Eine neue Form der Pyruvatkinase in Säugerspermien

Nach Homogenisation ejakulierter Eberspermien und Zentrifugation des Homogenates blieben mehr als 60% der Aktivität des glykolytischen Enzyms Pyruvatkinase (PK) an Zellfragmenten im Sediment gebunden. Diese strukturgebundene PK wurde als PK-S bezeichnet. Das Detergenz Triton X-100 führte nicht zur Ablösung der PK-S; mit Trypsin konnten jedoch rund 80% der PK-S ohne Verlust an Aktivität von den Strukturen gelöst und durch kombinierte Kationenaustausch- und Hydrophobizitätschromatographie gereinigt werden (spezifische Aktivität: 116,7 U/mg Protein). Die lösliche PK aus Eberspermien konnte ebenfalls durch ein ähnliches Verfahren angereichert werden. Im Gel (SDS-PAGE) zeigten die Untereinheiten der PK-S mit 64.400 eine geringfügig größere relative Molekülmasse als die der PK-M1 aus Kaninchenmuskel (62.000). Die kinetischen Eigenschaften der abgelösten PK-S als auch der noch an Spermienstrukturen gebundenen PK-S und der löslichen PK aus Eberspermien waren sehr ähnlich und entsprachen der M1-Isoform der PK. Antikörper gegen Kaninchenmuskel-PK (Anti-PK-M1) reagierten auch mit der löslichen PK und der PK-S aus Eberspermien. Edman-Abbau der ersten 19 Aminosäuren zeigte, dass die tryptisch abgelöste PK-S am N-Terminus um 5 Aminosäuren gegenüber nativer PK-M1 verlängert ist, während der C-Terminus der erhaltenen PK-S-Sequenz mit einem meist nahe dem N-Terminus gelegenen Sequenzabschnitt der PK-M1 und -M2 übereinstimmt. Die N-terminale Verlängerung der nativen PK-S enthält sicherlich mehr als die nach tryptischer Lyse nachgewiesenen 5 Aminosäuren. Vergleiche der Aminosäure- und übersetzten Nukleotidsequenzen sowie die kinetischen Eigenschaften lassen vermuten, dass die PK-S, wie die PK-M1 und PK-M2, vom PKM-Gen codiert wird. Gegen die gereinigte PK-S wurden Antikörper in Kaninchen produziert. Da das Antiserum nicht ausreichend spezifisch für PK-S war, wurden aus ihm affinitätschromatographisch Antikörper (Anti-PK-S) isoliert, die hohe Affinität zu einem synthetisierten PK-S-Peptid (13 N-terminale Aminosäuren der tryptisch abgelösten PK-S) hatten. Dieses Anti-PK-S-Präparat war spezifisch für PK-S; es reagierte weder mit Kaninchenmuskel-PK noch mit löslicher PK oder anderen Proteinen aus Eberspermien. Anti-PK-S und Anti-PK-M1 wurden zur Lokalisierung von PK-S und löslicher PK in Spermien von Eber, Bulle und Mensch sowie in Schnitten von Eberhoden eingesetzt. Mit Anti-PK-S wurden der Bereich des Akrosoms und das lange flagellare Hauptstück sowie der Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück von Eberspermien fluoreszenzmarkiert, wogegen das kurze, die Mitochondrien enthaltende Mittelstück des Flagellums und der postakrosomale Kopfbereich nur mit Anti-PK-M1 markiert wurden. Immunogoldmarkierung in elektronenmikroskopischen Bildern bestätigte die Lokalisierung von PK-S im Akrosombereich. Im Hauptstück banden Anti-PK-M1 und Anti-PK-S an die fibröse Scheide. Glyzerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) konnte von mir ebenfalls im Akrosombereich, im Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück und an der fibrösen Scheide detektiert werden. Auch an Bullen- und Humanspermien konnte über Immunogoldmarkierung PK und vermutlich GAPDH an der fibrösen Scheide gezeigt werden. Im Akrosombereich dieser Spermien waren die Nachweise von PK und GAPDH jedoch nicht sicher. In Eberhodenschnitten war die PK-S erstmals, oder zumindest vermehrt, in den elongierenden Spermatiden über Fluoreszenzmarkierung nachweisbar, während andere, vermutlich somatische PK vermehrt in den früheren Stadien (Spermatogonien, aber auch in den Spermatozyten und runden Spermatiden) auftrat. Für die GAPDH zeigte sich ein ähnlicher Entwicklungsverlauf. Die Ergebnisse zeigen, dass in Eberspermien zwei Isoformen der PK auftreten: eine N-terminal verlängerte, strukturgebundene Form, die PK-S, und eine lösliche Form, die beide der PK-M1 ähneln. Der ungewöhnliche N-Terminus der PK-S dient vermutlich der spezifischen räumlichen Anordnung der PK-S im Akrosombereich und an der fibrösen Scheide, nicht aber der Modulation kinetischer Eigenschaften. Meine Untersuchungen stützen die Hypothese, dass in bestimmten Kompartimenten von Säugerspermien die Glykolyse durch Verankerung einiger ihrer Enzyme strukturell hochgeordnet ist. Dadurch wird vermutlich die Versorgung der Mitochondrien-freien Regionen mit ATP sichergestellt. Man kann diese Organisation als Anpassung des Stoffwechsels von Spermien deuten, bei denen die Mitochondrien in einem kleinen Bereich (Mittelstück) hinter dem Spermienkopf kompartimentiert sind. Im Hauptstück des Flagellums könnte die Glykolyse ATP für die Spermienmotilität liefern, im Akrosombereich für die Verhinderung einer vorzeitigen Akrosomreaktion. Somit käme der strukturierten Glykolyse eine essentielle Bedeutung für die Befruchtungsfähigkeit von Säugerspermien zu.

