécula se doble en este proceso, el 3-hidroxilo se convierte a la orientación α. El ácido biliar de 24 carbonos más simple tiene dos grupos hidroxilo en las posiciones 3α y 7α. Este es el ácido 3α, 7α-dihidroxi-5β-colan-24-oico o, como se conoce más habitualmente, el ácido quenodesoxicólico.Este ácido biliar se aisló por primera vez del ganso doméstico, del que se deriva la parte "cheno" del nombre (griego: χήν = ganso). El 5β en el nombre denota la orientación de la unión entre los anillos A y B del núcleo esteroide (en este caso, están doblados). El término "colan" denota una estructura de esteroides particular de 24 carbonos, y el "ácido 24-oico" indica que el ácido carboxílico se encuentra en la posición 24, al final de la cadena lateral. El ácido quenodesoxicólico es elaborado por muchas especies y es el ácido biliar funcional prototípico. [2] [3]

Una vía alternativa (ácida) de síntesis de ácidos biliares es iniciada por la esterol 27-hidroxilasa mitocondrial (CYP27A1), expresada en el hígado, y también en macrófagos y otros tejidos. CYP27A1 contribuye significativamente a la síntesis total de ácidos biliares al catalizar la oxidación de la cadena lateral del esterol, después de lo cual la escisión de una unidad de tres carbonos en los peroxisomas conduce a la formación de un ácido biliar C24. Las vías secundarias iniciadas por la 25-hidroxilasa en el hígado y la 24-hidroxilasa en el cerebro también pueden contribuir a la síntesis de ácidos biliares. La 7α-hidroxilasa (CYP7B1) genera oxiesteroles, que pueden convertirse aún más en el hígado en CDCA. [2] [3]

El ácido cólico, el ácido 3α, 7α, 12α-trihidroxi-5β-colan-24-oico, el ácido biliar más abundante en humanos y muchas otras especies, fue descubierto antes que el ácido quenodesoxicólico. Es un ácido tri-hidroxi-biliar con 3 grupos hidroxilo (3α, 7α y 12α). En su síntesis en el hígado, la hidroxilación de 12α se realiza mediante la acción adicional de CYP8B1. Como esto ya se había descrito, el descubrimiento del ácido quenodesoxcólico (con 2 grupos hidroxilo) convirtió a este nuevo ácido biliar en un "ácido desoxicólico" en el sentido de que tenía un grupo hidroxilo menos que el ácido cólico. [2] [3]

El ácido desoxicólico se forma a partir del ácido cólico por 7-deshidroxilación, lo que da como resultado 2 grupos hidroxilo (3α y 12α). Este proceso con ácido quenodesoxicólico da como resultado un ácido biliar con solo un grupo hidroxilo 3α, denominado ácido litocólico (lito = cálculo) que se identificó primero en un cálculo biliar de un ternero. Es poco soluble en agua y bastante tóxico para las células. [2] [3]

Diferentes familias de vertebrados han evolucionado para utilizar modificaciones de la mayoría de las posiciones en el núcleo de esteroides y la cadena lateral de la estructura de los ácidos biliares. Para evitar los problemas asociados con la producción de ácido litocólico, la mayoría de las especies agregan un tercer grupo hidroxilo al ácido quenodesoxicólico. La subsiguiente eliminación del grupo hidroxilo 7α por las bacterias intestinales dará como resultado un ácido dihidroxibílico menos tóxico pero aún funcional. A lo largo de la evolución de los vertebrados, se han elegido varias posiciones para la colocación del tercer grupo hidroxilo. Inicialmente, se favoreció la posición 16α, en particular en las aves. Posteriormente, esta posición fue reemplazada en un gran número de especies que seleccionaron la posición 12α. Los primates (incluidos los humanos) utilizan 12α para su tercer grupo hidroxilo, produciendo ácido cólico. En ratones y otros roedores, la hidroxilación 6β forma ácidos muricólicos (α o β dependiendo de la posición del hidroxilo 7). Los cerdos tienen hidroxilación 6α en ácido hiocólico (ácido 3α, 6α, 7α-trihidroxi-5β-colanoico) y otras especies tienen un grupo hidroxilo en la posición 23 de la cadena lateral.

