Genes Involved in Osmoregulation during Turgor-Driven Cell Expansion of Developing Cotton Fibers Are Differentially Regulated1

Cotton (Gossypium hirsutum L.) fibers are single-celled trichomes that synchronously undergo a phase of rapid cell expansion, then a phase including secondary cell wall deposition, and finally maturation. To determine if there is coordinated regulation of gene expression during fiber expansion, we analyzed the expression of components involved in turgor regulation and a cytoskeletal protein by measuring levels of mRNA and protein accumulation and enzyme activity. Fragments of the genes for the plasma membrane proton-translocating ATPase, vacuole-ATPase, proton-translocating pyrophosphatase (PPase), phosphoenolpyruvate carboxylase, major intrinsic protein, and α-tubulin were amplified by polymerase chain reaction and used as probes in ribonuclease protection assays of RNA from a fiber developmental series, revealing two discrete patterns of mRNA accumulation. Transcripts of all but the PPase accumulated to highest levels during the period of peak expansion (+12–15 d postanthesis [dpa]), then declined with the onset of secondary cell wall synthesis. The PPase was constitutively expressed through fiber development. Activity of the two proton-translocating-ATPases peaked at +15 dpa, whereas PPase activity peaked at +20 dpa, suggesting that all are involved in the process of cell expansion but with varying roles. Patterns of protein accumulation and enzyme activity for some of the proteins examined suggest posttranslational regulation through fiber development.

Oxygen Requirement and Inhibition of C4 Photosynthesis1 : An Analysis of C4 Plants Deficient in the C3 and C4 Cycles

The basis for O2 sensitivity of C4 photosynthesis was evaluated using a C4-cycle-limited mutant of Amaranthus edulis (a phosphoenolpyruvate carboxylase-deficient mutant), and a C3-cycle-limited transformant of Flaveria bidentis (an antisense ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase [Rubisco] small subunit transformant). Data obtained with the C4-cycle-limited mutant showed that atmospheric levels of O2 (20 kPa) caused increased inhibition of photosynthesis as a result of higher levels of photorespiration. The optimal O2 partial pressure for photosynthesis was reduced from approximately 5 kPa O2 to 1 to 2 kPa O2, becoming similar to that of C3 plants. Therefore, the higher O2 requirement for optimal C4 photosynthesis is specifically associated with the C4 function. With the Rubisco-limited F. bidentis, there was less inhibition of photosynthesis by supraoptimal levels of O2 than in the wild type. When CO2 fixation by Rubisco is limited, an increase in the CO2 concentration in bundle-sheath cells via the C4 cycle may further reduce the oxygenase activity of Rubisco and decrease the inhibition of photosynthesis by high partial pressures of O2 while increasing CO2 leakage and overcycling of the C4 pathway. These results indicate that in C4 plants the investment in the C3 and C4 cycles must be balanced for maximum efficiency.

The oxygen and carbon dioxide compensation points of C3 plants: possible role in regulating atmospheric oxygen.

The O2 and CO2 compensation points (O2 and CO2) of plants in a closed system depend on the ratio of CO2 and O2 concentrations in air and in the chloroplast and the specificities of ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). The photosynthetic O2 is defined as the atmospheric O2 level, with a given CO2 level and temperature, at which net O2 exchange is zero. In experiments with C3 plants, the O2 with 220 ppm CO2 is 23% O2; O2 increases to 27% with 350 ppm CO2 and to 35% O2 with 700 ppm CO2. At O2 levels below the O2, CO2 uptake and reduction are accompanied by net O2 evolution. At O2 levels above the O2, net O2 uptake occurs with a reduced rate of CO2 fixation, more carbohydrates are oxidized by photorespiration to products of the C2 oxidative photosynthetic carbon cycle, and plants senesce prematurely. The CO2 increases from 50 ppm CO2 with 21% O2 to 220 ppm with 100% O2. At a low CO2/high O2 ratio that inhibits the carboxylase activity of Rubisco, much malate accumulates, which suggests that the oxygen-insensitive phosphoenolpyruvate carboxylase becomes a significant component of the lower CO2 fixation rate. Because of low global levels of CO2 and a Rubisco specificity that favors the carboxylase activity, relatively rapid changes in the atmospheric CO2 level should control the permissive O2 that could lead to slow changes in the immense O2 pool.

