Endocrine activity of adipose tissues as influenced by energy intake in the periparturient cow

Abstract

With the onset of lactation, dairy cows have to mobilize body reserves, mainly in form of fat, to cover the energy output via milk. Homeorhetic adaptations, achieved via the orchestrated actions of hormones, are necessary to ensure the nutrient drain towards the mammary gland. In contrast to the well examined hormones, e.g. growth hormone and prolactin, which are knowingly involved in the metabolic control during the transition period, the role of messenger molecules originating from adipose tissue (AT) (i.e. adipokines), their receptors as well as the role of other receptors and enzymes present in different adipose tissue depots was only scarcely investigated in dairy cows. The aim of this thesis was to characterize the serum concentration of three adipokines as well as the mRNA abundance and the protein expression of related factors in two different adipose tissue depots which are potentially involved in glucose and lipid metabolism during late gestation and early lactation. In addition, different amounts of concentrate as well as a dietary supplementation with nicotinic acid were tested for potential effects on the target variables. Using blood samples as well as samples of subcutaneous (SCAT) and retroperitoneal adipose tissue (RPAT) obtained from 20 pluriparous cows, the time course of 3 adipokines and of the mRNA abundance of eight different target genes as well as their potential relationship were characterized. Neither the amount of concentrate, nor the supplementary niacin had any influence on the variables examined herein. The adipokine apelin remained fairly constant and might thus not be suitable to predict insulin sensitivity during the transition period. Resistin increased towards parturition and returned to pre-calving levels within one week after parturition. Since this observation substantiates recently published results, resistin may qualify as a biomarker for metabolic adaptations. Receptors involved in the regulation of lipolysis, i.e. hydroxycarboxylic acid receptor 1 (<em>HCA₁</em>, a receptor for lactate) and 2 (<em>HCA₂</em>, a receptor for BHBA and niacin) and tumor necrosis factor α receptor 1 (<em>TNFR1</em>), showed different mRNA expression patterns between SCAT and RPAT and point to an AT depot-specific lipolytic regulation. The serum lactate concentrations were likely too low to activate the receptor and no correlation was observed between lactate and <em>HCA₁</em> mRNA abundance. The decreased <em>HCA₂</em> mRNA after parturition points to a lipolytic regulation at the level of receptor quantity, rather than via its endogenous ligand BHBA. The mRNA of the adiponectin receptors 1 (<em>AdipoR1</em>) and 2 (<em>AdipoR2</em>) decreased after parturition supporting a link to the reduced insulin sensitivity characteristically observed around calving. The higher <em>AdipoR1</em> mRNA abundance and the higher correlation between <em>AdipoR1</em> and <em>AdipoR2</em> mRNA in RPAT point to a tissue-specific regulation of insulin sensitivity. The decreased mRNA of nicotinamide phosphoribosyltransferase (Nampt) and the trend for a decreasing mRNA abundance of the NAD-dependent enzyme Sirtuin-1 (<em>SIRT1</em>) as well as the observed protein expression might contribute to the decreasing insulin sensitivity after parturition. PPARγ-co activator 1α protein expression at d 21 after parturition was higher in the animals receiving a low amount of concentrate. The highest correlation was observed between the mRNA abundances of <em>SIRT1</em> and <em>AdipoR1</em>. This indicates a functional relationship between these factors and point to a regulatory role in glucose metabolism during the transition period. The present dissertation serves as a basis for further studies elucidating the complex regulation of the metabolic adaptations during the transition period. To substantiate the present results, the variables investigated on the level of transcription herein should be further examined on the level of protein expression or, as for SIRT1, the enzyme activity should be assessed.

