Effect of Vitamin B Deprivation during Pregnancy and Lactation on Homocysteine Metabolism and Related Metabolites in Brain and Plasma of Mice Offspring

Epidemiological and experimental studies indicate that the altered fetal and neonatal environment influences physiological functions and may increase the risk of developing chronic diseases in adulthood. Because homocysteine (Hcy) metabolic imbalance is considered a risk factor for neurodegenerative diseases, we investigated whether maternal Vitamin B deficiency during early development alters the offspring's methionine-homocysteine metabolism in their brain. To this end, the dams were submitted to experimental diet one month before and during pregnancy or pregnancy/lactation. After birth, the offspring were organized into the following groups: control (CT), deficient diet during pregnancy and lactation (DPL) and deficient diet during pregnancy (DP). the mice were euthanized at various stages of development. Hcy, cysteine, glutathione (GSH), S-adenosylmethionine (SAM), S-adenosylhomocysteine (SAH), folate and cobalamin concentrations were measured in the plasma and/or brain. At postnatal day (PND) 0, total brain of female and male offspring exhibited decreased SAM/SAH ratios. Moreover, at PND 28, we observed decreased GSH/GSSG ratios in both females and males in the DPL group. Exposure to a Vitamin B-deficient diet during the ontogenic plasticity period had a negative impact on plasma folate and brain cortex SAM concentrations in aged DPL males. We also observed decreased plasma GSH concentrations in both DP and DPL males (PND 210). Additionally, this manipulation seemed to affect the female and male offspring differently. the decreased plasma GSH concentration may reflect redox changes in tissues and the decreased brain cortex SAM may be involved in changes of gene expression, which could contribute to neurodegenerative diseases over the long term.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)AFIPUniversidade Federal de São Paulo, Dept Pediat, São Paulo, BrazilUniversidade Federal de São Paulo, Dept Psychobiol, São Paulo, BrazilUniv São Paulo, Sch Pharmaceut Sci, São Paulo, BrazilUniv Pernambuco, Pediat Hematol & Oncol Ctr, Inst Biol Sci, Recife, PE, BrazilUniversidade Federal de São Paulo, Dept Pediat, São Paulo, BrazilUniversidade Federal de São Paulo, Dept Psychobiol, São Paulo, BrazilFAPESP: 2010/00075-2Web of Scienc

Investigation of circadian rhythmicity and sleep deprivation effects on the MCHergic and orexinergic systems response

Introduction: Melanin concentrating hormone (MCH) and Orexin are neuropeptides synthesized in distinct groups of neurons of the lateral hypothalamic area that act in a reciprocal way in the regulation of sleep/wake states. MCH induces sleep, mainly paradoxical sleep while orexin induces sleep to wake transitions. Both groups of neurons send difuse projections through the central nervous system (CNS) and their receptors mRNA are distributed in the same cerebral areas, including frontal cortex and hippocampus. These neurons receive projections from the Suprachiasmatic Nucleus (SCN), the main circadian oscillator in mammals. Circadian rhythms in the SCN are generated by a transcription/translation feedback loop involving negative and positive components. Objective: To verify if MCHergic and orexinergic systems presents circadian rhythmicity and if this possible variation is altered by sleep deprivation. Methods: 96 male Wistar rats were distributed into two groups: control condition (CTL; normal sleep) and sleep deprivation for 96 h (SD) in six different moments of the day (ZTs: 0, 4, 8, 12, 16 and 20). We analyzed cerebrospinal fluid (CSF) MCH and orexin levels, expression of Pmch and Hcrt gene in the hypothalamus, and the expression of Mchr1 and Hcrtr1 gene in the frontal cortex and hippocampus and Hcrtr2 in the hippocampus. We also verified the expression of clock genes (Clock, Bmal1, Per1, Per2, Cry1 