Functional Amino Acids in the Development of the Pig Placenta

돼지 태반 발달의 기능성 아미노산

 

 

 

 

 

 

Abstract

 

•포유동물의 태반은 모체에서 태아에게 영양분(예: 아미노산 및 물)과 산소를 공급하고 모체로 태아 대사물(예: 암모니아 및 CO2)을 제거하는 데 필수적이다.

•따라서 태반의 성장과 발달은 태아의 생존, 성장 및 발달을 결정하는 요소이다.

•실제로 저체중아 출산은 태반 성장 감소와 밀접한 관련이 있다.

•Arginine and Glutamine을 gestating gilts or sows에게 급여 제공하여, 태반 성장(혈관 성장 포함)을 증가시키고, 배아/태아 성장 및 생존을 개선하고, 한배 새끼 사이에서 출생 체중의 큰 편차를 줄인다.

 

 

Introduction

 

•임신모돈은 brown adipose tissue 가 부족하고(Satterfield and Wu, 2011), white adipose tissue에서 triacylglycerides 합성 능력이 높다(Smith et al., 1999).

•체내의 과도한 white fat은 모돈의 인슐린 저항성, 대사 장애 및 수유 장애를 유발한다(Jobgen et al., 2006; Kim et al., 2009).

•그래서 pregnant gilts or multiparous sows은 에너지 섭취를 줄이고 과체중 방지하기 위해 하루에 2.0~2.2kg 를 급여하여(Pond et al. , 1981; Ashworth, 1991; Kim et al., 2009); 이렇게 감소된 공급량은 일일 사료의 ~50%에 불과하다.

•이러한 제한으로 태반의 최적 성장 저해(Chen et al., 2015; Vallet and Freking, 2006)를 초래하며, gestating gilt or sow and her embryos and fetuses에 불충분한 아미노산을 공급하게 된다(Vallet et al. , 2002, Wu et al., 2013a, Da Silva et al., 2016).

•아미노산은 세포 내 단백질의 building blocks 형성과, 질소화합물[catecholamines, creatine, dopamine, nitric oxide (NO), polyamines(putrescine, spermidine and spermine), thyroid hormones] 합성 및 H2S의 전구체이며, 전신 항상성(whole-body homeostasis)에 필수적이다(Wu et al., 2009).

•특정 아미노산(영양 과학에서 "functional" 아미노산이라고 하는)(Wu, 2010)은 생리학적으로 중요한 물질의 합성 및 관련 세포 신호의 조절을 통해 동물 성장 및 생산 성능(생식 포함)을 향상시키기 위해 대사 경로를 조절한다.

•영양 및 관리의 개선에도 불구하고 임신 돼지를 위한 현재의 급여 프로그램은 여전히 차선책이다(Chen et al. 2015; Da Silva et al., 2016).

•돼지는 가장 큰 배아 손실(최대 50%)과 가장 심각한 자궁 내 성장 제한 intrauterine growth restriction (IUGR)을 겪고 있다(Town et al., 2004; Wu et al. 2006; Da Silva et al., 2016).

•바탕이 되는 메커니즘은 복잡 할 수 있지만, IUGR은 태반에 아미노산 공급 감소(Finch et al., 2004; Wu et al., 2008), 태반 polyamine and NO synthesis(Wu et al., 2010)과 관련이 있다.

•태반 성장 및 발달이 배아 및 태아 생존의 주요 결정 요인(Ashworth et al., 2001; Reynolds et al., 2006; Bazer et al., 2008) 이며, IUGR의 발생률과 신생자돈 생시체중의 큰 편차를 줄일 수 있다.

 

 

Dietary supply of amino acids to gestating swine

 

•사료내 단백질 가수분해는 소장(small intestine)의 내강(lumen)에서 일어나며, 여기서 생성된 모든 아미노산은 장세포(enterocytes)로 흡수된 다음 문맥(portal) 순환으로 들어간다(Wu, 1998).

•소장(small intestine )에서  아미노산의 광범위한 이화작용(extensive catabolism)이 보이며, 단백질로부터 소화된 아미노산 중 3-85%만이 문맥으로 들어가는 것으로 나타났다(Stoll and Burrin, 2006; Wu et al., 2014).

