008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30529839
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a612
■1001  ▼aPszczolkowski,  Virginia  Loretta.
■24510▼aThe  Role  of  Metabolic  Signaling  in  Nutrient  Partitioning  During  Lactation▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bThe  University  of  Wisconsin  -  Madison.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(238  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  84-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Arriola  Apelo,  Sebastian  I.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  University  of  Wisconsin  -  Madison,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aThis  thesis  examines  the  hypothesis  that  metabolic  signaling  regulates  how  nutrients  are  partitioned  to  support  milk  synthesis  during  lactation,  with  particular  emphasis  on  the  dairy  cow.  First  we  explored  the  role  of  the  protein  complex  mTORC1,  a  cellular  hub  of  metabolic  regulation,  in  mediating  dietary  amino  acid  regulation  of  murine  lactation.  Kinase  activity  of  mTORC1  positively  regulates  cellular  anabolic  signaling,  including  protein  translation  and  fat  synthesis.  Amino  acids  are  both  the  substrate  for  protein  synthesis-including  milk  protein-and  intracellular  signaling  molecules  that  stimulate  mTORC1.  Feeding  lactating  animals  a  protein-restricted  diet,  therefore,  should  limit  the  substrate  supply  for  milk  synthesis,  as  well  as  reduces  anabolic  signaling  driving  that  synthesis.  Increasing  the  synthesis  of  milk  components,  by  definition,  means  that  those  components'  precursors  are  simultaneously  being  partitioned  to  the  synthesizing  tissue.  We  hypothesized  that  inhibiting  mTORC1  activity  would  reduce  lactation  performance  similarly  to  restricting  protein.  We  fed  lactating  mice  isoenergetic  diets  containing  adequate  protein  or  restricted  protein,  and  treated  half  of  the  adequate  protein  dams  with  the  mTORC1  inhibitor  rapamycin.  The  dams  receiving  rapamycin  under  an  adequate  protein  background  and  the  dams  receiving  the  protein-restricted  diet  all  exhibited  reduced  pup  growth  and  milk  production.  In  this  way,  we  demonstrated  that  pharmacologic  inhibition  of  mTORC1  mimics  dietary  protein  restriction  in  lactating  mouse  dams,  positioning  mTORC1  signaling  as  essential  in  milk  production  and  successful  lactation.Next,  we  further  examined  mTORC1  signaling  in  MAC-T,  an  immortalized  mammary  epithelial  cell  line.  Amino  acids  function  to  induce  mTORC1  localization  to  the  lysosome,  where  its  insulin-activated  binding  partner  Rheb  resides.  In  other  models,  it  has  been  established  that  in  order  for  mTORC1  activity  to  commence  following  amino  acid-driven  lysosomal  localization,  insulin  signaling  must  also  be  present.  We  hypothesized  that  this  was  also  the  case  in  MAC-T.  By  testing  the  response  in  mTORC1  activity  to  varying  concentrations  of  individual  amino  acids  and  insulin,  we  found  that,  out  of  the  10  essential  amino  acids,  only  Arg,  Ile,  Leu,  Met,  and  Thr  activate  mTORC1  signaling  in  MAC-T  cells,  and  that  this  activation  requires  concurrent  stimulation  by  insulin  for  greatest  response.  Following  the  establishment  of  which  amino  acids  best  interact  with  insulin  to  regulate  mTORC1  activity  in  a  mammary  epithelial  cell  line,  we  then  sought  to  test  this  interaction  in  lactating  cows.  We  hypothesized  that  the  combination  of  insulin  with  Leu  and  Met-two  of  the  amino  acids  identified  as  key  in  our  in  vitro  study-would  result  in  improved  mammary  utilization  of  nutrients  for  milk  synthesis.  In  this  cow  study,  we  raised  circulating  insulin  by  means  of  the  hyperinsulinemic-euglycemic  clamp,  and  increased  circulating  Leu  and  Met  by  abomasal  infusion.  We  found  that  the  simplicity  suggested  by  our  in  vitro  experiment  belies  the  complexity  of  lactation  in  a  cow:  there  was  no  interaction  between  insulin  and  the  amino  acids,  nor  did  either  treatment  independently  result  in  any  positive  effects  on  mammary  utilization  of  nutrients  or  milk  production.  We  did,  however,  observe  responses  in  plasma  concentrations  of  several  nutrients  and  metabolites,  including  free  fatty  acids  and  amino  acids,  which  were  reduced  in  response  to  insulin.  Insulin  is  a  particularly  complex  hormone  in  the  context  of  a  lactating  dairy  cow,  because  despite  the  necessity  of  insulin  signaling  for  cellular  metabolic  functions  like  mTORC1  activity  in  the  mammary  cells,  insulin  can  also  reduce  the  availability  of  nutrients  for  the  mammary  gland  by  inducing  uptake  in  non-mammary  tissues.  