and Cry2) in the same experimental conditions to test whether SD modifies diurnal variation of clock genes expression in the hypothalamus. Results: MCH and orexin do not present diurnal variation in the CSF of CTL animals. In the SD group, we verified higher levels of MCH in the beginning of the dark phase. Pmch and Hcrt gene expression do not present diurnal variation in the hypothalamus in both CTL and PS groups. In the frontal cortex, we verified diurnal variation in the expression of Mchr1 and Hcrtr1 only in CTL animals. Concerning clock genes expression, only Per2 and Cry1 presented diurnal variation in their expression in the hypothalamus of CTL rats with a peak of expression in the beginning of the dark phase. This variation was not present in the group. Conclusions: There is diurnal variation in the expression of MCHergic and orexinergic systems and this variation is affected by sleep deprivation. Molecular changes induced by sleep deprivation also affected diurnal variation of clock genes expression. These alterations must be considered when sleep deprivation is used in experimental designs and sleep deprivation consequences were considered.Introdução: O hormônio concentrador de melanina (MCH) e a orexina são neuropeptídeos produzidos em grupos distintos de neurônios da área hipotalâmica lateral que atuam de maneira recíproca na regulação dos estados de sono e vigília. Enquanto o MCH induz o sono, especialmente sono paradoxal, a orexina induz a transição do sono para a vigília. Ambos os grupos de neurônios enviam projeções difusas ao longo do sistema nervoso central e o RNA mensageiro de seus receptores é encontrado nas mesmas áreas cerebrais, incluindo córtex frontal e hipocampo. Esses neurônios recebem projeções oriundas do núcleo supraquiasmático (NSQ), o principal oscilador em mamíferos. Ritmos circadianos são gerados no NSQ por meio de uma alça regulatória transcricional que envolve componentes positivos e negativos. Objetivo: Verificar se os sistemas MCHérgico e orexinérgico apresentam ritmicidade circadiana e se a privação de sono paradoxal afeta esse possível ritmo. Métodos: Foram utilizados 96 ratos Wistar machos distribuídos em 2 grupos: controle (CT – sono e vigília à vontade) e privação de sono paradoxal por 96 h (PS) iniciada em seis momentos do dia [Zeitgeber time (ZTs): 0, 4, 8, 12, 16 e 20]. Analisamos as concentrações de MCH e orexina no líquido cefalorraquidiano, a expressão de Pmch e Hcrt no hipotálamo e a expressão de Mchr1 eHcrtr1 no córtex frontal e hipocampo e Hcrtr2 no hipocampo. Nós também verificamos a expressão de genes associados ao relógio biológico (Clock, Bmal1, Per1, Per2, Cry1 e Cry2) nas mesmas condições experimentais para testar se a PS altera a variação diária da expressão desses genes no hipotálamo. Resultados: As concentrações de MCH e orexina não apresentaram variação diária no LCR de animais CT. Nos animais PS, verificamos maiores níveis de MCH no início da fase de escuro. A expressão de Pmch e Hcrt não apresentou variação diária no hipotálamo tanto no CT quanto no PS. No córtex frontal, verificamos variação diária na expressão de Mchr1 e Hcrtr1 apenas em animais CT. Em relação aos genes relógio, apenas Per2 e Cry1 apresentaram variação diária na expressão gênica no hipotálamo de ratos CT, sendo o pico dessa expressão no início da fase de escuro. Essa variação não foi verificada em animais PS. Conclusões: Há variação diária na expressão gênica dos sistemas MCHérgico e orexinérgico, a qual é afetada pela privação de sono paradoxal. Alterações moleculares induzidas pela privação de sono paradoxal impactam também a variação diária dos genes relógio. Portanto, estas alterações devem ser consideradas quando a privação de sono é utilizada em desenhos experimentais, bem como quando os efeitos da privação de sono são observados.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Associação Fundo de Incentivo à Pesquisa (AFIP)FAPESP: 2015/05666-

