TY - THES A1 - Hauffe, Robert T1 - Investigating metabolic consequences of an HSP60 reduction during diet-induced obesity T1 - Metabolische Folgen einer HSP60 Reduktion während des Diät-induzierten Übergewichts N2 - The mitochondrial chaperone complex HSP60/HSP10 facilitates mitochondrial protein homeostasis by folding more than 300 mitochondrial matrix proteins. It has been shown previously that HSP60 is downregulated in brains of type 2 diabetic (T2D) mice and patients, causing mitochondrial dysfunction and insulin resistance. As HSP60 is also decreased in peripheral tissues in T2D animals, this thesis investigated the effect of overall reduced HSP60 in the development of obesity and associated co-morbidities. To this end, both female and male C57Bl/6N control (i.e. without further alterations in their genome, Ctrl) and heterozygous whole-body Hsp60 knock-out (Hsp60+/-) mice, which exhibit a 50 % reduction of HSP60 in all tissues, were fed a normal chow diet (NCD) or a highfat diet (HFD, 60 % calories from fat) for 16 weeks and were subjected to extensive metabolic phenotyping including indirect calorimetry, NMR spectroscopy, insulin, glucose and pyruvate tolerance tests, vena cava insulin injections, as well as histological and molecular analysis. Interestingly, NCD feeding did not result in any striking phenotype, only a mild increase in energy expenditure in Hsp60+/- mice. Exposing mice to a HFD however revealed an increased body weight due to higher muscle mass in female Hsp60+/- mice, with a simultaneous decrease in energy expenditure. Additionally, these mice displayed decreased fasting glycemia. Opposingly, male Hsp60+/- compared to control mice showed lower body weight gain due to decreased fat mass and an increased energy expenditure, strikingly independent of lean mass. Further, only male Hsp60+/- mice display improved HOMA-IR and Matsuda insulin sensitivity indices. Despite the opposite phenotype in regards to body weight development, Hsp60+/- mice of both sexes show a significantly higher cell number, as well as a reduction in adipocyte size in the subcutaneous and gonadal white adipose tissue (sc/gWAT). Curiously, this adipocyte hyperplasia – usually associated with positive aspects of WAT function – is disconnected from metabolic improvements, as the gWAT of male Hsp60+/- mice shows mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and insulin resistance. Transcriptomic analysis of gWAT shows an up regulation of genes involved in macroautophagy. Confirmatory, expression of microtubuleassociated protein 1A/1B light chain 3B (LC3), as a protein marker of autophagy, and direct measurement of lysosomal activity is increased in the gWAT of male Hsp60+/- mice. In summary, this thesis revealed a novel gene-nutrient interaction. The reduction of the crucial chaperone HSP60 did not have large effects in mice fed a NCD, but impacted metabolism during DIO in a sex-specific manner, where, despite opposing body weight and body composition phenotypes, both female and male Hsp60+/- mice show signs of protection from high fat diet-induced systemic insulin resistance. N2 - Der mitochondriale Chaperonkomplex HSP60/10 ist für die korrekte Faltung von über 300 mitochondrialen Matrixproteinen verantwortlich. Es wurde bereits gezeigt, dass HSP60 in Gehirnen von Patienten sowie Mäusen mit Typ 2 Diabetes (T2D) reduziert ist, was zu mitochondrialer Dysfunktion und Insulinresistenz führt. HSP60 ist darüber hinaus auch in peripheren Organen von T2D Mäusen reduziert. Die hier vorliegende Arbeit hat daher den Einfluss einer generellen Reduktion von HSP60 auf die Entwicklung von