Seawater carbonate chemistry and biological processes during experiments with four species of marine diatoms

The effect of pCO2 on carbon acquisition and intracellular assimilation was investigated in the three bloom-forming diatom species, Eucampia zodiacus (Ehrenberg), Skeletonema costatum (Greville) Cleve, Thalassionema nitzschioides (Grunow) Mereschkowsky and the non-bloom-forming Thalassiosira pseudonana (Hust.) Hasle and Heimdal. In vivo activities of carbonic anhydrase (CA), photosynthetic O2 evolution, CO2 and HCO3? uptake rates were measured by membrane-inlet mass spectrometry (MIMS) in cells acclimated to pCO2 levels of 370 and 800 ?atm. To investigate whether the cells operate a C4-like pathway, activities of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (RubisCO) and phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) were measured at the mentioned pCO2 levels and a lower pCO2 level of 50 ?atm. In the bloom-forming species, extracellular CA activities strongly increased with decreasing CO2 supply while constantly low activities were obtained for T. pseudonana. Half-saturation concentrations (K1/2) for photosynthetic O2 evolution decreased with decreasing CO2 supply in the two bloom-forming species S. costatum and T. nitzschioides, but not in T. pseudonana and E. zodiacus. With the exception of S. costatum, maximum rates (Vmax) of photosynthesis remained constant in all investigated diatom species. Independent of the pCO2 level, PEPC activities were significantly lower than those for RubisCO, averaging generally less than 3%. All examined diatom species operate highly efficient CCMs under ambient and high pCO2, but differ strongly in the degree of regulation of individual components of the CCM such as Ci uptake kinetics and extracellular CA activities. The present data do not suggest C4 metabolism in the investigated species.

Études de la réponse du métabolisme énergétique à la carence en fer dans les cultures cellulaires de Solanum tuberosum

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe. Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress.

Études de la réponse du métabolisme énergétique à la carence en fer dans les cultures cellulaires de Solanum tuberosum

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe. Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress.

Effects of colostrum feeding and glucocorticoid administration on insulin-dependent glucose metabolism in neonatal calves

Colostrum feeding and glucocorticoid administration affect glucose metabolism and insulin release in calves. We have tested the hypothesis that dexamethasone as well as colostrum feeding influence insulin-dependent glucose metabolism in neonatal calves using the euglycemic-hyperinsulinemic clamp technique. Newborn calves were fed either colostrum or a milk-based formula (n=14 per group) and in each feeding group, half of the calves were treated with dexamethasone (30 microg/[kg body weight per day]). Preprandial blood samples were taken on days 1, 2, and 4. On day 5, insulin was infused for 3h and plasma glucose concentrations were kept at 5 mmol/L+/-10%. Clamps were combined with [(13)C]-bicarbonate and [6,6-(2)H]-glucose infusions for 5.5h (i.e., from -150 to 180 min, relative to insulin infusion) to determine glucose turnover, glucose appearance rate (Ra), endogenous glucose production (eGP), and gluconeogenesis before and at the end of the clamp. After the clamp liver biopsies were taken to measure mRNA levels of phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) and pyruvate carboxylase (PC). Dexamethasone increased plasma glucose, insulin, and glucagon concentrations in the pre-clamp period thus necessitating a reduction in the rate of glucose infusion to maintain euglycemia during the clamp. Glucose turnover and Ra increased during the clamp and were lower at the end of the clamp in dexamethasone-treated calves. Dexamethasone treatment did not affect basal gluconeogenesis or eGP. At the end of the clamp, dexamethasone reduced eGP and PC mRNA levels, whereas mitochondrial PEPCK mRNA levels increased. In conclusion, insulin increased glucose turnover and dexamethasone impaired insulin-dependent glucose metabolism, and this was independent of different feeding.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Evidence for catabolic pathway of propionate metabolism in CNS: expression pattern of methylmalonyl-CoA mutase and propionyl-CoA carboxylase alpha-subunit in developing and adult rat brain.

Methylmalonyl-CoA mutase (MCM) and propionyl-CoA carboxylase (PCC) are the key enzymes of the catabolic pathway of propionate metabolism and are mainly expressed in liver, kidney and heart. Deficiency of these enzymes leads to two classical organic acidurias: methylmalonic and propionic aciduria. Patients with these diseases suffer from a whole spectrum of neurological manifestations that are limiting their quality of life. Current treatment does not seem to effectively prevent neurological deterioration and pathophysiological mechanisms are poorly understood. In this article we show evidence for the expression of the catabolic pathway of propionate metabolism in the developing and adult rat CNS. Both, MCM and PCC enzymes are co-expressed in neurons and found in all regions of the CNS. Disease-specific metabolites such as methylmalonate, propionyl-CoA and 2-methylcitrate could thus be formed autonomously in the CNS and contribute to the pathophysiological mechanisms of neurotoxicity. In rat embryos (E15.5 and E18.5), MCM and PCC show a much higher expression level in the entire CNS than in the liver, suggesting a different, but important function of this pathway during brain development.

Gene-nutrient interactions on the phosphoenolpyruvate carboxykinase influence insulin sensitivity in metabolic syndrome subjects

Genetic background may interact with habitual dietary fat composition, and affect development of the metabolic syndrome (MetS). The phosphoenolpyruvate carboxykinase gene (PCK1) plays a significant role regulating glucose metabolism, and fatty acids are key metabolic regulators, which interact with transcription factors and influence glucose metabolism. We explored genetic variability at the PCK1 gene locus in relation to degree of insulin resistance and plasma fatty acid levels in MetS subjects. Moreover, we analyzed the PCK1 gene expression in the adipose tissue of a subgroup of MetS subjects according to the PCK1 genetic variants.

Hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry for characterizing phosphoenolpyruvate-induced structural transitions in Mycobacterium tuberculosis 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EC 2.5.1.1)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Fasting, adrenalectomy, and gluconeogenesis in the chicken and a carnivorous bird

Previous studies showed that livers from carnivorous birds have a higher gluconeogenic capacity and higher levels of gluconeogenic enzymes than livers from granivorous birds. In this work we compare the effects of fasting and adrenalectomy on gluconeogenesis. Fasting in the chicken elicited increased rates of incorporation of 14C from alanine into blood glucose, increased gluconeogenesis in liver slices, and increased activities of four gluconeogenic enzymes: glucose-6-phosphatase, phosphoenolpyruvate carboxykinase, alanine aminotransferase, and aspartate aminotransferase. These responses in the chicken resemble those observed in fasted rodents. In marked contrast, fasting in black vultures induced decreased rates of incorporation of alanine label into circulating glucose, decreased gluconeogenesis in liver slices, and no change in any of the four enzymes studied. This unusual response to fasting in the carnivorous bird is probably related to the high-protein-low-carbohydrate content of the diet. Fasted adrenalectomized birds (granivorous and carnivorous) had reduced rates of in vivo glucose synthesis, decreased liver gluconeogenesis, and lower activity of glucose-6-phosphatase and aspartate aminotransferase, without change in phosphoenolpyruvate carboxykinase and alanine aminotransferase activities.

Fructose-Induced Hypothalamic AMPK Activation Stimulates Hepatic PEPCK and Gluconeogenesis due to Increased Corticosterone Levels

Fructose consumption causes insulin resistance and favors hepatic gluconeogenesis through mechanisms that are not completely understood. Recent studies demonstrated that the activation of hypothalamic 5'-AMP-activated protein kinase (AMPK) controls dynamic fluctuations in hepatic glucose production. Thus, the present study was designed to investigate whether hypothalamic AMPK activation by fructose would mediate increased gluconeogenesis. Both ip and intracerebroventricular (icv) fructose treatment stimulated hypothalamic AMPK and acetyl-CoA carboxylase phosphorylation, in parallel with increased hepatic phosphoenolpyruvate carboxy kinase (PEPCK) and gluconeogenesis. An increase in AMPK phosphorylation by icv fructose was observed in the lateral hypothalamus as well as in the paraventricular nucleus and the arcuate nucleus. These effects were mimicked by icv 5-amino-imidazole-4-carboxamide-1-beta-D-ribofuranoside treatment. Hypothalamic AMPK inhibition with icv injection of compound C or with injection of a small interfering RNA targeted to AMPK alpha 2 in the mediobasal hypothalamus (MBH) suppressed the hepatic effects of ip fructose. We also found that fructose increased corticosterone levels through a mechanism that is dependent on hypothalamic AMPK activation. Concomitantly, fructose-stimulated gluconeogenesis, hepatic PEPCK expression, and glucocorticoid receptor binding to the PEPCK gene were suppressed by pharmacological glucocorticoid receptor blockage. Altogether the data presented herein support the hypothesis that fructose-induced hypothalamic AMPK activation stimulates hepatic gluconeogenesis by increasing corticosterone levels. (Endocrinology 153: 3633-3645, 2012)

Elevated tissue omega-3 fatty acid status prevents age-related glucose intolerance in fat-1 transgenic mice

The objective of this study was to investigate the impact of elevated tissue omega-3 (n-3) polyunsaturated fatty acids (PUFA) status on age-related glucose intolerance utilizing the fat-1 transgenic mouse model, which can endogenously synthesize n-3 PUFA from omega-6 (n-6) PUFA. Fat-1 and wild-type mice, maintained on the same dietary regime of a 10% corn oil diet, were tested at two different ages (2months old and 8months old) for various glucose homeostasis parameters and related gene expression. The older wild-type mice exhibited significantly increased levels of blood insulin, fasting blood glucose, liver triglycerides, and glucose intolerance, compared to the younger mice, indicating an age-related impairment of glucose homeostasis. In contrast, these age-related changes in glucose metabolism were largely prevented in the older fat-1 mice. Compared to the older wild-type mice, the older fat-1 mice also displayed a lower capacity for gluconeogenesis, as measured by pyruvate tolerance testing (PTT) and hepatic gene expression of phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) and glucose 6 phosphatase (G6Pase). Furthermore, the older fat-1 mice showed a significant decrease in body weight, epididymal fat mass, inflammatory activity (NFκ-B and p-IκB expression), and hepatic lipogenesis (acetyl-CoA carboxylase (ACC) and fatty acid synthase (FAS) expression), as well as increased peroxisomal activity (70-kDa peroxisomal membrane protein (PMP70) and acyl-CoA oxidase1 (ACOX1) expression). Altogether, the older fat-1 mice exhibit improved glucose homeostasis in comparison to the older wild-type mice. These findings support the beneficial effects of elevated tissue n-3 fatty acid status in the prevention and treatment of age-related chronic metabolic diseases