Nutritional regulation of mammary lipogenesis and milk fat in ruminant: contribution to sustainable milk production

Laurence Bernard, Christine Leroux, Yves Chilliard

Abstract


Summary

Researches in animal science focus on contributing to the development of sustainable livestock production systems in agreement with societal expectations. In particular, researches in dairy sciences aimed to improve the understanding of the biology of herbivores and developed strategies to modulate the performances of dairy ruminants and the quality of their products. As nutrition constitutes a rapid and efficient means to modulate milk fat synthesis, it may be used to control both the animal energy balance and the nutritional quality of its milk for human consumers. In this context, studies were performed to enhance the understanding of the nutritional regulation of milk fat synthesis. This short review presents the current knowledge on the nutritional regulation of lipid metabolism in the ruminant mammary gland in relation with milk fat yield and fatty acids (FA) composition and the underlying mechanisms, with particular emphasis on lipogenic genes expression. In cows, diet-induced milk fat depression (MFD) is an extreme model of regulation of milk fat synthesis that has the potential to influence productive functions via modulation of energy partitioning that may affect tissue mobilisation and reproductive performances. Use of molecular tools have demonstrated decreased mammary abundance of transcripts encoding the major lipogenic genes (in particular those involved in de novo FA synthesis) and of sterol responsive element binding protein 1 (SREBP1) during MFD in the bovine. However, feeding similar diets do not induce MFD in the caprine and did not substantially alter mammary lipogenic gene expression. Due to the implication of the stearoyl-CoA desaturase (SCD) enzyme in mammary gland physiology and in milk technological and nutritional qualities, studies focused specifically in the SCD gene expression, activity and metabolic pathway. Further knowledge on the regulation of cellular and molecular processes that modulate milk fat synthesis and composition will promote further improvement of metabolic and physiological efficiency of lactating ruminants and quality of dairy products.

Key words: enzyme activity, gene expression, lactation, mammary gland, milk fatty acid profile milk fat synthesis.


Resumen

La investigación en zootecnia se ha enfocado en el desarrollo de sistemas agropecuarios sostenibles que cumplan las expectativas de la sociedad. En el caso específico del sector lácteo, un conocimiento más profundo de la biología de los rumiantes permitiría desarrollar estrategias que ayuden a controlar su rendimiento productivo y la calidad de los productos. En este sentido, la nutrición permite modificar de forma rápida y eficaz la síntesis de grasa láctea, lo que podría mejorar el balance energético del animal y el valor nutricional de su leche, de ahí que se hayan realizado estudios dirigidos a profundizar en el conocimiento de la regulación de la síntesis de grasa láctea en la glándula mamaria. Esta revisión breve recoge la información disponible sobre la regulación nutricional del metabolismo lipídico, particularmente sobre la expresión de los genes de la lipogénesis, en la glándula mamaria de los rumiantes, en relación con la síntesis de grasa y la composición de los ácidos grasos (AG) de la leche, así como los mecanismos subyacentes. En el vacuno, el síndrome de baja grasa en la leche inducido por la dieta constituye un modelo extremo de regulación de la síntesis de grasa, que puede influir sobre la producción mediante cambios en la partición de la energía, lo que podría afectar a la movilización de reservas, así como al rendimiento reproductivo. El uso de herramientas de biología molecular ha mostrado que, durante dicho síndrome, se reduce la abundancia de los transcritos que codifican los principales genes de la lipogénesis (en particular los implicados en la síntesis de AG de novo) y la proteína de unión a elementos reguladores del esterol 1 (SREBP1) en el tejido mamario del bovino. En el caprino, sin embargo, dietas similares no reducen la síntesis de grasa ni alteran de forma considerable la expresión de los genes de la lipogénesis mamaria. Dada la implicación de la enzima estearoil-CoA desaturasa (SCD) en la fisiología mamaria y en la calidad nutricional y tecnológica de la leche, también se han llevado a cabo ensayos dirigidos específicamente a estudiar la expresión del gen que la codifica, su actividad y las rutas metabólicas en las que está implicada. Sería necesaria, no obstante, más investigación sobre la regulación de los procesos celulares y moleculares que determinan la síntesis y composición de la grasa láctea, con el fin de mejorar la eficiencia metabólica y fisiológica de los rumiantes lecheros y la calidad de sus productos.

Palabras clave: actividad enzimática, expresión génica, glándula mamaria, lactación, perfil de ácidos grasos de la leche, síntesis de grasa láctea.

Resumo

A pesquisa em ciência animal, de acordo com as expectativas da sociedade, tem vindo a contribuir para o desenvolvimento de sistemas de produção pecuária sustentável. A investigação em ciência de produção de leite, tem tido como objetivos melhorar a compreensão biológica dos herbívoros a fim de desenvolver estratégias para modular o desempenho de ruminantes leiteiros e a qualidade de seus produtos. A alimentação constitui um meio rápido e eficaz para modular a síntese de gordura no leite, e esta pode ser usada para controlar tanto o balanço energético do animal quanto a qualidade nutricional do leite para consumo humano. Neste contexto, foram realizados alguns estudos com o objetivo de melhorar a compreensão da regulação da síntese de gordura no leite pela glândula mamária. Esta breve revisão apresenta o conhecimento atual sobre a regulação nutricional do metabolismo lipídico na glândula mamária de ruminantes, em relação com a produção de gordura e composição dos ácidos graxos do leite e os mecanismos subjacentes, com especial ênfase, sobre a expressão gênica de enzimas lipogênicas e de enzimas envolvidas nas vias lipogênicas. A depressão de gordura no leite induzida pela dieta (MFD) nas vacas leiteiras constitui um modelo extremo de regulação da síntese de gordura no leite, e isto tem o potencial de influenciar as funções produtivas através da modulação da repartição de energia, podendo afetar a mobilização dos tecidos e o desempenho reprodutivo. O uso de métodos de biologia molecular tem mostrado que, na glândula mamária, a abundância de transcritos que codificam os principais genes lipogênicos diminui (em particular aqueles envolvidos na neossíntese de ácidos graxos) e de "sterol responsive element binding protein 1" (SREBP1) durante o MFD na espécie bovina. No entanto, as rações de composição similar, não provocam o MFD na espécie caprina e não alteram substancialmente a expressão de genes lipogênicos da glândula mamária. Muitos estudos são focados especificamente na expressão, atividade e vias metabólicas da "stearoyl-CoA desaturase" (SCD), devido à sua implicação na fisiologia da glândula mamária e a seus efeitos na produção de leite, alem das propriedades tecnológicas e nutricionais. O desenvolvimento do conhecimento sobre a regulação dos processos celulares e moleculares que regulam a síntese de gordura e a composição no leite vai continuar a promover a eficiência metabólica e fisiológica de ruminantes em lactação, e aumentar deste jeito, a qualidade nutricional dos produtos lácteos.

Palavras chave: atividade enzimática, expressão gênica, glândula mamária, lactação, perfil de ácidos graxos do leite, síntese de gordura do leite.


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