Auswirkungen von Stress des Endoplasmatischen Retikulums in Rindernierenzellen

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Zellorganell eukaryotischer Zellen, in dem u.a. die Proteinfaltung stattfindet. Übersteigt das Proteinaufkommen im ER dessen Faltungskapazität, liegt ER-Stress vor.
In der Literatur ist beschrieben, dass in der Leber frühlaktierender Rinder ER-Stress-Gene verstärkt exprimiert werden. Bisher ist wenig über die Folgen von ER-Stress im bovinen Organismus bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Kenntnisse über die sensible Stoffwechsellage der Frühlaktation beim Rind zu erweitern, indem die Folgen von ER-Stress in der kommerziell erhältlichen Zelllinie der bovinen distalen Tubuluszellen Madin-Darby bovine kidney (MDBK) untersucht wurden.
Die Induktion von ER-Stress in MDBK-Zellen mit Tunicamycin (TM) und Thapsigargin (TG) wurde mittels real time detection polymerase chain reaction (RTD-PCR), DNA-Gelelektrophorese und Western Blot nachgewiesen. Es wurden die Einflüsse der Behandlungen auf die mRNA-Konzentration und Expression von Genen des Lipidstoffwechsels, von inflammatorischen und antioxidativen Genen erforscht. Weiterhin wurde die Expression von Genen, die für renale Transporter kodieren sowie von solchen, die für Enzyme und Metaboliten des Vitamin-D-Stoffwechsels kodieren analysiert. Die Untersuchung des Lipidstoffwechsels fokussierte sich auf die Lipidsynthese: es wurden sterol regulatory element binding protein (SREBP)-1-Zielgene sowie Gene, die für SREBP-Regulatorproteine kodieren untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass beide verwendeten ER-Stressoren zu einer signifikanten Expressionsminderung von SREBP1-Zielgenen führten, gleichzeitig aber die inhomogene Expression der Regulatorgene nicht im Einklang mit einer verminderten SREBP1-Aktivierung stand. Überraschend waren ebenfalls die Auswirkungen auf den inflammatorischen Signalweg des Nuklearfaktors (NF)-κB und seiner Zielgene, die vorwiegend eine Herrunterregulation der Entzündungsgene und -proteine zeigten. So waren auch die der antioxidativen Abwehr dienenden nuclear factor E2-related factor 2 (Nrf2)-Zielgene teilweise herunterreguliert. Verschiedene Gene, die für zelluläre renale Transporter kodieren, wurden ebenfalls untersucht. Allerdings war es nicht möglich, einen eindeutigen Zusammenhang zwischen ER-Stress und der mRNA-Expression renaler Transporter darzustellen, da die Ergebnisse vom ER-Stressor und den verschiedenen Transportern abhängig waren.
Nach diesen allgemeinen Recherchen zu den Auswirkungen von ER-Stressoren auf verschiedene zelluläre Signalwege wurde der bovine Vitamin-D-Stoffwechsel im Zusammenhang mit ER-Stress und Laktation tiefgründiger erforscht. Durch RTD-PCR und enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) wurde gezeigt, dass die Synthese der biologisch aktiven Form des Vitamin D3 in MDBK-Zellen durch Aktivierung der UPR hochreguliert worden war.
Aufgrund der interessanten Ergebnisse bezüglich des Vitamin-D-Stoffwechsels in MDBK-Zellen, wurden weitere Untersuchungen von Probenmaterial aus verschiedenen in-vivo Studien mit Milchkühen in der Frühlaktation durchgeführt. Eine Aktivierung von ER-Stress-Genen in der Leber sowie eine leicht hemmende Wirkung von Polyphenolen auf ER-Stress war in den Studien, die das Probenmaterial für die geplanten Analysen lieferten, nachgewiesen worden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression der 25-Hydroxylase in Leberproben untersucht: dieses hepatische Enzym, das der Aktivierung von Vitamin D dient, stieg eine Woche post partum (p.p.) an und fiel in den darauffolgenden Wochen wieder ab. Außerdem wurde im Plasma mittels Massenspektrometrie die Konzentration von Vitamin-D-Metaboliten ermittelt: während die Konzentration von 25-Hydroxyvitamin D2 ante partum (a.p.) signifikant höher war als im untersuchten postpartalen Zeitraum, stieg die Konzentration von 25-Hydroxyvitamin D3 zwischen der 3. Woche a.p. und der 14. Woche p.p. stetig an. Die Anreicherung der Futterration frühlaktierender Rinder mit polyphenolhaltigen Produkten hatte keine Auswirkungen auf den untersuchten Vitamin-D-Stoffwechsel.
Insgesamt ist es mit dieser Arbeit gelungen, allgemeine Kenntnisse zu den Auswirkungen von ER-Stressoren auf verschiedene Signalwege in einer bovinen Zelllinie zu gewinnen. Es konnte ein detailliertes Bild des bovinen Vitamin-D-Stoffwechsels im Zusammenhang mit ER-Stress und Laktation dargestellt werden. Dies ist ein wichtiger Schritt für ein besseres Verständnis der bovinen Stoffwechsellage während der Laktation und könnte zu einer gesteigerten Tiergesundheit während dieses sensiblen Zeitraums beitragen. In Folgestudien wäre es von Interesse, das Wissen zu den Auswirkungen von ER-Stress auf die untersuchten Stoffwechselwege beim Rind zu vertiefen und auf den Metabolismus in-vivo zu übertragen, um konkrete Ansätze für eine Verbesserung der Tiergesundheit während der Laktation zu finden.