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Untersuchungen zum Einfluss der Adipokine Adiponectin und Leptin auf das Wachstum porciner Skelettmuskelzellen in vitro

  • Sowohl für die Leistungsausprägung als auch die Gesundheit landwirtschaftlicher Nutztiere ist die relative Verteilung von Skelettmuskel- und Fettgewebe ein entscheidender Faktor. Entwicklungs- und Wachstumsprozesse werden neben gewebespezifischen Faktoren auch durch Wechselwirkungen zwischen beiden Geweben beeinflusst. Beim Menschen sind das Auftreten von Adipositas und die damit verbundene geringere Ausprägung der Muskulatur und Veränderung metabolischer Prozesse entscheidende Risikofaktoren für die Entwicklung von Krankheiten. Die Aufklärung der Regulation der Entwicklung von Muskel- und Fettgewebe ist daher ein wichtiges Anliegen der Nutztierforschung, aber auch der humanmedizinischen Forschung. Adiponectin und Leptin gehören zu den am besten untersuchten Adipokinen, wobei der Fokus hauptsächlich auf der Regulation der Fettsäureoxidation, des Glucosestoffwechsels und der Insulinsensitivität lag und liegt. Beide Faktoren können sowohl von Fett- als auch Skelettmuskelgewebe synthetisiert und sezerniert werden und somit physiologische Prozesse in beiden Geweben beeinflussen. In wenigen Studien, hauptsächlich durchgeführt am Muskel von Nagern, wurden unterschiedliche Ergebnisse gezeigt, die auf widersprüchliche Effekte (positiv, negativ oder nicht nachweisbar) der Adipokine auf das Muskelwachstum hinweisen. Die Wirkung beider Adipokine auf den Proteinstoffwechsel porciner Muskelzellen wurde bisher noch nicht beschrieben. Ebenso gibt es bislang keinen Nachweis für das Vorhandensein der spezifischen Rezeptorproteine für Adiponectin (ADIPOR1, ADIPOR2) und Leptin (LEPR) im Skelettmuskel des Schweins. Das Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit bestand in der Erforschung zellulärer und molekularer Prozesse der Regulation des Wachstums porciner Skelettmuskelzellen durch Adiponectin und Leptin. Es sollten erstmals 1) die direkte Wirkung beider Adipokine auf das Wachstum und die Differenzierung porciner Skelettmuskelzellkulturen und 2) die zugrundeliegenden Regulationsmechanismen unter Beteiligung wichtiger Signalwege des Energie- und Proteinstoffwechsels beschrieben werden. Aufgrund der Genexpression der spezifischen Rezeptoren für Adiponectin kann der porcine Skelettmuskel als Adiponectin-sensitives Gewebe betrachtet werden. Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass die Wirkungen von Adiponectin und Leptin auf proliferierende porcine Skelettmuskelzellen von den vorherrschenden Kulturbedingungen abhängig sind. Die Behandlung mit Adiponectin bei der Verwendung von serumfreiem aber Wachstumsfaktor-supplementiertem Medium resultierte in einer verminderten DNA-Syntheserate, welche auf Wechselwirkungen zwischen dem Adipokin und dem im Medium vorhandenen Wachstumsfaktor bFGF zurückzuführen war. Für Leptin konnte unter diesen Bedingungen nur eine kurzzeitige Hemmung der Proliferation porciner Muskelzellen beobachtet werden. Des Weiteren wurde die Wirkung von Adiponectin, aber nicht Leptin, auf die Prolfiferation porciner Myoblasten durch Ölsäure moduliert. Weiterhin zeigte sich, dass die Vitalität adipokinbehandelter Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollzellen unter serumfreien, wachstumsfaktor-supplementierten Bedingungen leicht verbessert war. Unter Niedrigserumbedingungen führten beide Adipokine zu einer gesteigerten DNA-Syntheserate, welche bei Leptin mit einer Verminderung der Zellzahl einherging. Im Gegensatz zu serumfreien Kulturbedingungen, unter denen die vorhandenen Wachstumsfaktoren die Zellen offensichtlich vor einem negativen Einfluss der Adipokine schützen, wurde bei der Verwendung von Medium mit niedrigem Serumgehalt eine verminderte Zellvitalität adipokinbehandelter Zellen beobachtet. Ein Einfluss von Adiponectin und Leptin auf den Proteinstoffwechsel differenzierender Kulturen konnte unter den verwendeten Kulturbedingungen nicht gezeigt werden. Weiterhin erhöhten Adiponectin und Leptin zwar den Differenzierungsgrad porciner Myoblasten in Form eines erhöhten Fusionsgrades, aber nicht bezüglich der Aktivität des Markerenzyms Creatinkinase. Die Untersuchungen verschiedener intrazellulärer Schlüsselsignalmoleküle zeigen erste Hinweise auf eine Beteiligung des p44/42 MAPK Signalweges an der Vermittlung der Adipokineffekte, obwohl dessen Aktivierung möglicherweise zu kurz ist, um eine langfristige stimulierende Wirkung auf downstream targets und somit auf physiologische Prozesse zu haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten zum einen einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Regulation von Wachstums- und Entwicklungsprozessen des Muskel- und Fettgewebes durch wechselseitige Beeinflussung. Zum anderen sind die beim Schwein gewonnenen Erkenntnisse aufgrund der dem Menschen ähnlichen Physiologie durchaus auf die Humanforschung übertragbar und somit ebenfalls für die Erforschung adipositas-assoziierter Erkrankungen beim Menschen relevant.
