Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3992
Authors: Gerlach, Frank
Title: Neuroglobin, Cytoglobin und Myoglobin in der Blindmaus Spalax ehrenbergi: Adaptation an „unterirdische Verhältnisse“
Online publication date: 19-Dec-2007
Language: german
Abstract: Hypoxie ist ein Zustand des Sauerstoffmangels, hervorgerufen durch fehlende Verfügbarkeit von Sauerstoff in der Umgebung eines Organismus oder durch pathologisch bedingte unzureichende Nutzbarkeit des Sauerstoffs von Geweben. Die Sensitivität gegenüber Hypoxie variiert enorm im Tierreich zwischen verschiedenen Phyla und Spezies. Die meisten Säugetiere sind nur unzureichend an niedrige Sauerstoffkonzentrationen angepasst, wohingegen einige unterirdisch lebende Säuger sehr resistent gegen Hypoxiestress sind. Um die molekulare Basis der Hypoxietoleranz zu bestimmen, wurden in der vorliegenden Arbeit Globine untersucht, die potenziell in der Lage sind, als respiratorische Proteine zur Hypoxietoleranz von Tieren beizutragen. Dazu wurde die Expression der Globine in der hypoxieresistenten, in Israel lebenden Blindmaus Spalax ehrenbergi mit der Genexpression in der hypoxiesensitiven Ratte (Rattus norvegicus) verglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden die erst vor wenigen Jahren entdeckten Globine Neuroglobin und Cytoglobin untersucht, deren exakte physiologische Rolle noch unklar ist, und mit Daten des viel detaillierter untersuchten Myoglobins verglichen. Beim Vergleich der Expression von Cytoglobin und Neuroglobin in Spalax versus Ratte fällt auf, dass Neuroglobin und Cytoglobin bereits unter normoxischen Bedingungen auf mRNA- und Proteinebene in der Blindmaus um einen Faktor von mindesten 2 bis 3 verstärkt exprimiert werden. Bei Myoglobin (als dem Kontrollgen mit bekannter Funktion) konnte auf mRNA-Ebene eine noch weitaus stärkere Expression in Spalax vs. Ratte gefunden werden. Das übergreifende Phänomen der verstärkten Genexpression von Globinen in Spalax kann im Sinne einer Präadaptation an das unterirdische, häufig hypoxische Leben der Blindmaus interpretiert werden. Einen weiteren Hinweis auf eine besondere, spezialisierte Funktion von Neuroglobin in Spalax geben immunhistochemische Daten, die zeigen, dass Neuroglobin im Gehirn von Spalax im Gegensatz zur Ratte nicht nur in Neuronen, sondern auch in Gliazellen exprimiert wird. Dies impliziert Änderungen des oxidativen Stoffwechsels im Nervensystem der hypoxietoleranten Spezies. Die zellulären Expressionsmuster von Cytoglobin erscheinen hingegen in beiden Säugerspezies weitgehend identisch. Es wurde der Frage nachgegangen, ob und wie experimentell induzierte Hypoxie die Genexpression der Globine verändert. Dabei zeigten sich für Neuroglobin und Cytoglobin unterschiedliche Expressionsmuster. Neuroglobin wird unter diversen Sauerstoffmangelbedingungen sowohl in der Ratte als auch in Spalax auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert. Ein ähnliches Regulationsverhalten wurde auch für Myoglobin beobachtet. Die verminderte Expression von Neuroglobin (und evtl. auch Myoglobin) unter Hypoxie ist mit einer gezielten Verringerung der Sauerstoff-Speicherkapazität in Abwesenheit von O2 zu erklären. Ein weiterer denkbarer Grund könnte auch die allgemeine Tendenz sein, unter Hypoxie aus Energiespargründen den Metabolismus herunter zu regulieren. Cytoglobin, das bei normalen Sauerstoffbedingungen nur im Gehirn von Spalax (nicht jedoch in Herz und Leber) ebenfalls um Faktor 2 bis 3 stärker exprimiert wird als in der Ratte, ist mit einiger Sicherheit ebenfalls von adaptivem Nutzen für die Anpassung von Spalax an niedrige Sauerstoffbedingungen, wenngleich seine Funktion unklar bleibt. Unter Hypoxie wird die Cytoglobin-mRNA sowohl in Spalax als auch in der Ratte hochreguliert. Es konnte in der vorliegenden Arbeit dargelegt werden, dass die Expression von Cygb höchstwahrscheinlich durch den Transkriptionsfaktor Hif-1 gesteuert wird, der die molekulare Hypoxieantwort vieler Tierarten zentral steuert. In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls die Expression von Ngb und Cygb im Gehirn des Hausschweins (Sus scrofa) untersucht. Diese Spezies diente in der Arbeit als weiterer hypoxiesensitiver Organismus sowie als biomedizinisch relevantes Modell für eine Operation an Säuglingen mit angeborenen Herzkrankheiten. Die Versuche haben gezeigt, dass die Gabe bestimmter Medikamente wie dem Immunsuppressivum FK506 zu einer erhöhten Ngb-Konzentration auf mRNA-Ebene führen kann, was potenziell im Zusammenhang mit beobachteten protektiven Effekten der Medikamentengabe während und nach der Herzoperation steht.
