Dissertation
Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Annika Herwig

 

Torpor and timing: Impact of endogenously controlled hypothermia on the circadian system of two hamster species

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-94281

title (ger.)

Torpor und Timing: Der Einfluss endogen kontrollierter Hypothermie auf das circadiane System zweier Hamsterspezies.

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2007

text

/dissertations/herwiga_ss07.pdf

abstract (deutsch)

Einflüsse saisonaler Umweltveränderungen (z.B Photoperiode und Umgebungstemperatur) verstärken sich mit zunehmender geographischer Breite, und Säugetiere, die unter solch extrem variablen Bedingungen leben, haben unterschiedliche Formen von Torpor entwickelt, um in energetisch ungünstigen Zeiten metabolische Kosten einzusparen. Echte Winterschläfer wie der Europäische Hamster (Cricetus cricetus) reduzieren in der Winterschlafsaison ihre Körpertemperatur regelmäßig für mehrere Tage auf Werte nahe der Umgebungstemperatur und sparen dabei ein erheliches Maß an Energie. Kleinere Säugetiere wie der Dsungarische Zwerghamster (Phodopus sungorus) zeigen dagegen eine abgeschwächte Form der Hypothermie: täglichen Torpor. Induziert durch eine kurze Photoperiode senken die Tiere ihre Körpertemperatur während der Ruhephase spontan für einige Stunden auf bis zu 15°C ab. Ein Absenken der Körpertemperatur führt auch zu sinkender Aktivität des zentralen Nerven- systems, dessen Funktionieren jedoch überlebenswichtig ist. Daher wird angenommen, dass wichtige Gehirnsysteme auch während einer Hypothermie aktiv bleiben.

Da Torpor ein im Jahres- und Tagesverlauf zeitlich präzise integrierter Vorgang ist, gilt die innere Uhr als Schlüsselsystem für heterotherme Tiere. Zum einen misst und integriert sie die Tageslänge und bestimmt so den Beginn der Torporsaison im Jahr, zum anderen synchro isiert sie interne physiologische Prozesse im Tagesverlauf. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die innere Uhr während des täglichen Torpors in Dsungarischen Zwerghamstern „weitertickt“, also die rhythmische Expression der so genannten Uhrengene weiterhin stattfindet. Änderungen in Phase und Amplitude der rhythmischen Uhrengen- expression deuten jedoch auf eine Temperatursensibilität der Uhr hin. Reduzierte Protein- expression während der Hypothermie und somit ein reduziertes Protein-Feedback könnte die Ursache für eine veränderte Genexpression nach einem Torporschub sein.

Um Phasenverschiebungen der Uhr, die in der Genexpression sichtbar wurden, genauer zu untersuchen, wurde die trans-pineale Mikrodialyse etabliert. Diese Methode ermöglicht eine kontinuierliche In-vivo-Messung von Melatonin im Pinealorgan. Die rhythmische, nächtliche Sekretion von Melatonin aus dem Pinealorgan ist ein sehr gut definierter „Zeiger“ der inneren Uhr, der präzise ihre Aktivität widerspiegelt und darüber hinaus als das wichtigste Signal gilt, um saisonale Informationen an den Organismus zu übermitteln. In dieser Arbeit wurde erstmalig die Mikrodialyse bei den sehr kleinen Dsungarischen Zwerghamstern erfolgreich eingesetzt.

Im Gegensatz zum täglichen Torpor konnten wir in tiefem Torpor bei Europäischen Hamstern keine rhythmische Expression von Uhrengenen feststellen. Demnach steht die innere Uhr bei dieser geringen Körpertemperatur von ~8°C still und generiert keinerlei Oszillation. Diesen Daten zufolge scheint die innere Uhr zwar in einem weiten Temperaturbereich temperatur- kompensiert zu sein. Sobald die Körpertemperatur jedoch auf einen bestimmten Wert abgesunken ist, findet keine endogene Zeitmessung mehr statt.