El ácido ursodesoxicólico se aisló por primera vez de la bilis de oso, que se ha utilizado con fines medicinales durante siglos. Su estructura se asemeja al ácido quenodesoxicólico pero con el grupo 7-hidroxilo en la posición β. [1]

El ácido obeticólico, ácido 6α-etil-quenodesoxicólico, es un ácido biliar semisintético con mayor actividad como agonista de FXR que se encuentra en investigación como agente farmacéutico.

Los ácidos biliares también actúan como hormonas esteroides, secretadas por el hígado, absorbidas por el intestino y que tienen diversas acciones metabólicas directas en el cuerpo a través del receptor nuclear Farnesoid X receptor (FXR), también conocido por su nombre genético. NR1H4. [15] [16] [17] Otro receptor de ácidos biliares es el receptor de la membrana celular conocido como receptor 1 de ácidos biliares acoplado a proteína G o TGR5. Muchas de sus funciones como moléculas de señalización en el hígado y los intestinos son activando FXR, mientras que TGR5 puede estar involucrado en funciones metabólicas, endocrinas y neurológicas. [7] [18]

Regulación de síntesis Editar

Como tensioactivos o detergentes, los ácidos biliares son potencialmente tóxicos para las células, por lo que sus concentraciones están estrictamente reguladas. La activación de FXR en el hígado inhibe la síntesis de ácidos biliares y es un mecanismo de control por retroalimentación cuando los niveles de ácidos biliares son demasiado altos. En segundo lugar, la activación del FXR por los ácidos biliares durante la absorción en el intestino aumenta la transcripción y síntesis de FGF19, que luego inhibe la síntesis de ácidos biliares en el hígado. [19]

Funciones metabólicas Editar

La evidencia emergente asocia la activación de FXR con alteraciones en el metabolismo de los triglicéridos, el metabolismo de la glucosa y el crecimiento del hígado. [7] [20] [18]

Otras interacciones Editar

Los ácidos biliares se unen a algunas otras proteínas además de sus receptores hormonales (FXR y TGR5) y sus transportadores. Entre estos objetivos proteicos, la enzima fosfolipasa D específica de N-acil fosfatidiletanolamina (NAPE-PLD) genera amidas lipídicas bioactivas (p. Ej., El cannabinoide endógeno anandamida) que desempeñan funciones importantes en varias vías fisiológicas, incluidas las respuestas al estrés y al dolor, el apetito y la vida útil. NAPE-PLD organiza una diafonía directa entre las señales de amida de lípidos y la fisiología de los ácidos biliares. [13]

Hiperlipidemia Editar

Como los ácidos biliares se elaboran a partir del colesterol endógeno, la interrupción de la circulación enterohepática de los ácidos biliares reducirá el colesterol. Los secuestradores de ácidos biliares se unen a los ácidos biliares en el intestino, evitando la reabsorción. Al hacerlo, se deriva más colesterol endógeno a la producción de ácidos biliares, lo que reduce los niveles de colesterol. Los ácidos biliares secuestrados luego se excretan en las heces. [21]

Colestasis editar

Las pruebas de ácidos biliares son útiles tanto en la medicina humana como en la veterinaria, ya que ayudan en el diagnóstico de una serie de afecciones, incluidos los tipos de colestasis como la colestasis intrahepática del embarazo, la derivación portosistémica y la displasia microvascular hepática en perros. [22] Las anomalías estructurales o funcionales del sistema biliar dan como resultado un aumento de la bilirrubina (ictericia) y de los ácidos biliares en la sangre. Los ácidos biliares están relacionados con la picazón (prurito) que es común en afecciones colestásicas como la cirrosis biliar primaria (CBP), la colangitis esclerosante primaria o la colestasis intrahepática del embarazo. [23] El tratamiento con ácido ursodesoxicólico se ha utilizado durante muchos años en estos trastornos colestásicos. [24] [25]

Cálculos biliares Editar

Se ha estudiado ampliamente la relación de los ácidos biliares con la saturación del colesterol en la bilis y la precipitación del colesterol para producir cálculos biliares. Los cálculos biliares pueden resultar de una mayor saturación de colesterol o bilirrubina, o de estasis biliar. Las concentraciones más bajas de ácidos biliares o fosfolípidos en la bilis reducen la solubilidad del colesterol y conducen a la formación de microcristales. Se ha utilizado la terapia oral con ácido quenodesoxicólico y / o ácido ursodesoxicólico para disolver los cálculos biliares de colesterol. [26] [27] [28] Los cálculos pueden reaparecer cuando se interrumpe el tratamiento. La terapia con ácidos biliares puede ser útil para prevenir la formación de cálculos en determinadas circunstancias, como después de una cirugía bariátrica. [29]