MCHergic system responses to sleep deprivation and restriction in rats

No hipotálamo existem neurônios que utilizam MCH (hormônio concentrador de melanina) como neuromoduladores. Esses neurônios projetam-se através do sistema nervoso central e possuem funções fisiológicas importantes; diversos estudos experimentais sugerem que o MCH atue na promoção do sono. Sendo assim, tivemos como objetivo investigar os efeitos da privação de sono, rebote e restrição de sono sobre o sistema MCHérgico em dois momentos do ciclo claro/escuro (ZT0 e ZT8).Para isso, nós quantificamos os níveis de MCH no líquor em ratos após privação de sono paradoxal (PS), rebote (RB) e restrição de sono (RS) durante o dia subjetivo (Zeitgeber time – ZT8, quando ocorrem maiores concentrações de sono ) e no final da noite subjetiva (ZT0, horário em que acendem as luzes do biotério, final da fase escura). Na condição controle (sono e vigília ad libitum), não houve diferença nos níveis de MCH no líquor entre ZT8 e ZT0. Entretanto, quando o sono foi perturbado, uma diferença significante foi observada. Além disso, quando o líquor foi coletado em ZT0, os níveis de MCH aumentaram significantemente no grupo RB 96 comparado ao CT. Quando as coletas de líquor foram realizadas em ZT8, o grupo RS apresentou aumento significante nos níveis de MCH em comparação ao CT, PS 96 e PS 120. A fim de obter informações sobre a relação entre os níveis de MCH no líquor (proteína circulante) e a expressão de genes a ele relacionados no cérebro, nós investigamos a expressão do precursor de MCH (Pmch) no hipotálamo e do receptor 1 (Mchr1) no córtex frontal e hipocampo. A expressão do Pmch não se alterou após PS, RB ou RS em ZT8 nem em ZT0. Porém, houve diferenças na expressão do receptor Mchr1 no córtex frontal e no hipotálamo em ZT0. No córtex frontal, houve uma diminuição nos níveis de expressão nos grupos PS 96 e PS 120 comparados ao controle e no hipocampo houve um aumento nos grupos RB 96 e RS comparados ao PS 96. Ao comparar os níveis de expressão gênica entre ZT0 e ZT8, observamos que a expressão do Pmch não difere entre esses dois ZTs no grupo CT, porém há um aumento em ZT8, em comparação a ZT0 nos grupos PS (96 e 120) e RB (96 e 120). Quanto ao Mchr1, há aumento em ZT8 em comparação a ZT0 nos grupos CT, RB (96 e 120) e RS. Nós concluímos que os níveis de MCH no líquor são regulados tanto por um fator circadiano, quanto pelo ciclo sono/vigília Em relação à expressão gênica, a expressão do Pmch não se alterou nos dois ZTs analisados, entretanto, a expressão gênica do Mchr1 foi alterada apenas em ZT0, e teve uma diminuição nos grupos privados de sono, com inatividade desses neurônios durante a vigília. Esses resultados demonstram que o sistema MCHérgico é controlado pelo ciclo sono/vigília e que quando o sono é perturbado, o sistema MCHérgico responde diferencialmente em dois momentos do dia.Within the hypothalamus there are neurons that utilize melanin concentrating hormone (MCH) as neuromodulators. These neurons project throughout the central nervous system and have important physiological functions; several experimental studies have suggested that MCH promotes sleep. So the objective of this study was investigate the effects of sleep deprivation, rebound and sleep restriction on the MCHergic system in twoo moments of the ligth-dark cycle (ZT0 and ZT8). For this we quantified the level of MCH in the cerebrospinal fluid (CSF) in rats after paradoxical sleep deprivation (SD), rebound (RB) and sleep restriction (SR) during subjective day (Zeitgeber time - ZT8, period of greater amount of sleep) and at the end of the subjective night (ZT0, time when the lights of the experimental room turn on). In the control condition (CT - waking and sleep ad libitum), there was no difference in the CSF MCH levels between ZT8 and. However, when sleep was disturbed, a significant difference was observed. Furthermore, when CSF was collected at ZT0, the MCH levels significantly increased in the RB 96 group compared to CT. When CSF collections were performed at ZT8, the SR group presented significantly increased levels of MCH compared to CT, SD 96 and SD 120.In order to know the dynamic relationship between MCH levels in the CSF (circulating protein) and its gene expression in the brain, we also investigated the MCH precursor (Pmch) expression in the hypothalamus and the receptor 1 (Mchr1) in the frontal cortex and hippocampus. The Pmch did not change after SD, RB or SR neither in ZT8 nor in ZT0. However, there were differences in the receptor Mchr1 expression in the frontal cortex and in the hypotalamus in ZT0. In the frontal cortex, there was a reduction of the expression levels in the SD 96 and SD 120 group compared to the CT and in the hippocampus there was an increase in the RB 96 and SR groups compared to SD 96. When we compared the gene expression levels between ZT0 and ZT8, we observed that Pmch expression did not differ between these two ZTs in the CT group, however, there was an increase in ZT8 compared to ZT0 in the SD (96 and 120) and RB (96 and 120). Considering the Mchr1, there was an increase in ZT8 compared to ZT0 in the CT, RB (96 and 120) and SR. We concluded that the MCH levels in the CSF are regulated by both a circadian factor and by the sleep-waking cycle Concerning gene expression, Pmch expression did not changed in the two ZTs analyzed, however, Mchr1 expression was altered only in ZT0, and has a decrease in SD groups in tandem with the inactivity of these neurons during wakefulness.Associação Fundo de Incentivo à Psicobiologia (AFIP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Dados abertos - Sucupira - Teses e dissertações (2013 a 2016

Effects of a Vitamin B-deficient diet during pregnancy on total GSH, reduced GSH and GSSG concentrations, and GSH/GSSG ratios in the brain of offspring at PND 0.

<p>n = 6–8; PND  =  Postnatal day; CT  =  control; DP  =  deficient diet during pregnancy; GSH  =  glutathione; GSSG  =  oxidized glutathione. <i>t test</i>. Data are presented as the mean ± standard error.</p

Effects of a Vitamin B-deficient diet during pregnancy and pregnancy/lactation on plasma and brain cortex parameters in offspring at PND 28.

<p>n = 6–8; PND  =  postnatal day; CT  =  control; DP  =  deficient diet during pregnancy; DPL  =  deficient during pregnancy and lactation; Hcy  =  homocysteine; Cys  =  Cysteine; GSH  =  glutathione; GSSG  =  oxidized glutathione; SAM  =  S-adenosylmethionine; SAH  =  S-adenosylhomocysteine. <i>ANOVA</i>. Data are presented as the mean ± standard error. ^*Different from the CT group (<i>P</i>≤0.05). ^#Difference between DP and DPL groups (<i>P</i>≤0.05). <i>t test</i>, § Difference between female and male control (<i>P</i>≤0.05).</p

Plasma Hcy concentration in dams after twenty days on an experimental diet.

<p>n = 6–8; PND  =  Postnatal day; CT  =  control; DDD  =  dams in deficient diet. <i>t test</i>. Data are presented as the mean ± standard error. ^*<i>P</i>≤0.05.</p

Effects of a Vitamin B-deficient diet during pregnancy on SAM and SAH concentrations and SAM/SAM ratios in the brain of male offspring at PND 0.

<p>n = 6–8; PND  =  Postnatal day; CT  =  control; DP  =  deficient diet during pregnancy; SAM  =  S-adenosylmethionine; SAH  =  S-adenosylhomocysteine. <i>t test</i>. Data are presented as the mean ± standard error. ^*<i>P</i>≤0.05.</p