Regulationsmechanismen während des Torpors und der zitterfreien Thermogenese: Neue Einblicke und der Einsatz von Magnetresonanztomographie

Säugetiere bevölkern nahezu jede Nische der Erde, weil sie ihre Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur regulieren können. Diese endotherme Lebensweise ist, besonders für Kleinsäuger, energetisch sehr kostspielig und lässt sich nur durch eine präzise Regulation der Energieausgaben verwirklichen. Regulationsmechanismen, die einer Absenkung des Stoffwechsels, um Energie zu sparen oder einer Stoffwechselsteigerung, um die Körpertemperatur bei Kälteexposition zu verteidigen, zugrunde liegen, sind komplex und in weiten Teilen unverstanden. Messungen von Sauerstoffverbrauch und Körpertemperatur der arid lebenden Goldstachelmaus (Acomys russatus) ergaben, dass A. russatus eine 50%ige Futterreduktion bei hohen Umgebungstemperaturen (32°C und 35°C) energetisch kompensieren kann. Durch eine Reduktion ihres Ruhestoffwechsels um 30% im Vergleich zu ad libitum Bedingungen und täglich mehrstündige torpide Phasen, hielt sie ihr Körpergewicht trotz der verringerten Energiezufuhr nahezu konstant. Im Gegensatz zu Torpor bei Umgebungstemperaturen von 23°C und 27°C, blieb die Körpertemperatur dabei auf einem normothermen Level. Die rapide Absenkung des Metabolismus, ein Charakteristikum von Torpor, kann demnach entkoppelt von einer hypothermen Körpertemperatur stattfinden und ist somit entgegen der landläufigen Meinung nicht nur in kalten, sondern auch in anderen klimatischen Bedingungen eine effiziente Strategie der Energieeinsparung. Als Auslöser für die regulierte Stoffwechselabsenkung im Torpor stehen die Mitochondrien in der Diskussion. Ein aktives Abschalten der Zellatmung könnte zu einer Stoffwechseldepression führen, wie sie bei Eintritt in den Torpor auftritt. Untersuchungen verschiedener Gewebe (z.B. Leber) von torpiden Stachelmäusen ergaben jedoch keine Verringerung der mitochondrialen Succinat-Respiration im Vergleich zu normometabolen Tieren. Auch das Membranpotential der isolierten Mitochondrien und die Effizienz der ATP-Synthase unterschieden sich nicht. Dies galt für torpide Stachelmäuse mit normothermer als auch hypothermer Körpertemperatur. Es weist darauf hin, dass die Absenkung der Stoffwechselrate im Torpor bei A. russatus nicht durch eine Inhibition der Zellatmung induziert wird. Winterakklimatisierte Dsungarische Zwerghamster (Phodopus sungorus) dagegen zeigten im Torpor eine aktive Inhibition der Substratoxidation in den Lebermitochondrien. Die Atmungsraten der Mitochondrien korrelierten mit der Körpertemperatur der Hamster, die bei Umgebungstemperaturen von 15°C sehr tiefe Werte erreichte. Diese Daten lassen die Schlussfolgerung zu, dass eine aktive Inhibition der mitochondrialen Respiration artspezifisch ist und eher eine Anpassung an niedrige Körpertemperaturen im torpiden Zustand als die Ursache des Torporeintritts an sich. Die Mechanismen, die zum Eintritt in den Torpor führen, bleiben somit unklar. Um neue Wege für die Entschlüsselung der Regulationsmechanismen im Torpor zu eröffnen, wurde im nächsten Schritt ein kombinierter Messaufbau aus indirekter Kalorimetrie und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt, der erlaubte torpide Zwerghamster bildgebend zu untersuchen. Die notwendige Hardware und Software wurde soweit optimiert, dass P. sungorus in einem 7 Tesla-Tomographen torpid wurde und erstmalig morphologische, angiographische und spektroskopische Aufnahmen an einem nicht-narkotisierten Tier im Torpor akquiriert werden konnten. Solch funktionelle Messungen mittels MRT bieten das Potential, neue Einblicke in die Abläufe des Torpors zu gewinnen. Eine weitere Stärke der MRT ist ihr hervorragender Weichgewebekontrast, der es zuließ Gewebe von narkotisierten Tieren in vivo zu untersuchen. Selbst Unterschiede zwischen dem weißen Speicherfett und dem thermogenetisch aktiven braunem Fett ließen sich darstellen und mit gaschromatischen Messungen ex vivo validieren. Weißes Fettgewebe wies einen höheren Gehalt an ungesättigten Fettsäuren auf als braunes Fettgewebe. In der Winteranpassung nahm der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren in beiden Geweben bei P. sungorus zu. Daraus lässt sich eine bedeutsame Funktion der Fettsäuren für die Vorbereitung auf Torpor und kalte Umgebungstemperaturen ableiten. Im letzten Teil der Arbeit wurde die thermogenetische Funktion des braunen Fettgewebes tiefergehend untersucht. Braunes Fettgewebe spielt eine wichtige Rolle um den Körper aus hypothermen Phasen des Torpors wieder aufzuheizen und um eine normotherme Körpertemperatur bei Kälteexposition zu verteidigen. Hierfür generiert braunes Fett nach noradrenerger Stimulation mittels eines spezifischen Entkopplerproteins (UCP1) zitterfreie Wärme, indem die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien von der Atmungskette entkoppelt wird. Bei langanhaltender Kälteexposition steigt die Fähigkeit zur zitterfreien Thermogeneses durch Erhöhung der respiratorischen Kapazität des Gewebes, und diese wird hauptsächlich auf UCP1-vermittelte Thermogenese zurückgeführt. Knockout-Mäuse, die kein UCP1 besitzen, zeigten dennoch eine Steigerung der zitterfreien Wärmebildung, was auf eine Kompensation der UCP1-vermittelten Thermogenese hinweist. Spektroskopische und bildgebende MRT-Messungen konnten bei UCP1-KO Mäusen wie bei Wildtypmäusen eine Umstrukturierung des braunen Fettgewebes bei Kälteanpassung visualisieren. Nach noradrenerger Stimulation konnte eine Erhöhung des Lipidmetabolismus nachgewiesen werden. Der gesteigerte Lipidstoffwechsel führte bei beiden Genotypen zu einem immensen Export von Fettsäuren, dem wichtigsten Substrat der Thermogenese, aus dem braunen Fettgewebe. Die Daten sprechen für einen UCP1-unabhängigen Mechanismus zur adaptiven Thermogenese und eine wichtige Funktion des braunen Fettgewebes im Lipidstoffwechsel, die über die Oxidation von Fettsäuren für die UCP1-vermittelte Thermogenese hinausgeht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit tragen zu einem weiterführenden Verständnis der Regulationen des Energiehaushalts kleiner Säugetiere bei. Sie decken Zusammenhänge zwischen der aktiven Stoffwechselabsenkung, der Körpertemperatur, der Umgebungstemperatur und der mitochondrialen Respirationsleistung auf. Sie beleuchten den Einsatz der MRT als innovative Methode für die Untersuchung physiologischer Fragestellungen und werfen ein neues Licht auf die Funktion des braunen Fettgewebes bei der UCP1-unabhängigen zitterfreien Thermogenese