  • The relative distribution of skeletal muscle and adipose tissue is an essential factor for the expression of performance as well as health traits of domestic animals. Development and growth processes are not only influenced by tissue-specific factors but also by interactions between both tissue types. In humans, obesity and the associated reduction of muscularity and alterations of metabolic processes are critical risk factors for the development of diseases. Therefore, an elucidation of the regulation of muscle and adipose tissue development is an important task for animal science and human medical research. Adiponectin and leptin are among the most extensively characterized adipokines, especially in regard to their roles in fatty acid oxidation, glucose metabolism, and insulin sensitivity. Both adipokines can be synthesized in and secreted by adipose as well as skeletal muscle tissue and therefore, they can influence physiological processes in both tissues. A limited number of studies, mostly obtained with rodent muscle, reveal differing results which indicate contradictory (positive, negative, or hardly detectable) effects of adiponectin and leptin on muscle growth. The impact of both adipokines on the protein metabolism of porcine muscle cells has not been described yet. Furthermore, until now there is no evidence for the abundance of specific receptors for adiponectin (ADIPOR1, ADIPOR2) and leptin (LEPR) in porcine skeletal muscle on the protein level. The aim of this thesis was to investigate cellular and molecular processes of the regulation of porcine skeletal muscle cell growth mediated by adiponectin and leptin. For the first time, (1.) direct effects of adiponectin and leptin on growth and differentiation of porcine satellite cell cultures and (2.) the underlying regulatory mechanisms including important signaling pathways of the energy and protein metabolism were to be described. Due to the expression of ADIPOR1 and ADIPOR2 on mRNA and protein level, porcine skeletal muscle can be regarded as an adiponectin-sensitive tissue. The results showed that adiponectin and leptin action on proliferating porcine skeletal muscle cells depended on the culture conditions used. In growth factor-supplemented serum-free medium, adiponectin treatment led to a decreased DNA synthesis rate which resulted from interactions between the adipokine and the growth factor bFGF present in the medium. After incubation with leptin, porcine muscle cells only showed a short-term inhibition of proliferation under serum-free conditions. Furthermore, adiponectin but not leptin action on porcine myoblast proliferation was modulated by oleic acid. Regarding cell death, adipokine-treated cells showed an improved vitality compared to untreated control cells. Under low-serum conditions (1 % FBS), both adiponectin and leptin increased DNA synthesis rate, accompanied with a decrease in cell number in case of leptin. In contrast to serum-free but growth factor-supplemented conditions, under which the cells are protected against the negative impact of adipokines by growth factors, enhanced cell death was observed when cells were incubated in medium with low serum content. An influence of adiponectin and leptin on the protein metabolism of differentiating cultures could not be detected under the culture conditions used. Furthermore, adiponectin and leptin led to an increased differentiation in terms of myoblast fusion, but this could not be confirmed for the marker enzyme creatine kinase. Investigations of various intracellular signaling molecules supplied first evidence that the p44/42 MAPK signaling pathway is involved in mediating adipokine action, although its activation seems to be too short to yield long-term stimulatory effects on downstream targets and physiological processes. On the one hand, the results of this study significantly contribute to the clarification of regulatory mechanisms influencing growth and development processes of muscle and adipose tissue by reciprocal interaction. On the other hand, since the porcine resembles the human physiology, the findings of this study might also be relevant for investigations of obesity-related diseases in humans.

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Metadaten
Author: Katja Will
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001953-3
Title Additional (English):Investigations of the influence of the adipokines adiponectin and leptin on the growth of porcine skeletal muscle cells in vitro
Advisor:Prof. Dr. Jan-Peter Hildebrandt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/07/15
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/06/24
Release Date:2014/07/15
Tag:Adiponectin, Skelettmuskelzellen, porcin
GND Keyword:Adipokine, Deutsche Landrasse, Leptin, Skelettmuskel, Zellkultur, in vitro
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Zoologisches Institut und Museum
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 590 Tiere (Zoologie)