Characterization of insulin sensitivity and inflammation related factors in dairy cows receiving conjugated linoleic acids (CLA) or a control fat supplement during lactation

Abstract

With the onset of lactation, dairy cows have to mobilize body reserves, mainly body fat, to cover the output of energy via milk. The homeorhetic metabolic adaptation to the needs of milk production is accomplished through the orchestrated action of hormones. In contrast to the “classical hormones” that knowingly control parturition, lactation and metabolism, the role and importance of messenger molecules originating from body fat (adipokines), of their receptors and also of nuclear receptors as key regulators of gene expression was only scarcely investigated in dairy cows. In particular, data on body fat were largely limited to subcutaneous (s.c.) fat from one location easily accessible via biopsy, whereas potentially heterogeneous reactions between different s.c. depots and also in different visceral (v.c.) fat were not yet comprehensively addressed. The aim of this dissertation was to characterize the mRNA expression of several adipokines and related factors that are involved in insulin sensitivity (IS) and in inflammation during the transition from pregnancy to lactation and during the subsequent lactation. In addition, dietary supplementation with either CLA vs. a control fat (supplementation period day 1 to day 105 or 182 of lactation) was tested for potential effects on the target mRNAs. The tissue in focus was adipose tissue (AT) with its different locations. Initially, suitable reference genes were identified as a methodological prerequisite for the studies. Using tissue samples obtained from both primiparous and pluriparous cows from animal experiments within a project cooperation, the time course of the mRNA abundance of 12 different target genes and 7 reference genes was characterized in s.c. fat and in liver from pluriparous cows and in three different s.c. and in three v.c. fat depots, in liver, skeletal muscle, and in mammary gland from primiparous cows. Two acute phase proteins, i.e. haptoglobin (Hp) and serum amyloid A3 (SAA3), were newly established as adipokines in cattle; both mRNAs yielded similar time course patterns with a peripartal peak. Treatment with CLA was mostly not affecting Hp and SAA3 mRNA expression; the decrease observed for Hp and SAA3 mRNA in 2 out of 6 fat depots tested indicates local anti-inflammatory effects of CLA. No CLA effect was observed for the Hp serum concentrations and for hepatic Hp mRNA. Indeed, we confirmed liver as the main site of Hp production. For the prioritization of nutrient uptake towards the mammary gland, IS in other peripheral organs is knowingly reduced. The mRNA expression of the target genes related with IS, i.e. adiponectin (ADIPOQ), leptin (LEP), their receptors (LEPR, LEPRB, ADIPOR1, ADIPOR2), of two nuclear receptor isoforms (PPARγ, PPARγ2) and of two pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6) in s.c.AT and in liver from pluriparous cows was mostly decreased from day 21 prepartum to day 21 postpartum in s.c.AT except TNF-α; in liver increases were observed for LEPRB and ADIPOR2, and decreasing abundance for all other hepatic target mRNAs except TNF-α and ADIPOR1 which remained constant in this time. In later lactation, prepartum values were reached again and were largely maintained until wk 36. The groups treated with CLA or control fat differed detachedly in mRNA abundance of PPARγ, LEPRB and TNF-α in liver and of PPARγ2 in s.c.AT; cows of the CLA group had also higher insulin concentrations and reduced systemic IS persisting after the end of CLA supplementation. In primiparous cows, changes with the duration of lactation were observed for most of the target mRNAs (except LEP) but not in all tissues investigated; time course and direction of change were partly divergent between the different tissues. CLA treatment for 105 days decreased the mRNA abundance of ADIPOQ, ADIPOR2, PPARγ2 and TNF-α in v.c.AT and in the mammary gland. The results of these studies provide a longitudinal characterization of the expression of genes that are particularly related to AT as a heterogeneous functional regulator in lactating dairy cows. The known effect of CLA inhibiting milk fat synthesis might at least be partly explained by the down-regulation of PPARγ2 in the mammary gland observed herein. The importance of the CLA induced effects on IS for animal health can presently not be finally assessed due to lack of validated reference values for IS in high yielding dairy cows.

