Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Parameter des Muskelenergiestoffwechsels in genetisch differenten Schweinen

Petzold, Johanna

The present study was accomplished in order to characterize genetic principles of the relation between muscle structure and energy metabolism at molecular level. As animal model pigs of the races Pié­train and Leicoma differing in muscle growth and fat accretion were chosen. By means of histomorphometry, muscle structure traits of the Longissimus muscle (LD) were analyzed. In addition, the activities of two marker enzymes of energy metabolism, Isocitrate De­hydrogenase (ICDH) and Lactic Dehydrogenase (LDH) were determined. Using Northern Analysis, the levels of mRNA expression of the growth hormone receptor (GHR), the glucose transporter IV (GLUT4) and both a-isoforms of the 5’AMP-activated protein kinase (AMPK) were ascertained. A second experiment enfolded analyses of muscle structure, enzyme metabolism and gene expression in LD, diaphragm (ZF) and heart (HZ) muscle of eight pigs of nearly the same age, four animal per race. Thus, differences in mRNA-expression of the analyzed genes in muscles of different metabolic capacity could be examined semiquantitatively.  In the first experiment significant differences were found between the percentages of fibre area of the fast-twitch oxidative (FO) and the fast-twitch glycolytic (FG) type as well as fibre transverse-sectional area of FO fibres in the LD muscle between animals from both races. In addition, Piétrain pigs expressed a higher LDH activity in the LD muscle than Leicoma pigs. These distinctions between Leicoma and Piétrain pigs regarding morphological and functional criteria of the LD were not accompanied by differences in mRNA expression of GHR, GLUT4 and both a- isoforms of the 5’AMP-aktivated protein kinase (AMPK). Concerning this matter, significant differences between muscles were found: the m-RNA expres­sion levels of both a- isoforms of the AMPK and the GHR were highest in LD muscle and lowest in HZ, whereas mRNA expression levels of GLUT4 were highest in the ZF and lowest in the HZ muscle. Beside these absolute comparisons, correlation analyses assessed advice for relationships between morphological and functional traits and the results from the gene expression studies. So, relations between the mRNA expression of GHR, GLUT4 and AMPK and metabolism-related characteristics in LD, ZF and HZ were found revealing that traits of glycolytic me­tabolism correlated positively and traits of oxidative metabolism negatively with the m-RNA expression of the GHR. The m-RNA expression of GLUT4 correlated positively with oxida­tive and negatively with glycolytic metabolism traits in the LD muscle. For AMPK, the a1-isoform correlated negatively with the glycolytic fibre percentage and positively, for Leicoma pigs, with the FO fibre percentage and for Piétrain pigs with the SO fibre percentage in LD muscle. The expression of mRNA of the a2-isoform expressed no correlation with any mor­phological or functional trait in any of the three muscles, but with the mRNA expression of the a1-isoform in LD and ZF, and expression of GLUT4 in LD. To confirm the data regarding the fibre type-related m-RNA expression of the a1- isoform of the AMPK at protein expression level immunohistochemistry was carried out. By this, in LD muscle clear coexpression of the a1-isoform and type-I-myosin, which is found in particular in oxidative fibres in this muscle, was shown. Although the m-RNA expression did not differ between races, these results demonstrate the impact of GHR, GLUT4 and α1-AMPK for the relation between muscle structure and muscle energy metabolism in pigs.

