Genexpression während des täglichen Torpors: Molekulare Mechanismen der Stoffwechseldepression

Dsungarische Zwerghamster (Phodopus sungorus) zeigen täglichen Torpor als Teil ihrer saisonalen Akklimatisation an die kalte Jahreszeit. Wie viele andere Kleinsäuger senken die Hamster während des Torpors ihre Stoffwechselrate zur Energieeinsparung während der täglichen Ruhephase für mehrere Stunden ab. Die verringerte Eigenwärmeproduktion führt in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu einer Erniedrigung der Körpertemperatur (Hypothermie). Verantwortlich für den Eintritt in den hypometabolen Zustand während des täglichen Torpors ist ähnlich wie beim Winterschlaf eine Stoffwechseldepression. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen Untersuchungen zur Genexpression beim Eintritt in den täglichen Torpor. Dabei lag das Interesse sowohl auf der Identifikation differentiell exprimierter Gene, als auch auf der Untersuchung der „globalen“ Transkriptions- und Translationsaktivität, die einen Beitrag zur metabolischen Depression leisten könnten. Die kontinuierliche Messung der Stoffwechselrate mittels indirekter Kalorimetrie ermöglichte die Gewebeentnahme in drei metabolischen Zuständen: Normometabol (Kontrollen), torpid (bei Erreichen der minimalen Stoffwechselrate) und nach dem „Erwachen“ aus dem Torpor (Arousal). Die „globale“ Transkriptionsaktivität in der Leber wurde mittels Transcriptional Run on Assays untersucht. Bei Zellkernen aus der Leber torpider Hamster konnte im Vergleich zu den normometabolen Kontrollen ein um ~40% erniedrigter Einbau radioaktiv-markierter Nukleotide in die in vitro-transkribierten mRNA-Moleküle festgestellt werden. Dies lässt auf eine Reduktion der Initiationsrate von Transkriptionsvorgängen während des Torpors schließen. Die in vitro- Transkriptionsrate der Leber-Zellkerne von Hamstern, die aus dem Torpor wieder erwacht waren (Arousal), unterschied sich nicht von den Proben der normometabolen Kontrolltiere. Zum Vergleich der Proteinsynthese in der Leber normometaboler und torpider Hamster wurden Polysomen-Profile erstellt. Im Gegensatz zu den Proben normometaboler Hamster, bei denen die Ribosomen vorwiegend in Form von Polysomen vorlagen, konnte bei den Proben torpider Hamster ein Zerfall von Polysomen beobachtet werden. Die Disaggregation von Polysomen lieferte einen Hinweis auf eine reduzierte Proteinsynthese während des Torpors. Bei Transkription und Translation handelt es sich um energieaufwendige Prozesse, die zusammen über 30% der in Form von ATP fixierten Energie beanspruchen. In der Leber, die für ~20% der Basalstoffwechselrate verantwortlich ist, konnte nachgewiesen werden, dass die Inhibition der Synthese von RNA und Protein einen wesentlichen Mechanismus der Stoffwechseldepression beim Eintritt in den täglichen Torpor darstellt. Mittels Northernblot-Analysen wurde die mRNA-Expression von drei Isoenzymen der Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase (PDK 1, 2 und 4) im Herzmuskel normometaboler und torpider Hamster untersucht. Die Kinasen inaktivieren durch Phosphorylierung den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDC), was zur Umschaltung von Glucose-Verwertung auf Fettsäuren als primäres Substrat zur Energiegewinnung führt. In einer früheren Studie konnte beim Dsungarischen Zwerghamster eine positive Korrelation zwischen der Stoffwechselrate der Tiere und der Aktivität des PDC u.a. im Herzmuskel festgestellt werden, was auf eine Inaktivierung des Multienzymkomplexes während des täglichen Torpors schließen lässt. Für PDK4 konnte eine leichte Erhöhung der mRNA-Konzentration im Herzmuskel torpider Hamster im Vergleich zu normometabolen Kontrollen festgestellt werden, die jedoch nicht in einer Erhöhung des PDK4-Proteingehalts resultierte. 48-stündiger Futterentzug hingegen hatte eine drastische Erhöhung der PDK4-mRNA-Konzentration zur Folge. Die in früheren Studien an Winterschläfern beobachtete Erhöhung der PDK4-Expression im Herzmuskel könnte eine Anpassung an das chronische Fasten während des Winterschlafs darstellen. Im Gegensatz dazu kommt es während des täglichen Torpors bei Dsungarischen Zwerghamstern nicht zu langfristigem Futterentzug. Sie sind auch im Winter auf eine regelmäßige Nahrungszufuhr angewiesen. Die kurzfristige Regulation der PDKs könnte auf allosterische Effektoren zurückzuführen sein. Als nicht-hypothesenbasierende Ansätze zur Identifikation von im Herzmuskel differentiell exprimierten Genen während des Torpors wurden zwei alternative Methoden verwendet. Bei der cDNA-RDA basierte die Differenzanalyse auf einer subtraktiven Hybridisierung und anschließender selektiver Amplifikation von cDNA-Fragmenten. Alternativ zur cDNA-RDA wurden Maus-Filterarrays zur Identifikation von Unterschieden in der Genexpression eingesetzt. Bei keinem der selektierten Kandidaten konnte die differentielle Genexpression auf Northernblots bestätigt werden. Eine metabolische Reorganisation auf der Grundlage differentieller Genexpression scheint im Herzmuskel nicht zu den zentralen Mechanismen der metabolischen Depression beim Einritt in den täglichen Torpor zu zählen

Circadian activity rhythms in colonies of ‘blind’ Molerats, Cryptomys damarensis (Bathyergidae)