Because  we  did  not  see  evidence  that  the  free  fatty  acids  nor  amino  acids  decreased  in  circulation  were  being  utilized  by  the  mammary  glands  for  milk  synthesis,  it  is  likely  that  in  the  context  of  this  experiment,  insulin  instead  stimulated  nutrient  uptake  by  other  insulin  sensitive  tissues,  partitioning  nutrients  away  from  the  mammary  glands.As  insulin  partitions  nutrients  away  from  the  mammary  glands,  we  then  sought  to  investigate  the  effect  of  serotonin  in  nutrient  partitioning,  a  hormone  that  in  lactating  cows  has  been  shown  to  decrease  circulating  insulin  concentration,  act  as  an  autocrine-paracrine  regulator  of  mammary  and  calcium  homeostasis  in  lactation,  and  perform  a  variety  of  other  metabolic  roles  outside  of  lactation.  We  raised  peripheral  serotonin  in  lactating  cows  by  intravenously  infusing  them  with  the  serotonin  precursor  5-HTP  and  conducted  several  experiments  in  these  cows  over  the  course  of  three  weeks  to  investigate  how  serotonin  may  participate  in  nutrient  partitioning  to  the  mammary  glands.In  performing  an  intravenous  glucose  tolerance  test  on  the  cows,  we  determined  that  elevated  serotonin  both  reduced  the  insulin  response  and  blunted  the  decrease  in  free  fatty  acids  following  the  glucose  challenge,  without  altering  the  glucose  dynamics  themselves.  The  maintenance  of  normoglycemia  under  lower  insulin  conditions,  coupled  with  elevated  free  fatty  acids,  suggests  that  serotonin  stimulates  insulin-independent  glucose  disposal,  and  increases  free  fatty  acid  availability  for  mammary  gland  usage.  When  we  then  assessed  serotonin's  broader  effects  on  metabolic  function,  mammary  extraction  of  nutrients,  and  subsequent  milk  production,  we  found  transiently  decreased  circulating  insulin,  increased  circulating  free  fatty  acids,  and  increased  mammary  free  fatty  acid  extraction,  all  of  which  indicate  increased  free  fatty  acid  partitioning  to  the  mammary  glands.  This  partitioning  was  not,  however,  borne  out  in  improved  milk  production,  which  was  instead  decreased  in  concert  with  infusion  of  5-HTP.  Elevated  serotonin  also  increased  the  incidence  and  frequency  of  loose  manure  during  and  shortly  after  infusion,  in  line  with  its  known  effects  on  gut  motility,  and  reduced  feed  intake  in  a  manner  antithetical  to  the  support  of  lactation.  This  work  in  serotonin  may  have  been  limited  by  the  experimental  approach  used,  with  5-HTP  rather  than  serotonin  itself  administered  in  a  bolus  fashion,  potentially  driving  strongly  transient  effects  in  both  the  periphery  and  central  nervous  system.  This  could  effect  serotonergic  responses  that  are  disparate  from  what  is  possible  with  endogenous  mammary  serotonin  production  alone.Overall,  through  the  work  of  this  dissertation,  we  have  identified  the  importance  of  insulin  in  cellular  signaling  within  the  mammary  epithelial  cells  to  drive  milk  synthesis,  but  also  that,  within  the  physiologic  context  of  a  lactating  animal,  insulin  has  non-mammary  functions  that  may  contradict  its  signaling  role  in  mammary  cells,  reducing  substrate  availability  for  milk  synthesis.  As  with  insulin,  peripheral  serotonin  is  part  of  a  complex  system  that  can  yield  equally  complex  outcomes.  While  serotonin  can  improve  milk  substrate  availability  in  the  circulation  and  improve  the  mammary  extraction  of  some  of  those  substrates,  it  can  simultaneously  reduce  the  availability  of  other  substrates  by  limiting  their  availability  and  absorption  from  the  diet.  Broadly,  understanding  how  amino  acids,  insulin,  and  serotonin  interact  to  regulate  metabolism  function  during  lactation  will  better  position  lactation  physiologists  and  nutritionists  to  understand  and  manipulate  metabolism  during  lactation.  In  this  way,  this  work  advances  the  pursuit  of  improved  productive  efficiency  and  treatment  and  prevention  of  metabolic  disorders  in  dairy  cows.
■590    ▼aSchool  code:  0262.
■650  4▼aEndocrinology.
■650  4▼aPhysiology.
■650  4▼aMolecular  biology.
■650  4▼aBiochemistry.
■653    ▼aAmino  acids
■653    ▼aEnergy
■653    ▼aLactation
■653    ▼aMetabolism
■653    ▼aSerotonin
■653    ▼amTORC1
■690    ▼a0409
■690    ▼a0719
■690    ▼a0487
■690    ▼a0307
■71020▼aThe  University  of  Wisconsin  -  Madison▼bDairy  Science.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g84-12B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0262
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16933484▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024