Mit der vorliegenden Arbeit sollten genetische Grundlagen der engen Verknüpfung zwischen Muskelstruktur und Energiestoffwechsel auf molekularbiologischer Ebene näher charakteri­siert werden. Das zu diesem Zweck gewählte Tiermodell umfaßte Schweine der Rassen Piétrain und Leicoma, die hinsichtlich Muskel- und Fettansatz Unterschiede aufwiesen. Mit Hilfe der Histomorphologie wurden Merkmale der Muskelstruktur im M. longissimus (LD) dieser Schweine erfaßt. Zusätzlich erfolgte die Bestimmung der Aktivitäten zweier Leiten­zyme des Energiestoffwechsels, der Isozitratdehydrogenase (ICDH) und der Laktatdehydro­genase (LDH). Mittels Northern Analysen wurden die mRNA-Expressionsni­veaus von Wach­stums­hormonrezeptor (GHR), Glukosetransporter IV (GLUT4) und beiden α-Isoformen der 5’AMP-aktivierten Proteinkinase (AMPK) im LD der Tiere semiquantitativ ermittelt. Ein zweiter Versuch umfaßte Muskelstruktur-, Enzym- und Genexpressionsanalysen in LD, Zwerchfell (ZF) und Herzmuskel (HZ) von acht ausgewählten Schweinen etwa gleichen Al­ters (vier pro Rasse). Damit sollten Hinweise auf Unterschiede in der mRNA-Expression der untersuchten Gene in Muskeln mit unterschiedlichen metabolischen Eigenschaften gewonnen werden. Im ersten Versuch erwiesen sich die Strukturmerkmale Faserflächenanteil der fast-twitch oxi­dative- (FO)- und der fast-twitch glycolytic- (FG)-Fasern, sowie die Faserquerschnittsfläche der FO-Fasern im LD als signifikant verschieden zwischen den Tieren der beiden Rassen. Außerdem zeigten die Piétrain-Tiere eine signifikant höhere LDH-Aktivität im LD als die der Rasse Leicoma. Die Unterschiede zwischen den Leicoma- und Piétrain-Tieren bezüglich morphologischer und funktionelle Merkmale des LD waren nicht von Unterschieden bezüg­lich der mRNA-Expres­sion von GHR, GLUT4 und den beiden α-Isoformen der AMPK be­gleitet. Diesbezüglich fanden sich jedoch signifikante Unterschiede zwischen den Muskeln: die mRNA-Expression von beiden  α-Isoformen der AMPK und des GHR war im LD am höch­sten und im HZ am niedrigsten, während GLUT4-mRNA im ZF am höchsten und im HZ am niedrig­sten exprimiert wurde. Neben diesen absoluten Vergleichen konnten mit Hilfe von Korrelationen Hinweise auf di­rekte Beziehungen zwischen morpho-funktionellen Merkmalen und den Ergebnissen der Ge­nexpressionsstudien erarbeitet werden. So zeigten sich Beziehungen zwischen mRNA-Expression von GHR, GLUT4 und AMPK und Stoffwechsel-assoziierten Merkmalen in LD, ZF und HZ insofern, als daß Merkmale gly­kolytischen Stoff­wechsels positiv und Merkmale oxidativen Stoffwechsels negativ mit der GHR-mRNA-Ex­pression korreliert waren. Demgegenüber korrelierte die GLUT4-mRNA-Expression im LD positiv mit oxidativen und negativ mit glykolytischen Merkmalen. Auch die Expression der α1-Isoform der AMPK korrelierte innerhalb des LD negativ mit dem gly­kolytischen Faseranteil und positiv mit dem FO-Faseranteil (Leicoma) bzw. dem slow-twitch oxidative- (SO)-Faseranteil (Piétrain). Die mRNA-Expression der α2-Isoform korre­lierte in keinem der drei Muskeln mit morphologischen oder funktionellen Merkmalen, dafür jedoch mit der Expression der α1-Isoform in LD und ZF, sowie mit der des GLUT4 im LD. Ebenso fand sich eine positive Korrelation zwischen α1-Isoform- und GLUT4-mRNA-Ex­pression im ZF. Zuletzt wurde mittels Immunhistochemie überprüft, inwieweit sich die Hinweise der mRNA-Expressionsdaten auf eine fasertypenassoziierte Expression der α1-Untereinheit der AMPK auf Ebene der Proteinexpression bestätigen ließen. Diese Versuche zeigten im LD deutliche Koexpression der α1-Isoform mit dem Typ-I-Myosin, das in diesem Muskel in der Regel von oxidativen Fasern exprimiert wurde. Obwohl sich die mRNA-Expressionsniveaus dieser Gene zwischen den Rassen nicht unter­schieden, weisen diese Ergebnisse auf eine Bedeutung von GHR, GLUT4 und α1- AMPK für die Beziehung zwischen Muskelstruktur und Muskelenergiestoffwechsel in Muskeln des Schweines hin.

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Petzold, Johanna: Parameter des Muskelenergiestoffwechsels in genetisch differenten Schweinen. Hannover 2006. Tierärztliche Hochschule.

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