Regulation of adiponectin expression by <em>trans</em>-cinnamic acid and niacin in murine and bovine adipocytes <em>in vitro</em>

Abstract

Adipose tissue secretes multiple metabolically important proteins known as adipokines, one of the most abundant is adiponectin (AdipoQ). Known as an important modulator of glucose and fat metabolism, adipoQ is a key regulator of insulin sensitivity and thereby takes part in protection against the development of obesity and type 2 diabetes. Dairy cows undergo various metabolic changes during the transition period. This period from late pregnancy to early lactation is crucial for the potential development of many diseases and metabolic disorders. Energy requirements increase due to the nutrient demand of the fetus and mammary gland and cannot be covered by feed intake only. The negative energy balance is characterized by increased lipolysis and reduced insulin sensitivity in peripheral tissues. Due to its insulin-sensitizing effect, AdipoQ is not only of great interest in humans, but also for dairy cows during the transition period. Hence, strategies to improve synthesis and secretion of AdipoQ are of major interest in various species. Cinnamon is known to exert several beneficial effects by improving insulin sensitivity and lipid profiles and to increase AdipoQ concentrations. In this thesis we focused on the barely explored cinnamon compound <i>trans</i>-cinnamic acid (<i>t</i>CA) as potential AdipoQ ameliorant. In addition, Niacin (NIA) is known to decrease lipolysis and plasma NEFA levels in lactating cows and to increase AdipoQ concentration in rodents and may therefore have the ability to emend the metabolic situation of dairy cows during the transition period via improving AdipoQ. Since nicotinic acid (NA), a compound of NIA, as well as <i>t</i>CA are both ligands of the G-protein-coupled receptor (GPR)109A, not only the effects on AdipoQ were of interest but also the signaling pathway. Therefore, this thesis aimed to investigate the effects of <i>t</i>CA on AdipoQ secretion in murine 3T3-L1 adipocytes and to evaluate the changes in AdipoQ secretion and mRNA abundance of selected genes after supplementation with NA in bovine adipocytes. In addition, the involvement of the GPR109A in the signaling pathway towards AdipoQ was examined. Therefore, the murine and bovine adipocytes were pre-incubated with pertussis toxin (PTX), an inhibitor of Gi/Go protein coupling. Treatment with <i>t</i>CA increased AdipoQ concentrations significantly, but incubation with PTX decreased AdipoQ secretion. By this study we identified <i>t</i>CA as an influencing variable on AdipoQ, indicating <i>t</i>CA as effective compound of cinnamon, with the capability to improve glucose and fat metabolism. Furthermore, an involvement of GPR signaling, induced by <i>t</i>CA, was shown. After establishing a bovine primary cell culture model, the potential effect of NA on AdipoQ was tested. Treatment with NA increased both AdipoQ concentrations and the mRNA abundance of GPR109A. Pre-incubation with PTX reduced the AdipoQ response to NA. The NA-stimulated AdipoQ secretion and of GPR109A mRNA expression in bovine adipocytes were suggestive for GPR signaling-dependent improved insulin sensitivity in dairy cows. In addition, in both studies PTX pre-incubation AdipoQ concentrations were significantly decreased, but remained increased when compared to non-treated adipocytes. These observations contrast other findings that observed no increase in AdipoQ secretion after stimulation with NA and PTX in rat adipocytes. Therefore, we suggest, in addition to GPR signaling-dependent pathways, a GPR independent pathway in the regulation of AdipoQ secretion after stimulation with <i>t</i>CA and NA. This thesis identified two factors improving AdipoQ secretion in murine and bovine adipocytes. Furthermore, participation of GPR signaling as well as another GPR-independent,<i>t</i>CA/NA-induced pathway to stimulate AdipoQ was detected. These results may pave the way for further studies to understand and improve the metabolic changes during the transition period in bovine AT <i>in vitro</i> and may establish a basis for upcoming <i>in vivo</i> studies.

