Untersuchung der zellulären Energieversorgung und Alterung in verschiedenen Geweben bei Milchkühen unter Berücksichtigung der Laktation | Investigation of cellular energy supply and aging in different tissues of dairy cows under consideration of lactation

Der Energiebedarf von Hochleistungskühen wird entscheidend von der Laktation geprägt und führt zu Veränderungen in der Energiebilanz (EB) und im Stoffwechsel. Sobald der Energiebedarf die über das Futter aufgenommene Energie übertrifft, mobilisieren hochleistende Milchkühe verstärkt ihre Körperreserven, vorallem von Fett. Während es nach dem Kalben und in der Frühlaktation (FL) vermehrt zur Fettmobilisierung (Lipolyse) kommt, findet in den späteren Laktationsphasen und in der Trockenstehzeit eine Fetteinlagerung (Lipogenese) statt. In der während der Lipolyse auftretenden Phase der negativen EB wirkt sich der Energiemangel auf die Energieversorgung der Zellen aus. Dabei wird ein großer Teil der zellulären Energieversorgung von den Mitochondrien, die ein eigenes Genom besitzen (mtDNA), bereitgestellt. Oxidative Schäden an der DNA der Mitochondrien, die durch eine langfristig hohe Stoffwechselbelastung (oxidativer Stress) hervorgerufen werden, können zu zellulären Fehlfunktionen und zur Beeinträchtigung des Energiestoffwechsels führen und den Alterungsprozess beschleunigen. Die Zellalterung kann einerseits über die DNA-Methylierung und andererseits durch Telomere gesteuert werden. Ziel dieser Arbeit war es, in einem ersten Versuch den Einfluss der Laktation und die Auswirkungen von oxidativem Stress auf die zelluläre Energieversorgung sowie auf den Alterungsprozess zu untersuchen und zu prüfen, ob diese Prozesse in einem Zusammenhang stehen. Ein weiterer Schwerpunkt bestand im zweiten Versuch in der Fragestellung, ob sich die Telomerlänge (TL) auch in der Nasenschleimhaut von Kühen mit zunehmendem Alter verkürzen und ob somit nichtinvasive Probenentnahmen in Form von nasalen Tupfern die invasiven Blutprobenentnahmen zur TL-Bestimmung bei Milchkühen ersetzen können. Für die Untersuchungen innerhalb des ersten Versuches wurden tragende Färsen (n = 8) mit einer Kontrollgruppe, die aus gleichaltrigen, nicht tragenden Färsen (n = 8) bestand, über einen Zeitraum von zwei Laktationen (Trächtigkeit (TK); 1. FL; 1. Spätlaktation (SL); 2. FL) miteinander verglichen. Den Tieren wurden Biopsien aus der Leber und dem subkutanen Fettgewebe im Bereich des Schwanzansatzes sowie Blutproben entnommen. In den Proben wurde oxidativer Stress, die Mitochondriendichte und -aktivität, Apoptose und die Adipozytengröße, die mtDNA-Kopienanzahl, die relative Anzahl an Telomerprodukten (qT) und die DNA-Methylierung (DNMT1, DNMT3a) untersucht. In einem zweiten Versuch, der in 3 Teilversuche untergliedert war, wurden 60 Tiere der Rasse Deutsche Holstein in 3 Versuchsgruppen eingeteilt. Die erste Gruppe bestand aus 20 Kälbern, die zweite Gruppe aus 20 Färsen und die dritte Gruppe aus 20 laktierenden Kühen mit der Laktationszahl 1 bis 3. Im 1. Teilversuch wurde bei allen 60 Tieren im Bereich der Nasenschleimhaut mit Hilfe von nasalen Tupfern Proben entnommen. Im 2. Teilversuch wurde die Kälbergruppe erneut mit nasalen Tupfern 6 und 18 Monate nach der ersten Probenentnahme (Teilversuch 1) beprobt. Im 3. Teilversuch wurden bei je 6 laktierenden Kühen der 2. und 3. Laktation 3 Monate nach der ersten Beprobung (Teilversuch 1) Milch-, Heparin-Vollblut- und nasale Tupferproben entnommen, um anschließend in den gesamten Proben die qT zu bestimmen. Die Ergebnisse des ersten Versuches zeigten, dass oxidativer Stress in Form einer gesteigerten Energieversorgung innerhalb der Zellen des Fettgewebes die Energieverfügbarkeit beeinflusst. Sowohl der mtDNA-Gehalt der Zellen des Leber- und Fettgewebes als auch die Adipozytengröße und die Apoptoserate im subkutanen Fettgewebe verändern sich laktationsbedingt, wobei die laktationsabhängige Adipozytengröße zu einer energetischen Unterversorgung der Zellen führt und dies im Zelltod endet. Eine Laktation bei Milchkühen hat im subkutanen Fettgewebe keinen Einfluss auf die TL und somit einem beschleunigtem Alterungsprozess, wohingegen die DNA-Methylierung im Leber- und Fettgewebe durch eine Laktation beeinflusst wird. Im zweiten Versuch zeigte sich, dass sich die TL mit zunehmendem Alter verkürzt, dass weibliche Kälber von Geburt an tendenziell mit längeren Telomeren ausgestattet sind als Männliche und dass die TL-Verkürzung umso größer ist, je länger die Ausgangs-TL ist. Nasale Tupferproben könnten im Gegensatz zu Milchproben eine nichtinvasive Alternative zur TL-Bestimmung bei Kühen darstellen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie geben nur einen begrenzten Einblick. Um die umfassenden Mechanismen der zellulären Energieversorgung bei Milchkühen zu verstehen und den Einfluss mehrerer Laktationen in weiteren Gewebearten zu untersuchen, sind zukünftige Studien notwendig. Auch eine größere Probenanzahl und weitere potenzielle nichtinvasive Alternativen, wie Haarproben, zur TL-Bestimmung sollten in nachfolgenden Studien berücksichtigt werden.