•돼지 장세포(Pig enterocytes)는 사료내 Asp, Glu, Gln, Pro 및 three branched-chain amino acids (BCAA), Ile, Leu 및 Val을 적극적으로 분해하며, Ala, Met, Gly 및 Ser의 매우 낮은 분해율을 나타낸다

•Asn, Cys, His, Lys, Phe, 쏙, T게 또는 Tyr을 분해하는 능력이 없다 (Chen et al .; 2007, 2009; Wang et al. 2014).

 

 

•gestating pigs의 소장은 ~97%의 Glu, 95%의 Asp, 70%의 Gln, 40%의 Arg, 40%의 Pro, 35%의 BCAA 및 10-30%의 기타 아미노산(식이 단백질의 가수분해 중에 방출된)을 대사한다(Wu et al., 2014).

•Asp, Glu 및 Gln(글루코스 또는 지방산은 제외)은 돼지 소장의 주요 대사 연료이며 장내 시트룰린 및 Arg 합성의 기질이다. 

•Asp와 Gln은 모두 모든 조직에서 핵산 합성에 필요합니다(Wu, 1998).

•Asp와 Glu(둘 다 높은 세포외 농도에서 신경독성)가 혈액 순환에 제한적으로 유입되면 뇌가 손상되지 않도록 보호하고, 어미와 태아의 생존에 생리학적으로 필수적이다(Wu, 2013).

•Gln(출생 후 돼지의 혈장에서 두 번째로 풍부한 아미노산)이 문맥으로 들어가는 낮은 비율(Wu, 1998; Wu et al., 2011a)은 장외 조직에서 새로운 합성을 필요로 한다

•임신 기간 동안 돼지 자궁에 의한 Asp 및 Glu(태아 조직 단백질에서 가장 풍부한 아미노산 중)의 흡수는 단백질 합성에 대한 태아 요구량의 최대 20% 및 50%를 각각 충족한다.

•단백질 합성에는 모든 단백질 생성 아미노산이 필요하다는 점을 감안할 때, 하나의 아미노산 공급이 10% 부족하더라도 나머지 아미노산에 대해 충분한 공급이 가능하더라도 전체 단백질 합성을 10%까지 감소시킬 수 있다.

•따라서 아미노산의 장기 간 대사, 특히 태반의 관여는 최적의 태아 성장과 발달에 필수적이다.

 

 

Placental needs for amino acids in gestating sows

 

•어미 돼지의 태반은 임신 초기에 매우 빠르게 성장합니다. 태반 질량은 임신 20일에서 60일 사이에 826배 증가한다(표 2).

•태반 혈관의 수와 크기로 표시되는 태반 혈관신생도 이 기간 동안 현저하게 증가한다(Reynolds et al., 2006; Vallet et al., 2009).

•태반은 프로게스테론과 에스트로겐(progesterone and estrogen)을 생성하는 내분비 기관이며(Bazer et al., 2009), 환경 병원체와 모체 면역 체계에 대한 물리적 장벽(Burton et al., 2016)이다.

 

 

•태반의 급속한 성장은 산모로부터 태아에게 영양분(아미노산과 물 포함)의 증가와 산소의 공급,  대사산물(예: 암모니아 및 CO2)의 제거에 의존하며, 제대혈 순환을 통해서 해독 및 제거(Hard and Anderson 1982; Wu et al., 2004; Town et al., 2005) 된다.

•태반에서 측정된 모든 아미노산(free and peptide-bound amino acids) 중에서 Arg의 함량이 가장 높으며 Leu, Glu, Ala, Gly, Pro와 hydroxyproline이 그 뒤를 잇고, 임신 20일에서 60일 사이에 순서로 감소한다.(표 2)

•그러나 임신 60일에서 114일 사이에 콜라겐 합성(collagen synthesis)으로 인해 Pro plus hydroxyproline의 태반 함량이 가장 높고 그 다음으로 Gly, Glu, Arg, Leu 및 Ala가 내림차순이다(표 2).