<strong>Regulation der Adiponektin Expression durch <i>Trans</i>-Zimtsäure und Niacin in murinen und bovinen Adipozyten <i>in vitro</i></strong><i></i><br /> Adiponektin (AdipoQ) ist eines der am häufigsten in der Zirkulation vorkommenden Adipokine und ein wichtiger Modulator des Fett- und Glucosestoffwechsels. Des Weiteren gilt AdipoQ als wichtige Einflussgröße in der Verbesserung der Insulinsensitivität und somit als Schutz vor der Entstehung von Übergewicht und Typ-2-Diabetes. Milchkühe sind in der sogenannten Transitionsperiode vielen metabolischen Veränderungen ausgesetzt. Dieser Zeitraum ist kritisch für die mögliche Entstehung verschiedener Erkrankungen wie z.B. Mastits, Metritis oder Ketose. Aufgrund des Nährstoffbedarfs des Fötus und der Milchdrüse steigt der Energiebedarf der Kuh so stark an, dass er die Futteraufnahme übersteigt. Folge dieser negativen Energiebilanz sind gesteigerte Lipolyse und reduzierte Insulinsensitivität in peripheren Geweben. Aufgrund seiner insulin-sensitivierenden Wirkung ist AdipoQ nicht nur für die Human-Forschung interessant, sondern auch für die Gesunderhaltung der Milchkühe während der Transitionsperiode. Zimt ist seit vielen Jahren dafür bekannt, einen positiven Einfluss auf Insulinsensitivität und Lipidstoffwechsel zu nehmen und die AdipoQ-Blut-Konzentration bei Mäusen zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde der Fokus auf <i>trans</i>-Zimtsäure (<i>t</i>CA) als AdipoQ-Stimulator gelegt, ein bis jetzt wenig beachteter Inhaltsstoff von Zimt. Darüber hinaus verringert das Vitamin Niacin (NIA) die Lipolyseaktivität bei laktierenden Kühen und erhöht AdipoQ bei Nagern. Es könnte daher die kritische Situation der Milchkühe während der Transitionsperiode durch eine Erhöhung des AdipoQ-Status verbessern. Da sowohl Nikotinsäure (NA), ein Bestandteil des NIA, als auch tCA Liganden des G-Protein-gekoppelten Rezeptors (GPR) 109A sind, war nicht nur der Effekt dieser beiden Substanzen auf AdipoQ von Interesse, sondern auch der Signalweg. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Einfluss von <i>t</i>CA auf die AdipoQ-Sekretion in murinen 3T3-L1 Adipozyten zu untersuchen und die Veränderungen auf die AdipoQ-Konzentrationen nach Stimulation mit NA in bovinen Adipozyten zu zeigen. Des Weiteren galt es, die Beteiligung des GPR109A als Signalweg zu charakterisieren. Dazu wurden die Adipozyten mit Pertussis-Toxin (PTX) vorinkubiert. Die Stimulation mit <i>t</i>CA steigerte signifikant die AdipoQ-Sekretion, die Behandlung mit PTX führte zu einer verringerten AdipoQ-Konzentration. Somit wurde <i>t</i>CA nicht nur als aktiver Bestandteil von Zimt identifiziert, sondern auch dessen Fähigkeit zur Verbesserung des Glucose- und Fettstoffwechsels gezeigt. Des Weiteren konnte eine <i>t</i>CA-induzierte Signalweiterleitung durch GPRs gezeigt werden. In einer bovinen Adipozytenzellkultur steigerte die Stimulation mit NA sowohl die Sekretion von AdipoQ als auch die mRNA Expression von GPR109A signifikant. Inkubation mit PTX verringerte die AdipoQ-Antwort auf NA. Diese NA-stimulierte Sekretion von AdipoQ und GPR109A-mRNA-Expression in bovinen Adipozyten deuten auf eine GPR-abhängige Verbesserung der Insulinsensitivität bei Milchkühen hin. Interessanterweise führte die Inkubation mit PTX in beiden Studien zu signifikant verringerten AdipoQ-Konzentrationen, jedoch immer noch erhöht im Vergleich zu nicht behandelten Adipozyten. Daher unterstellen wir neben einem GPR-abhängigen Signalweg zusätzlich eine GPR-unabhängige Signalweiterleitung bei der Regulation von AdipoQ. Diese Arbeit stellt zwei Faktoren vor, welche die Sekretion von AdipoQ in murinen und bovinen Adipozyten verbessern. Des Weiteren wurde sowohl die Beteiligung des GPR-Signalweges als auch eines GPR-unabhängigen, <i>t</i>CA/NA-induzierten Pfades zur Stimulation von AdipoQ gezeigt. Diese Ergebnisse könnten den Weg für weitere Studien zum Verständnis und zur Verbesserung der metabolischen Veränderungen während der Transitionsperiode im bovinen Fettgewebe <i>in vitro</i> ebnen und somit eine Grundlage für künftige <i>in vivo</i> Studien schaffen.