A collaboration of composers: Considering the compositional effectiveness of the Liszt and Heller piano transcriptions of four Schubert songs ( Die Forelle , Lob der Traenen , Erlkoenig , and Die Post )

Franz Liszt is the leading figure in the area of piano transcriptions---in quantity and quality. In recent years a fair amount of exploration and study has been devoted to his transcriptions. However, many of his contemporaries’ transcriptions have been largely ignored, under the assumption that they are inferior. Objectively, this may be true. Subjectively, this is debatable since transcriptions were often written for very different purposes or with very different intentions. This document compares four common piano transcriptions (Schubert’s Die Forelle, Lob der Tränen, Erlkönig, and Die Post) of Liszt and his contemporary, Stephen Heller, in order to illuminate the effective compositional traits of each---and thus determine their validity. The first chapter offers scholarly support for transcriptions in general and explains the two forms that transcriptions can take: literal or paraphrased. The second chapter gives a pertinent historical account of Stephen Heller’s life. It also describes the musical life of Paris during the years in which Liszt and Heller were active, and perhaps how their various musical paths influenced their individual transcription processes. The third chapter is analytical and observes how the transcriptions were constructed in relation to the original songs. Details of melody, harmony, accompaniment, structure, piano texture, piano virtuosity, performance and pedagogical intentions are illuminated. Chapter four makes concluding remarks and offers specific ways that these very different transcriptions can be best used within the pianist’s repertoire