Diarrea de ácidos biliares Editar

Las concentraciones excesivas de ácidos biliares en el colon son una causa de diarrea crónica. Se encuentra comúnmente cuando el íleon es anormal o se ha extirpado quirúrgicamente, como en la enfermedad de Crohn, o cuando causa una afección que se asemeja al síndrome del intestino irritable con predominio de diarrea (IBS-D). Esta condición de diarrea de ácidos biliares / malabsorción de ácidos biliares puede diagnosticarse mediante la prueba SeHCAT y tratarse con secuestrantes de ácidos biliares. [30]

Ácidos biliares y cáncer de colon Editar

Los ácidos biliares pueden tener cierta importancia en el desarrollo del cáncer colorrectal. [31] El ácido desoxicólico (DCA) aumenta en el contenido del colon de los seres humanos en respuesta a una dieta rica en grasas. [32] En poblaciones con una alta incidencia de cáncer colorrectal, las concentraciones fecales de ácidos biliares son más altas, [33] [34] y esta asociación sugiere que una mayor exposición colónica a los ácidos biliares podría desempeñar un papel en el desarrollo del cáncer. En una comparación particular, las concentraciones de DCA fecal en los nativos africanos en Sudáfrica (que consumen una dieta baja en grasas) en comparación con los afroamericanos (que consumen una dieta alta en grasas) fue de 7,30 frente a 37,51 nmol / g de heces de peso húmedo. [35] Los africanos nativos de Sudáfrica tienen una tasa de incidencia baja de cáncer de colon de menos de 1: 100.000, [36] en comparación con la tasa de incidencia alta para los hombres afroamericanos de 72: 100.000. [37]

Los estudios experimentales también sugieren mecanismos para los ácidos biliares en el cáncer de colon. La exposición de las células del colon a altas concentraciones de DCA aumenta la formación de especies reactivas de oxígeno, lo que provoca estrés oxidativo y también aumenta el daño del ADN. [38] Los ratones alimentados con una dieta con DCA añadido que imita los niveles de DCA colónico en humanos con una dieta alta en grasas desarrollaron neoplasia colónica, incluidos adenomas y adenocarcinomas (cánceres), a diferencia de los ratones alimentados con una dieta de control que producía una décima parte del nivel de DCA colónico que tenían sin neoplasia de colon. [39] [40]

Los efectos del ácido ursodesoxicólico (AUDC) en la modificación del riesgo de cáncer colorrectal se han analizado en varios estudios, particularmente en la colangitis esclerosante primaria y la enfermedad inflamatoria intestinal, con resultados variables en parte relacionados con la dosis. [41] [42] La variación genética en la enzima clave de síntesis de ácidos biliares, CYP7A1, influyó en la eficacia del AUDC en la prevención del adenoma colorrectal en un ensayo grande. [43]

Dermatología Editar

Los ácidos biliares se pueden usar en inyecciones subcutáneas para eliminar la grasa no deseada (ver Mesoterapia). El ácido desoxicólico como inyectable ha recibido la aprobación de la FDA para disolver la grasa submentoniana. [44] Los ensayos de fase III mostraron respuestas significativas, aunque muchos sujetos tuvieron reacciones adversas leves de hematomas, hinchazón, dolor, entumecimiento, eritema y firmeza alrededor del área tratada. [45] [46]


