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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-80681
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/8068/


Influence of thyroid hormones on seasonal regulation of body weight, daily torpor and gene expression in Djungarian hamsters (Phodopus sungorus)

Einfluss von Schilddrüsenhormonen auf die jahreszeitliche Anpassung von Körpergewicht, täglichem Torpor und Genexpression beim Dsungarischen Zwerghamster (Phodopus sungorus)

Bank, Jonathan

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SWD-Schlagwörter: Schilddrüsenhormon , Körpergewicht , Winterschlaf , Stoffwechsel , Winter , Photoperiode
Freie Schlagwörter (Deutsch): Braunes Fettgewebe , jahreszeitliche Anpassung , Somatostatin , Dejodase
Freie Schlagwörter (Englisch): metabolism , photoperiod , brown adipose tissue , seasonal adaptation , somatostatin , deiodinase
Basisklassifikation: 42.63 , 42.18 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Herwig, Annika (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.09.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 07.09.2016
Kurzfassung auf Englisch: Introduction
Seasonal mammals live in environments with extreme annual changes in ambient temperature and food availability. In order to survive these energetically challenging conditions, they show massive physiological and morphological adaptations throughout the year that are driven by changes in day length. A well-studied seasonal animal model for seasonal adaptation is the Djungarian hamster (Phodopus sungorus). Hamsters cease reproduction, voluntarily reduce body weight and change fur well in advance of the coming winter season to reduce energy expenditure. During winter they express spontaneous daily torpor, a state of hypometabolism and hypothermia, to additionally reduce energy demands. These hamsters decode seasonal changes in day length by translating the photoperiodic signal into nocturnal melatonin secretion from the pineal gland. One target site of melatonin is the pars tuberalis where it inhibits TSH production and thereby indirectly influences thyroid hormone metabolism especially in the nearby hypothalamus. In the past 20 years several studies provided evidence that local thyroid hormone conversion in the hypothalamus plays a critical role during the transition from summer to winter. However, the link between thyroid hormones and regulation of body weight and torpor is not well understood.

Methods
One experiment was performed to provide more information about the influence of photoperiodic changes on hypothalamic gene expression. After an initial collective short day adaptation different hamster groups were switched between long- and short photoperiod and gene expression was analyzed at several stages by in situ hybridization. Changes in gene expression were correlated with changes in body weight. Two further experiments were performed to reveal the acute influence of thyroid hormones on body weight, food intake and especially expression of torpor. Hamsters were made hyperthyroid by giving T4 or T3 via drinking water or hypothyroid by treatment with methimazole. Body weight and food intake were regularly weighted and torpor expression was monitored by continuous recording of body temperature. In a second approach hamsters were centrally treated with T3 via microdialysis probes placed in close proximity to the hypothalamus. Both experiments were terminated after two weeks and effects of treatment on gene expression in hypothalamus, brown adipose tissue and skeletal muscle were analyzed by qPCR.

Results
Alternations between photoperiods reveled that increasing body weight after the switch from SP to LP was linked to increasing expression of dio2, vimentin, crbp1 and gpr50 as well as reduced expression of dio3, mct8 and srif. Hamsters were able to respond to SP a second switch after six and 14 weeks in LP. Small, but significant differences in hypothalamic gene expression showed, that transcription of deiodinases, responsible for T3 metabolism, followed a fine tuned regulation, which seems to play a key role in body weight adaptation.
Systemic treatment with T3 led to an increase of body weight after 10 days and more importantly to a direct inhibition of daily torpor. Contrarily hypothyroidism led to increased torpor frequency with prolonged and deeper torpor bouts. This showed that low T3 availability seems to be a prerequisite for torpor induction. Central T3 treatment led to an inhibition of torpor, too. Subtly nuanced differences between systemic and central treatment suggest that torpor is primarily regulated by the hypothalamus and subsequently by peripheral influences.
Gene expression analysis by quantitative PCR revealed that expression of dio2 and uncoupling proteins was regulated in a treatment and tissue specific manner. Interestingly dio2, ucp1 and ucp3 were downregulated during torpor. This suggests low intracellular T3 activation during torpor, which might have been be the reason for reduced ucp1 and ucp3 expression that might result in reduced thermogenesis during torpor.

Conclusion
All together these experiments shed more light on long-term photoperiodic control of body weight and gene expression, especially genes related to thyroid hormone metabolism. Furthermore, results of this dissertation provide new evidence for the strong influence of thyroid hormones on torpor expression. Low intracellular T3 availability in the hypothalamus is essential for seasonal body weight reduction and expression of daily torpor.
Kurzfassung auf Deutsch: Einleitung
Saisonale Säugetiere leben in einer Umwelt mit extremen, jahreszeitlichen Änderungen der Außen¬temperatur und Futterverfügbarkeit. Um diese energetische Herausforderung zu überleben, zeigen sie deutlich ausgeprägte physiologische und morphologische Anpassungen an die vorherrschende Jahreszeit, welche durch Änderungen der Tageslänge gesteuert werden. Ein gut erforschtes Tiermodell für saisonale Anpassung ist der Dsungarische Zwerghamster (Phodopus sungorus). Bereits vor Beginn der Winterjahreszeit stellen diese Hamster ihre Reproduktion ein, reduzieren freiwillig ihr Körpergewicht und wechseln das Fell um insgesamt den Energieverbrauch zu reduzieren. Um den Energiebedarf noch weiter zu senken, können sie während des Winters zusätzlich spontanen täglichen Torpor zeigen, welches ein hypometaboler und hypothermer Zustand ist. Die Dsungarischen Zwerghamster nehmen jahreszeitliche Änderungen der Tageslänge wahr, indem sie das photoperiodische Signal in nächtliche Melatonin Ausschüttung aus der Epiphyse umwandeln. Eine Zielregion von Melatonin ist unter anderem die Pars tuberalis des Hypophysenvorderlappens, wo es die Produktion des Thyreoidea-stimulierenden Hormons hemmt. Dadurch beeinflusst Melatonin indirekt den Schilddrüsenhormonstoffwechsel, ganz besonders im Hypothalamus, welcher nahe an der Pars tuberalis liegt. In den letzten 20 Jahren haben mehrere Studien Hinweise geliefert, dass der lokale Schilddrüsenhormonstoffwechsel im Hypothalamus eine sehr wichtige Rolle bei der Anpassung vom Sommer zum Winter spielt. Allerdings ist der Zusammenhang zwischen Schilddrüsen-hormonen und der Regulation von Körpergewicht und Torpor bisher noch weitestgehend unklar.