Regulationsmechanismen während des Torpors und der zitterfreien Thermogenese: Neue Einblicke und der Einsatz von Magnetresonanztomographie

Säugetiere bevölkern nahezu jede Nische der Erde, weil sie ihre Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur regulieren können. Diese endotherme Lebensweise ist, besonders für Kleinsäuger, energetisch sehr kostspielig und lässt sich nur durch eine präzise Regulation der Energieausgaben verwirklichen. Regulationsmechanismen, die einer Absenkung des Stoffwechsels, um Energie zu sparen oder einer Stoffwechselsteigerung, um die Körpertemperatur bei Kälteexposition zu verteidigen, zugrunde liegen, sind komplex und in weiten Teilen unverstanden. Messungen von Sauerstoffverbrauch und Körpertemperatur der arid lebenden Goldstachelmaus (Acomys russatus) ergaben, dass A. russatus eine 50%ige Futterreduktion bei hohen Umgebungstemperaturen (32°C und 35°C) energetisch kompensieren kann. Durch eine Reduktion ihres Ruhestoffwechsels um 30% im Vergleich zu ad libitum Bedingungen und täglich mehrstündige torpide Phasen, hielt sie ihr Körpergewicht trotz der verringerten Energiezufuhr nahezu konstant. Im Gegensatz zu Torpor bei Umgebungstemperaturen von 23°C und 27°C, blieb die Körpertemperatur dabei auf einem normothermen Level. Die rapide Absenkung des Metabolismus, ein Charakteristikum von Torpor, kann demnach entkoppelt von einer hypothermen Körpertemperatur stattfinden und ist somit entgegen der landläufigen Meinung nicht nur in kalten, sondern auch in anderen klimatischen Bedingungen eine effiziente Strategie der Energieeinsparung. Als Auslöser für die regulierte Stoffwechselabsenkung im Torpor stehen die Mitochondrien in der Diskussion. Ein aktives Abschalten der Zellatmung könnte zu einer Stoffwechseldepression führen, wie sie bei Eintritt in den Torpor auftritt. Untersuchungen verschiedener Gewebe (z.B. Leber) von torpiden Stachelmäusen ergaben jedoch keine Verringerung der mitochondrialen Succinat-Respiration im Vergleich zu normometabolen Tieren. Auch das Membranpotential der isolierten Mitochondrien und die Effizienz der ATP-Synthase unterschieden sich nicht. Dies galt für torpide Stachelmäuse mit normothermer als auch hypothermer Körpertemperatur. Es weist darauf hin, dass die Absenkung der Stoffwechselrate im Torpor bei A. russatus nicht durch eine Inhibition der Zellatmung induziert wird. Winterakklimatisierte Dsungarische Zwerghamster (Phodopus sungorus) dagegen zeigten im Torpor eine aktive Inhibition der Substratoxidation in den Lebermitochondrien. Die Atmungsraten der Mitochondrien korrelierten mit der Körpertemperatur der Hamster, die bei Umgebungstemperaturen von 15°C sehr tiefe Werte erreichte. Diese Daten lassen die Schlussfolgerung zu, dass eine aktive Inhibition der mitochondrialen Respiration artspezifisch ist und eher eine Anpassung an niedrige Körpertemperaturen im torpiden Zustand als die Ursache des Torporeintritts an sich. Die Mechanismen, die zum Eintritt in den Torpor führen, bleiben somit unklar. Um neue Wege für die Entschlüsselung der Regulationsmechanismen im Torpor zu eröffnen, wurde im nächsten Schritt ein kombinierter Messaufbau aus indirekter Kalorimetrie und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt, der erlaubte torpide Zwerghamster bildgebend zu untersuchen. Die notwendige Hardware und Software wurde soweit optimiert, dass P. sungorus in einem 7 Tesla-Tomographen torpid wurde und erstmalig morphologische, angiographische und spektroskopische Aufnahmen an einem nicht-narkotisierten Tier im Torpor akquiriert werden konnten. Solch funktionelle Messungen mittels MRT bieten das Potential, neue Einblicke in die Abläufe des Torpors zu gewinnen. Eine weitere Stärke der MRT ist ihr hervorragender Weichgewebekontrast, der es zuließ Gewebe von narkotisierten Tieren in vivo zu untersuchen. Selbst Unterschiede zwischen dem weißen Speicherfett und dem thermogenetisch aktiven braunem Fett ließen sich darstellen und mit gaschromatischen Messungen ex vivo validieren. Weißes Fettgewebe wies einen höheren Gehalt an ungesättigten Fettsäuren auf als braunes Fettgewebe. In der Winteranpassung nahm der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren in beiden Geweben bei P. sungorus zu. Daraus lässt sich eine bedeutsame Funktion der Fettsäuren für die Vorbereitung auf Torpor und kalte Umgebungstemperaturen ableiten. Im letzten Teil der Arbeit wurde die thermogenetische Funktion des braunen Fettgewebes tiefergehend untersucht. Braunes Fettgewebe spielt eine wichtige Rolle um den Körper aus hypothermen Phasen des Torpors wieder aufzuheizen und um eine normotherme Körpertemperatur bei Kälteexposition zu verteidigen. Hierfür generiert braunes Fett nach noradrenerger Stimulation mittels eines spezifischen Entkopplerproteins (UCP1) zitterfreie Wärme, indem die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien von der Atmungskette entkoppelt wird. Bei langanhaltender Kälteexposition steigt die Fähigkeit zur zitterfreien Thermogeneses durch Erhöhung der respiratorischen Kapazität des Gewebes, und diese wird hauptsächlich auf UCP1-vermittelte Thermogenese zurückgeführt. Knockout-Mäuse, die kein UCP1 besitzen, zeigten dennoch eine Steigerung der zitterfreien Wärmebildung, was auf eine Kompensation der UCP1-vermittelten Thermogenese hinweist. Spektroskopische und bildgebende MRT-Messungen konnten bei UCP1-KO Mäusen wie bei Wildtypmäusen eine Umstrukturierung des braunen Fettgewebes bei Kälteanpassung visualisieren. Nach noradrenerger Stimulation konnte eine Erhöhung des Lipidmetabolismus nachgewiesen werden. Der gesteigerte Lipidstoffwechsel führte bei beiden Genotypen zu einem immensen Export von Fettsäuren, dem wichtigsten Substrat der Thermogenese, aus dem braunen Fettgewebe. Die Daten sprechen für einen UCP1-unabhängigen Mechanismus zur adaptiven Thermogenese und eine wichtige Funktion des braunen Fettgewebes im Lipidstoffwechsel, die über die Oxidation von Fettsäuren für die UCP1-vermittelte Thermogenese hinausgeht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit tragen zu einem weiterführenden Verständnis der Regulationen des Energiehaushalts kleiner Säugetiere bei. Sie decken Zusammenhänge zwischen der aktiven Stoffwechselabsenkung, der Körpertemperatur, der Umgebungstemperatur und der mitochondrialen Respirationsleistung auf. Sie beleuchten den Einsatz der MRT als innovative Methode für die Untersuchung physiologischer Fragestellungen und werfen ein neues Licht auf die Funktion des braunen Fettgewebes bei der UCP1-unabhängigen zitterfreien Thermogenese

