Cellular energy supply and aging in dairy cows

Abstract

Lactation in dairy cows is accompanied by dramatic changes in energy balance and thus requires the continued adaption of the key organs, namely adipose tissue (AT), liver, and mammary gland to the varying conditions. The supply of energy by mitochondria, the “powerhouses” of the cell, therefore is of pivotal importance in dairy cows, because both the number of the mitochondria and the copy number of their own genome, the mitochondrial DNA (mtDNA), can change according to different physiological, physical and environmental stimuli. Moreover, determination of the length of telomeres, short repetitive DNA sequences at the end of chromosomes, has become a common method in human research to determine an individual’s physiological age. Due to the fact, that telomeres shorten with every cell division and this shortening is influenced by diet, metabolic stress, and diseases, telomere length (TL) in dairy cows might serve as a phenotypic biomarker for longevity. The aim of this dissertation was to characterize the effects of lactation and the influences of a 15-weeks period of diet-induced over-condition on mitochondrial biogenesis, variation of TL and on markers for oxidative stress in dairy cows. Furthermore, as lipogenic and lipolytic processes during lactation result in changes of AT mass, we aimed to investigate angiogenesis and hypoxia in AT after an excessive fat accumulation. The mtDNA content and TL in blood as well as in AT, mammary gland, and liver of primiparous (PP) and multiparous (MP) dairy cows were studied during early and late lactation. Furthermore, the expression of genes related to mitochondrial biogenesis was measured in tissue samples of these cows as well as in AT of over-conditioned, non-lactating dairy cows. The effects of over-condition on oxidative stress related changes in mtDNA content in non-lactating cows were also examined. From early to late lactation, tissue mtDNA copy numbers increased in all lactating cows in a tissue-specific manner, whereas blood mtDNA content decreased during this period. The highest mtDNA content found in liver emphasizes the crucial metabolic role of this organ in dairy cows. Also mRNA expression of mitochondrial biogenesis related genes changed tissue-dependently, whereby the transcriptional regulation of mtDNA was limited to AT. Strong correlations between blood and tissue mtDNA during early lactation were observed, suggesting blood mtDNA measurements for indirectly assessing the energy status of tissues and thus substituting tissue biopsies. Telomeres were only shortened in blood and mammary gland from early to late lactation and the rate of shortening was dependent on the initial TL in all investigated samples. Due to diet-induced over-condition, the markers for oxidative stress increased in non-lactating cows, which might in turn impair mtDNA. Furthermore, enlarged adipocytes showed signs of hypoxia, indicating insufficient angiogenesis in AT. The ascending mtDNA content might improve the energy supply and thus compensate the hypoxic condition in rapidly expanding AT. The results in the present dissertation provide a longitudinal characterization of mtDNA content and mitochondrial biogenesis as well as TL in different tissues and in blood from dairy cows during lactation. Therefore, this thesis serves as a basis for further studies elucidating the role and regulation of mitochondria and telomeres in various pathophysiological conditions in cattle.