DISCUSIÓN

Estos estudios examinaron varios mecanismos bioquímicos y fisiológicos que pueden regular la síntesis y acumulación de taurina en los astrocitos. A partir de nuestros datos, calculamos una tasa media de producción de taurina de 19 pmol ⋅ mg de proteína -1 ⋅ min -1 dividiendo el aumento de taurina de cultivo total durante 48 h por el contenido medio de proteína por placa (0,21 mg). Este valor es similar al medido a partir de la conversión de [35 S] cisteína extracelular en taurina celular. Esta tasa de síntesis de taurina a partir de cisteína extracelular permitiría el reemplazo completo de la taurina de astrocitos en 2 días. Por el contrario, la degradación es & lt3% durante un período de 48 h. Nuestras mediciones directas de la producción de [35 S] taurina a partir de [35 S] cisteína y la cuantificación de las actividades de CDO y CSD representan la primera demostración de que los astrocitos cultivados son capaces de sintetizar taurina a partir de cisteína extracelular. Estos resultados apoyan la localización glial de CSD mostrada por Almarghini et al. (1) y sugieren que los astrocitos son los principales contribuyentes a la síntesis de osmolitos orgánicos en el cerebro. La comparación de las tasas relativas de acumulación de cisteína y las actividades de CDO y CSD sugiere que la CDO limita la tasa de síntesis de taurina. La síntesis de taurina a partir de cisteína extracelular aumenta si se elimina el recambio de la vía de GSH, lo que sugiere que el catabolismo de GSH endógeno no marcado contribuye a la reserva de cisteína utilizada por CDO. Finalmente, esta tasa de síntesis de taurina a partir de cisteína extracelular está respaldada por una tasa robusta de acumulación de cisteína.

De manera similar a nuestros datos anteriores (6), la taurina de cultivo total (medio + células) y la concentración de taurina celular aumentan después de la exposición al medio hiperosmótico. La tasa calculada de aumento de taurina de cultivo total durante el período experimental de 48 h para células en medio de 450 mosmol / kg es 26 pmol ⋅ mg de proteína -1 ⋅ min -1. Este valor es un 37% mayor que el calculado para las células de control mantenidas en medio de 300 mosmol / kg (18 pmol ⋅ mg de proteína -1 ⋅ min -1). En comparación, la degradación máxima de taurina en condiciones isosmóticas (1,3% por día) es 0,24 pmol ⋅ mg de proteína -1 ⋅ min -1. Por tanto, la inhibición de la degradación de taurina por exposición hiperosmótica no puede explicar el aumento de taurina total en cultivo. Estos resultados sugieren fuertemente que la exposición hiperosmótica conduce a un aumento de la síntesis de taurina. Un aumento similar en la síntesis de taurina de astrocitos in situ contribuiría al elevado contenido de taurina observado en los cerebros de animales expuestos a hiperosmolalidad sistémica (4, 45). Aunque las concentraciones de taurina intracelular aumentan en nuestro sistema de cultivo celular, una porción significativa de la taurina total del cultivo aparece en el líquido extracelular, un volumen mucho mayor que el espacio intracelular. Una salida similar de taurina recién sintetizada in situ elevaría rápidamente la concentración de taurina extracelular, limitando así aún más la pérdida de taurina celular y aumentando la recaptación celular.

La taurina es uno de los principales contribuyentes al aumento de los aminoácidos cerebrales totales en modelos animales de hipernatremia (4, 44), así como en cultivos astrogliales expuestos a medio hiperosmótico (25, 36). Este aumento in situ puede deberse a un aumento de la síntesis, un aumento de la afluencia o una disminución del transporte de taurina fuera del parénquima cerebral. En los presentes estudios, el contenido total de taurina del cultivo se incrementó para cada condición hiperosmótica, lo que indica que la síntesis de taurina se acelera en todo el rango de osmolalidades analizadas. Anticipamos que la síntesis de taurina astroglial aumenta de manera similar en modelos comparables de hipernatremia, en los que las osmolalidades séricas experimentales oscilan entre 335 y 400 mosmol / kg (4, 19, 44).

El flujo de taurina de la sangre al cerebro no aumenta durante la hipernatremia hiperosmótica aguda (40). La captación aumentada de taurina (6, 36) y la disminución de la salida de taurina por los astrocitos in situ (6) pueden causar secuestro de taurina intracelular; sin embargo, estos cambios en el transporte celular no pueden aumentar directamente el contenido de taurina en el cerebro. El aumento de la acumulación glial de taurina puede explicar la disminución de la concentración de taurina extracelular descrita en animales hiperosmóticos (18). Dependiendo del mecanismo de salida de taurina cerebral, esta disminución en la concentración de taurina extracelular puede conducir a una disminución de la salida. La contribución que hacen los cambios en la síntesis de novo al aumento de la taurina cerebral total debe esperar datos cuantitativos sobre la tasa de salida de taurina a través de la barrera hematoencefálica de animales normales e hipernatrémicos.

