Daily and Seasonal Rhythms of Melatonin, Cortisol, Leptin, Free Fatty Acids and Glycerol in Goats

Abstract

This thesis examined the effect of daily and annual lighting conditions on the blood levels of the hormones melatonin, cortisol and leptin and the lipid metabolism of free fatty acids (FFAs) and glycerol in female goats. The blood levels of these substances were also measured in long-term total darkness (endogenous rhythm). The duration of melatonin secretion in goats closely follows the length of the dark phase of the day, except in winter, when the duration is significantly shorter. In total darkness, the goats display two types of endogenous melatonin patterns: a "winter pattern" in winter, early spring, early fall and late fall, and a "summer pattern" in late spring and summer. The results showed that in addition to the light-adjusted overt melatonin rhythm, the endogenous melatonin secretion can be modulated by circannual clock mechanisms and/or long-term photoperiodic history. Serum cortisol levels had no significant daily rhythm at any time of the year, nor are there any differences in the profiles between annual lighting conditions and total darkness. In winter the overall concentrations were higher than in any other season. The results suggest that any/the circadian variation of cortisol secretion is masked by external factors, probably by the feeding schedule, and that the seasonal variation in the overall cortisol levels is likely to be related to the changes in photoperiod. The lipid metabolism of goats seems to be regulated by light; no significant contribution of leptin levels could be shown. Concentrations of plasma FFAs and glycerol exhibit significant daily and seasonal variations. The photoperiod was found to trigger a nocturnal fall and morning rise of FFAs levels, while low levels of glycerol were associated with feeding. In total darkness, FFA and glycerol rhythms were unstable. The close relationships between the daily variations of melatonin and FFAs levels result from both variables being controlled by light-dependent mechanisms. The results do not rule out a possible effect of melatonin on the daily FFAs profiles, but they show that melatonin secretion alone could not completely explain the daily FFAs profiles.

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää eräiden hormonien (melatoniini, kortisoli, leptiini) ja rasva-aineiden (vapaat rasvahapot ja glyseroli) pitoisuuksien vuorokausi- ja vuosirytmien vaihtelua ja säätelyä veressä. Tutkimme myös samojen aineiden veripitoisuuksia jatkuvassa pimeydessä jotta selviäisi ei valosta riippuvaa (endogeenistä) eritysrytmiä. Koe-eläiminä käytettiin vuohia. Työhypoteesi oli, että valaistus (päivä, yö, vuodenajat) vaikuttaa näiden hormonien ja rasva-aineiden synteesiin ja/tai eritykseen ja siten niiden välityksellä ohjaa elimistön toimintoja vuorokauden ja vuoden aikaan nähden parhaiten soveltuviksi.

Väitöskirjan ensimmäisessä työssä tutkimme veren melatoniinipitoisuuden vuorokausimuutoksia eri vuodenaikoina sekä sisäsyntyistä (endogeenista) melatoniinirytmiä jatkuvassa pimeydessä. Melatoniinin erityksen kesto seuraa läheisesti vuorokauden pimeän ajan kestoa, paitsi talvella jolloin erityksen kesto on huomattavasti lyhyempi. Jatkuvassa pimeydessä vuohilla havaittiin kahdenlaista endogeenistä melatoniinin eritysmallia: ”talvimalli” talvella, alkukeväällä, alkusyksyllä ja loppusyksyllä ja ”kesämalli” loppusyksyllä ja kesällä. Tulokset osoittavat että valaistusolojen vaihtelulla aikaansaadun melatoniinin eritysrytmin lisäksi endogeenista melatoniinirytmiä voidaan mukauttaa vuodenaikojen kellomekanismeilla ja/tai pitkän ajan valoperiodisella historialla.

Edellisen tutkimuksen yhteydessä kerätyistä näytteistä mitattiin seerumin kortisolipitoisuuksia. Merkittävää vuorokausrytmiä ei havaittu eivätkä valo/pimeän ja jatkuvan pimeän eritysprofiilien vertailuissa havaittu merkittäviä eroja minään vuodenaikana. Sensijaan eri vuodenaikoina todettiin eroja veren kortisolipitoisuuksissa. Talvella pitoisuudet olivat suuremmat kuin minään muuna vuodenaikana ja alkukeväästä kesään ne olivat matalimmat. Vastaavina valoperiodeina keväällä ja syksyllä kortisolipitoisuudet olivat korkeammat syksyllä.

Valaistus näyttää säätelevän vuohien rasva-aineenvaihduntaa; mitään merkittävää yhteyttä plasman leptiinitasoihin ei voitu osoittaa. Vapaiden rasvahappojen ja glyserolin pitoisuuksissa havaittiin merkittävää vuorokausi- ja vuosivaihtelua. Valoperiodin havaittiin saavan aikaan vapaiden rasvahappotasojen yöllisen laskun ja aamuisen nousun, kun taas matalat glyserolitasot yhdistettiin ruokintaan. Jatkuvassa pimeydessä vapaiden rasvahappojen ja glyserolin rytmit olivat epästabiilit.

Neljännessä työssä tutkittiin melatoniinin mahdollista vaikutusta vapaiden rasvahappojen rytmiin veressä. Tulokset eivät sulje pois melatoniinin vaikutusta vapaiden rasvahappojen vuorokausivaihteluun mutta melatoniinin eritys yksinään ei täydellisesti selitä vuorokausivaihtelua.