Regulation of branched-chain amino acid metabolism in major metabolic tissues of dairy cows during late pregnancy and early lactation

Abstract

For dairy cows, the transition from late pregnancy to early lactation is characterized by dramatic changes in endocrine status, nutrient utilization as well as tissue metabolism. Specific metabolic processes, e.g., in adipose tissue (AT) thereby contribute to the physiological adaptation to the increased nutrient demands imposed by the onset of lactation. Even though AT is known to be a major site for regulating glucose and lipid metabolism, its role in systemic protein and amino acid metabolism in dairy cows is not clear. The branched-chain amino acids (BCAA) are taken up by the mammary gland in excess and are greatly used for the synthesis of (milk) protein as well as the supply of metabolic intermediates and energy. Their cellular transport and break-down are highly regulated key processes, involving the interaction of several metabolic tissues, one of them possibly AT. Yet, studies on the BCAA transporters or degrading enzymes in ruminant tissues are sparse. Thus, one aim of the present thesis was to characterize the potential capacity of bovine AT (along with liver, skeletal muscle and mammary gland) for BCAA metabolism during late gestation and early lactation by analyzing the tissue abundance (and activity) of the most relevant BCAA transporters and catabolic enzymes as well as the concentration of circulating BCAA on selected time points before and after parturition. Moreover, as high BCAA levels have been linked with obesity and certain metabolic dysfunctions such as impaired insulin sensitivity in mammals, we further aimed to investigate the effect of over-conditioning at calving on the aforementioned variables of BCAA metabolism. Overall, AT consistently had the greatest mRNA abundance of the BCAA transporters and the BCAA transaminating enzyme, branched-chain aminotransferase 2 (<em>BCAT2</em>) when compared to most other tissues, but expressed a rather low oxidative capacity for BCAA (more specifically their keto acids), indicating that AT could be an important site of BCAA uptake and initial degradation in dairy cows. Together with the marginal hepatic mRNA abundance of BCAA transporters and <em>BCAT2</em> and the high mRNA and protein abundance as well as activity of the subsequent oxidative enzyme in liver, the branched-chain α-keto acid dehydrogenase, it seems that BCAA are only degraded in the liver after being deaminated in peripheral tissues, most likely AT. Furthermore, we detected a decrease in circulating BCAA levels around parturition in our studies, which was associated with the reduced feed intake during this time. Both observations were more pronounced for cows that were over-conditioned at calving. Interestingly, despite the lower feed intake, those cows appeared to have a greater ability than normal-conditioned cows to irreversibly catabolize BCAA in AT, especially before parturition. It is likely that, due to a nutrient oversupply, the over-conditioned cows were in a more anabolic situation during late pregnancy and might have used BCAA metabolites in addition to glycolytic metabolites for synthesizing even more body fat. The present thesis thus provides information about a possible anaplerotic link between BCAA and lipid metabolism in AT of over-conditioned dairy cows and might serve as basis for further studies investigating the role of AT in systemic protein and AA metabolism in cattle during different physiological and pathophysiological conditions.