Methoden
Das erste Experiment dieser Arbeit wurde durchgeführt, um mehr Informationen über den Einfluss von photoperiodischen Veränderungen auf die Genexpression im Hypothalamus zu gewinnen. Dafür wurden zunächst mehrere Hamstergruppen gemeinsamen an eine kurze Photoperiode adaptiert und anschließend gezielt zwischen langer- und kurzer Photoperiode transferiert. So konnte die Genexpression zu verschiedenen Zeitpunkten mit Hilfe von in situ Hybridisierung analysiert werden, um Veränderungen in der Transkription mit Änderungen des Körpergewichts zu korrelieren.
Zwei weitere Experimente wurden durchgeführt, um den direkten Einfluss von Schilddrüsenhormonen auf das Körpergewicht, die Futteraufnahme und besonders das Auftreten von Torpor deutlich zu machen. Dafür wurde bei einigen Hamstern durch die Gabe von T4 oder T3 über das Trinkwasser eine systemische Hyperthyreose induziert, während bei anderen Hamstern eine Schilddrüsenunterfunktion durch Methimazol erzeugt wurde. Das Körpergewicht und die Futteraufnahme wurden regelmäßig bestimmt und das Auftreten von Torpor wurde fortlaufend durch das Aufzeichnen der Köpertemperatur überwacht. Im folgenden Experiment wurde eine Mikrodialysesonde unmittelbar am Hypothalamus platziert und dadurch wurde den Hamstern T3 nur zentral appliziert. Nach zwei Wochen wurden beide Experimente beendet und der Einfluss der Behandlung auf Änderungen in der Genexpression im Hypothalamus, braunem Fettgewebe und Skelettmuskulatur wurden mittels quantitativer PCR untersucht.

Ergebnisse
Durch die gerichteten Wechsel zwischen den Photoperioden wurde offenbart, dass der Anstieg im Körpergewicht nach dem Wechsel von kurzer- zu langer Photoperiode mit einer Veränderung der Genexpression zusammen hing. Der Anstieg der Genexpression von dio2, vimentin, crbp1 und gpr50 sowie die Abnahme der Expression von dio3, mct8 und srif waren mit der Gewichtszunahme verbunden. Hamster die anschließend für sechs bzw. vierzehn Wochen in einer langen Photoperiode gehalten wurden, waren erstaunlicherweise in der Lage sich erneut an eine kurze Photoperiode anzupassen. Kleine, aber wesentliche Unterschiede in der hypothalamischen Genexpression zeigten, dass die Transkription von Dejodasen einer feinabgestimmten Steuerung unterliegt. Diese Enzyme sind für den intrazellulären Schilddrüsdenhormonestoffwechsel verantwortlich und spielen scheinbar eine Schlüsselrolle in der Körpergewichtsanpassung.
Die Systemische Behandlung mit T3 im zweiten Experiment führte nach zehn Tagen zu einem Anstieg des Körpergewichts und zu einer direkten Hemmung des täglichen Torpors. Die induzierte Schilddrüsenunterfunktion führte hingegen zu einem häufigeren Auftreten von Torpor mit verlängerten und tieferen Torpor-Phasen. Dies deutet darauf hin, dass eine geringe T3-Verfügbarkeit eine Voraussetzung für die Induktion von Torpor ist. Auch die zerebrale Behandlung führte zu einer Hemmung von Torpor. Feine Unterschiede zwischen systemischer- und zerebraler Behandlung legen nahe, dass Torpor primär durch den Hypothalamus gesteuert wird und erst nachfolgend durch somatische Einflüsse reguliert wird.
Genexpressionsanalyse durch qPCR offenbarte, dass die Expression von dio2 und Entkopplerproteinen (ucp) in einer behandlungs- und gewebsspezifischen Weise gesteuert wurde. Interessanterweise waren dio2, ucp1 und ucp3 während des Torpors herunterreguliert. Dies ist ein Hinweis, dass während des Torpors wenig T3 innerhalb von Zellen aktiviert wird. Dies kann ein Grund für die reduzierte ucp1 und ucp3 Expression sein, welches wiederum an der Reduzierung von Wärmebildung während des Torpors beteiligt sein könnte.

Fazit
Insgesamt geben alle Experimente meiner Arbeit mehr Aufschluss über die langfristige Steuerung von Körpergewicht und der beteiligten Genexpression. Besonders über Gene, die im Schilddrüsen-hormonstoffwechsel involviert sind, wurden neue Erkenntnisse gewonnen. Zusätzlich geben die gewonnen Ergebnisse neue Hinweise auf einen starken Einfluss von Schilddrüsenhormonen auf das Auftreten von Torpor. Besonders eine geringe intrazelluläre T3 Verfügbarkeit im Hypothalamus scheint entscheidend für die jahreszeitliche Körpergewichtsreduktion und das Auftreten von täglichem Torpor zu sein.

Zugriffsstatistik

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