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Titel:Impact of physiological rhythms on energy homeostasis in rodents
Autor:Boucsein, Alisa
Weitere Beteiligte: Tups, Alexander (Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0055
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0055
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-00551
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Einfluss physiologischer Rhythmen auf die Energiehomöostase von Nagetieren

Dokument

Schlagwörter:
Metabolismus, Photoperiodis, Biowissenschaften, Chronobiologie, Hypothalamus, Fettsucht, Stoffwechselkrankheit, Biologische Uhr, Leptin, Insulin

Summary:
Obesity and related metabolic disorders such as type 2 diabetes are a major health issue of our modern society. The brain has been identified to play an essential role in the pathogenesis of these diseases. Disruptions of the neuroendocrine system, such as the development of hypothalamic leptin resistance, are strongly correlated with the manifestation of diet-induced obesity (DIO). To date, the molecular mechanisms underlying these metabolic derangements are incompletely understood. Over the last decade, a close connection of energy metabolism and the circadian clock has been established, but the link between DIO and disruptions of physiological rhythms still needs further investigation. Therefore, the aim of this thesis was to gain new insights into neuroendocrine mechanisms that lead to the development of leptin resistance and the role of physiological rhythms in the disruption of energy metabolism. In this study, we investigated the implication of the adipocyte-derived hormone adiponectin in neuroendocrine control of energy metabolism. We detected expression of all investigated genes involved in the adiponectin signalling pathway in the hypothalamus of mice. Expression levels of adiponectin were reduced during states of food deprivation, potentially presenting a regulatory mechanism to counteract the anorexigenic traits that had been previously described for central adiponectin signalling and that were confirmed by us in this study, in order to prevent further reduction in body weight. In both fasted control mice as well as DIO mice, gene expression of the adiponectin receptor AdipoR1 was elevated, suggesting multiple regulatory mechanisms to maintain sufficient adiponectin signal transduction. The upregulation of AdipoR1 during DIO might be an attempt to support the beneficial effects of the hormone on metabolic health that have been reported for peripheral adiponectin. In line with this, we demonstrated that adiponectin holds insulin-sensitising, blood glucose-lowering and anti-inflammatory properties in control as well as DIO mice and that these effects are mediated via central signal transduction. We furthermore investigated the role of the WNT/β-catenin pathway in the neuroendocrine control of energy metabolism. Here, we found gene expression of members of the WNT pathway on all regulatory levels (ligands, intracellular pathway enzymes, target genes) in the hypothalamus of adult Djungarian hamsters, Phodopus sungorus, a seasonal rodent that exhibits profound annual changes in body weight and leptin sensitivity. Expression of all ligands as well as target genes was upregulated in hamsters acclimated to long day (LD) relative to short day (SD) conditions. Confirming our results from these transcriptional studies, we furthermore found increased phosphorylation of the WNT pathway co-receptor LRP-6, demonstrating elevated activation of canonical WNT signalling, in LD hamsters. These findings provide strong evidence for increased WNT signalling during LD compared with SD photoperiod. We found a 24-hour rhythm in the hypothalamic expression of WNT target genes, with decreasing levels during the light and increasing levels during the dark phase in both LD and SD hamsters. Moreover, leptin administration led to a further increase in LRP-6 activation in hamsters from both photoperiods. Taken together, we demonstrate a novel integration