•식이 단백질 섭취 및 모체 아미노산 대사의 조절은 태반 단백질 합성(placental protein synthesis) 및 태반 성장 placental growth (혈관 성장 포함)을 최대화하는 데 중요한 역할을 한다.

•모든 동물 조직에서와 같이 태반은 10가지 단백질 생성 아미노산(Cys, His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp 또는 Tyr)을 새로 합성할 수 없으며 Glu, Gln 또는 Pro를 Arg로 전환할 수 없다(Wu, 2013).

•따라서 산모는 자궁 혈액 순환을 통해 Arg, Cys, His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp 및 Tyr을 태반에 공급해야 한다.

•돼지 태반은 BCAA와 포도당으로부터 Ala, Asp, Asn, Glu 및 Gln을 합성한다(Self et al., 2005).

•임신돈에게 10% 조단백질 사료는 배아/태아의 생존과 성장에 필요한 적절한 아미노산을 제공할 수 없으며, 14~16% 조단백질 식단은 대부분의 아미노산을 과량으로 제공하며, 산화로 인해 높은 수준의 암모니아가 생성된다(Ji et al., 2016), 이는 배아와 태아에게 극도로 독성이 있다(McEvoy et al., 1997; Gardner and Lane, 1993; Sinclair et al., 1998; Yuan and Krisher, 2010).

 

 

Role of the placenta in amino acid metabolism

 

Placental synthesis of Gln from BCAAs

 

•태반에서 합성된 Gln은 모체에서 태아로 질소를 운반하는 주요 양성 매개체 역할을 한다.

•혈장 내 Gln의 태아 대 모체 비율은 >2(예: 임신 60일 및 110일에 각각 2.44 및 2.88)였지만 혈장 내 BCAA의 비율은 <1(예: 임신 45일와 110일 Leu의 경우 각각 0.69 및 0.67)이다(Wu et al. 1995).

•BCAA와 암모니아는 Gln 합성을 위해 각각 amino and amide groups을 제공하며, 포도당은 Gln 탄소 골격의 주요 공급원이다(그림 1).

 

Figure 1 Synthesis of Glu, Gln, Asp, Asn, Ala, and glucosamine-6-phosphate in the porcine placenta.

Figure 1 Synthesis of Glu, Gln, Asp,  Asn , Ala, and glucosamine-6-phosphate in the porcine placenta.

BCAAs (Leu, Ile, and Val) are transaminated with α-ketoglutarate by BCAA transaminase to form branched-chain α-ketoacids (BCKAs) and Glu.

Glu is amidated with ammonia (NH4+) by Glutamine synthetase to yield Gln.

The ammonia is derived primarily from the catabolism of amino acids in maternal tissues.

Gln and Asp are substrates for the generation of Asn and nucleic acids.

The porcine placenta lacks phosphate-activated glutaminase.

The enzymes catalyzing the indicated reactions are: (1) enzymes for the degradation of amino acids in maternal tissues; (2) asparagine synthetase; (3) enzymes for the synthesis of purines and pyrimidines; (4) NADPH-dependent aldose reductase and NAD+-dependent sorbitol dehydrogenase (Steinhauser et al., 2016); and (5) ATP-dependent fructose kinase. KGM, α-ketoglutaramate; OAA, oxaloacetate.

 

 

•Gln은 phosphate-activated glutaminase, Glu-oxaloactetate transaminase, and Glu-pyruvate transaminase 를 통해 태아에서 Glu, Asp, Ala 생산에 사용되며, 이러한 효소의 활성은 Glu, Asp 및 Asn의 모체 혈장 결핍을 완화한다(Hou et al., 2016).

•흥미롭게도, 번식력이 높은 Meishan 모돈의 모체 혈장에서 Asp, Glu 및 Gln의 농도는, 번식력이 낮은 Large White x Landrace 어미 돼지의 농도보다 낮았습니다(Ashworth et al. 2013), 이는 아미노산 대사와 태아 성장 사이의 연결을 설정한다.

•Gln 합성효소의 다른 기질인 암모니아의 이용성은 돼지의 아미노산 분해에 의해 지속적으로 생성되며(그림 1), 정상적인 생리학적 조건에서 Gln 합성을 제한하는 요인이 되어서는 안된다.

