Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur energetischen Regulation des Leptinsystems bei der Ziege

Seybold, Christoph

 Leptin is known to be hormonally and nutritionally regulated. In human and rodents there is evidence that SCFA (short-chained fatty acids) alter leptin expression. In ruminant metabolism, depending on SCFA as fuel for the hepatic gluconeogenesis, these metabolic pathways are potentially important. This study aimed to investigate whether propionate influences leptin synthesis in goats. In a following trial, the correlation between leptin and insulin was further assessed. The regulation of these hormones is closely related. It was shown in monogastrics as well as in ruminants that leptin influences insulin secretion and sensitivity. Particularly between late pregnancy and the beginning of lactation, the pattern of hormones secreted and insulin sensitivity change. This change ought to be further characterised by means of hyperglycaemic and euglycemic-hyperinsulinemic clamps in dairy goats. In the first part, 9 castrated bucks were allocated to an intravenous infusion with either a propionate solution or an equimolar NaCl solution. After a pre-period of one hour, the following infusion started for up to 260 minutes. Frequent blood samples were taken regularly and the concentration of glucose was measured immediately. Further parameters were leptin, insulin and long-chained fatty acids (LCFA). Finally the animals were euthanised and tissue samples were taken from M. semitendinosus, liver, subcutaneous fat and perirenal fat. In the tissue samples gene expression was investigated. Therefore real-time RT-PCR assays for the assessment of leptin, leptin receptor, putative G-protein coupled receptor (GPR) 41 and 18S rRNA as internal standard were designed and validated. The investigation showed that mRNA of leptin and leptin receptor tended to be expressed at a higher rate in subcutaneous fat than in perirenal fat. Leptin mRNA was raised 3,2 fold by the propionate infusion in the perirenal fat. Leptin receptor mRNA was reduced significantly 4,2 fold. This points out the potential importance of leptin receptor in peripheral regulation of leptin that has only marginally been investigated yet. GPR41 mRNA abundance was higher in perirenal fat. By detecting a significant increase in subcutaneous fat, it could be shown that GPR41 is basically correlated to an increase of leptin through propionate infusion in goats. In the serum samples, the concentration profiles of hormones, glucose and LCFA were characterised. The increase of leptin mRNA was confirmed by a raise of leptin in the blood samples. Serum concentrations of insulin and glucose were different between the two groups with higher levels in the treatment group. The concentrations of LCFA were also different, but there was an initial decline in the propionate group. Finally the concentration reached the base level again. In the second part, the two intravenous clamps were performed in six dairy goats at about 25 days a.p. and 9 days p.p. The blood samples were assessed for glucose, insulin, LCFA and leptin. The results showed differences in glucose metabolism between pregnant and lactating goats. In pregnancy, glucose infusion increased insulin at a higher rate. The amount of glucose infused was metabolised more slowly. Accordingly, tissue sensitivity and metabolic clearance rate of insulin in lactating goats were higher. LCFA concentration was higher in lactation and was strongly affected by the infusions. In pregnant goats, leptin was evidentially influenced by the infusions, whereas there was no significant effect of the clamps during lactation. There was strong evidence that changes in metabolism induced by propionate infusion increased leptin synthesis in goats, embedded into a complex system of energetic regulation by fuel and hormones. The relationship between leptin, insulin metabolism and glucose metabolism around parturition is close and complex, thus confirming a prominent role in balancing insulin sensitivity and energy supply.