site for the leptin signal in the hypothalamus, potentially linking the WNT pathway to body weight regulation. Furthermore, our results suggest an important role of canonical WNT signalling in the seasonal as well as daily neuroendocrine control of energy metabolism in Djungarian hamsters. By examining whether hypothalamic leptin signalling and whole body metabolism are modulated by a daily rhythm, we detected a 24-hour rhythm of STAT3 phosphorylation, a marker for activated leptin signalling on a molecular level, in the hypothalamus of wild-type mice. Both basal as well as leptin-induced leptin sensitivity were highest at the end of the dark (active) phase and lowest at the end of the light (inactive) phase. Furthermore, we found that leptin sensitivity on a behavioural level followed the same rhythm, with mice showing a greater response to exogenous leptin at the end of the dark phase at Zeitgeber time (ZT) 0 compared with the end of the light phase at ZT12. Throughout the 24-hour cycle, mice displayed a robust rhythm in food intake, locomotor activity as well as oxygen consumption and energy expenditure, with reduced whole body metabolism during their inactive and increased metabolic rate during their active phase. In DIO mice that were subjected to high-fat diet (HFD) feeding, we found a disruption of the 24-hour rhythmic regulation of leptin pathway activation on a molecular level for both basal and leptin-induced leptin sensitivity. Intriguingly, we demonstrated that this hypothalamic leptin resistance is a temporary phenomenon that persists only at specific times during the day. Responsiveness to leptin was deteriorated during the second part of the dark and the first half of the light phase (ZT21 – ZT6), but identical to mice fed low-fat diet (LFD) at all other times on both the molecular and behavioural level. Furthermore, DIO mice displayed a disruption of the daily rhythms in food intake, locomotor activity, oxygen consumption and energy expenditure. We found that the daily caloric overconsumption observed in mice fed HFD was restricted to the phase when DIO mice were leptin resistant relative to mice fed LFD. In conclusion, these findings provide strong evidence for a crucial role of the 24-hour rhythm of leptin sensitivity in the control of energy metabolism. We furthermore demonstrated that mice with access to HFD exclusively during their leptin resistant phase (ZT21 – ZT3) displayed impairments in a variety of parameters that indicate metabolic health, such as compromised rhythms of locomotor activity, metabolic rate, and energy expenditure as well as increased circulating insulin levels. Restricting HFD exclusively to the leptin sensitive phase (ZT9 – ZT15), on the other hand, protected mice from the development of these severe metabolic impairments. To date it is still largely unknown whether HFD-induced development of metabolic diseases results from an increase in body fat content, diet composition or disrupted circadian rhythms. We observed these differences between TRF groups despite an identical reduction in body weight and plasma leptin levels in all TRF mice, suggesting that they are based on the time of food intake during the 24-hour rhythm of leptin sensitivity, but independent from factors such as body composition or HFD content. Nonetheless, all mice fed HFD displayed a reduction in the absolute values of average metabolic rate and energy expenditure relative to mice fed LFD, demonstrating that also the HFD itself affects energy metabolism. In conclusion, these results demonstrate that TRF is efficient in the reduction of body weight and the amelioration of metabolic health. However, our findings also highlight the importance of synchronising food intake with daily physiological rhythms to maintain metabolic health. Taken together, this thesis identifies novel pathways that are involved in the neuroendocrine regulation of energy metabolism and provides new insights into the connection between physiological rhythms and the development of metabolic diseases.

