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dc.contributor.advisorDobler, Susanne (Prof. Dr.)
dc.contributor.authorKrüger, Alena
dc.date.accessioned2020-10-19T13:11:08Z-
dc.date.available2020-10-19T13:11:08Z-
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttps://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6191-
dc.description.abstractMarine mammals are routinely exposed to low oxygen conditions when submerged. While physiological adaptations that reduce oxygen consumption and improve oxygen storage are well studied, the molecular mechanisms of the cerebral hypoxia tolerance in diving mammals are still widely unknown. Enhanced anaerobic energy production and general energy saving mechanisms via hypometabolism could help the diving brain to survive hypoxic periods. The aim of this work was to reveal basic molecular differences in the brain of whales and their closest terrestrial relative, the cattle. By using transcriptome analysis, gene expression differences were examined, and based on these results further molecular adaptations to diving were investigated. Transcriptomes of the visual cortex of the killer whale (Orcinus orca), the longfinned pilot whale (Globicephala melas), as well as the cerebellum of the long-finned pilot whale and the visual cortex of the cow (Bos taurus) were sequenced. In order to increase the number of replicates, additional brain transcriptomes of cattle brain, as well as minke whale (Balaenoptera acutorostrata) brain and bowhead whale (Balaena mysticetus) brain from the NCBI public SRA database were included in the analyses. Comparison of the brain transcriptomes of whales and cattle revealed an increased aerobic capacity in the whale brain(Chapter I). This was suggested based on a significantly higher expression of an above-average number of transcripts involved in oxidative phosphorylation and the electron transport chain in the whale brain. In contrast to seals, whales seem to have developed a more efficient use of oxygen to sustain brain activity instead of a reduced metabolism to save energy. Additionally, the high aerobic capacity might represent an adaptation for the rapid regeneration of ATP production immediately after resurfacing. However, enhanced aerobic metabolism also increases the formation of toxic reactive oxygen species (ROS). Significantly higher expression levels of transcripts involved in the detoxification of ROS seem to protect the whale brain from neuronal damage. To investigate the role of high expression of specific antioxidant genes, the effects of overexpression of superoxide dismutase 1 (SOD1) in cell culture were investigated (Chapter II). The SOD1 gene of the killer whale was overexpressed in neuronal mouse cells (HN33) and cell viability was analyzed after 24 hours of normoxia, hypoxia and oxidative stress. Increased expression of SOD1 resulted in improved cell viability in both hypoxia and oxidative stress and less production of ROS under hypoxia than in control cells. Another important factor in the hypoxia tolerance of the whale brain seems to be the suppression of certain apoptotic signaling pathways. Among the transcripts that were significantly more abundant in the whale brain than in the cow brain, COMM Domain Containing 6 (COMMD6) was among the transcripts with the highest fold difference. COMMD6 is known to inhibit the pro-apoptotic transcription factor NF-κB. To test the effects of high expression of COMMD6 on neurons under hypoxia and oxidative stress, the COMMD6 gene of the killer whale was overexpressed in HN33 cells (Chapter II). The high expression of COMMD6 led to higher survival rates of the transfected cells under hypoxia and oxidative stress compared to control cells. This may indicate that a high expression of COMMD6 suppresses programmed cell death controlled by NF-κB. Furthermore, indicators of a switch to anaerobic metabolism in the whale brain under hypoxic conditions were investigated. Several parameters of lactate dehydrogenase (LDH) were analyzed in the brain of whale and cattle (Chapter III). Here, a peculiarity in the composition of LDH isoenzymes was shown. The whale brain has a higher proportion of LDHA / LDHB hybrid isoenzymes, indicating a flexible switch between aerobic and anaerobic energy production. In addition, it has been shown that LDH in the whale brain has enhanced activity in high concentrations of lactate, which could rapidly break down anaerobically produced lactate after the dive. The results of this work provide initial insights into the molecular adaptations to hypoxia in the whale brain and provide the basis for more extensive studies of brain metabolism in the whale.en