Anaerobic pathways in the Porifera: Strombine dehydrogenase, an opine dehydrogenase, from the sponge Suberites domuncula

The study presented here encompasses identification, analysis and characterization of the strombine dehydrogenase (StDH) from the sponge S. domuncula, on the gene and protein level. StDH is an opine dehydrogenase which is involved in opine production pathways found mainly in marine invertebrates. These anaerobic pathways are regarded as analogues to the classical anaerobic glycolytic pathway (lactate production pathway), which is predominant in vertebrates. The StDH was previously annotated as a tauropine dehydrogenase (TaDH) on the basis of its 68% identity with the TaDH protein from Halichondria japonica. Subsequent enzymatic assays showed that S. domuncula opine dehydrogenase is in fact strombine dehydrogenase which possesses specific characteristics not found in other proteins of the same family. It is described here for the first time the StDH gene in Eukaryotes. Two allelic variants have been identified which are present in the different specimens either as a homozygotic or a heterozygotic. Phylogenetic analyses supported with enzymatic assays indicate that S. domuncula StDH is only distantly related to the opine dehydrogenases from marine invertebrates. StDH showed that the protein is highly specific to glycine and inhibited by the substrate pyruvate. Furthermore, S. domunucla StDH has a dimeric structure (~75 kDa) which is not observed in so far described OpDHs that are monomeric proteins. This enzyme showed similarities to the OCD/mu-cristallyin protein family. Results showed that a sponge StDH is unusual enzyme that belongs to the independent enzyme class. In addition, expression studies revealed that the StDH is down-regulated with aeration. Immunohistology analyses showed high expression of the protein in almost all sponge cells. A strong accumulation of the enzyme was seen around the bacteria indicating that under aerobic conditions the bacteria might metabolize strombine (end product of the reaction). In conclusion, the data documented here shed new light on the anaerobic pathways in marine invertebrates. Potential mutual influences between bacteria and sponge are discussed as well. Hopefully, these results could have a small but important contribution to the better understanding of the evolution in the animal kingdom.

