Nutritional strategies and their influence on the expression of nutrient sensing G protein-coupled receptors in adipose tissue of dairy cows

Abstract

Adipose tissue (AT) plays a central role in the regulation of metabolism at the onset of lactation as a major contributor of energy through the mobilization of nonesterified fatty acids. This time period is especially crucial, because the feed intake does not increase to the same extent as the energy requirements for milk synthesis. To improve the metabolic situation of dairy cows during this time, different nutritional interventions can be applied. A pivotal role in the coordination of metabolic processes is taken by nutrient sensing G protein-coupled receptors (GPCR), which can modulate, for example adipocyte metabolism as a consequence of the extracellular availability of nutrients. The main objective of this thesis was to study the effect of conjugated linoleic acids (CLA), nicotinic acid (NA) and dietary energy density on the mRNA expression of different GPCR relevant for nutrient sensing, namely the free fatty acid receptors (<em>FFAR</em>) <em>1,</em> <em>2</em>, and, <em>3</em> and hydroxycarboxylic acid receptor (<em>HCAR</em>) 2, in bovine AT. Additionally, this thesis investigated the difference in the mRNA expression of the aforementioned receptors between AT from subcutaneous (SC) and visceral (VC) locations. Moreover, their mRNA expression from late pregnancy up to the entire following lactation cycle with special emphasis on the transition period have been studied. For these purposes, separate feeding trials were conducted. In the CLA-1 trial, the mRNA abundance of <em>FFAR 1 </em>and<em> 2 </em>and<em> HCAR2</em> was measured in AT biopsies (SC AT from tail head) from multiparous cows (n=21) taken at d -21, 21, 105, 196, and 252 relative to calving. In the CLA-2 trial, the mRNA abundance of <em>FFAR 1, 2 </em>and<em> 3</em> and <em>HCAR2</em> was measured in AT samples from 3 SC depots (tail head, sternum, and withers) and from 3 VC depots (retroperitoneal [RP], mesenteric, and omental) from primiparous cows slaughtered at d 1 (n=5), 42 (n=10) and 105 (n=10) relative to calving. In both trials, the animals were allocated either to a group receiving CLA or to a group receiving a control fat supplement for the period of d 1 to 182 (CLA-1 trial) or d 1 to 105 (CLA-2 trial) of lactation. In the NA trial, 20 multiparous cows were divided into a group fed a diet supplemented with NA and a group fed a diet without supplemented NA. Half of each group was fed either a high-concentrate (HC, n=10) diet with a 60:40 concentrate-to-roughage ratio or a lowconcentrate (LC, n=10) diet with a 30:70 concentrate-to-roughage ratio on a dry matter basis from d 1 to d 21 relative to calving. The mRNA abundance of <em>FFAR 1, 2 </em>and<em> 3 </em>and <em>HCAR2</em> was measured in biopsies of SC AT (tail head) and RP AT obtained at d -21, 1 and 21 relative to calving. In all trials, the mRNA abundance of the target genes was measured by quantitative PCR. The effects of CLA on the investigated AT were limited to the mRNA abundance of <em>FFAR1</em> in the omental and RP AT of the primiparous animals (CLA-2 trial), whereby in both tissues the mRNA abundance of <em>FFAR1</em> was higher in the CLA-treated animals than in the control animals at d 105 relative to calving and in RP AT additionally at d 42 relative to calving. The supplementation of NA to the animals’ diet showed no influence on the herein investigated receptors’ mRNA expression in SC and RP AT. However, the mRNA abundance of <em>FFAR2</em> was altered due to the different energy densities of the diet fed the first three weeks after calving. At d 21 after calving, the FFAR2 mRNA abundance was 2.5-fold higher in the RP AT of the LC cows than in the HC cows. The expression of FFAR3 mRNA was inversely related to <em>FFAR2</em> mRNA, with a lower <em>FFAR3</em> mRNA abundance at d -21 than at d 1 relative to calving. The mRNA abundance of <em>HCAR2</em> in AT was not influenced either by the different applied nutritional strategies or by the progress of the transition period. In summary, the effects of the different nutritional strategies on the expression of the nutrient sensing receptors investigated herein were rare or, in the case of NA, absent. The results of the present thesis provide to the basic understanding of the regulation of <em>FFAR 1, 2 </em>and<em> 3</em> and <em>HCAR2</em> in different bovine AT at the level of transcription.

