Establishment of an experimental model for dairy cows of divergent peripartal mobilization of body reserves: Profiling circulating steroid hormones and the mRNA abundance of steroid metabolizing enzymes in liver and in adipose tissue

Abstract

The lactation cycle of dairy cows is characterized by physiological, metabolic, and endocrine changes that also affect adipose tissue (AT) function and portion. These changes include lipogenesis during periods of nutrient excess and lipolysis during periods of energy deficit. In addition to storing and providing energy, the AT is an important endocrine organ that is considered as a major reservoir of lipophilic steroid hormones which are locally converted by steroidogenic enzymes. Besides the naturally occurring mobilization of body reserves after parturition, cows that are over-conditioned before calving (a.p.) mobilize more fat after calving (p.p.) compared to normal conditioned cows along with an increased release of lipids from AT into the circulation. Consequently, stored steroid hormones may also enter the circulation. To gain insights into how varying degrees of post partum lipolysis affects steroid metabolism in dairy cows, we compared pluriparous cows with high (HBCS, N = 19) and normal body condition (NBCS, N = 19) a.p. Differences in body condition score (BCS) and backfat thickness (BFT) were maintained throughout the entire observation period from 7 weeks a.p. until 12 weeks p.p. The metabolic status was further characterized by assessing the energy status and milk yield together with the circulating concentrations of several metabolites and metabolic hormones. The HBCS cows had consistently higher serum concentrations of fatty acids and of ß-hydroxybutyrate p.p., indicating higher body fat mobilization and ketogenesis compared to NBCS cows. The concentration of 19 steroids in blood and 17 steroids in subcutaneous AT (scAT) were quantified using a targeted metabolomics approach. Further, the mRNA abundance of five steroidogenic enzymes was assessed in liver and scAT samples collected in week -7, 1, 3, and 12 relative to calving. The concentrations of both scAT-accumulated and circulating steroids followed a comparable periparturient time course and were also influenced by parity. Increased lipolysis in HBCS cows p.p. was associated with greater concentrations of circulating androgens and progestins, which may reflect the release of these steroids from AT. Conversely, glucocorticoid concentrations were up to 3.5-fold higher in scAT of NBCS than in HBCS cows p.p.; however, the underlying mechanism of origin remains elusive and requires further validation. The results of this work indicate that local steroid conversion in bovine AT is initiated by the steroidogenic enzymes steroid 21-hydroxylase and 17-ß-hydroxysteroid-dehydrogenase type 12 (HSD17B12). The increased hepatic mRNA abundance of HSD17B12 in HBCS relative to NBCS cows 7 weeks a.p. supports the notion that HSD17B12 may be involved in lipogenic processes. The present thesis provides first insights into the complex metabolism of endogenous steroid hormones in AT and blood of dairy cows differing in the intensity of lipomobilization after parturition, and provided a sound animal model for further research in this field.

Der Laktationszyklus von Milchkühen ist durch physiologische, metabolische und endokrine Veränderungen gekennzeichnet, die auch die Funktion und Anteil des Fettgewebes (AT) beeinflussen. Diese Veränderungen umfassen die Lipogenese in Zeiten eines Nährstoffüberschusses und die Lipolyse in Zeiten eines Energiedefizits. Neben der Speicherung und Bereitstellung von Energie ist das AT ein wichtiges endokrines Organ, das als wesentliches Reservoir für lipophile Steroidhormone angesehen wird, die lokal durch steroidogene Enzyme metabolisiert werden. Neben der natürlich vorkommenden Mobilisierung von Körperreserven nach der Geburt, weisen Kühe, die vor dem Kalben (a.p.) überkonditioniert waren nach der Kalbung (p.p.) eine erhöhte Fettmobilisierung im Vergleich zu normal konditionierten Kühen auf, einhergehend mit einer erhöhten Freisetzung von Lipiden aus dem AT in den Blutkreislauf. Folglich können auch gespeicherte Steroidhormone in den Blutkreislauf gelangen. Um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie unterschiedliche Ausprägungen der postpartalen Lipolyse den Steroidstoffwechsel von Milchkühen beeinflussen, wurde ein Tiermodell etabliert, welches pluripare Kühe mit hoher (HBCS, N = 19) und mit normaler Körperkondition (NBCS, N = 19) a.p. vergleicht. Die Unterschiede in der Körperkondition (BCS) und der Rückenfettdicke (BFT) wurden über die gesamte Beobachtungszeit von sieben Wochen a.p. bis 12 Wochen p.p. aufrechterhalten. Die Stoffwechselsituation der Tiere wurde weiterhin durch den Energiestatus und die Milchleistung einhergehend mit den Gehalten verschiedener Metabolite und Stoffwechselhormone im Blut charakterisiert. Nach der Kalbung wiesen HBCS-Kühe höhere Serumkonzentrationen von Fettsäuren und ß-Hydroxybutyrat auf, welches auf eine höhere Körperfettmobilisierung und Ketogenese im Vergleich zu NBCS-Kühen hinweist. Die Konzentrationen von 19 Steroiden im Blut und 17 Steroiden im subkutanem AT (scAT) mit einem gezielten Metabolomics-Ansatz quantifiziert. Zudem wurde die mRNA-Abundanz von fünf steroidogenen Enzymen in Leber und scAT Gewebeproben gemessen, die in den Wochen -7, 1, 3 und 12 relativ zum Kalben entnommen wurden. Die Konzentration AT-akkumulierter und zirkulierender Steroide zeigte einen vergleichbaren peripartalen Zeitverlauf, welche darüber hinaus von der Parität der Kühe beeinflusst wurde. Höhere Konzentrationen an zirkulierenden Androgenen und Gestagenen bei HBCS- versus NBCS-Kühen, wiesen auf eine vermehrte Freisetzung von Steroiden aus der erhöhten AT-Mobilisierung p.p. hin. Demgegenüber waren die Glukokortikoid-Konzentrationen im scAT von NBCS-Kühen p.p. bis zu 3,5-fach höher im Vergleich zu HBCS-Kühen; der zugrundeliegende Entstehungsmechanismus hierfür ist jedoch nicht eindeutig zu erklären und bedarf weitere Untersuchungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass eine lokale Steroidkonversion im bovinen AT durch die steroidogenen Enzyme Steroid 21-Hydroxylase und 17-ß-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 12 (HSD17B12) initiiert wird. Die erhöhte mRNA-Abundanz von HSD17B12 in der Leber bei HBCS- im Vergleich zu NBCS-Kühen 7 Wochen a.p. unterstützt die Annahme, dass HSD17B12 an lipogenen Prozessen beteiligt sein könnte. Die vorliegende Dissertation gibt erste Einblicke in den komplexen Stoffwechsel endogener Steroidhormone im AT und Blut von Milchkühen, welcher sich in der Intensität der Fettmobilisierung nach der Kalbung unterscheidet und bietet mit dem etablierten Tiermodell eine solide Grundlage für weitere Forschung auf diesem Gebiet.