Regulation of Aerobic and Anaerobic d-Malate Metabolism of Escherichia coli by the LysR-Type Regulator DmlR (YeaT)▿

Escherichia coli K-12 is able to grow under aerobic conditions on d-malate using DctA for d-malate uptake and the d-malate dehydrogenase DmlA (formerly YeaU) for converting d-malate to pyruvate. Induction of dmlA encoding DmlA required an intact dmlR (formerly yeaT) gene, which encodes DmlR, a LysR-type transcriptional regulator. Induction of dmlA by DmlR required the presence of d-malate or l- or meso-tartrate, but only d-malate supported aerobic growth. The regulator of general C4-dicarboxylate metabolism (DcuS-DcuR two-component system) had some effect on dmlA expression. The anaerobic l-tartrate regulator TtdR or the oxygen sensors ArcB-ArcA and FNR did not have a major effect on dmlA expression. DmlR has a high level of sequence identity (49%) with TtdR, the l- and meso-tartrate-specific regulator of l-tartrate fermentation in E. coli. dmlA was also expressed at high levels under anaerobic conditions, and the bacteria had d-malate dehydrogenase activity. These bacteria, however, were not able to grow on d-malate since the anaerobic pathway for d-malate degradation has a predicted yield of ≤0 ATP/mol d-malate. Slow anaerobic growth on d-malate was observed when glycerol was also provided as an electron donor, and d-malate was used in fumarate respiration. The expression of dmlR is subject to negative autoregulation. The network for regulation and coordination of the central and peripheral pathways for C4-dicarboxylate metabolism by the regulators DcuS-DcuR, DmlR, and TtdR is discussed

Metabolic depression during warm torpor in the Golden spiny mouse (<em>Acomys russatus</em>) does not affect mitochondrial respiration and hydrogen peroxide release.