Es konnte bereits gezeigt werden, dass auch das histaminerge System eine wichtige Rolle beim Torpor spielt. In winterschlafenden Erdhörnchen (Spermophilus lateralis) scheint es über den inhibitorischen Histamin-3-Rezepor aktiv andere Neurotransmittersysteme zu unterdrücken. Beim Dsungarischen Zwerghamster zeigte sich, dass dieser Rezeptor auch während des täglichen Torpors in vielen Kerngebieten des Gehirns verstärkt exprimiert wird. Dazu gehören vor allem der Nucleus arcuatus, der Nucleus dorsomedialis hypothalami, der Nucleus suprachiasmaticus und der Nucleus corporis geniculati dorsalis lateralis, also wichtige Schaltstationen für Energiehaushalt, Thermoregulation, zeitliche Integration und das visuelle System. Diese Ergebnisse deuten hin auf eine vergleichbare Rolle des histaminergen Systems im täglichen und tiefen Torpor, nämlich die aktive Inhibierung bestimmter Neuro- transmittersysteme. Ob diese Systeme möglicherweise durch Orexine wieder aktiviert werden, war eine weitere Fragestellung dieser Arbeit. Orexine sind eine Gruppe von Neurotransmittern, die nachweislich den Wachzustand verstärken und darüber hinaus eine Rolle in der zitterfreien Wärmeproduktion des braunen Fettgewebes spielen, dem wichtigsten Mechanismus, um die Körpertemperatur nach einem Torporschub wieder zu erhöhen. Entgegen unserer Annahme konnten wir im lateralen Hypothalamus keine verstärkte Orexinexpression während des Aufwachvorgangs aus dem täglichen Torpor nachweisen. Dies spricht gegen eine Rolle der Orexine im Aufwachprozess aus der Hypothermie und lässt vermuten, dass die gesteigerte Aufmerksamkeit im Wachzustand anderen Mechanismen unterliegt als das Aufwachen aus dem Torpor.

 

abstract (englisch)

Seasonal influences become increasingly important at high latitudes, where variations in external conditions are most pronounced. Mammals living in such drastic conditions have developed different forms of torpor to reduce metabolic costs in harsh periods when energy is rare. Deep hibernators like the European hamster (Cricetus cricetus) regularly decrease their body temperature (Tb) for several days to temperatures approaching ambient temperature (Ta) and thereby save a maximum of energy. In contrast some small mammals like the Djungarian hamster (Phodopus sungorus) undergo shallower bouts of daily torpor. Induced by short photoperiod they spontaneously use their circadian resting time for only a few hours of precisely timed hypothermia during which their body temperature decreases to minimum 15°C. Invariably low Tbs go along with a depression of CNS activity. Nevertheless it is crucial that functional integrity is maintained, which is why systems of vital importance during hypothermia are supposed to remain active at those low Tbs.

One of the important keys during torpor is believed to be the circadian system. It measures photoperiod and thereby determines the onset of the torpor season and moreover synchronizes internal processes on a circadian basis. In this thesis we could for the first time demonstrate that the clock´s molecular machinery is still active during daily torpor in Djungarian hamsters. Alterations in phase and amplitude of clock gene expression rhythms however, point to temperature sensitivity. Decrease in protein expression during hypothermia, hence a decreased feedback might be responsible for transcriptional alterations during and after a torpor bout.

To more precisely investigate phase changes seen in gene expression, we set up a long term microdialysis experiment to continuously measure melatonin, a well defined clock output, in vivo directly in the pineal gland. This method could for the first time be adapted to the very small Djungarian hamster and provides a good tool to study a circadian signal like melatonin in a seasonally heterothermic animal.

During deep hibernation in European hamsters that decreased their Tb for several days ~8°C in our experimental conditions, we could not observe any rhythmic clock gene expression and thereby show that the clock stops oscillating at those low temperatures. We conclude from our data, that the circadian clock seems to be temperature compensated in a wide temperature range but once a certain low temperature is reached, oscillation is no longer possible.

The histaminergic system as well has been shown to play an important role in hibernation. In hibernating ground squirrels (Spermophilus lateralis) it likely serves to purposefully suppress other neurotransmitter systems via the inhibitory autoregulatory histamine 3 (H3) receptor. In our study we also show up-regulation of this receptor during daily torpor in Djungarian hamsters in various nuclei including arcuate nucleus, dorso medial hypothalamus, suprachiasmatic nucleus and dorsal lateral geniculate, hence important relay stations for energy balance, thermoregulation, timing and vision. Those findings point to a role for the histaminergic system in daily torpor comparable to that in deep hibernation, namely actively inhibiting other neurotransmitter systems. We investigated whether reactivation of the other systems could be caused by orexins. Orexins are a group of neuropeptides that has been shown to increase wakefulness and seems moreover to be related to non-shivering thermogenesis in brown adipose tissue, the main mechanism to regain normal Tb after hypothermia. Contrary to our expectation we found orexin down-regulated during torpor as well as during arousal from torpor. This contradicts the role of orexin during arousal from hypothermia and suggests distinct mechanisms for arousal related to wakefulness and arousal from hypothermia.

 

keywords

Torpor, Winterschlaf, innere Uhr, daily topor, hibernation, circadian clock

kb

4.953