Ein neues Lumineszenzverfahren zur quantitativen und räumlichen Darstellung von Produkten des Glukosestoffwechsels in Tumoren

Eine neue auf einer Pyruvat abhängigen Biolumineszenzreaktion basierende Methode zur quantitativen Bestimmung und räumlichen Darstellung von Pyruvat in Gefrierschnitten von Gewebeproben wurde entwickelt. Dabei wurden biochemische Reaktionen so verknüpft, dass sichtbares Licht proportional zum eingesetzten Pyruvatgehalt entstand. Eine hoch signifikante positive Korrelation beider Parameter ermöglichte eine Kalibrierung mit definierten Pyruvatgehalten und damit die Quantifizierung in unbekannten Proben. Die Nachweisgrenze lag bei 0,04 pmol Pyruvat mit einer Auflösung von 0,02 µmol/g. Das Biolumineszenzverfahren wurde mit Hilfe anderer Methoden validiert, wobei eine Wiederfindung mit einer konzentrationsabhängigen Abweichung von ≤ 15 % erzielt wurde. Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode gegenüber bisherigen Verfahren zum Pyruvatnachweis liegt in der Messwerterfassung definierter histologischer Gewebsareale. Dies wird durch computergesteuerte Überlagerung von Metabolitverteilungen mit Schnittbildern aus Strukturfärbungen und interaktiver, „optischer Mikrodissektion“ der Gewebeschnitte möglich. Ein weiterer Nutzen der Methode ist deren optionale Kombination mit der Biolumineszenztechnik für andere Stoffwechselprodukte. So ermöglicht eine exakte Superposition zweier Metabolitbilder von unmittelbar aufeinander folgenden Gewebeschnitten eine korrelative Kolokalisationsanalyse beider Metabolite. Das Ergebnis lässt sich zum einen in Form von „Pixel-zu-Pixel“-Korrelationen dokumentieren, zum anderen kann für jeden Bildpunkt ein Laktat/Pyruvat-Verhältnis als Maß für den Redoxzustand des Gewebes berechnet und dargestellt werden. Hieraus ergeben sich z.B. räumliche L/P-Verteilungen (L/P-Karten). Ein solches „Redoximaging“ durch Kartierung des L/P-Quotienten ist bislang mit keinem anderen Verfahren möglich. Während die Entwicklung des Pyruvatnachweises eine Kernaufgabe der vorliegenden Arbeit darstellte, bestand ein weiterer wesentlicher Teil in der praktischen Anwendung der neuen Methode im Bereich der experimentellen Tumorforschung. So ergaben Messungen an acht verschiedenen Linien von humanen HNSCC-Xenotransplantaten (n = 70 Tumoren) einen mittleren Pyruvatgehalt von 1,24 ± 0,20 µmol/g. In sechs Humanbiopsien derselben Tumorentität wurde ein durchschnittlicher Pyruvatgehalt von 0,41 ± 0,09 µmol/g gemessen. Bei den Xenotransplantaten konnte eine signifikante positive Korrelation zwischen der Summe aus Laktat und Pyruvat bzw. dem L/P Verhältnis und der Strahlensensibilität gefunden werden, wobei das L/P-Verhältnis ebenso wie die Summe aus Laktat und Pyruvat maßgeblich von Laktat bestimmt wurden. Der Zusammenhang der Metabolite mit der Strahlensensibilität lässt sich durch deren antioxidative Eigenschaften erklären. Da der Redoxzustand der Zelle kritisch bezüglich der Effizienz von ROS induzierenden Therapieansätzen, wie z.B. Bestrahlung oder bestimmter Chemotherapeutika sein kann, könnte die Bestimmung des L/P Verhältnisses als prognostischer Faktor prädiktive Aussagen über die Sensibilität gegenüber solchen Behandlungen erlauben.

Glykolytische Aktivität von Ovarialkarzinomzelllinien in vitro und in vivo und die Bedeutung von HIF-1alpha