<strong>Endokrine Aktivität der Fettgewebe der Milchkuh im geburtsnahen Zeitraum unter Beeinflussung der Energiezufuhr</strong><br /> Zur Kompensation des Energieaustrags über die Milch sind Milchkühe zu Beginn der Laktation auf körpereigene Energiereserven angewiesen und mobilisieren diese hauptsächlich in Form von Fett. Um den Nährstofffluss zur Milchdrüse zu gewährleisten, finden komplexe, hormonregulierte Anpassungsreaktionen des Stoffwechsels statt. Im Gegensatz zu den „klassischen“ Hormonen wie Wachstumshormon und Prolaktin, die bekannterweise an diesen Anpassungsreaktionen beteiligt sind, wurde die Regulation der aus dem Fettgewebe stammenden Signalmoleküle, der Adipokine, deren Rezeptoren, sowie weiterer Enzyme und Rezeptoren in verschiedenen Fettdepots von Milchkühen bislang kaum untersucht. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die Serumprofile dreier Adipokine, sowie die mRNA- und Protein-Expression verschiedener, am Glukose- und Fettstoffwechsel beteiligter Variablen in zwei verschiedenen Fettdepots von der späten Trächtigkeit bis zur frühen Laktation charakterisiert. Zusätzlich wurden potentielle Effekte des Kraftfutteranteils in der Ration sowie einer Niacinsupplementation untersucht. Hierzu wurde anhand von Blutproben sowie Bioptaten von subkutanem (SCAT) und retroperitonealem (RPAT) Fettgewebe von 20 pluriparen Milchkühen die Serumkonzentration der Adipokine, die mRNA-Expression von 8 Zielgenen, die Proteinexpression zweier Zielgene, sowie mögliche Zusammenhänge zwischen den einzelnen Variablen untersucht. Weder der Kraftfutteranteil noch die Niacinsupplementation hatten einen Einfluss auf die Zielvariablen. Die Serum Apelin-Konzentrationen blieben weitgehend unverändert und eignen sich daher nicht zur Einschätzung der Insulinsensitivität während der Transitphase. Die Serum- Resistinkonzentrationen stiegen zur Kalbung hin auf den Höchstwert an und sanken innerhalb einer Woche zurück auf das vorgeburtliche Niveau. Die Korrelation mit den Plasma-NEFA Werten deutet auf eine Rolle in der lipolytischen Regulation hin, entsprechend könnte Resistin als Biomarker für die Stoffwechselreaktionen im geburtsnahen Zeitraum herangezogen werden. Verschiedene an der Regulation der Lipolyse beteiligte Rezeptoren, wie die Hydroxycarboxylsäure-Rezeptoren 1 (HCA₁, ein Rezeptor für Laktat) und -2 (HCA₂, ein Rezeptor für BHBA/Niacin) sowie Tumornekrosefaktor α Rezeptor 1 (TNFR1), zeigten unterschiedliche mRNA-Expressionsmuster zwischen SCAT und RPAT und weisen auf eine depot-spezifische Regulation der Lipolyse hin. Die gemessenen Laktatwerte waren vermutlich zu gering zur Aktivierung des <em>HCA₁</em>-Rezeptors und es wurde keine Korrelation zwischen <em>HCA₁</em> und Laktat beobachtet. Die verminderte <em>HCA₂</em>-mRNA nach der Kalbung deutet eher auf eine lipolytische Regulation auf Ebene der Rezeptorquantität, als auf Ebene des endogenen Liganden BHBA hin. Die mRNA-Expression der Adiponektinrezeptoren 1 (<em>AdipoR1</em>) und 2 (<em>AdipoR2</em>) zeigte eine Verringerung nach der Kalbung. Dies bekräftigt einen Zusammenhang mit der in diesem Zeitraum verminderten Insulinsensitivität (IS). Die höhere <em>AdipoR1</em> mRNA-Expression sowie die höhere Korrelation zwischen <em>AdipoR1</em> und <em>AdipoR2</em> in RPAT weisen auf eine depot-spezifische Regulation der Insulinsensitivität hin. Die mRNA- Verringerung der Nikotinamidphosphoribosyltransferase (Nampt) sowie der Trend für eine verminderte Expression des NAD-abhängigen Enzyms Sirtuin-1 (<em>SIRT1</em>) tragen möglicherweise ebenfalls zu der verminderten IS nach der Kalbung bei. Die PPARγ-co activator 1α Protein-Expression zeigte einen Trend hin zu einer postpartalen Erhöhung und könnte die Verringerung der IS abmildern. Die höchste Korrelation wurde zwischen SIRT1 und AdipoR1 ermittelt. Dies weist auf eine funktionelle Beziehung dieser Faktoren hin und deutet auf eine regulatorische Rolle im peripartalen Glukosestoffwechsel hin. Die vorliegende Dissertation kann als Basis für weiterführende Studien dienen, welche die komplexe Regulation des Stoffwechsels in der Transitphase erforschen. Zur Bestätigung der vorliegenden Ergebnisse und Hypothesen sollten die auf mRNA-Ebene untersuchten Variablen zukünftig auf Proteinebene untersucht werden, und insbesondere für SIRT1, die Enzymaktivität gemessen werden.