Various activity rhythms (general, feeding, and toilet) were measured under controlled laboratory conditions in two colonies of the Damara molerai Cryptomys damarensis, for 140 consecutive days (following a 30 day test period) under various photoperiod regimes (16:8 LD, 12:12 LD, and constant dark DD). As a general rule, all activities showed a significant diurnal rhythm with a period of 24 h under LD photoperiods. However, under a 16 : 8 LD photoperiod a very prominent activity component during the first part of the subjective night was observed, especially following a shift in photoperiod. The molerats responded rapidly to LD phase shifts. In constant dark, all activities had free-running periods of τ = 24,1-24,2 h, thus indicating that light can synchronize and entrain endogenous circadian rhythms in these molerats

Spectroscopic interrogation of differential mobility spectrometry selected, isolated, gas-phase molecular clusters

One of the most elusive challenges facing mass spectrometry-based methods is the study of isomers. Oftentimes, isomers produce identical fragmentation spectra that make structural elucidation and assignment from MS data alone difficult. In this thesis, the problem of studying isomers is addressed by employing differential mobility spectrometry-mass spectrometry experiments coupled with ultraviolet photodissociation action spectroscopy (DMS-MS-UVPD). Using a combination of experimental and computational techniques, the validity of DMS-MS-UVPD studies for applications in isomer separation and distinction is verified. During the course of two subprojects, DMS-MS-UVPD is successfully applied to separate and distinguish between geometric isomers and tautomers. First, DMS-MS experiments are conducted, and the dynamic clustering behaviour of each species is determined. Once the clustering behaviour is well-characterized, the DMS-MS parameters are optimized to select for the species of interest and used as an ion filter for subsequent UVPD action spectroscopy experiments. The results from the action spectroscopy studies produce a vibronic spectrum that can be compared to theoretical models for correct isomer assignment. Due to the complexity of excited state phenomena, many computational models were used to accurately predict vibronic spectra, including Franck-Condon based approaches and non-adiabatic dynamics. The work presented in this thesis provides the framework for the use of DMS-MS-UVPD in other isomer systems

The effects of hibernation on the contractile and biochemical properties of skeletal muscles in the thirteen-lined ground squirrel, Ictidomys tridecemlineatus

Hibernation is a crucial strategy of winter survival used by many mammals. During hibernation, thirteen-lined ground squirrels, Ictidomys tridecemlineatus, cycle through a series of torpor bouts, each lasting more than a week, during which the animals are largely immobile. Previous hibernation studies have demonstrated that such natural models of skeletal muscle disuse cause limited or no change in either skeletal muscle size or contractile performance. However, work loop analysis of skeletal muscle, which provides a realistic assessment of in vivo power output, has not previously been undertaken in mammals that undergo prolonged torpor during hibernation. In the present study, our aim was to assess the effects of 3 months of hibernation on contractile performance (using the work loop technique) and several biochemical properties that may affect performance. There was no significant difference in soleus muscle power output-cycle frequency curves between winter (torpid) and summer (active) animals. Total antioxidant capacity of gastrocnemius muscle was 156% higher in torpid than in summer animals, suggesting one potential mechanism for maintenance of acute muscle performance. Soleus muscle fatigue resistance was significantly lower in torpid than in summer animals. Gastrocnemius muscle glycogen content was unchanged. However, state 3 and state 4 mitochondrial respiration rates were significantly suppressed, by 59% and 44%, respectively, in mixed hindlimb skeletal muscle from torpid animals compared with summer controls. These findings in hindlimb skeletal muscles suggest that, although maximal contractile power output is maintained in torpor, there is both suppression of ATP production capacity and reduced fatigue resistance

Influence of the charge carrier tunneling processes on the recombination dynamics in single lateral quantum dot molecules

We report on the charge carrier dynamics in single lateral quantum dot molecules and the effect of an applied electric field on the molecular states. Controllable electron tunneling manifests itself in a deviation from the typical excitonic decay behavior which is strongly influenced by the tuning electric field and inter-molecular Coulomb energies. A rate equation model is developed to gain more insight into the charge transfer and tunneling mechanisms. Non-resonant (phonon-mediated) electron tunneling which changes the molecular exciton character from direct to indirect, and vice versa, is found to be the dominant tunable decay mechanism of excitons besides radiative recombination.Comment: 4 pages, 4 figure

Seasonal Control of Mammalian Energy Balance : Recent advances in the understanding of daily torpor and hibernation

Funding This work was supported in part by BBSRC grant (BB/M001504/1) to PB, DFG Emmy-Noether HE6383 to AH, German Center for Diabetes Research (DZD) to MJ.Peer reviewedPostprin

Theoretische Ansätze zur Applikationsoptimierung mittels Conjoint-Analyse : Bedarfsorientierte Darstellungskonzepte und Nutzungsanforderungen an enzyklopädisch-lexikalische Inhalte auf mobilen Endgeräten

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie mittels einer Conjoint-Analyse eine ideale Ausgestaltung von Features mobiler Applikationen (Apps) erreicht werden kann. Anhand eines enzyklopädisch-lexikalischen Werkes wurde die Forschungsfrage empirisch untersucht. Im Ergebnis lieferte die durchgeführte Conjoint-Analyse eine Übersicht der Produktfeatures, die als optimal an die Kundenwünsche angepasst gelten können und somit einer in der Folge zu erstellenden App einen hohen „Fit-To-Market“ garantieren. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass sich die Conjoint-Analyse als methodischer Ansatz durchaus auf medienspezifische Fragestellungen anwenden lässt, auch wenn dies in der Vergangenheit eher der Ausnahmefall war