Ovarialkarzinome stellen eine schwer zu therapierende onkologische Erkrankung mit im Durchschnitt sehr schlechter Prognose dar. Die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der Therapie dieser Erkrankung ist sehr offensichtlich. Studien an anderen Tumorentitäten haben die große Bedeutung des Glukosestoffwechsels, speziell des Laktats, in der Erken- nung, Kategorisierung und Therapie von onkologischen Erkrankungen gezeigt. In der Kon- trolle des Glukosestoffwechsels, aber auch vieler anderer Funktionen, wie z. B. des Tumor- wachstums und des Zellüberlebens, hat sich der Hypoxia Inducible Factor (HIF) als beson- ders wichtig herausgestellt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der Glukosestoffwechsel in Ovarialkarzinomen und seine Beeinflussung durch eine Herunterregulierung von HIF-1α untersucht. Hierzu wurden die Ovarialkarzinomzelllinien OC 316 und IGROV1 (Wildtyp) und die Zelllinie OC 316 mit einem lentiviralen Vektor zur Herunterregulierung von HIF-1α ver- wendet. Das Wachstumsverhalten, die Laktatproduktion und der Glukoseverbrauch wurden bei diesen Zelllinien in vitro untersucht. Darüber hinaus wurden mithilfe der bildgebenden Biolumineszenz ATP, Laktat, Pyruvat und Glukose in Xenotransplantaten dieser Zelllinien gemessen. Diese in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Methode erlaubt die quantitative Er- fassung von Metaboliten in selektiven Gewebsarealen, wie z. B. in vitalen Tumorregionen, in stomatösen Arealen oder im tumornahen Normalgewebe.rnIn dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass die glykolytische Aktivität von Ovarialkarzinom- zelllinien mit dem Wachstumsverhalten positiv korreliert ist. Eine Herunterregulierung von HIF-1α führt zu einer deutlichen Verlangsamung des Zellwachstums, wobei allerdings alle HIF-Zielgene betroffen sein können. Des Weiteren wird mit den hier gezeigten Daten die prognostische Bedeutung des Laktats bestätigt. Hohe Laktatwerte in vitro waren mit schnel- lerem Wachstum korreliert. Zusätzlich zeigen die vorliegenden Daten, dass die gewonnenen Befunde in vitro nur näherungsweise auf die in vivo Situation übertragbar sind. Eine Herun- terregulierung von HIF-1α zeigt keine signifikant unterschiedlichen Laktatwerte in den Xe- notransplantaten. Allerdings spiegeln sich zelllinienspezifische Unterschiede in der metabo- lischen Aktivität in vitro im metabolischen Verhalten der entsprechenden Xenografttumoren recht gut wider.rnDie gewonnenen Ergebnisse weisen zum einen auf die prognostische Bedeutung einer Bestimmung von Laktatkonzentrationen aus Tumorbiopsien hin und bestätigen zum anderen die klinische Aussagekraft metabolischer Aktivitätsmessungen mittels PET. Solche Daten könnten dazu dienen Patienten einer individualisierten Therapie zuzuführen. Außerdem wur- de die Effektivität, aber auch die Komplexität einer gegen HIF-1α gerichteten Therapie auf Protein- und Genebene bestätigt. Somit zeigen die erzielten Resultate einerseits Möglichkei- ten einer individualisierten Therapie auf, andererseits unterstreichen sie die große Notwen- digkeit weiterer Grundlagenforschung auf diesem Gebiet.

Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rn

The choice of anesthesia influences oxidative energy metabolism and tissue survival in critically ischemic murine skin

In surgical animal studies anesthesia is used regularly. Several reports in the literature demonstrate respiratory and cardiovascular side effects of anesthesiologic agents. The aim of this study was to compare two frequently used anesthesia cocktails (ketamine/xylazine [KX] versus medetomidine/climazolam/fentanyl [MCF]) in skin flap mouse models. Systemic blood values, local metabolic parameters, and surgical outcome should be analyzed in critical ischemic skin flap models. Systemic hypoxia was found in the animals undergoing KX anesthesia compared with normoxia in the MCF group (sO(2): 89.2% +/- 2.4% versus 98.5% +/- 1.2%, P < 0.01). Analysis of tissue metabolism revealed impaired anaerobic oxygen metabolism and increased cellular damage in critical ischemic flap tissue under KX anesthesia (lactate/pyruvate ratio: KX 349.86 +/- 282.38 versus MCF 64.53 +/- 18.63; P < 0.01 and glycerol: KX 333.50 +/- 83.91 micromol/L versus MCF 195.83 +/- 29.49 micromol/L; P < 0.01). After 6 d, different rates of flap tissue necrosis could be detected (MCF 57% +/- 6% versus KX 68% +/- 6%, P < 0.01). In summary we want to point out that the type of anesthesia, the animal model and the goal of the study have to be well correlated. Comparing the effects of KX and MCF anesthesia in mice on surgical outcome was a novel aspect of our study.