Neuroglobin, Cytoglobin, and Myoglobin in the blind mole rat Spalax ehrenbergi: Adaptations to a subterranean environment. Hypoxia is a state of oxygen deprivation, caused by a lack of oxygen availability in the environment of an organism or by a pathological inadequate oxygen supply of tissues. Sensitivity towards hypoxia varies enormously between different animal phyla and species. Most mammals are only weakly adapted to low oxygen concentrations, whereas some subterranean mammals are very resistant towards hypoxic stress. To determine the molecular basis of hypoxia tolerance, the present work focuses on the investigation of globins as respiratory proteins. The expression of globins in the hypoxia-tolerant rodent Spalax (mole rat) was compared to the hypoxia-sensitive rat Rattus norvegicus. The expression analysis concentrated on the novel globins neuroglobin (Ngb) and cytoglobin (Cygb), whose exact molecular functions are not known. Myoglobin (Mb) was used as a reference molecule, since its molecular roles in oxygen metabolism are much better understood. When comparing Ngb and Cygb expression in Spalax versus rat, we noted that both, Ngb and Cygb, are expressed more strongly already under normoxic conditions. A 2 to 3-fold increased expression was detected on the mRNA and protein levels. For Mb an even higher expression difference between Spalax and rat (27 to 43-fold) was found on the mRNA level. The phenomenon of a higher constitutive globin expression in Spalax vs. rat can be interpreted as a pre-adaptation to the often hypoxic, subterranean life in the mole rat. A second hint for a specialized function of globins in Spalax is provided by immuno-histochemical data: In contrast to rat, Ngb in the brain of Spalax is not only expressed in neurons, but also in glia cells. This implies changes in oxidative metabolism in the nervous system of the hypoxia tolerant mole rat. The cellular expression patterns of Cygb, on the contrary, appear to be largely identical in Spalax and Rattus. We tried to answer the question, whether and how experimentally induced hypoxia affects the expression of the globins. In doing so, different expression patterns were detected for Ngb and Cygb. Ngb is downregulated after hypoxic stress in rat as well as in Spalax on the mRNA and the protein levels. A parallel pattern of regulation was found for myoglobin. The decreased expression of Ngb (and possibly also that of Mb) under hypoxia can be interpreted as a decrease of oxygen storage capacity in the absence of O2. Another possible explanation might be the tendency to down-regulate the metabolism due to energy saving measures. Cytoglobin, which is also more strongly expressed by a factor of 2 to 3 in Spalax than in rat, seems to have adaptive advantages for the underground life as well. The incresed expression is only observed in brain, but not in heart and liver. This may suggest different functional roles of Cygb in neural and non-neural tissues. Under hypoxia, Cygb mRNA is up-regulated in Spalax and in rat. The expression of Cygb is thus most likely controlled by the transcription factor Hif-1, which controls the hypoxia response of many animal species. In an additional chapter of this work, the expression of Ngb and Cygb was studied in the brain of piglets (Sus scrofa). This species served as an additional hypoxia sensitive model organism, as well as a biomedical relevant model for heart operations in sucklings with congenital heart disease. The experiments have shown that the application of certain pharmaceuticals, like the immune suppressive drug FK-506, might boost Ngb mRNA expression, which correlates with a protective effect during and after heart operations.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3992
URN: urn:nbn:de:hebis:77-15027
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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