Date of Award

6-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Anatomy

First Advisor

Dr. Starling Emerald Bright David

Abstract

It is increasingly realized that mechanisms of developmental plasticity rather than pathology independently facilitate the size of developing embryos during early development. Changes in the early developmental environment alter the metabolic traits resulting in diseases, including metabolic syndrome, including type 2 diabetes and obesity in adulthood. Molecular and epidemiological studies have documented an association between Lower Birth Weight (LBW) and increased risk of developing metabolic syndrome. Henceforth, using birth weight as a marker, two groups of normal birth weight range rat pups, Lower Birth Weight (LBW, 5th to 25th percentile) and Average Birth Weight (ABW, 50th to 75th percentile) as determined by their uterine horn positions were established. In the LBW pups, metabolic signaling pathways, P13k/Akt, Pparγ, insulin metabolism and the genes regulating growth were significantly downregulated. The expression of DNA methyltransferase 1 (Dnmt1) an epigenetic regulatory enzyme involved in DNA methylation was increased and this correlated with the decrease in the expression of insulin through increased methylation in the promoter of the Ins II gene in the LBW pups. Dnmt1 also contributed to the LBW pups through the inhibitory complex formation with Hdac1, RB, and E2f1. This increase in the inhibitory complex by regulating the cell cycle check point slowed down the embryo's growth by retarding the progression of the cell cycle. In adulthood, the LBW pups are heavier in weight than ABW pups, also showed increased visceral fat accumulation, higher fasting glucose, increased LDL, triglycerides, and a decrease in HDL. Microarray analysis identified the expression of clustered Protocadherins was altered in LBW adults. In the skeletal muscle and liver, the researcher found only Pcdha4 isoform was predominantly expressed.
The researcher further verified the association of clustered Protocadherin, Pcdhα4 in the development of obesity. Analysis using qPCR and western blotting showed down regulation of Pcdha4 in the skeletal muscle and liver of LBW adults. Methylation studies using Methylated DNA immunoprecipitation followed by qPCR showed increased methylation in the regulatory region of Pcdha4, which correlated with the decreased expression of Pcdhα4 seen by qPCR and western blotting. The study also found this increased methylation affected the binding of transcription factors E2f2 and E2f3 on the regulatory region of Pcdha4, as evidenced by CHIP and EMSA analysis. Further analysis established the importance of Pcdha4 in forming a stable, functional complex involving Ret-Gdnf-Gdnfr alpha, which is altered in LBW adults. This also shows that this stabilized complex regulates the genes involved in lipid metabolism including, Srebp1, Pparγ, C/ebpα, C/ebpβ. The analysis identifies the factors which respond to changes in the developmental environment and establishes a role for Pcdha cluster in lipid metabolism.

Together the analysis identifies factors which respond to changes in the developmental environment and also identified some of the factors and pathways that regulate these factors and changes, leading to an increased risk of developing metabolic syndrome.

Arabic Abstract


التعديلات فوق الجينية في متلازمة التمثيل الغذائي: تحديد وتقييم المؤشرات المبكرة باستخدام نظام نموذج القوارض

إن آليات المرونة التطورية فضلا عن المسببات المرضية هي المسببة وبشكل مستقل في تحديد حجم الأجنة النامية أثناء التطور الجنيني المبكر. حيث انه قد وجد بأن التغييرات في البيئة التنموية المبكرة تؤدي إلى تغيرات في سمات التمثيل الغذائي مما يؤدي إلى بعض الأمراض وبالأخص متلازمة التمثيل الغذائي والتي تشمل مرض السكري من النوع الثاني والسمنة في مرحلة البلوغ. لقد وثقت الدراسات الجزيئية والإحصائية ارتباط الإصابة بمتلازمة التمثيل الغذائي مع انخفاض وزن الجنين عند الولادة. في هذا البحث وباستخدام الوزن الولادي كمؤشر لاحتمالية الإصابة بالمتلازمة، فقد اختيرت مجموعتان من صغار الجرذان الأولى ذات معدل وزن ولادي منخفض (من 5 إلى 25%) والثانية ذات وزن ولادي متوسط (من 50 إلى 75%). وهذا الاختلاف في الوزن الولادي يحدده موقع نمو الجنين من قرن الرحم في القوارض. قد لوحظ أن مسارات الإشارات الأيضية، Akt/ P13k، وPparγ، واستقلاب الأنسولين والجينات التي تنظم النمو بشكل كبير قد انخفضت بشكل ملحوظ في الجراء ذات الاوزان الولاديه المنخفضة، وأيضا قد لوحظ بأن التعبير عن DNA methyltransferase 1 (Dnmt1) وهو إنزيم تنظيمي فوق جيني يشارك في مثيلة الحمض النووي قد ارتفعت نسبته مما أدى إلى انخفاض التعبير عن الأنسولين من خلال زيادة المثيلة في محفز الجين Ins II في صغار الجرذان ذات الوزن الولادي المنخفض. لقد ساهم Dnmt1 أيضًا في تحديد الاختلافات في أوزان صغار الجرذان ذات الوزن الولادي المنخفضمن خلال زيادة تكوين المركب المثبط Hdac1 و RBو E2f1. لقد أدت هذه الزيادة في المركب المثبط من خلال تنظيم دورة نمو الخلية إلى إبطاء نمو الجنين. ولقد لوحظ أن وزن الجراء ذات الأوزان المنخفضة في مرحلة البلوغ كان أعلى من مثيلاتها ذات الأوزان المتوسطة، كما أظهرت تلك الجراء زيادة في تراكم الدهون الحشوية، وارتفاعا في نسبة الجلوكوز أثناء الصيام، وزياد LDL، والدهون الثلاثية، وانخفاض في HDL. وقد حدد تحليل الميكرو أري أنه ثمة تغيير في التعبير عن البروتوكاديرين العنقودي في البالغين من ذوي الأوزان الولادية المنخفضة في أنسجة العضلات والهيكل العظمي والكبد، وقد وجد أن Pcdha4 فقط هو الشكل الإسوي الذي تم التعبير عنه في الغالب.
أظهرت الدراسات المثيلة باستخدام الترسيب المناعي للحمض النووي الميثيلي متبوعاً بـ qPCRزيادة المثيلة في المنطقة التنظيمية لـ Pcdha4، والتي ارتبطت بالتعبير المنخفض عن Pcdha4 والذي شوهد بواسطة qPCR وwestern blot. لقد وجد أيضاً أن هذه المثيلة المتزايدة قد أثرت على ارتباط عوامل النسخ E2f2 و E2f3في المنطقة التنظيمية لـPcdha، كما يتضح من تحليل CHIP وEMSA.
كذلك أثبتت التحاليل الإضافية أهمية Pcdha4 في تكوين مركب وظيفي مستقر يتضمن Ret-Gdnf-Gdnfr alpha، والذي لوحظ انخفاضه عند الجرذان البالغة صاحبة الاوزان الولادية المنخفضة.
وأخيرا، لقد أثبت أن هذا المركب المستقر ينظم الجينات المشاركة في استقلاب الدهون بما في ذلك Srebp1 و Pparγو C/ebpβ وC/ebpα. يحدد هذا التحليل العوامل التي تستجيب للتغيرات في البيئة التنموية والتي تشارك في إصابة الأجنة بالمتلازمة الأيضية. ولقد حدد الباحث أيضاً بعض العوامل والمسارات التي تنظم هذه العوامل والتغيرات، مما يؤدي إلى زيادة خطر الإصابة بمتلازمة التمثيل الغذائي.

Download

Included in

Anatomy Commons

Share

COinS