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Zusammenfassung:
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.

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