Einfluss von Natriumselenit und Natriumselenat in nutritiver und supranutritiver Dosis auf die Aktivität und Expression von Selenoenzymen sowie auf das antioxidative Schutzsystem der Ratte

Abstract

Natriumselenat und Natriumselenit sind als Zusatzstoffe in der Tierernährung zugelassen. In den überarbeiteten synthetischen Diäten des American Institute of Nutrition (AIN), die in den Empfehlungen des National Research Council (NRC) für Labortiere niedergelegt sind, wurde Natriumselenit bereits 1993 durch Natriumselenat ersetzt. Untersuchungen zur ernährungsphysiologischen Vergleichbarkeit von Natriumselenit mit Natriumselenat liegen bisher kaum vor. In der vorliegenden Arbeit sollte daher

Die Wirkung der beiden Selenverbindungen in adäquater Dosierung sowie in zwei supranutritiven Dosierungen im Vergleich zu einer Selenmangelgruppe untersucht werden. Mit Hilfe eines Microarray-Screenings sollten die Auswirkung dieser anorganischen Selenverbindungen auf die differenzielle Genexpression allgemein erfasst und spezifische Parameter der Selenversorgung auf Ebene der Genexpression und der Proteine eingehend untersucht werden. Diese Kenngrößen sollten durch die Bestimmung von Zellschädigungsparametern ergänzt werden. In zwei Versuchen wurden insgesamt 112 wachsende männliche Albinoratten (Stamm HK51) über einen Zeitraum von acht Wochen mit Versuchsdiäten auf Basis von Torulahefe gefüttert, um einen alimentären Selenmangel zu erzeugen und diesen mit einer adäquaten (0,2 mg Se/kg Diät) bzw. supranutritiven Selenversorgung (1,0 und 2,0 mg Se/kg Diät) zu vergleichen. Die Diäten wurden entweder mit Natriumselenit oder mit Natriumselenat supplementiert.

Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: In Übereinstimmung mit anderen Studien zeigten beide Selenverbindungen eine hohe Bioverfügbarkeit. Ein Selenmangel (< 0,03 mg Se/kg Diät) führte bei der cytosolischen Glutathionperoxidase (cGPx), der plasmatischen Glutathionperoxidase (pGPx), der Phospholipidhydroperoxid-Glutathionperoxidase (PHGPx), der cytosolischen Thioredoxinreduktase (TrxR1) und der mitochondrialen Thioredoxinreduktase (TrxR2) zu einer signifikanten Abnahme der Enzymaktivität. Durch Zulage von 0,2 mg Se/kg Diät als Natriumselenit oder Natriumselenat konnte die Abnahme der Aktivität der Selenoenzyme vollständig verhindert werden. Das Verhalten der untersuchten Selenoenzyme in Bezug auf Genexpression und Aktivität im Bereich zwischen Selenmangel und empfohlener Supplementierung steht in Einklang mit der in der Literatur beschriebenen Hierarchie der Selenoenzyme. Eine Selenversorgung, die die empfohlene Zulage von 0,2 mg Se/kg Diät überschritt, führte bei der Enzymaktivität sowie bei den mRNA- Gehalten zu keinen weiteren Verbesserungen. Alpha-Glutathion-S-Transferasen (aGST) reagierten im Rahmen der Genexpression und Enzymaktivität auf Selenmangel und eine supranutritive Selensupplementierung. Im Selenmangel könnte der Anstieg der GST-Aktivität eine kompensatorische Reaktion des Organismus auf einen Abfall der cGPx- Aktivität darstellen, während der Anstieg von Se-Metaboliten bei einer supranutritiven Selenversorgung die Induktion von aGSTs nach sich zog. Im Selenmangel konnte erwartungsgemäß ein Anstieg von thiobarbitursäurereaktiven Substanzen (TBA-RS) als Parameter der Lipidperoxidation beobachtet werden. Die bei supranutritiver Selenzulage beobachtete fort- gesetzte Abnahme der TBA-RS war hingegen überraschend. Das Microarray-Screening zur differenziellen Genexpression ergab erheblich größere Effekte für Natriumselenat als für Natriumselenit. Die Untersuchung der Selenoenzyme bestätigte die insgesamt hohe Bioverfügbarkeit beider Selenverbindungen für die Synthese von Selenoproteinen. Deutliche Einflüsse der Höhe und teilweise der Art der Selenzulage auf das antioxidative Schutzsystem wurden bei den aGSTs und der TBA-RS-Konzentration festgestellt. Sodium selenite and sodium selenate are approved food additives. In 1993 the American Institute of Nutrition (AIN) adapted its purified diets for rats and in the course of this revision replaced sodium selenite by sodium selenate. These diets are also recorded in the booklet ´Nutrient Requirements of Laboratory Animals´ by the National Research Council (NRC). But very few primary studies have been conducted to examine the comparability of sodium selenite and sodium selenate in terms of nutritional physiology. The following study was conducted to investigate:

The effect of both selenium compounds supplemented at a recommended level and at two different supranutritive levels in comparison to a selenium deficient group. The overall bearing of sodium selenite and sodium selenate on differential gene expression analyzed via microarray screening. A close examination of specific parameters of selenium supplementation conducted on the level of gene expression and proteins. These indicators are completed by analyzing parameters of cell damage. In two animal experiments 112 growing male albino rats (HK 51) were fed a torula yeast-based diet for eight weeks. One experimental group was randomly assigned to the selenium-deficient diet while two groups each were assigned to the adequately (0.2 mg Se/kg diet) or supranutritively (1.0 and 2.0 mg Se/kg diet) supplemented diets. Groups located on the same supplementary level received selenium either as sodium selenate or sodium selenite. The following results were obtained: In accordance with other trials both selenium compounds had a high biological availability. Selenium deficiency (<0.03 mg Se/kg diet) induced a significant decline of the enzyme activity of cytosolic glutathione peroxidase (cGPx), plasmatic glutathione peroxidase (pGPx), phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase (PHGPx), cytosolic thioredoxin reductase (TrxR1), and mitochondrial thioredoxin reductase (Trxr2). The supplementation of 0.2 mg Se/kg diet was able to correct the decline of enzyme activity for all selenoenzymes named above. The comparison of the selenium-deficient groups and the adequately Se- supplemented groups (0.2 mg Se/kg diet) showed that the examined selenoenzymes react in a hierarchic manner on the level of gene expression and enzyme activity. This order is in agreement with the hierarchy described in literature. Alpha-Glutathione-S-transferases (aGSTs) react upon selenium deficiency and supranutritive selenium supplementation. An increase of enzyme activity during selenium deficiency could be a compensatory reaction of the organism towards a massive decrease of GPx-activity, while supranutritive selenium supplementation results in an increase of selenium metabolites and induces the expression and activity of aGSTs thereby. As expected selenium deficiency led to an increase of lipid peroxidation as detected by the concentration of thiobarbituric acid reactive substances (TBA-RS).Surprisingly TBA-RS showed an ongoing decline in the supranutritive Se-supplementation groups. The microarray screening of differential gene expression demonstrated that sodium selenate had a considerably greater effect than sodium selenite.

Analysis of selenoenzymes confirmed the high biological availability of both selenium compounds for the synthesis of selenoproteins. A distinct influence of the supplementation level and to some extent of the applied selenium compound on the antioxidative defence system was assessed by aGSTs and TBA-RS concentration.