Untersuchungen zu genomweiten Veränderungen der Genexpression in der Leber von Sauen während der Laktation

Abstract

Während der Laktation ist der Metabolismus des weiblichen Organismus durch eine tiefgreifende Umstellung zugunsten der Milchsynthese charakterisiert. In der Literatur wird auf Basis zahlreicher Untersuchungen an laktierenden Kühen und bei Nagern bereits über umfangreiche Veränderungen der Genexpression in verschiedenen Geweben, unter anderem der Leber, dem zentralen Stoffwechselorgan berichtet. Kenntnisse bei laktierenden Sauen sind sehr begrenzt. Folglich sollte im Rahmen dieser Arbeit eine Übersicht über Veränderungen der Genexpression in der Leber laktierender Sauen erstellt werden. Mittels microarray-Analyse sollten zunächst Untersuchungen zu genomweiten Veränderungen im Genexpressionsprofil in der Leber durchgeführt werden. Des Weiteren war es Ziel, die Expression von Zielgenen der Transkriptionsfaktoren peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) und Nuclear factor erythroid-2(E2)-related factor 2 (Nrf2) mittels realtime RT PCR zu bestimmen. Dies sollte dem Nachweis einer möglichen Aktivierung dieser Transkriptionsfaktoren in der Leber von Sauen während der Laktation dienen. Mittels microarray-Analyse konnten in der Leber laktierender Sauen 632 differentiell regulierte Gene beobachtet werden. 331 Gene waren in ihrer Expression gesteigerte und 301 Gen in der Expression vermindert. Eine Vielzahl der gesteigert exprimierten Gene konnte dabei dem Fettsäuremetabolismus, dem Kohlenhydratmetabolismus, dem Aminosäurenmetabolismus, dem Citratzyklus und der Atmungskette zugeordnet werden. Zudem waren gesteigerte Expressionen von Genen der Akute-Phase-Reaktion zu beobachten. Des Weiteren konnte eine deutliche Reduktion der Expression von immunologisch wirksamen Strukturen des adaptiven Immunsystems und von fokalen Adhäsionsmolekülen beobachtet werden. Untersuchungen bezüglich einer Aktivierung des PPARalpha- und Nrf2-Signalweges zeigten deutlich gesteigerte Expressionen von Zielgenen der Transkriptionsfaktoren auf. Die Ergebnisse zeigen umfangreiche Veränderungen im Intermediärstoffwechsel auf. Diese lassen sowohl eine gesteigerte Stoffwechselaktivität und Energieproduktion als auch die Bereitstellung von Substraten für die Milchsynthese in der Milchdrüse vermuten. Zudem lassen die Ergebnisse der vorliegenden Studie auf eine Aktivierung des PPARalpha in der Leber laktierender Sauen schließen. Dies kann aufgrund der gesteigerten Expression von Zielgenen des Transkriptionsfaktors vermutet werden. Die hierbei anhand der Genexpressionsanalysen zu beobachtende Steigerung der Carnitinsynthese, des Carnitintransports und des Fettsäurekatabolismus deutet auf eine gesteigerte Energiegewinnung aus Fettsäuren während der Laktation hin. Anhand der gesteigerten Genexpression von Akute-Phase-Proteinen lässt sich ein inflammatorischer Status in der Leber von Sauen während der Laktation vermuten. Die verminderten Expressionen von Genen immunologisch wirksamer Strukturen des adaptiven Immunsystems deuten einen immunsuppressiven Effekt während der Laktation an. Die gesteigerte Expression von antiinflammatorisch und zytoprotektiv wirksamen Enzymen sowie Enzymen des Phase-II-Metabolismus deutet eine Aktivierung des Nrf2 in der Leber von Sauen während der Laktation an. Dies könnte dem Schutz des Lebergewebes vor oxidativen Schäden während inflammatorischer Zustände dienen. Die Ergebnisse dieser Studien geben zum ersten Mal einen Überblick über globale Veränderungen der Genexpression in der Leber laktierender Sauen. Über eine gezielte Beeinflussung vor allem der Signalwege des PPARalpha und des Nrf2 könnte in der Zukunft eine günstige Beeinflussung des Fettsäuremetabolismus und des Inflammationsgeschehens bei der laktierenden Sau erfolgen. Lactation is a physiological state which is characterized by profound changes in the maternal metabolism towards milk synthesis in the mammary gland. Present studies on dairy cows and rodents show remarkable adaptations of gene expression in different tissues, like the liver. In contrast to this extensive research, only limited information is available in lactating sows. To improve the understanding of adaptations in the liver of sows during lactation we conducted this study. A genome-wide transcript profiling in the liver of sows was performed, using the microarray-technology. Moreover the expression of known target genes of the transcription factors peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) and nuclear factor erythroid-2(E2)-related factor 2 (Nrf2) was analysed to investigate an activation of these transcription factors in the liver of sows during lactation. This was conducted using realtime RT-PCRUsing microarray-technology a total of 632 differentially expressed genes in the liver of lactating compared to non-lactating sows were identified. The expression of 331 genes was up-regulated and the expression of 301 genes was down-regulated. The multiplicity of up-regulated genes can be assigned to fatty acid metabolism, carbohydrate metabolism, amino acid metabolism, citric acid cycle and respiratory chain. Moreover there was an elevated expression of genes encoding acute-phase-proteins (APP). Genes encoding structures of the adaptive immune response and adhesion molecules were amongst the down-regulated genes. Regarding PPARalpha- and Nrf2-target genes, elevated expressions could be observed in the liver of sows during lactation. The results of the present study showed profound changes of the intermediary metabolism, which suggest an activation of metabolism and energy production in the liver of sows during lactation. Moreover a delivery of substrates towards milk synthesis can be discussed. Furthermore the transcription factor PPARalpha is activated in the liver of sows during lactation. This conclusion can be drawn from the elevated expression of known PPARalpha-target genes. The enhanced expression of genes involved in carnitine synthesis and fatty acid catabolism indicates an increased energy production from fatty acids in the liver of sows during lactation. In addition the increased expression of genes of APP suggests an inflammatory status in the liver of sows during lactation. However, the reduced expression of genes encoding the immunological structures, displays an immunosuppressive effect. Moreover the elevated expression of Nrf2 target genes suggests an activation of the transcription factor. These genes encode enzymes with antioxidative and cytoprotective properties and enzymes of metabolism phase II. One may suppose an adaptation of the metabolism to prevent oxidative damage of the liver resulting from the inflammatory status.For the first time the results of the present study give an overview about global changes in gene expression of the liver of sows during lactation. Targeting the signaling pathways of the transcription factors PPARalpha and Nrf2 may deliver new perspectives to advantageously influence the fatty acid metabolism and inflammatory events in the liver of sows during lactation.