En estudios anteriores, hemos demostrado que la captación mejorada de taurina y la inhibición de la vía de salida de taurina contribuyen a concentraciones elevadas de taurina intracelular después de una exposición hiperosmótica prolongada (& gt24 h) (6). Los resultados presentados aquí sugieren que la síntesis de taurina de novo mejorada también ocurre con la exposición hiperosmótica. Sin embargo, las actividades de las enzimas clave en la vía biosintética de la taurina no se ven alteradas por la exposición hiperosmótica. Además, no se midió ningún cambio en la actividad CDO cuando se elevó la osmolalidad de la mezcla de reacción para igualar la que experimentaron las células durante el período de tratamiento experimental, lo que sugiere que la actividad enzimática no se altera directamente por las condiciones hiperosmóticas dentro de la célula. Aunque estos datos indican que la cantidad de enzima no se ve alterada por la hiperosmolalidad, las concentraciones de sustratos o cofactores enzimáticos o estados de fosforilación enzimática (41) no medidos en estos estudios pueden verse alterados por el tratamiento hiperosmótico y, por tanto, pueden modificar la biosíntesis de taurina en la célula. En particular, las concentraciones elevadas de cisteína intracelular provocadas por la contracción celular y el aumento de la captación mejorarían, por medios cinéticos, la velocidad de reacción de la CDO.

La actividad de CDO depende en gran medida de la concentración de cisteína en la mezcla de reacción. Por tanto, la síntesis de taurina puede estar regulada por la disponibilidad de sustrato del espacio extracelular o la movilización de las reservas de cisteína intracelular. Los niveles de cisteína celular aumentaron de 4.2 a 35.6 nmol / mg de proteína durante la exposición hiperosmótica (Figura 1A), correspondiente a concentraciones de cisteína intracelular que van desde & lt1 mM en medio de cultivo isosmótico a 0 ha 5,6 mM en cultivos tratados en medio de 450 mosmol / kg durante 8 h. De la Fig. 3, esta elevación en la concentración de cisteína debería incrementar la actividad de CDO en seis veces. Sin embargo, la producción de taurina intracelular a partir de cisteína extracelular no aumenta en células tratadas hiperosmóticamente. La conversión de [35 S] cisteína extracelular en [35 S] taurina probablemente no esté limitada por la tasa de afluencia de cisteína, ya que, en todas las condiciones experimentales, la captación de cisteína es lo suficientemente rápida como para equilibrar el radiomarcaje con el contenido total de cisteína intracelular dentro de los 60- período de reacción min.

La cisteína utilizada por CDO puede derivarse de conjuntos extracelulares o intracelulares. Encontramos una mayor tasa de síntesis de taurina a partir de cisteína extracelular cuando el ciclo de γ-glutamilo fue inhibido por BSO y el GSH restante fue eliminado por CDNB, lo que sugiere que la cisteína derivada del catabolismo de GSH se deriva a la biosíntesis de taurina. Por el contrario, la cisteína captada del espacio extracelular puede ser utilizada preferentemente por el ciclo γ-glutamilo para la síntesis de GSH u otra vía. Sin embargo, incluso con la vía del GSH eliminada, el tratamiento hiperosmótico no mejoró la síntesis de taurina a partir de la cisteína extracelular.

Los mecanismos que rodean los cambios transitorios en el contenido de cisteína y GSH en cultivos de control (300 mosmol / kg) no pueden explicarse con los resultados de este estudio. En experimentos anteriores, hemos mostrado disminuciones significativas en los niveles de taurina intracelular después de un cambio de medio (6). Esta disminución puede deberse al flujo de salida neto al medio de cultivo fresco que contiene concentraciones bajas de taurina o al flujo de salida inducido por hinchazón causado por la disminución de la osmolalidad del medio de crecimiento fresco. La razón de los aumentos en el contenido de cisteína y GSH después de 1 y 8 h es menos evidente, pero puede ser una respuesta celular al cambio de medio. No obstante, los niveles de taurina, cisteína y GSH en las células de control volvieron a los valores iniciales entre las 24 y 48 h.