Maturation of endogenous glucose production in preterm and term calves

Glucose disposability is often impaired in neonatal calves and even more in preterm calves. The objective of this study was to investigate ontogenic maturation of endogenous glucose production (eGP) in calves and its effects on postnatal glucose homeostasis. Calves (n = 7 per group) were born preterm (PT; delivered by section 9 d before term) or at term (T; spontaneous vaginal delivery), or spontaneously born and fed colostrum for 4 d (TC). Blood samples were taken immediately after birth and before and 2h after feeding at 24h after birth (PT; T) or on d 4 of life (TC) to determine metabolic and endocrine changes. After birth (PT and T) or on d 3 of life (TC), fasted calves were gavaged with deuterium-labeled water to determine gluconeogenesis (GNG) and intravenously infused with [U(13)C]-glucose to measure eGP and glucose oxidation (GOx) in blood plasma. After slaughter at 26h after birth (PT, T) or on d 4 of life (TC), glycogen concentrations in liver and hepatic mRNA concentrations and enzyme activities of pyruvate carboxylase, phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK), and glucose-6-phosphatase were measured. Preterm calves had the lowest plasma concentrations of cortisol and 3,5,3'-triiodothyronine at birth. Plasma glucose concentrations from d 1 to 2 decreased more, but plasma concentrations of lactate and urea and glucagon:insulin ratio were higher in PT than in T and TC calves. The eGP, GNG, GOx, as well as hepatic glycogen concentrations and PEPCK activities, were lowest in PT calves. Results indicate impaired glucose homeostasis due to decreased eGP in PT calves and maturation of eGP with ontogenic development.

Intestinal glucose absorption but not endogenous glucose production differs between colostrum- and formula-fed neonatal calves

Glucose supply markedly changes during the transition to extrauterine life. In this study, we investigated diet effects on glucose metabolism in neonatal calves. Calves were fed colostrum (C; n = 7) or milk-based formula (F; n = 7) with similar nutrient content up to d 4 of life. Blood plasma samples were taken daily before feeding and 2 h after feeding on d 4 to measure glucose, lactate, nonesterified fatty acids, protein, urea, insulin, glucagon, and cortisol concentrations. On d 2, additional blood samples were taken to measure glucose first-pass uptake (FPU) and turnover by oral [U-(13)C]-glucose and i.v. [6,6-(2)H(2)]-glucose infusion. On d 3, endogenous glucose production and gluconeogenesis were determined by i.v. [U-(13)C]-glucose and oral deuterated water administration after overnight feed deprivation. Liver tissue was obtained 2 h after feeding on d 4 and glycogen concentration and activities and mRNA abundance of gluconeogenic enzymes were measured. Plasma glucose and protein concentrations and hepatic glycogen concentration were higher (P < 0.05), whereas plasma urea, glucagon, and cortisol (d 2) concentrations as well as hepatic pyruvate carboxylase mRNA level and activity were lower (P < 0.05) in group C than in group F. Orally administered [U-(13)C]-glucose in blood was higher (P < 0.05) but FPU tended to be lower (P < 0.1) in group C than in group F. The improved glucose status in group C resulted from enhanced oral glucose absorption. Metabolic and endocrine changes pointed to elevated amino acid degradation in group F, presumably to provide substrates to meet energy requirements and to compensate for impaired oral glucose uptake.

Early detection of subclinical organ dysfunction by microdialysis of the rectus abdominis muscle in a porcine model of critical intra-abdominal hypertension