<strong>Zelluläre Energieversorgung und Alterung in Milchkühen: Charakterisierung verschiedener physiologischer Stadien und Einfluss einer Fütterungs-induzierten Überkonditionierung</strong><br /> Die Laktation von Hochleistungskühen wird begleitet von beträchtlichen Veränderungen in der Energiebilanz der Tiere. Die hauptsächlich an der Laktation beteiligten Organe, Fettgewebe, Leber und Milchdrüse müssen sich daher kontinuierlich an die variierenden Bedingungen anpassen. Mitochondrien, die „Kraftwerke“ der Zellen, sorgen für eine ausgewogene Energieversorgung und sind daher ein wichtiger Bestandteil im Organismus von Milchkühen. Die Mitochondrienanzahl sowie die Kopienzahl des mitochondrialen Genoms, die mitochondriale DNA (mtDNA), kann sich entsprechend physiologischer, organischer und umweltbedingter Stimuli verändern. In den Humanwissenschaften ist die Bestimmung der Telomerlängen (TL) eine gebräuchliche Methode, um das physiologische Alter eines Individuums zu definieren. Telomere sind kurze, sich wiederholende DNA-Sequenzen an den Chromosomenenden, die sich mit jeder Zellteilung verkürzen. Zusätzlich wird die TL-Verkürzung durch Ernährung, metabolischen Stress und Erkrankungen beeinflusst. Demnach könnte die Bestimmung der TL auch in Milchkühen als Biomarker für die genetische Selektion auf Langlebigkeit von Bedeutung sein. Ziel dieser Dissertation ist es, den Einfluss der Laktation und die Auswirkung einer 15-wöchigen fütterungsbedingten Überkonditionierung auf die mitochondriale Biogenese, die TL und auf Marker von oxidativem Stress in hochleistenden Milchkühen zu charakterisieren. Der mtDNA-Gehalt und die TL im Blut sowie im Fettgewebe, Leber und Milchdrüse wurde bei primiparen (PP) und multiparen (MP) Milchkühen während der Früh- und Spätlaktation untersucht. Die Expression von Genen der mitochondrialen Biogenese wurde ebenfalls in den Gewebeproben dieser Tiere ermittelt, sowie im Fettgewebe von überkonditionierten, nicht-laktierenden Milchkühen. Da die während der Laktation ablaufende Lipogenese und Lipolyse Veränderungen in der Fettgewebsmasse verursachen, war ein weiteres Ziel dieser Arbeit, die Untersuchung der Angiogenese und Hypoxie im Fettgewebe nach einer exzessiven Fettanreicherung. Zusätzlich wurden die Auswirkungen einer Überkonditionierung auf die aus oxidativem Stress resultierenden Veränderungen des mtDNA-Gehaltes im Fettgewebe von nicht-laktierenden Kühen erforscht. Die mtDNA Kopienzahl in den überprüften Geweben hat sich von der Früh- zur Spätlaktation bei allen laktierenden Kühen gewebsspezifisch erhöht, während sich der mtDNA-Gehalt des Blutes in diesem Zeitraum reduzierte. Die essenzielle metabolische Rolle der Leber bei Milchkühen spiegelt sich durch den dort beobachteten höchsten mtDNA-Gehalt wider. Die mRNA Expression von mitochondrialen Genen war ebenso wie die mtDNA gewebsspezifisch verändert, wobei eine Regulation der mtDNA auf transkriptioneller Ebene nur im Fettgewebe eine Rolle zu spielen scheint. Aufgrund einer starken Korrelation zwischen dem mtDNA-Gehalt im Blut und dem in Geweben während der Frühlaktation, könnte die Messung der mtDNA im Blut ein potentielles Medium sein um den Energiestatus von Geweben widerzuspiegeln und Gewebebiopsien zu substituieren. Die TL haben sich nur im Blut und der Milchdrüse von der Früh- zur Spätlaktation verkürzt, wobei das Ausmaß der Reduktion in allen untersuchten Proben abhängig von den Ausgangs-TL war. Nicht-laktierende Milchkühe zeigten bei der fütterungsinduzierten Überkonditionierung erhöhte Konzentrationen an Indikatoren für oxidativen Stress, welche zu Schäden der mtDNA führen können. Des Weiteren wurde festgestellt, dass eine Vergrößerung der Adipozyten mit einer Hypoxie einherging, welche auf eine unzureichende Angiogenese im Fettgewebe hinweist. Daher lässt sich mutmaßen, dass ein Anstieg des mtDNA-Gehaltes die Energieversorgung in dem sich schnell vergrößernden Fettgewebe verbessert und damit die Hypoxie kompensiert werden kann. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation zeigen die Veränderungen des mtDNA-Gehaltes, der mitochondrialen Biogenese sowie der TL in verschiedenen Geweben und Blut von Milchkühen währen der Laktation. Somit dient diese Arbeit als Grundlage für weitere Untersuchungen, um die Rolle und Regulation von Mitochondrien und Telomeren in verschiedenen pathophysiologischen Stadien von Kühen zu erforschen.