•Gln은 암모니아의 흡수원 역할을 하기 때문에, Gln의 태반 합성은 산모와 태아의 혈액을 해독하는 데 도움을 주어 태아의 생존에도 도움이 된다.

•반추동물과 달리 요소(urea)는 돼지에서 Gln 합성을 위한 미미한 암모니아 공급원이다(Wu, 2013).

•따라서 요소와 과잉 암모니아는 산모와 태아로부터 배설되어야 한다.

 

 

Placental synthesis of polyamines from proline

 

•폴리아민은 동물 세포에서 DNA와 단백질 합성에 필수적이다(Wu et al., 2008).

•아르기나제(arginase) 및 오르니틴 데카르복실라제(ornithine decarboxylase)를 통해 Arg를 폴리아민으로 전환시키는데

•돼지 태반은 아르기나아제(arginase) 활성이 부족하며

•따라서 Arg에서 오르니틴(오르니틴 탈탄산효소의 기질)을 합성할 수 없다(Wu et al., 2005).

•돼지의 태반에서 Arg는 일반적으로 비가역적 이화작용이 일어나지 않아 태반(표 1)과 태아(표 2)에서 가장 풍부한 아미노산 이다.

•돼지 태반에 의한 폴리아민 합성을 위한 기질 검색에서, 우리는 그것이 Pro를 오르니틴과 폴리아민의 전구체인 피롤린-5-카르복실레이트로 전환시키는 프롤린 산화효소를 발현한다는 것을 발견했다(Wu et al., 2005).

•프롤린은 푸트레신, 스페르미딘 및 스페르민에서 탄소 골격과 질소의 대부분을 제공한다(그림 2).

 

Figure 2. Synthesis of polyamines from Pro in the porcine placenta.

Figure 2. Synthesis of polyamines from Pro in the porcine placenta.

•The reactions for the conversion of Pro into polyamines occur in the cytosol of the placenta, unless indicated otherwise.

•The porcine placenta lacks arginase and arginine decarboxylase (ADC). Cyt, cytosol; DCAM, decarboxylated S-adenosylmethionine; α-KG, α-ketoglutarate; Mit, mitochondria; OAT, ornithine aminotransferase; ODC, ornithine decarboxylase; POX, proline oxidase.

 

 

 

Placental synthesis of NO from L-arginine

 

•주요 혈관신생 인자인 정량 가능한 소량의 NO(Meininger and Wu, 2002)가 돼지 태반의 Arg에서 합성된다.(예: 임신 20일, 40일, 60일, 110일에 각각 조직 mg당 2.8, 20.7, 9.8, 4.0 pmol/24 h)(Wu et al., 2003).

•Arg는 주로 모든 산화질소 합성효소 nitric oxide synthetases (NOS)의 필수 보조인자인 테트라하이드로바이오프테린 tetrahydrobiopterin의 생성을 향상시켜 태반 NO 합성을 자극한다(Wu et al., 2010).

•배양된 태반에서 NO 합성과 Arg 수송은 임신 20일과 40일 사이에 각각 6.3배와 6.7배 증가했습니다.  그러나 그 이후에는 감소하며, 이 프로필은 임신 돼지에서 태반 혈관신생의 급격한 증가에 해당한다(Vonnahme and Ford, 2004).

 

 

Use of functional amino acid to improve placental growth and fetal survival and growth

 

•돼지에서 부적절한 자궁 용량은 임신 25일 이후에 최적의 태아 성장과 생존을 제한하기 시작한다(Bazer et al., 2009).

•IUGR 새끼 돼지(출생 체중 < 1.10 kg)는 출생한 총 새끼 돼지의 최대 25%, 산 돼지에서 이유 전 사망의 76%를 차지할 수 있다(Wu et al., 2010).

•따라서 태반 및 태아 성장의 향상은 임신 돼지의 영양 관리를 위한 주요 목표이다(Chen et al., 2015; Wright et al., 2016).

•돼지 배아(porcine conceptuses)의 착상(Implantation)은 교배 14일 경에 시작되어 18일 경에 완료되며(0일이 교배일임)(Geisert and Yelich, 1997)

•착상 직후, 영양외배엽(trophectoderm)에서 많은 유전자의 발현이 유도되어 태반 형성을 시작한다(Vonnahme and Ford, 2004; Bazer et al., 2009;).