The aim of this study was to evaluate microdialysis of the rectus abdominis muscle (RAM) for early detection of subclinical organ dysfunction in a porcine model of critical intra-abdominal hypertension (IAH). Microdialysis catheters for analyses of lactate, pyruvate, and glycerol levels were placed in cervical muscles (control), gastric and jejunal wall, liver, kidney, and RAM of 30 anesthetized mechanically ventilated pigs. Catheters for venous lactate and interleukin 6 samples were placed in the jugular, portal, and femoral vein. Intra-abdominal pressure (IAP) was increased to 20 mmHg (IAH20 group, n = 10) and 30 mmHg (IAH30, n = 10) for 6 h by controlled CO2 insufflation, whereas sham animals (n = 10) exhibited a physiological IAP. In contrast to 20 mmHg, an IAH of 30 mmHg induced pathophysiological alterations consistent with an abdominal compartment syndrome. Microdialysis showed significant increase in the lactate/pyruvate ratio in the RAM of the IAH20 group after 6 h. In the IAH30 group, the strongest increase in lactate/pyruvate ratio was detected in the RAM and less pronounced in the liver and gastric wall. Glycerol increased in the RAM only. After 6 h, there was a significant increase in venous interleukin 6 of the IAH30 group compared with baseline. Venous lactate was increased compared with baseline and shams in the femoral vein of the IAH30 group only. Intra-abdominal pressure-induced ischemic metabolic changes are detected more rapidly and pronounced by microdialysis of the RAM when compared with intra-abdominal organs. Thus, the RAM represents an important and easily accessible site for the early detection of subclinical organ dysfunction during critical IAH.

Differences in milk production, glucose metabolism, and carcass composition of 2 Charolais x Holstein F2 families derived from reciprocal paternal and maternal grandsire crosses

Two F(2) Charolais x German Holstein families comprising full and half sibs share identical but reciprocal paternal and maternal Charolais grandfathers differ in milk production. We hypothesized that differences in milk production were related to differences in nutritional partitioning revealed by glucose metabolism and carcass composition. In 18F(2) cows originating from mating Charolais bulls to German Holstein cows and a following intercross of the F(1) individuals (n=9 each for family Ab and Ba; capital letters indicate the paternal and lowercase letter the maternal grandsire), glucose tolerance tests were performed at 10 d before calving and 30 and 93 d in milk (DIM) during second lactation. Glucose half-time as well as areas under the concentration curve for plasma glucose and insulin were calculated. At 94 DIM cows were infused intravenously with 18.3 micromol of d-[U-(13)C(6)]glucose/kg(0.75) of BW, and blood samples were taken to measure rate of glucose appearance and glucose oxidation as well as plasma concentrations of metabolites and hormones. Cows were slaughtered at 100 DIM and carcass size and composition was evaluated. Liver samples were taken to measure glycogen and fat content, gene expression levels, and enzyme activities of pyruvate carboxylase, phosphoenolpyruvate carboxykinase, and glucose 6-phosphatase as well as gene expression of glucose transporter 2. Milk yield was higher and milk protein content at 30 DIM was lower in Ba than in Ab cows. Glucose half-life was higher but insulin secretion after glucose challenge was lower in Ba than in Ab cows. Cows of Ab showed higher glucose oxidation, and plasma concentrations at 94 DIM were lower for glucose and insulin, whereas beta-hydroxybutyrate was higher in Ba cows. Hepatic gene expression of pyruvate carboxylase, glucose 6-phosphatase, and glucose transporter 2 were higher whereas phosphoenolpyruvate carboxykinase activities were lower in Ba than in Ab cows. Carcass weight as well as fat content of the carcass were higher in Ab than in Ba cows, whereas mammary gland mass was lower in Ab than in Ba cows. Fat classification indicated leaner carcass composition in Ba than in Ab cows. In conclusion, the 2 families showed remarkable differences in milk production that were accompanied by changes in glucose metabolism and body composition, indicating capacity for milk production as main metabolic driving force. Sex chromosomal effects provide an important regulatory mechanism for milk performance and nutrient partitioning that requires further investigation.

Regional mRNA expression of key gluconeogenic enzymes in the liver of dairy cows

Liver tissue was collected from eight random dairy cows at a slaughterhouse to test if gene expression of pyruvate carboxylase (PC), mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCKm) and cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCKc) is different at different locations in the liver. Obtained liver samples were analysed for mRNA expression levels of PC, PEPCKc and PEPCKm and subjected to the MIXED procedure of SAS to test for the sampled locations with cow liver as repeated subject. Additionally, the general linear model procedure (GLM) for analysis of variance was applied to test for significant differences for mRNA abundance of PEPCKm, PEPCKc and bPC between the livers. In conclusion, this study demonstrated that mRNA abundance of PC, PEPCKc and PEPCKm is not different between locations in the liver but may differ between individual cows.