El sistema de transporte responsable de la acumulación de cisteína no está claro a partir de nuestros datos, ya que se han descrito en astrocitos cultivados una vía específica de cistina independiente del sodio y una vía dependiente de sodio más rápida para el transporte de cisteína (8, 35). Aunque tanto la cisteína como la cistina pueden estar presentes en el medio de entrada, Bannai (2) indica que el 90% o más del sustrato está presente en forma reducida (cisteína) al pH usado durante estos experimentos. El aumento de la captación en condiciones hiperosmóticas puede deberse a la activación de uno de estos transportadores o, alternativamente, el aumento de las concentraciones de NaCl en el medio de cultivo experimental hiperosmótico y el medio de incubación de entrada puede potenciar la captación de cisteína dependiente de sodio. La dependencia del sodio puede contribuir a la dependencia de la osmolalidad de la captación de cisteína a 1 y 8 h de exposición hiperosmótica, pero no puede explicar las disminuciones en la acumulación que ocurren después de 8 h. El aumento transitorio del transporte de cisteína inducido por la hiperosmolalidad es similar al descrito para la acumulación de taurina en estos y otros tipos de células (6, 28, 39).Se necesitan experimentos adicionales para describir la dependencia del sodio de la captación de cisteína y los mecanismos responsables del aumento de las tasas de transporte en los astrocitos tratados hiperosmóticamente.

Las elevaciones de la cisteína celular coinciden con el transcurso del tiempo de los aumentos en la captación de cisteína después de la exposición a condiciones hiperosmóticas, lo que sugiere que las tasas mejoradas de captación de cisteína conducen directamente a niveles elevados de cisteína intracelular. Debido a que la acumulación se midió con una alta concentración de cisteína extracelular, los cambios en la tasa de absorción representan alteraciones en la velocidad máxima del transportador. También se esperarían aumentos similares en la absorción a las concentraciones fisiológicas más bajas de cisteína que es probable que ocurran in situ. Sin embargo, con la alta concentración extracelular de cisteína utilizada en estos experimentos de captación, cualquier cambio en la captación debido a una alteración en el transportadorKmetro no sería detectado. Sagara y col. (34, 35) y Bannai y Tateishi (3) mostraron que los niveles de GSH de astrocitos dependen de las concentraciones de cisteína o cistina en el medio de cultivo. En todos los puntos de tiempo, el contenido de GSH de astrocitos es al menos dos veces mayor que el conjunto de cisteína libre celular. Además, las tasas de captación de cisteína vuelven a los valores de control a las 24 h, mientras que los niveles de cisteína celular permanecen elevados. Esta diferencia puede representar un período de retraso entre la acumulación inicial y el metabolismo posterior de la cisteína a otros compuestos celulares.

La actividad total de γ-GT no se altera al exponer los astrocitos a condiciones de cultivo hiperosmóticas, pero la velocidad de reacción enzimática dentro de la célula puede disminuir directamente por hiperosmolalidad. Estos resultados pueden explicar los aumentos medidos en el contenido de GSH y sugerir que el transporte de aminoácidos mediado por el recambio de γ-GT (23) no contribuye a la acumulación observada de aminoácidos durante la exposición a condiciones hiperosmóticas (25). Además, nuestros datos indican que el aumento de la cisteína celular en los astrocitos hiperosmóticos no se debe a un metabolismo mejorado de GSH. La dependencia de la osmolalidad de la actividad enzimática también se ha descrito para piruvato quinasa (EC 2.7.1.40), glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (EC 1.1.1.49) y LDH (EC 1.1.1.27), así como otras, y pueden estar relacionadas a cambios en la conformación de las proteínas debido a la fuerza iónica alterada (38, 48). Además, se ha demostrado que la síntesis de sorbitol, otro osmolito orgánico, aumenta en las células renales sometidas a una mayor osmolalidad debido a un aumento de la actividad de la aldosa reductasa (EC 1.1.1.21) (43).

En resumen, la acumulación y el mantenimiento de niveles elevados de taurina intracelular en los astrocitos se producen por varios mecanismos. Anteriormente informamos que la acumulación rápida de taurina aumenta con la exposición hiperosmótica, mientras que las concentraciones altas de taurina intracelular se mantienen mediante la disminución del flujo de taurina (6). Los presentes resultados sugieren que las concentraciones de cisteína intracelular regulan la síntesis de taurina a través de las propiedades cinéticas de CDO. Durante la exposición hiperosmótica, los niveles elevados de cisteína intracelular se metabolizan a GSH y taurina a través de CDO. El GSH celular puede ser otro grupo accesible de cisteína celular en los astrocitos como lo es en otros tipos de células (11). Este mecanismo está respaldado, en parte, por el aumento de la tasa de síntesis de taurina a partir de cisteína extracelular en células con depleción de GSH y la disminución de GSH celular durante la síntesis mejorada de taurina en células hiperosmóticas.