<strong>Einfluss verschiedener Fütterungsstrategien auf die Expression von<em> nutrient sensing</em> G-Protein-gekoppelten Rezeptoren im Fettgewebe der Milchkuh</strong><br /> Zu Beginn der Laktation, nimmt das Fettgewebe (AT) eine zentrale Rolle in der Stoffwechselregulation mit der Energiebereitstellung durch die Mobilisierung von nicht-veresterten Fettsäuren ein. Dieser Zeitraum ist besonders kritisch, da die Futteraufnahme nicht im gleichen Maß ansteigt wie der Energiebedarf für die Synthese der Milch. Zur Verbesserung der Stoffwechselsituation in dieser Zeit können verschiedene Fütterungsstrategien angewendet werden. Eine entscheidende Bedeutung in der Koordination von Stoffwechselprozessen spielen nutrient sensing G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR), welche imstande sind z.B. den Fettzellstoffwechsel der extrazellulären Verfügbarkeit von Nährstoffen anzupassen. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses einer Supplementation von konjugierten Linolsäuren (CLA), einer Supplementation von Nikotinsäure (NA) und von Futterrationen mit unterschiedlicher Energiedichte auf die mRNA-Expression verschiedener nutrient sensing GPCR, namentlich der freie Fettsäuren-bindenden Rezeptoren (<em>FFAR</em>) <em>1</em>, -<em>2</em> und -<em>3,</em> sowie des Hydroxycarbonsäuren-bindenden Rezeptors (<em>HCAR</em>) 2, im bovinen AT. Ebenfalls, wurden die Unterschiede zwischen subkutan (SC) versus viszeral (VC) lokalisiertem AT in der mRNAExpression der oben genannten Rezeptoren untersucht. Es wurde auch ihre mRNA-Expression von der späten Trächtigkeit bis zur folgen Laktation mit besonderem Augenmerk auf die Transitphase untersucht. Zu diesem Zweck erfolgten separate Fütterungsversuche. Im CLA 1-Versuch wurde die mRNA-Menge des <em>FFAR1, -2</em> und des <em>HCAR2</em> im SC AT (vom Schwanzansatz) pluriparer Tiere (n=21), welches an d 21 ante partum (a.p.), sowie an d 21, 105, 196, und 252 post partum (p.p.) entnommen wurden, gemessen. Zusätzlich wurde im CLA 2-Versuch die mRNA-Menge des <em>FFAR1, -2, -3 </em>und des <em>HCAR2</em> in Proben aus 3 SC Fettdepots (vom Schwanzansatz, vom Brustbein, vom Widerrist) und 3 VC Fettdepots (retroperitoneal [RP], mesenterial und omental) von primiparen Kühen gemessen, welche bei der Schlachtung an d 1 (n=5), d 42 (n=10) und d 105 (n=10) p.p. gewonnen wurden. In beiden Versuchen wurden die Tiere jeweils aufgeteilt in eine Gruppe, die ein CLA-Supplement oder eine Gruppe, die ein Kontrollsupplement von d 1 bis d 182 p.p. (CLA 1-Versuch) oder von d 1 bis d 105 p.p. (CLA 2- Versuch) erhielt. Im NA-Versuch wurden 20 pluripare Kühe aufgeteilt in eine Gruppe mit (n=10) und eine Gruppe ohne (n=10) NA-Supplementation des Futters. Je die Hälfte der Tiere einer Gruppe erhielt entweder eine Futterration mit einem hohen Kraftfutteranteil von 60 % und einem niedrigen Raufutteranteil von 40% (HC; n=10) oder mit einem niedrigen Kraftfutteranteil von 30 % und einem hohen Raufutteranteil von 70% (LC; n=10). Die Fütterung der verschiedenen Rationen bzw. die NASupplementation des Futters erfolgte von d 1 bis d 21 p.p. Die mRNA-Menge von <em>FFAR1, -2, -3, </em>and<em> HCAR2</em> wurde in Bioptaten aus dem SC AT (vom Schwanzansatz) und RP AT, welche an d 21 a.p., d 1 p.p. und d 21 p.p. entnommen wurden, quantifiziert. In allen Versuchen wurde die mRNA-Menge der Zielgene mittels quantitativer PCR gemessen. Ein Einfluss der CLA-Supplementation des Futters zeigte sich in Unterschieden in der <em>FFAR1</em> mRNA-Menge im omentalen und RP AT der primiparen Tiere, wobei die mRNA-Menge des FFAR1 in beiden AT höher an d 105 p.p. und im RP AT zusätzlich an d 42 p.p. in der CLA-Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe war. Die NA-Supplementation des Futters zeigte keinen Einfluss auf die mRNA-Expression der hier untersuchten Rezeptoren im SC und RP AT der Tiere. Allerdings zeigten die Futterrationen mit unterschiedlicher Energiedichte einen Einfluss auf die <em>FFAR2</em> mRNA-Expression. An d 21 p.p. war die <em>FFAR2</em> mRNA-Menge um ein 2,5-faches höher im RP AT der Kühe mit der LC-Futterration im Vergleich zu den Kühen mit der HC-Futterration. Die mRNA-Expression von <em>FFAR3</em> verhielt sich umgekehrt proportional zu der von <em>FFAR2</em>; mit einer niedrigeren <em>FFAR3</em> mRNA-Menge an d 21 a.p. im Vergleich zu d 1 p.p. Die mRNA-Menge von <em>HCAR2</em> in den untersuchten AT wurde weder von den verschiedenen Fütterungsstrategien beeinflusst, noch zeigte diese Veränderung im Verlauf der Transitphase. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die mRNA-Expression der hier untersuchten nutrient sensing GPCR durch die unterschiedlichen Fütterungsstrategien kaum beeinflusst wurde, wobei die Supplementation von NA keinerlei Einfluss zeigte. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum grundlegenden Verständnis der Regulation des <em>FFAR1, -2 </em>und<em> -3</em>, sowie des <em>HCAR2</em> in verschiedenen bovinen AT auf der Ebene der Transkription bei.