•임신 중인 돼지는 비침습성(noninvasive), 확산 유형(diffuse type)의 상피융모막 태반(epitheliochorial placenta)을 발달시킨다(Bazer et al., 2008).

•임신 20일에서 40일 사이(Reynolds and Redmer, 2001), 25일째에 태반과 요막에서 혈관이 명확하게 보인다(Li et al., 2010).

•이 임신 초기 단계에서 어미 돼지와 암퇘지에게 Arg를 식이보충하면 태반 혈관 형성(placental vascularization)이 현저하게 향상된다.

•돼지 태반의 성장, 발달 및 혈관 형성은 임신 70일에 거의 최대에 가깝다(Knight et al., 1977; Wu et al., 2005).

•그후에, 태아는 가장 빠르게 성장하며 성장의 60%가 임신 마지막 24일 동안 발생한다(표 2).

•돼지 태반의 크기, 길이 및 표면적은 동일한 자궁 내에서 개념에 따라 현저하게 다르기 때문에 새끼 돼지의 출생 체중은 동일한 한배에서 최대 3배까지 다를 수 있다(Vonnahme et al., 2002; Bazer et al., 2008).

•같은 농장에 있는 한배새끼 사이의 새끼 돼지 출생 체중의 이질성은 현대 돼지 생산 시스템을 관리하는 데 드는 비용과 어려움을 증가시킨다(Yuan et al., 2015).

•아직, 어미 돼지와 암퇘지 모두 임신 초기에서 후기(즉, 14~114일) 동안 최적의 배아 및 태아 성장을 지원하기에 충분한 아미노산을 사료로 섭취하지 않으며(Wu et al., 2010), 이로 인하여 자돈 출생 체중 변화 변동에 추가로 기여한다(Quiniou et al., 2002).

•전형적인 옥수수 및 대두박 기반 식이보다 임신 돼지를 위한 특정 기능성 아미노산(예: Arg 및 Gln)의 식이 제공을 강화하는 것은 태반 성장, 태아 생존 및 성장 뿐만 아니라 혈관 성장 (Wu, 2010; Hou et al., 2016) 을 개선하는 효과적인 수단일 수 있다.

 

 

Dietary supplementation with Arg alone beginning in early gestation

 

•임신 1일에서 14일 사이에 암퇘지 또는 암퇘지에게 옥수수 및 대두박 기반 사료에 1.3% Arg-HCl을 첨가한 식이 보충은 한배당 총 또는 생존 새끼 돼지의 수에 영향을 미치지 않았다(Li et al., 2015 )

•임신 14일에서 25일 사이에 매일 0.4% 또는 0.8% Arg가 첨가된 옥수수 및 대두박 기반 사료 2kg을 어미 돼지에게 급여하고,

•태반 성장이 21-34% 증가하고 한배에 생존 가능한 태아의 수가 약 2두 증가했다(Li et al. 2014).

•임신 25일차에 태반혈관의 수도 18.5%, 태반혈관의 직경은 18.2% 증가하였다(Table 4).

 

 

•먼저, 임신 14일에서 28일 사이에 배란율이 높은 모돈 보리 기반 사료에 1% Arg를 보충하면 70일째에 한배당 3마리의 태아 수와 함께, 태아 돼지의 2차 대 1차 근육 섬유 비율(Berard and Bee, 2010)을 증가시켰다

•둘째, 임신 14일에서 28일 사이에 1% Arg를 함유한 모돈에게 식이 보충을 하면 분만 시 살아있는 새끼 돼지의 수가 약 1마리 증가했다(Ramaekers et al., 2006).

•셋째, 임신 17일째부터 16일 동안 1% Arg를 추가로 모돈에게 공급시 분만 시 태반 중량을 16% 증가시키고 한배에 태어난 새끼 돼지의 수를 1.2마리 증가시켰다(Gao et al., 2012).