Zusammenfassung:
Adipositas und damit einhergehende Folgeerkrankungen, wie zum Beispiel Diabetes mellitus Typ 2, stellen ein enormes Gesundheitsproblem in unserer modernen Wohlstandsgesellschaft dar. Dem zentralen Nervensystem wurde dabei eine wesentliche Rolle in der Pathogenese dieser Erkrankungen nachgewiesen. Stӧrungen des neuroendokrinen Systems, im Besonderen die Entstehung von hypothalamischer Leptinresistenz, korrelieren stark mit dem Auftreten von diӓtinduzierter Adipositas. Die molekularen Mechanismen, die diesen metabolischen Stӧrungen zugrunde liegen, sind noch immer unzureichend erforscht. Zudem wurde gezeigt, dass die Regulierung des Energiemetabolismus eng mit der circadianen Uhr in Verbindung steht. Der Zusammenhang zwischen Adipositas und der Stӧrung physiologischer Rhythmen bedarf jedoch noch weiterer Untersuchungen, um ausreichend verstanden zu werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, sowohl neue Einblicke in die neuroendokrinen Mechanismen zu erlangen, die zur Entstehung von Leptinresistenz führen, als auch die Rolle physiologischer Rhythmen in der Entgleisung des Energiemetabolismus zu entschlüsseln. In dieser Arbeit konnte die Expression von Genen des Adiponektinsignalweges im Hypothalamus von Mӓusen sowie eine Reduktion der adiponektin-Konzentration bei gefasteten Tieren nachgewiesen werden. Dies dient mӧglicherweise dazu, den katabolen Eigenschaften von Adiponektin entgegenzuwirken und verhindert somit einen weiteren Verlust an Kӧrpergewicht. Die Erhӧhung der Genexpression des Adiponektinrezeptors, die wir in adipӧsen Mӓusen nachweisen konnten, kӧnnte einen Regulationsmechanismus darstellen, um den gesundheitsschӓdlichen Auswirkungen von Adipositas entgegenzuwirken. Dazu passen unsere Ergebnisse, die zeigen, dass zentral appliziertes Adiponektin zu einer Sensitisierung des Insulinsignalweges, einer Verbesserung der Glucosehomӧostase sowie einem antiinflammatorischen Effekt führt. Des Weiteren wurde die Rolle des WNT/β-catenin-Signalweges in der neuroendokrinen Regulation des Energiemetabolismus untersucht. Hierbei konnten wir die Expression aller untersuchten Gene des WNT-Signalweges im Gehirn von adulten Dsungarischen Zwerghamstern, deren Kӧrpergewicht und Leptinsensitivitӓt einer strengen jahreszeitlichen Regulation unterliegen, nachweisen. Zudem zeigten Zielgene des WNT-Signalweges eine tagesrhythmische Oszillation mit abfallenden Konzentrationen wӓhrend des Tages und ansteigenden Konzentrationen wӓhrend der Nacht. Dies traf sowohl auf Langtag- (LT)- als auch auf Kurztag- (KT)-akklimatisierte Hamster zu. Die Genexpression bei LT-Hamstern war im Vergleich zu der bei KT-Hamstern ebenso erhӧht wie die Phosphorylierung des WNT-Korezeptors LRP-6, ein Zeichen für die Aktivierung des WNT-Signalweges. Diese Ergebnisse deuten auf eine erhӧhte WNT-Signaltransduktion in LT-Hamstern hin. Zudem führte die Gabe von Leptin zu einer zusӓtzlichen Aktivierung des WNT-Signalweges in Hamstern aus beiden Photoperioden. Zusammenfassend legen diese Daten nahe, dass der WNT-Signalweg an der saisonalen sowie tagesrhythmischen Regulation des Energiestoffwechsels und des Kӧrpergewichts des Dsungarischen Zwerghamsters beteiligt ist. Zusӓtzlich konnten wir einen 24-Stunden-Rhythmus bei der Aktivierung des Leptinsignalweges im Hypothalamus von schlanken Kontrollmӓusen auf molekularer Ebene nachweisen. Sowohl die basale als auch die leptininduzierte Leptinsensitivitӓt waren am Ende der aktiven Phase (Zeitgeber time; ZT0) der Tiere am hӧchsten und am Ende der inaktiven Phase am niedrigsten. Auch auf der Verhaltensebene zeigten die Mӓuse zu ZT0 eine hӧhere Empfindlichkeit gegenüber Leptin als zu ZT12. Futteraufnahme, Bewegungsaktivitӓt, Stoffwechselrate und