The energy requirements of high-performance dairy cows are significantly influenced by lactation and lead to changes in their energy balance (EB) and metabolism. As soon as their energy requirement exceeds the energy absorbed through feed, high-performance dairy cows mobilise their body fat reserves. While fat mobilisation (lipolysis) occurs increasingly after calving and during early lactation, fat storage (lipogenesis) takes place in the later lactation phases and in the dry period. During the phase of negative EB occurring during lipolysis, the cow´s energy deficiency affects the energy supply of the cells. A large part of the cellular energy supply is provided by the mitochondria, which have their own genome (mtDNA). Oxidative damage to the mitochondrial DNA caused by long-term high metabolic stress (oxidative stress) can lead to cellular malfunctions and impairment of the energy metabolism and thus accelerate the aging process. Cell ageing can be controlled by DNA methylation on the one hand and by telomeres on the other. The aim of the first experiment of this study was to investigate the influence of lactation, the effects of oxidative stress on cellular energy supply and on the ageing process, to check whether these processes are related. The second experiment focused on the question whether whether the telomere length (TL) in the nasal mucosa of cows also decreases with age and whether non-invasive sampling in the form of nasal swabs can replace invasive blood sampling for TL determination in dairy cows. For the investigations in the first experiment, pregnant heifers (n = 8) were compared with a control group consisting of non-pregnant heifers of the same age (n = 8) over a period of two lactations (pregnancy; 1st early lactation; 1st late lactation; 2nd early lactation). In addition to blood samples, tissue biopsies were collected from liver and subcutaneous adipose tissue from the tail stock region. In those samples, oxidative stress, mitochondrial density and activity, apoptosis and adipocyte size, amount of mtDNA copies, relative quantity of telomere products (qT) and DNA methylation (DNMT1, DNMT3a) were investigated. In a second experiment, which was subdivided into 3 partial experiments, 60 animals of the breed Deutsche Holstein were divided into 3 experimental groups. The first group consisted of 20 calves, the second group of 20 heifers and the third group of 20 lactating cows with the lactation numbers 1 to 3. In the first partial experiment, swab samples were taken from all 60 animals from the nasal mucosa. In the second partial experiment, the group of calves was additionally sampled with nasal swabs 6 and 18 months after the first sampling (partial experiment 1). In the third partial experiment, milk, heparinised whole blood and nasal swab samples were taken from 6 lactating cows of the 2nd and 3rd lactation, 3 months after the initial sampling (partial experiment 1), in order to subsequently determine the qT in all samples. The results of the first experiment showed that oxidative stress in the form of an increased energy supply within the cells of adipose tissue influences energy availability. Both the mtDNA content of the liver and adipose tissue cells, as well as adipocyte size and apoptosis rate in the subcutaneous adipose tissue change in correlation to lactation. The lactation-dependent adipocyte size leads to an energetic undersupply of the cells, which results in cell death. For the subcutaneous adipose tissue lactation has no influence on TL in dairy cows and thus an accelerated aging process, whereas DNA methylation in liver and adipose tissue is influenced by lactation. The second experiment showed that TL shortens with age, that female calves tend to have longer telomeres than male calves at birth, and that the initial TL is directly correlated to subsequent TL shortening: the longer the initial TL, the greater the TL shortening. In contrast to milk samples, nasal swab samples may be a non-invasive alternative for TL determination in cows. The results of the present study only give a limited insight in cellular energy supply and tissue aging in consideration of lactation. In order to understand the comprehensive mechanisms of cellular energy supply in dairy cows and to investigate the influence of several lactations in other tissue types, future studies are necessary. A larger number of samples and other potential non-invasive alternatives for TL determination, such as hair samples, should also be considered in subsequent studies.