Von Leptin ist bekannt, dass es hormonell und durch die Nahrungszufuhr reguliert wird. Bei Menschen und Nagetieren konnte nachgewiesen werden, dass kurzkettige Fettsäuren (SCFA) die Leptinexpression verändern. Im Wiederkäuermetabolismus, der von SCFA als Substrat für die hepatische Glukoneogenese abhängt, sind diese Stoffwechselwege möglicherweise von großer Bedeutung. In dieser Studie sollte untersucht werden, ob Propionat bei Ziegen die Leptinsynthese beeinflusst. In einem weiteren Versuch sollte der Zusammenhang von Leptin und Insulin weiter untersucht werden. Die Regulation dieser beiden Hormone ist eng miteinander verbunden. Bei Monogastriern, wie auch bei Wiederkäuern, konnte gezeigt werden, dass Leptin einen Einfluss auf die Insulinsekretion und –sensitivität hat. Insbesondere im Wechsel von der Spätträchtigkeit zum Beginn der Laktation ändert sich das Hormonmuster und die Insulinsenstivität. Mit Hilfe von hyperglykämischen Clamps und euglykämisch-hyperinsulinämischen Clamps bei Milchziegen, sollte dieser Wechsel weiter charakterisiert werden. Im ersten Teil wurden 9 kastrierte Böcke mit einer Propionatlösung oder einer NaCl-lösung äquimolarer Konzentration intravenös infundiert. Nach einer einstündigen Vorperiode erfolgte die Infusion für bis zu 260 Minuten. In regelmäßigen Abständen wurden Blutproben entnommen und die Glukosekonzentration gemessen. Als weitere Parameter wurden Leptin, Insulin und langkettige Fettsäuren (LCFA) untersucht. Mit Ende der Infusion wurden die Tiere euthanasiert, und Gewebeproben aus M. semitendinosus, Leber, Subkutanfett und Perirenalfett entnommen. In den Gewebeproben wurde die Genexpression untersucht. Dazu wurden real-time RT-PCR-Assays für Leptin, Leptinrezeptor und für den putativen G-proteingekoppelten Rezeptor (GPR) 41, sowie für 18S rRNA als internen Standard, entwickelt und validiert. Die Untersuchung ergab, dass die mRNA von Leptin und von Leptinrezeptor tendenziell höher im Subkutanfett als im Perirenalfett exprimiert wird. Die Leptin-mRNA stieg im Perirenalfett tendenziell um das 3,2-fache während der Propionatinfusion. Die mRNA des Leptinrezeptors fiel signifikant um das 4,2-fache ab. Dies weist auf die bisher nur wenig untersuchte mögliche Bedeutung des Leptinrezeptors für die periphere Leptinregulation hin. Es wurde eine höhere GPR41-mRNA-Menge im Perirenalfett nachgewiesen. Durch den Nachweis einer signifikanten Erhöhung im Subkutanfett um das 12-fache, konnte gezeigt werden, dass der GPR41 bei Ziegen grundsätzlich im Zusammenhang mit einer Erhöhung von Leptin nach einer Propionatinfusion steht. In den Serumproben konnten die Konzentrationsverläufe der Hormone, Glukose und LCFA charakterisiert werden. Die Erhöhung der Leptin-mRNA wurde durch einen Anstieg von Leptin in den Blutproben bestätigt. Die Serumwerte von Insulin und Glukose unterschieden sich zwischen den beiden Gruppen, wobei in der Behandlungsgruppe die Werte höher lagen. Die LCFA-Werte unterschieden sich ebenfalls. Hier fielen allerdings die Werte in der Propionatgruppe initial ab, und errreichten zum Ende wieder dasselbe Niveau. Im zweiten Teil wurden an 6 Milchziegen ca. 25 Tage a.p. und 9 Tage p.p. die beiden intravenösen Clamps durchgeführt. Die Blutproben wurden auf Glukose, Insulin, LCFA und Leptin untersucht. Die Ergebnisse zeigten Unterschiede im Glukosestoffwechsel zwischen trächtigen und laktierenden Ziegen. In der Trächtigkeit ist die Insulinsekretion durch Glukoseinfusion höher, und die infundierte Glukose wird langsamer verstoffwechselt. Entsprechend war bei den laktierenden Ziegen die Gewebesensitivität und die metabolische Clearance Rate für Insulin höher. Die LCFA-Konzentration war in der Laktation erhöht, und unterlag größeren Schwankungen durch die Infusionen. Bei den trächtigen Ziegen wurde ein Einfluss der Infusionen auf die Leptinsekretion nachgewiesen. Es konnte hingegen kein signifikanter Effekt der Clamps während der Laktation nachgewiesen werden. Es bestehen klare Hinweise, dass die mit der Propionatinfusion induzierten metabolischen Veränderungen die Leptinsynthese bei Ziegen erhöhen, und dabei in ein komplexes System der energetischen Regulation durch Energiesubstrate und Hormone eingebettet ist. Das Verhältnis zwischen Leptin, Insulin- und Glukosemetabolismus um die Geburt ist ebenso eng wie vielschichtig, und bestätigt deren hervorragende Rolle im Ausgleich zwischen Insulinsensitivität und Energieversorgung.

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Seybold, Christoph: Untersuchungen zur energetischen Regulation des Leptinsystems bei der Ziege. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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