Sudden Increase and Regrowth of Fecal Coliforms and Escherichia Coli in Wastewater Biosolids After High Solids Centrifugation

Treatment plants that operate either thermophilic or mesophilic anaerobic digesters with centrifugal dewatering processes have consistently observed densities of fecal coliform and Escherichia coli, both indicator bacteria, that decrease during digestion but then increase after dewatering and storage. The increases have been characterized as two separate phenomena to explain this observation: 1) “Sudden Increase,” or SI, which is defined as the increase that occurs immediately after dewatering and 2) “regrowth,” which is defined as an increase during storage of cake samples over a period of hours or days. The SI observation appears to be more prevalent with biosolids that are generated with thermophilic processes and dewatered by centrifugation. Both thermophilic and mesophilic digesters with centrifuge dewatering processes have observed the regrowth phenomena. This research hypothesizes that the SI phenomenon is due to the presence of viable nonculturable (VNC) bacteria that are reactivated during dewatering. In other words, the bacteria were always present but were not enumerated by standard culturing methods (SCM). Analysis of the E. coli density in thermally treated solids by SCMs and quantitative real-time polymerase chain reaction (qPCR) indicated that E. coli densities are often underestimated by SCM. When analyzed with qPCR, the E. coli density after digestion can be 4-5 orders of magnitude greater than the non-detect levels identified by SCMs, which supports the non-culturable hypothesis. The VNC state describes a condition where bacteria are alive but unable to sustain the metabolic process needed for cellular division. Supplements added to culturing media were investigated to determine if the resuscitation of VNC bacteria could be enhanced. The autoinducer molecules Nhexanoyl- L-Homoserine lactone (C6-HSL), 3-oxo-N-octanoyl-L-Homoserine lactone (3-oxo- C8-HSL), and norepinephrine were unable to induce the resuscitation of VNC E. coli. Additional sampling was performed to determine if autoinducer molecules, peroxides, or other as of yet unknown inhibitory agents and toxins could be removed from biosolids during SCM. Culture media supplemented with the peroxide degrading compounds catalase, α-ketoglutaric acid, and sodium pyruvate was unable to resuscitate non-culturable E. coli. The additions of bentonite and exponential growth phase E. coli cell-free supernatant to culturing media were also unable to increase the culturability of E. coli. To remove inhibitory agents and toxins, a cell washing technique was employed prior to performing SCM; however, this cell washing technique may have increased cellular stresses that inhibited resuscitation since cell densities decreased. A novel laboratory-scale dewatering process was also investigated to determine if the SI and regrowth phenomena observed in full-scale centrifugal dewatering could be mimicked in the laboratory using a lab shearing device. Fecal coliform and E. coli densities in laboratory prepared cake samples were observed to be an order of magnitude higher than full-scale dewatered cakes. Additionally, the laboratory-scale dewatering process was able to resuscitate fecal coliforms and E. coli in stored sludge such that the density increased by 4-5 orders of magnitude from nondetect values. Lastly, the addition of aluminum sulfate during centrifuge dewatering at a full-scale utility produced an increased regrowth of fecal coliforms and E. coli that was sustained for 5 days.

Decreasing gut wall glucose as an early marker of impaired intestinal perfusion

OBJECTIVE: The aim of this study was to assess the microcirculatory and metabolic consequences of reduced mesenteric blood flow. DESIGN: Prospective, controlled animal study. SETTING: The surgical research unit of a university hospital. SUBJECTS: A total of 13 anesthetized and mechanically ventilated pigs. INTERVENTIONS: Pigs were subjected to stepwise mesenteric blood flow reduction (15% in each step, n = 8) or served as controls (n = 5). Superior mesenteric arterial blood flow was measured with ultrasonic transit time flowmetry, and mucosal and muscularis microcirculatory perfusion in the small bowel were each measured with three laser Doppler flow probes. Small-bowel intramucosal Pco2 was measured by tonometry, and glucose, lactate (L), and pyruvate (P) were measured by microdialysis. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: In control animals, superior mesenteric arterial blood flow, mucosal microcirculatory blood flow, intramucosal Pco2, and the lactate/pyruvate ratio remained unchanged. In both groups, mucosal blood flow was better preserved than muscularis blood flow. During stepwise mesenteric blood flow reduction, heterogeneous microcirculatory blood flow remained a prominent feature (coefficient of variation, approximately 45%). A 30% flow reduction from baseline was associated with a decrease in microdialysis glucose concentration from 2.37 (2.10-2.70) mmol/L to 0.57 (0.22-1.60) mmol/L (p < .05). After 75% flow reduction, the microdialysis lactate/pyruvate ratio increased from 8.6 (8.0-14.1) to 27.6 (15.5-37.4, p < .05), and arterial-intramucosal Pco2 gradients increased from 1.3 (0.4-3.5) kPa to 10.8 (8.0-16.0) kPa (p < .05). CONCLUSIONS: Blood flow redistribution and heterogeneous microcirculatory perfusion can explain apparently maintained regional oxidative metabolism during mesenteric hypoperfusion, despite local signs of anaerobic metabolism. Early decreasing glucose concentrations suggest that substrate supply may become crucial before oxygen consumption decreases.