<strong>Charakterisierung von mit Insulinsensitivität und Entzündungsgeschehen in Verbindung stehenden Faktoren bei mit konjugierten Fettsäuren (CLA) oder einem Kontrollfett-Supplement gefütterten Milchkühen während der Laktation</strong><br /> Zur Kompensation des Energieverlustes über die Milch zu Beginn der Laktation müssen Körperreserven, vor allem Fett, mobilisiert werden. Diese metabolische Anpassung wird durch verschiedene Hormone reguliert. Im Gegensatz zu den „klassischen Hormonen“ die Geburt, Laktation und Stoffwechsel kontrollieren, ist die Bedeutung spezieller Signalmoleküle des Fettgewebes, den sogenannten Adipokinen, sowie deren Rezeptoren und verschiedener Kernrezeptoren bei Milchkühen bisher kaum untersucht. Insbesondere Daten zum Fettgewebe waren bislang primär auf das für Biopsien leicht zugängliche subkutane Fettgewebe limitiert, wobei die Lokalisation am Schwanzansatz im Fokus stand. Mögliche Unterschiede zwischen verschiedenen subkutanen Depots sowie zu den einzelnen viszeralen Depots waren dagegen nicht herausgearbeitet worden. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher die Charakterisierung der mRNA-Expression verschiedener Adipokine sowie verwandter Faktoren, welche einen Einfluss auf Insulinsensitivität (IS) und Entzündungsprozesse im Übergang von der späten Gravidität zur Laktation und danach während der Laktation haben. Zusätzlich sollte der mögliche Einfluss konjugierter Linolsäuren (CLA) oder eines Kontrollfettes (Supplementation von Tag 1 bis 105 bzw. 185 der Laktation) auf die Zielgene ermittelt werden. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf dem Fettgewebe (AT) unterschiedlicher Lokalisationen. Als Voraussetzung für die unternommenen Studien erfolgte zu Beginn die Etablierung geeigneter Referenzgene. Bei primi- und pluriparen Kühen wurde der zeitliche Verlauf der mRNA-Expression von zwölf Ziel- und sieben Referenzgenen charakterisiert. Bei pluriparen Tieren erfolgte die mRNA-Quantifizierung im subkutanen Fettdepot am Schwanzansatz sowie in der Leber; bei primiparen Kühen zusätzlich in zwei weiteren subkutanen sowie drei viszeralen Fettdepots, in der Skelettmuskulatur sowie in der Milchdrüse. Zwei Akute Phase Proteine (APP), Haptoglobin (Hp) und Serum Amyloid A3 (SAA3), wurden als neue Adipokine des Rindes identifiziert. Die mRNAs beider APP wiesen den gleichen Zeitverlauf mit einem Peak um den Geburtszeitraum auf; CLA beeinflusste weder die Hp- noch die SAA3 mRNA-Expression. Die sinkende Expression in zwei der sechs untersuchten Fettdepots deutet auf lokale anti-inflammatorische CLA-Effekte. CLA beeinflusste dabei weder die Hp-Serumkonzentrationen noch die mRNA-Expression in der Leber. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigten zudem die Leber als den Hauptort der Hp-Synthese. Um die Nährstoffaufnahme der Milchdrüse zu priorisieren, sinkt die IS der übrigen peripheren Organe. Die mRNA-Expression von mit IS in Bezug stehenden Zielgenen Adiponektin (ADIPOQ), Leptin (LEP), deren Rezeptoren (LEPR, LEPRB, ADIPOR1, ADIPOR2), zweier Kernrezeptorisoformen (PPARγ, PPARγ2), sowie zweier pro-inflammatorischer Zytokine (TNF-α, IL-6) zeigte mit Ausnahme von TNF-α im s.c.AT bei pluriparen Kühen eine Verringerung zwischen Tag 21 vor der Geburt des Kalbes und Tag 21 danach. In der Leber waren LEPRB und ADIPOR1 erhöht, während die übrigen Zielgene, ausgenommen TNF-α und ADIPOR1, welche konstant exprimiert waren, an Tag 21 postpartum im Vergleich zu Tag 21 antepartum eine verringerte mRNA-Expression aufwiesen. In der späten Laktation erreichten die Werte wieder das vorgeburtliche Niveau und blieben konstant bis Woche 36. Für die mRNA-Expressionen von PPARγ, LEPRB und TNF-α in der Leber und PPARγ im s.c.AT zeigten sich fütterungsbedingte Unterschiede. Die Versuchstiere der CLA-Gruppe wiesen zudem höhere Insulinkonzentrationen sowie eine reduzierte systemische IS auf, die über das Ende der CLA-Supplementation Bestand hatten. Bei primiparen Kühen zeigten sich für die meisten Zielgene (ausgenommen LEP) laktationsbedingte Veränderungen. Diese konnten jedoch nicht in allen Geweben nachgewiesen werden. Der zeitliche Verlauf sowie die Änderungsrichtung wiesen leichte Unterschiede zwischen den Geweben auf. Die CLA-Supplementation über 105 Tage verringerte die mRNA-Expression von ADIPOQ, ADIPOR2, PPARγ und TNF-α in v.c.AT sowie in der Milchdrüse. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit stellen eine longitudinale Charakterisierung der Expression von Genen zur Verfügung, die bei Milchkühen in Zusammenhang mit AT als funktionellem Regulationsorgan stehen. Der hemmende CLA-Effekt auf die Milchfettsynthese kann zumindest teilweise durch die hier ermittelte Down-Regulation von PPARγ in der Milchdrüse erklärt werden. Die Bedeutung der hier beobachteten, CLA-induzierten Effekte auf die IS in Hinblick auf die Tiergesundheit kann derzeit aufgrund fehlender Referenzwerte für die IS bei hochleistenden Milchkühen noch nicht endgültig bewertet werden.