营养平衡调节假说及消化酶可塑性调节的分子机制

The matching the multiple nutrients demand with the supply of those nutrients from the environment is vital to animal’s survival, growth and reproduction, and then their fitness. Digestive system’s morphology, physiological function and digestive strategies are key intrinsic factors for meeting nutritional demands of animals. When constrained to ingest a nutritionally imbalanced diet, can small mammals rebalance their nutritional demands by post-ingestive digestive adjustments in gut? Are there any different digestive adjustment mechanisms and strategies in different stages of life history in a given species? Hitherto little is known about answers of above issues. In this project, we will study effects of nutritionally imbalanced diet on the food intake, digestibility, gut morphology and physiological and biochemical function of Swiss mice, and explore the digestive strategies and digestive modulation mechanisms for reestablishing the nutrition balance. We will test the adaptive modulation hypothesis and the nutrient-balancing modulation hypothesis, and determine applicable conditions for two hypotheses. We also explore the molecular mechanisms of intestinal enzymes modulation by measuring expression of enzyme proteins, mRNA, transcriptional factors and histones, and by concentrations of ghrelin, insulin, leptin, glucose and uric acid in serum. The results will promote our understanding to the digestive modulation mechanisms and digestive strategies for animals to adapt to the diet nutrients changes, and contribute to reveal the digestive physiology basis of adaptive evolution mechanism in dietary specialization, habitat selection and life history characteristics, and provide new insight for studying of pathogenesis and therapy of many illnesses due to nutrition imbalance.

动物能否从食物中获得需求的营养成分，对其生存和繁殖至关重要。取食营养不平衡食物时，动物能否依靠消化调节来平衡其营养需求？不同营养需求生活史阶段的消化对策和调节机制有何差异？适应性调节假说认为，肠道消化酶的活力调节与食物中相应底物浓度变化正相关，但诸多“反例”亟需新假说予以解释。本项目在哺乳母鼠、幼鼠和成年鼠中进行不同蛋白和淀粉配比的食物驯化，通过测定摄食消化、消化器官形态和小肠不同肠段及总体的消化酶活力，揭示鼠类不同生活史阶段应对营养不平衡食物的消化对策，检验申请人提出的“营养平衡调节假说”；通过测定消化酶蛋白、mRNA及表达调控相关的转录因子、信号通路关键分子及组蛋白的表达，结合血液中相关激素、血糖和尿酸水平，揭示鼠类适应营养不平衡食物的消化调节的分子机制，为深入揭示动物食性选择和生活史特征的适应进化机制提供消化生理学依据，亦为营养代谢失衡导致病症的发生机理和治疗研究提供新启示。

动物从食物中获取能量营养的能力对其生存和繁殖至关重要。自然条件下，动物时常遇到营养不平衡食物，它们如何依靠消化调节来平衡其营养需求？不同营养需求生活史阶段的消化对策和调节机制有何差异？适应性调节假说认为，肠道消化酶的活力调节与食物中相应底物浓度变化正相关，但已有许多“反例”。申请人提出营养平衡调节假说认为，肠道消化能力应当也受到动物内在的营养平衡的需求调控，因为某些营养过剩也不利于生存和繁殖。本项目在哺乳期母鼠、哺乳期幼鼠、亚成体和成年鼠中进行不同蛋白和淀粉配比的食物驯化，以及运动训练和糖尿病条件下的实验，通过测定摄食消化、消化器官形态及小肠不同肠段及总体的消化酶活力，揭示鼠类不同生活史阶段在不同的营养平衡需求条件下应对营养不平衡食物的消化对策，检验两个假说的适用范围，并通过其他生化和分子指标测定整合理解相关调控的内在机制。研究发现，在幼体发育阶段、母鼠哺乳期、运动训练以及糖尿病状态等机体营养需求存在不平衡的时期，面对不同营养成分的食物，其消化调节并不完全依据食物中底物营养浓度而调节，即不符合适应性调节假说的预测，而营养平衡的需求能更好的解释相关的调节变化。而在动物营养需求较为平稳的时期，其消化调节更多的表现出顺应食物中营养成分的特异性调节。上述调节也伴随发生在肠道细胞迁移和增长、消化酶表达调控等层面。此外，研究还发现发育期的营养经历，对其亚成年期和成年期消化表型可塑性能力也有显著影响。本研究的主要结果和结论，不仅深入探讨了鼠类适应营养不平衡食物的消化调节的生理生化和分子机制，增进对动物食性选择和生活史特征等方面的适应进化机制的理解，亦为营养代谢失衡导致病症的发生机理和治疗研究提供新启示。