Effects of colostrum feeding and glucocorticoid administration on insulin-dependent glucose metabolism in neonatal calves

Colostrum feeding and glucocorticoid administration affect glucose metabolism and insulin release in calves. We have tested the hypothesis that dexamethasone as well as colostrum feeding influence insulin-dependent glucose metabolism in neonatal calves using the euglycemic-hyperinsulinemic clamp technique. Newborn calves were fed either colostrum or a milk-based formula (n=14 per group) and in each feeding group, half of the calves were treated with dexamethasone (30 microg/[kg body weight per day]). Preprandial blood samples were taken on days 1, 2, and 4. On day 5, insulin was infused for 3h and plasma glucose concentrations were kept at 5 mmol/L+/-10%. Clamps were combined with [(13)C]-bicarbonate and [6,6-(2)H]-glucose infusions for 5.5h (i.e., from -150 to 180 min, relative to insulin infusion) to determine glucose turnover, glucose appearance rate (Ra), endogenous glucose production (eGP), and gluconeogenesis before and at the end of the clamp. After the clamp liver biopsies were taken to measure mRNA levels of phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) and pyruvate carboxylase (PC). Dexamethasone increased plasma glucose, insulin, and glucagon concentrations in the pre-clamp period thus necessitating a reduction in the rate of glucose infusion to maintain euglycemia during the clamp. Glucose turnover and Ra increased during the clamp and were lower at the end of the clamp in dexamethasone-treated calves. Dexamethasone treatment did not affect basal gluconeogenesis or eGP. At the end of the clamp, dexamethasone reduced eGP and PC mRNA levels, whereas mitochondrial PEPCK mRNA levels increased. In conclusion, insulin increased glucose turnover and dexamethasone impaired insulin-dependent glucose metabolism, and this was independent of different feeding.

Point mutation tRNA(Ser(UCN)) in a child with hearing loss and myoclonus epilepsy

We report on a family with a 12-year-old boy who suffered from a maternally inherited syndrome characterized by a combination of sensorineural hearing loss, myoclonus epilepsy, ataxia, severe psychomotor retardation, short stature, and diabetes mellitus. First, he showed a muscular hypotonia with hearing loss; later, he developed a myoclonus epilepsy, growth failure, and severe psychomotor retardation. At the age of 10 years, he developed diabetes mellitus. After initiation of combined ubiquinone and vitamin C treatment, we observed a progression in psychomotor development. Lactate and pyruvate levels in blood and cerebrospinal fluid were normal. No ragged red fibers or ultrastructural abnormalities were seen in a skeletal muscle biopsy. Biochemical assays of respiratory chain complex activities revealed decreased activity of complexes I and IV. By sequence analysis of mitochondrial DNA encoding transfer ribonucleic acids (RNAs), a homoplasmic T to C substitution at nucleotide position 7512 was found affecting a highly conserved base pair in the tRNA(ser(UCN)) acceptor stem. Asymptomatic family members of the maternal line were heteroplasmic for the mutation in blood samples. Analysis of mitochondrial DNA in patients with hearing loss and myoclonus epilepsy is recommended, even in the absence of laboratory findings. Therapeutically, ubiquinone and antioxidants can be beneficial.