넷째, 임신 1일에서 30일 사이에 1.3% Arg-HCl을 함유한 옥수수 및 대두박 기반 식이(13.5% CP)를 보충하면 어미 돼지 및 다산 암퇘지의 한배당 새끼 돼지의 수가 0.86 및 1.63 증가하였으며,  모돈에서 각각 8.1%까지 모든 살아 있는 새끼 돼지의 한배 새끼 무게(Li et al., 2015) 증가하였다

 

 

 

Dietary supplementation with Arg alone during mid- or late-gestation

 

•실제로, 임신 마지막 삼분기(77일에서 만삭까지)동안 임신돈에게 Arg(25.5g/일)를 식이 보충하면 자돈 출생 체중의 변화가 19% 감소했다(Quesnel et al. 2014).

•더욱이, 임신 90일에서 114일 사이에 1% Arg-HCl을 사용한 식이 보충제는 새끼 돼지의 출생 체중을 16% 증가시켰다(Wu et al., 2012).

•Arg 보충은 내피 세포에 의한 NO 합성(NO synthesis)을 향상시키고(Wu and Meininger, 2002),

•따라서 태반 혈류, 산모에서 태아로의 증가된 영양분 및 산소 공급은 우리가 임신 중인 양에 대해 보고한 바와 같이 돼지의 배아 및 태아 생존 및 성장을 촉진시킨다(Satterfield et al., 2010).

 

 

Dietary supplementation with Gln alone during late gestation

 

•어미 돼지의 임신 90일에서 114일 사이에 옥수수 및 대두박 기반 식단(12.2% 조단백질과 1.22% Gln 함유)에 1% Gln을 보충하면

•IUGR 새끼 돼지의 발병률이 39% 감소했으며, 새끼 돼지 출생 체중의 33% 변화하였고, 실산에서 이유전까기 치사율이 46%까지(Wu et al., 2011) 감소했다.

•Gln 보충은 태반과 산모의 간외 조직에서 BCAA의 이화작용을 추가적으로 감소시킬 수 있다.

•따라서 태아 골격근에서 MTOR 신호 전달 경로 및 단백질 합성을 활성화하기 위한 Leu의 가용성을 간접적으로 증가시킨다(Lin et al., 2015).

 

 

Dietary supplementation with Arg plus Gln during gestation

 

•Wu et al. 는 어미 돼지의 임신 30일에서 114일 사이에 옥수수 및 대두박 기반 사료(0.70% Arg 및 1.22% Gln 포함)에 0.4% Arg 및 0.6% Gln을 보충하여 이 가설을 테스트 했다(Wu et al., 2011a).

•대조군에 비해 Arg 보충은 생존자돈의 출생체중 변화를 24% 감소시켰고, 출생체중이 0.6~1.29kg인 출생자돈의 비율을 22% 감소시켰으며, 한배에 태어난 새끼 돼지의 수는 1.4마리, 새끼 돼지의 새끼 체중은 15% 증가했다(Wu et al., 2011a).

•종합적으로, 이러한 모든 식이 보충 연구의 결과는 돼지의 임신 결과를 개선하는 데 기능성 아미노산이 중요한 역할을 함을 나타낸다.

 

 

 

Conclusion

 

•태반 기능 부전은 돼지에서 높은 배아/태아 사망률 및 IUGR 발생률에 기여하는 주요 요인이다

•혈관 성장을 포함한 태반 성장의 향상은 돼지 번식의 효율성을 향상시키는 매력적인 전략을 제공한다.

•모돈에 0.4%에서 1.0%의 Arg를 함유한 식이 보충제가 태반 성장(혈관 생성을 통한 혈관 성장 포함), 한배 새끼의 크기 및 한배 새끼의 출생 체중을 증가시키며,

• 임신후기에 1% Gln을 보충하면 IUGR 새끼 돼지의 발병률, 출생 체중의 변화 및 살아있는 새끼 돼지의 이유 전 사망률이 감소시켰다.

•임신 후기에 0.4% Arg + 0.6% Gln으로 식이 보충은 1% Arg 단독 보충에 비해 사료 비용을 줄이는 데 도움이 되며, 태아의 생존과 성장을 향상시킬 뿐만 아니라 새끼 돼지의 출생 체중 변화를 감소시켰다.

 

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