Der Übergang von der späten Trächtigkeit zur frühen Laktation ist bei Milchkühen mit drastischen Veränderungen des endokrinen Status, der Nährstoffverwertung sowie des Gewebestoffwechsels verbunden. Spezielle Stoffwechselprozesse, beispielsweise im Fettgewebe (AT), tragen dabei zur physiologischen Anpassung an den durch die einsetzende Laktation erhöhten Nährstoffbedarf bei. Obwohl die regulativen Funktionen des AT im Glukose- und Lipidstoffwechsel bereits bekannt sind, weiß man bisher wenig über dessen Rolle im systemischen Protein- und Aminosäurestoffwechsel bei Milchkühen. Die verzweigtkettigen Aminosäuren (<em>branched-chain amino acids</em>, BCAA) werden im Übermaß von der Milchdrüse aufgenommen und dort verstärkt für die Synthese von (Milch-) Protein sowie für die Zufuhr von Stoffwechselintermediaten und Energie verwendet. Der zelluläre Transport und der Abbau der BCAA sind intensiv regulierte Kernprozesse, welche die Interaktion verschiedener metabolischer Gewebe, darunter möglicherweise auch AT, erfordern. Bislang gibt es jedoch nur wenige Studien, in welchen die BCAA-Transporter oder die BCAA-abbauenden Enzyme auf Gewebeebene bei Wiederkäuern untersucht worden sind. Demzufolge war ein Ziel dieser Arbeit die potenzielle Kapazität von bovinem AT (neben Leber, Skelettmuskulatur und Euter) für den BCAA-Stoffwechsel während der späten Trächtigkeit und frühen Laktation zu charakterisieren. Dies erfolgte durch Analyse der Gewebeexpression (und -aktivität) der relevantesten BCAA-Transporter und katabolen Enzyme sowie durch Messung der BCAA-Konzentration in der Zirkulation an ausgewählten Zeitpunkten vor sowie nach der Kalbung. Ferner, da erhöhte BCAA-Konzentrationen in Verbindung mit Übergewicht und gewissen metabolischen Dysfunktionen wie beispielsweise einer verschlechterten Insulinsensitivität bei Säugetieren stehen könnten, war es ein weiteres Ziel, den Einfluss von Überkonditionierung zum Zeitpunkt der Kalbung auf die zuvor genannten Parameter des BCAA-Stoffwechsels zu untersuchen. Fettgewebe wies generell die höchste mRNA-Expression der BCAA-Transporter und des BCAA-transaminierenden Enzyms<em> branched-chain aminotransferase 2</em> (<em>BCAT2</em>) im Vergleich zu den meisten anderen Geweben auf, jedoch zeigte es eine recht geringe oxidative Kapazität für die BCAA (genauer deren Ketosäuren). Dies deutet darauf hin, dass AT von großer Bedeutung für die Aufnahme und den initialen Abbau von BCAA bei Milchkühen sein könnte. Zusammen mit der geringen hepatischen mRNA-Expression der BCAA-Transporter und der <em>BCAT2</em> sowie der erhöhten mRNA- und Proteinexpression und Aktivität des nachfolgenden oxidativen Enzyms, der<em> branched-chain α-keto acid dehydrogenase</em>, in der Leber, weist dies darauf hin, dass BCAA nur in der Leber abgebaut werden können nachdem sie in peripheren Geweben, höchstwahrscheinlich dem AT, deaminiert wurden. Des Weiteren wurde in den dargestellten Studien eine Verringerung der BCAA-Konzentrationen zum Zeitpunkt der Kalbung festgestellt, welche mit der zeitgleich reduzierten Futteraufnahme assoziiert wurde. Diese Beobachtungen waren bei Kühen, welche zum Zeitpunkt der Kalbung überkonditioniert waren, deutlicher ausgeprägt. Interessanterweise schienen diese Tiere, trotz der geringeren Futteraufnahme, ein höheres Vermögen zu besitzen, BCAA irreversibel im AT zu katabolisieren als normalkonditionierte Kühe. Dies traf insbesondere für die Zeit vor der Kalbung zu. Es ist denkbar, dass sich die überkonditionierten Kühe während der späten Trächtigkeit, aufgrund eines Nährstoffüberangebots, in einer mehr anabolen Stoffwechselsituation befanden und demnach zusätzlich zu glykolytischen Stoffwechselprodukten ebenfalls BCAA-Metabolite für den Aufbau von weiterem AT nutzen konnten. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen somit eine mögliche anaplerotische Verbindung zwischen BCAA- und Lipidstoffwechsel im AT überkonditionierter Milchkühe auf. Folglich dient diese Arbeit als essentielle Grundlage weiterer Untersuchungen, um die Funktionen des AT im systemischen Protein- und Aminosäurestoffwechsel bei Kühen in verschiedenen physiologischen und pathophysiologischen Stadien zu erforschen.