dc.description.abstractTauchende Säuger wie etwa Wale haben sich perfekt an ihren besonderen Lebensraum angepasst. Die meiste Zeit ihres Lebens verbringen sie unter Wasser, ohne Zugang zu atmosphärischem Sauerstoff und setzen sich dadurch Bedingungen aus, in denen ihre Organe und Gewebe nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung haben (Hypoxie). Die physiologischen Anpassungen, die Wale nutzen, um den Sauerstoffverbrauch zu reduzieren und ihre Sauerstoffspeicherkapazität zu erhöhen sind sehr gut untersucht. Weitestgehend unklar ist bisher jedoch, welche molekularen Mechanismen für die Hypoxietoleranz des Gehirns tauchender Säuger verantwortlich sind. Im Rahmen dieser Arbeit sollten grundsätzliche molekulare Unterschiede im Gehirn von Walen und ihren nächsten terrestrischen Verwandten, den Rindern, aufgedeckt werden. Mithilfe von Transkriptomanalysen sollten Genexpressionsunterschiede gefunden werden, auf deren Basis weitere Besonderheiten im Gehirn der Wale untersucht werden. Hierfür wurden Transkriptome des visuellen Cortex des Orcas (O. orca), des Grindwals (G. melas), sowie des Cerebellums des Grindwals und, zum Vergleich, des visuellen Cortex der Kuh (B. taurus) erstellt. Um die Anzahl der Replikate zu vergrößern wurden außerdem weitere Gehirntranskriptome der Kuh, sowie des Zwergwals (B. acutorostrata) und des Grönlandwals (B.mysticetus) aus der öffentlichen SRA Datenbank von NCBI in die Analysen eingeschlossen. Beim Vergleich der Transkriptome von Walen und Rindern zeigte sich eine erhöhte aerobe Kapazität im Walgehirn (Kapitel I). Diese äußerte sich durch eine signifikant stärkere Expression von einer überdurchschnittlich hohen Zahl an Transkripten, die an der oxidativen Phosphorylierung und der Elektronentransportkette beteiligt sind. Dies deutet darauf hin, dass Wale eine effizientere Nutzung des Sauerstoffs entwickelt haben, um die Gehirnaktivität dauerhaft aufrecht zu erhalten. Außerdem scheint das Gehirn der Wale durch eine erhöhte aerobe Kapazität auf eine schnelle Regeneration der ATP Produktion direkt nach dem Auftauchen ausgelegt zu sein. Ein ausgeprägter aerober Metabolismus verstärkt jedoch auch die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die zellschädigend wirken. Eine signifikant höhere Expression von Transkripten, die an der Detoxifizierung der ROS beteiligt sind, scheint das Walgehirn jedoch vor neuronalen Schäden zu schützen. Um die Rolle der einzelnen stärker exprimierten Transkripte zu untersuchen, wurden beispielhaft die Auswirkungen einer Überexpression der Superoxid-Dismutase 1 (SOD1) in Zellkultur unter sucht (Kapitel II). Die SOD1 Gensequenz des Orcas wurde in neuronalen Mauszellen (HN33) überexprimiert und die Zellviabilität wurde nach 24 Stunden Normoxie, Hypoxie und oxidativem Stress untersucht. Die verstärkte Expression von SOD1 führte zu einer verbesserten Zellviabilität sowohl unter Hypoxie als auch unter oxidativem Stress und unter Hypoxie wurde weniger ROS produziert als in Kontrollzellen. Eine weitere wichtige Rolle in der Hypoxietoleranz des Walgehirns scheint die Unterdrückung bestimmter Apoptose Signalwege zu spielen. Unter den Transkripten, die im Walgehirn höher exprimiert waren als im Kuhgehirn zeigte COMM Domain Containing 6 (COMMD6) mit die stärksten Expressionsunterschiede. COMMD6 ist in der Lage den pro-apoptotischen Transkriptionsfaktor NF-κB zu inhibieren. Um die Auswirkungen einer starken Expression auf Neurone unter Hypoxie und oxidativem Stress zu testen, wurde auch dieses Gen des Orcas in HN33 Zellen überexprimiert. Es zeigte sich, dass die starke Expression von COMMD6 dazu führte, dass HN33 Zellen eine signifikant höhere Überlebensrate unter Hypoxie und unter oxidativem Stress aufwiesen als Kontrollzellen. Dies könnte darauf hinweisen, dass die starke Expression von COMMD6 den programmierten Zelltod, gesteuert durch NF-κB unterdrückt. Weiterhin sollte in dieser Arbeit untersucht werden, ob es Hinweise auf anaeroben Metabolismus im Walgehirn unter hypoxischen Bedingungen gibt. Hierfür wurden verschiedene Parameter der Laktatdehydrogenase (LDH) im Wal- und Kuhgehirn verglichen (Kapitel III). Hier zeigte sich eine Besonderheit in der Zusammensetzung der LDH-Isoenzyme. Das Walgehirn weist einen höheren Anteil an LDHA/LDHB Hybrid-Isoenzymen auf, was auf einen flexiblen Wechsel zwischen aerober und anaerober Energiegewinnung hindeutet. Außerdem konnte gezeigt werden, dass LDH im Walgehirn verstärkte Aktivität bei hohen Laktatkonzentrationen aufweist, was dabei helfen könnte, anaerob produziertes Laktat nach dem Tauchgang schnell abzubauen. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben erste Einblicke in die molekularen Anpassungen des Walgehirns an Hypoxie und bieten die Grundlage für weiterreichende Untersuchungen des Gehirnmetabolismus im Wal.de
dc.language.isodede
dc.publisherStaats- und Universitätsbibliothek Hamburg Carl von Ossietzky
dc.rightshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.subjectCetaceaen
dc.subjectbrainen
dc.subjecthypoxiaen
dc.subjectdivingen
dc.subjecttranscriptomeen
dc.subject.ddc570 Biowissenschaften, Biologie
dc.titleMolecular basis of hypoxia tolerance in the whale brainde
dc.title.alternativeMolekulare Mechanismen der Hypoxietoleranz im Walgehirnde
dc.typedoctoralThesis
dcterms.dateAccepted2020-02-07
dc.rights.ccNo license
dc.rights.rshttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject.bcl42.13 Molekularbiologie
dc.type.casraiDissertation-
dc.type.dinidoctoralThesis-
dc.type.driverdoctoralThesis-
dc.type.statusinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.thesisdoctoralThesis
tuhh.opus.id10286
tuhh.opus.datecreation2020-02-20
tuhh.type.opusDissertation-
thesis.grantor.departmentBiologie
thesis.grantor.placeHamburg
thesis.grantor.universityOrInstitutionUniversität Hamburg
dcterms.DCMITypeText-
tuhh.gvk.ppn1691704849
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:18-102864
item.languageiso639-1other-
item.creatorOrcidKrüger, Alena-
item.grantfulltextopen-
item.creatorGNDKrüger, Alena-
item.advisorGNDDobler, Susanne (Prof. Dr.)-
item.fulltextWith Fulltext-
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen
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