Small mammals actively decrease metabolism during daily torpor and hibernation to save energy. Recently, depression of mitochondrial substrate oxidation in isolated liver mitochondria was observed and associated to hypothermic/hypometabolic states in Djungarian hamsters, mice and hibernators. We aimed to clarify whether hypothermia or hypometabolism causes mitochondrial depression during torpor by studying the Golden spiny mouse (Acomys russatus), a desert rodent which performs daily torpor at high ambient temperatures of 32&deg;C. Notably, metabolic rate but not body temperature is significantly decreased under these conditions. In isolated liver, heart, skeletal muscle or kidney mitochondria we found no depression of respiration. Moderate cold exposure lowered torpor body temperature but had minor effects on minimal metabolic rate in torpor. Neither decreased body temperature nor metabolic rate impacted mitochondrial respiration. Measurements of mitochondrial proton leak kinetics and determination of P/O ratio revealed no differences in mitochondrial efficiency. Hydrogen peroxide release from mitochondria was not affected. We conclude that interspecies differences of mitochondrial depression during torpor do not support a general relationship between mitochondrial respiration, body temperature and metabolic rate. In Golden spiny mice, reduction of metabolic rate at mild temperatures is not triggered by depression of substrate oxidation as found in liver mitochondria from other cold-exposed rodents

Gamma-Glutamylpolyamine Synthetase GlnA3 Is Involved in the First Step of Polyamine Degradation Pathway in Streptomyces coelicolor M145

Streptomyces coelicolor M145 was shown to be able to grow in the presence of high concentrations of polyamines, such as putrescine, cadaverine, spermidine, or spermine, as a sole nitrogen source. However, hardly anything is known about polyamine utilization and its regulation in streptomycetes. In this study, we demonstrated that only one of the three proteins annotated as glutamine synthetase-like protein, GlnA3 (SCO6962), was involved in the catabolism of polyamines. Transcriptional analysis revealed that the expression of glnA3 was strongly induced by exogenous polyamines and repressed in the presence of ammonium. The ΔglnA3 mutant was shown to be unable to grow on defined Evans agar supplemented with putrescine, cadaverine, spermidine, and spermine as sole nitrogen source. HPLC analysis demonstrated that the ΔglnA3 mutant accumulated polyamines intracellularly, but was unable to degrade them. In a rich complex medium supplemented with a mixture of the four different polyamines, the ΔglnA3 mutant grew poorly showing abnormal mycelium morphology and decreased life span in comparison to the parental strain. These observations indicated that the accumulation of polyamines was toxic for the cell. An in silico analysis of the GlnA3 protein model suggested that it might act as a gamma-glutamylpolyamine synthetase catalyzing the first step of polyamine degradation. GlnA3-catalyzed glutamylation of putrescine was confirmed in an enzymatic in vitro assay and the GlnA3 reaction product, gamma-glutamylputrescine, was detected by HPLC/ESI-MS. In this work, the first step of polyamine utilization in S. coelicolor has been elucidated and the putative polyamine utilization pathway has been deduced based on the sequence similarity and transcriptional analysis of homologous genes expressed in the presence of polyamines

Depression of mitochondrial respiration during daily torpor of the Djungarian hamster,<em> Phodopus sungorus</em>, is specific for liver and correlates with body temperature.

Small mammals actively decrease metabolism during daily torpor and hibernation to save energy. Increasing evidence suggests depression of mitochondrial respiration during daily torpor of the Djungarian hamster but tissue-specificity and relation to torpor depth is unknown. We first confirmed a previous study by Brown and colleagues reporting on the depressed substrate oxidation in isolated liver mitochondria of the Djungarian hamster (Phodopus sungorus) during daily torpor. Next, we show that mitochondrial respiration is not depressed in kidneys, skeletal muscle and heart. In liver mitochondria, we found that state 3 and state 4 respirations correlate with body temperature, suggesting inhibition related to torpor depth and to metabolic rate. We conclude that molecular events leading to depression of mitochondrial respiration during daily torpor are specific to liver and linked to a decrease in body temperature. Different tissue-specificity of mitochondrial depression may assist to compare and identify the molecular nature of mitochondrial alterations during torpor