Agradecemos sinceramente a la Dra. Martha Stipanuk y al personal de su laboratorio por su generosa ayuda y consejos sobre el metabolismo de la cisteína. También agradecemos al Programa de Ciencias Biomédicas de la Universidad Estatal de Wright y al Departamento de Medicina de Emergencia por la asistencia financiera.


El 'yin y el yang' de la citoprotección

¿Son la estabilización y la contraataque simplemente otro aspecto de la compatibilidad, como se describe a menudo? No necesariamente. En sus inicios, la hipótesis de los "osmolitos contrarios" propuso que una mezcla de urea y metilamina es más beneficiosa que cualquiera de los solutos solos, ya que una metilamina como el TMAO podría "sobreestabilizar" las proteínas, p. Ej. haciéndolos demasiado rígidos para una función óptima o haciendo que se precipiten (Yancey et al., 1982). Este concepto no ha recibido mucha atención, pero hay evidencia que lo respalda, como sigue.

Los estabilizadores fuertes como el TMAO y la trehalosa parecen ser altos en los organismos solo cuando hay un perturbador presente (por ejemplo, urea, presión, alta temperatura). El patrón de aumento de TMAO con la profundidad en animales marinos (Fig. 4A) ilustra esto: si un TMAO alto es beneficioso para los animales de aguas profundas, ¿por qué no lo utilizan más ampliamente los animales superficiales (no ureosmóticos)? Como otro ejemplo, la médula renal de los mamíferos parece regular uno de sus osmolitos de metilamina, GPC, para mantener una proporción constante de urea, en lugar de solo para el estrés osmótico (Peterson et al., 1992). Nuevamente, si esta metilamina es un soluto compatible simple, ¿por qué no usarlo en niveles altos en todas las condiciones de estrés hídrico? Quizás los costos de síntesis y retención crean una compensación en el uso de algunos osmolitos, pero quizás los compuestos son dañinos en ausencia de un perturbador.

Las metilaminas en altas concentraciones pueden ser perjudiciales para la función de las proteínas en ausencia de un perturbador, al menos in vitro. Por ejemplo, TMAO inhibe algunas enzimas (Yancey et al., 1982) y puede mejorar la formación de agregados de proteínas no funcionales (Devlin et al., 2001), incluida la formación de β-amiloide (Yancey, 2001).

Usando células renales cultivadas, encontramos que la adición alta de urea o glicina betaína sola en altas concentraciones al medio redujo en gran medida el crecimiento celular. Sin embargo, la suma de ambas total o parcialmente restableció el crecimiento normal (Yancey y Burg, 1990).

En la levadura, la alta concentración de trehalosa, inducida por el estrés por temperatura, protege las enzimas a altas temperaturas, pero las inhibe sorprendentemente a temperaturas normales. Las levaduras que no pueden eliminar su trehalosa sufren cuando vuelven a temperaturas normales. Esto se ha denominado "el yin y el yang de la trehalosa" (Singer y Lindquist, 1998). Esta frase captura muy bien la importante conclusión que surge de estas observaciones, a saber, que algunos solutos "compatibles" pueden ser dañinos en ausencia de un perturbador.

La hipotaurina es uno de los antioxidantes más reactivos de todos los solutos compatibles conocidos y, sin embargo, su uso en la naturaleza a altas concentraciones es poco común. Quizás sea demasiado reactivo para las necesidades habituales de antioxidantes.

Algunos crioprotectores como el dimetilsulfóxido y el etilenglicol, que pueden proteger la estructura de las proteínas en los ciclos de congelación-descongelación, desnaturalizarán las proteínas a temperaturas más altas. Esto puede deberse al hecho de que las interacciones hidrófobas aumentan con la temperatura, de modo que estos solutos pueden ser excluidos de las proteínas a temperaturas bajas pero no altas (Arakawa et al., 1990).


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