Energieverbrauch unterlagen ebenfalls einem tagesrhythmischen Verlauf und waren wӓhrend der inaktiven Phase reduziert und wӓhrend der aktiven Phase erhӧht. Adipӧse Mӓuse wiesen im Vergleich dazu eine Stӧrung des 24-Stunden-Rhythmus der Leptinsensitivitӓt auf molekularer Ebene auf. Überraschenderweise bestand diese Leptinresistenz allerdings nicht wӓhrend des gesamten Tagesverlaufs, sondern ausschließlich von ZT21 – ZT6. Zu allen anderen Zeitpunkten wiesen schlanke und adipӧse Mӓuse sowohl auf molekularer als auch auf Verhaltensebene die gleiche Sensitivitӓt gegenüber Leptin auf. Zudem waren die Tagesrhythmen von Futteraufnahme, Bewegungsaktivitӓt, Stoffwechselrate und Energieverbrauch bei Mӓusen auf hochkalorischer Diӓt gestӧrt. Die gesteigerte Kalorienaufnahme dieser Mӓuse im Vergleich zu der von Kontrollmӓusen fand ausschließlich wӓhrend deren leptinresistenter Phase statt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die rhythmische Oszillation der hypothalamischen Leptinsensitivitӓt eine wichtige Rolle in der Regulation des Energiestoffwechsels spielt. Des Weiteren konnten wir in dieser Arbeit nachweisen, dass der Verzehr einer hochkalorischen Diӓt ausschließlich wӓhrend der leptinresistenen Phase adipӧser Mӓuse (ZT21 – ZT3) zu einer Beeintrӓchtigung verschiedener Parameter führt, die einen gesunden Stoffwechsel anzeigen. Dies traf auf die Tagesrhythmik von Bewegungsaktivitӓt, Stoffwechselrate und Energieverbrauch sowie auf die zirkulierenden Insulinkonzentrationen zu. Mӓuse, deren Futteraufnahme ausschließlich wӓhrend ihrer leptinsensitiven Phase (ZT9 – ZT15) erfolgte, waren im Gegensatz dazu vor diesen negativen Auswirkungen auf den Energiemetabolismus geschützt. Ob die Entgleisung des Energiestoffwechsels, die durch den Konsum einer hochkalorischen Diӓt hervorgerufen wird, durch erhӧhte Kӧrperfettmasse, die Zusammensetzung der Diӓt oder Stӧrungen der circadianen Rhythmen bedingt ist, ist noch immer weitgehend unklar. Die Unterschiede im Energiestoffwechsel traten ungeachtet einer identischen Abnahme an Kӧrpergewicht sowie von zirkulierenden Leptinkonzentrationen bei allen Mӓusen auf, deren Zugang zu hochkalorischer Diӓt auf verschiedene Zeitrӓume wӓhrend des Tages (inaktive, leptinsensitive, aktive, leptinresistente Phase) beschrӓnkt war. Dies deutet darauf hin, dass der Einfluss der Futteraufnahme auf die metabolische Gesundheit hauptsӓchlich von der Tageszeit und dem Status der Leptinsensitivitӓt abhӓngt, weniger jedoch von anderen Faktoren wie Kӧrperfettgehalt oder Zusammensetzung der Diӓt. Trotzdessen wiesen alle Mӓuse, die eine hochkalorische Diӓt erhielten, im Vergleich zu Kontrollmӓusen eine Beeintrӓchtigung der absoluten Werte für Stoffwechselrate und Energieverbrauch auf, was zusӓtzlich auf einen metabolischen Effekt der hochkalorischen Diӓt selbst hindeutet. Zusammengefasst konnten wir mit dieser Studie nachweisen, dass Varianten des intermittierenden Fastens, in diesem Fall die sogenannte 16/8-Variante mit 16 Stunden Fasten und 8 Stunden Nahrungsaufnahme pro Tag, bei einer Gewichtsabnahme und der Verbesserung der metabolischen Gesundheit helfen kӧnnen. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass der Zeitraum der Nahrungsaufnahme kritisch ist, um die positiven Auswirkungen auf den Stoffwechsel zu garantieren. Mit der vorliegenden Arbeit konnten neue Einblicke in die neuroendokrine Regulation des Energiestoffwechsels gewonnen und weitere Signalwege identifiziert werden, die an dieser Regulation beteiligt sind. Zusӓtzlich konnten wir eine wichtige Rolle der rhythmischen Oszillation der hypothalamischen Leptinsensitivitӓt bei der Entstehung von Stoffwechselentgleisungen nachweisen.


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