Übergewicht und die damit assoziierten Komorbiditäten untersucht. Hierfür wurden weibliche und männliche C57Bl/6N Kontroll Mäuse (d.h. ohne wietere Veränderung ihres Genoms, Ctrl), sowie C57Bl/6N Mäuse mit einer heterozygoten Deletion von HSP60 (Hsp60+/-) genutzt. Die Hsp60+/- Maus zeigt eine 50 % Reduktion von HSP60 in allen Geweben. Allen Tieren wurde in der Folge entweder eine normale Haltungsdiät (NCD) oder eine 60 % Hochfettdiät (HFD) gefüttert und einer intensiven metabolischen Charakterisierung unterzogen. Dies beinhaltete indirekte Kalorimetrie, NMR Spektroskopie, Insulin, Glukose und Pyruvat Toleranztests, direkte vena cava Insulinapplikation, sowie eingehende histologische und molekulare Untersuchungen. Interessanterweise zeigte die Fütterung mit der NCD keine stark ausgeprägten Phänotypen, lediglich ein leichter Anstieg im Energieverbrauch war zu beobachten. Die Fütterung mit der HFD dagegen führte auf Grund von größerer Muskelmasse zu einem erhöhten Körpergewicht in weiblichen Hsp60+/- Mäusen, was mit gleichzeitig verringertem Energieverbrauch einherging. Zusätzlich war bei diesen Mäusen der gefastete Bluzuckerspiegel verringert. Im Gegensatz dazu zeigten männliche Hsp60+/- Mäuse ein verringertes Körpergewicht, bedingt durch eine geringere Fettmasse sowie erhöhtem Energieverbrauch. Darüber hinaus war bei männlichen Hsp60+/- Mäusen eine Verbesserung der Insulin Sensitivitätsindizes HOMA-IR und Matsuda Index zu verzeichnen. Trotz dieses gegenteiligen Phänotyps zeigten beide Geschlechter eine erhöhte Zellzahl, sowie eine verringerte Zellgröße der Adipozyten im subkutanen und gonadalen weißen Fettgewebe (sc/gWAT (engl: white adipose tissue)). Überraschenderweise ist diese Adipozytenhyperplasie – normalerweise assoziiert mit verbesserter Fettgewebsfunktion – losgelöst von verbesserter WAT Funktion, da das gWAT männlicher Hsp60+/- Mäuse mitochondriale Dysfunktion, oxidativen Stress und Insulinresistenz zeigt. Eine folgende Transkriptomanalyse gab Hinweise auf eine Induktion der Makroautophagie. Bestätigend hierfür ist im gWAT der heterozygoten Mäuse die Expression des Autophagie Markers microtubule-associated protein 1A/1B light chain 3B (LC3), sowie die direkt gemessene lysosomale Aktivität erhöht. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit eine neuartige Gen-Nährstoff Interaktion gezeigt werden. So zeigte die Reduktion des wichtigen Chaperons HSP60 unter NCD Fütterung nur schwache Effekte, während unter Hochfettdiätfütterung der Stoffwechsel geschlechtsspezifisch beinflusst wurde. Obwohl die beiden Geschlechter der Hsp60+/- Mäuse gegenteilige Phänotypen im Bezug auf Körpergewicht und Körperzusammensetzung aufwiesen, zeigen beide Anzeichen eines Schutzes vor Hochfettdiät-induzierter Insulinresistenz. KW - Obesity KW - Adipose tissue KW - Insulin resistance KW - Mitochondria KW - Fettgewebe KW - Insulinresistenz KW - Mitochondrien KW - Adipositas Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509294 ER - TY - THES A1 - Fischer, Axel T1 - Investigating the impact of genomic compartments contributing to non-Mendelian inheritance based on high throughput sequencing data T1 - Untersuchungen zum Einfluss genomischer Kompartimente auf Nicht-Mendelsche Vererbung unter Nutzung von Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten N2 - More than a century ago the phenomenon of non-Mendelian inheritance (NMI), defined as any type of inheritance pattern in which traits do not segregate in accordance with Mendel’s laws, was first reported. In the plant kingdom three genomic compartments, the nucleus, chloroplast, and mitochondrion, can participate in such a phenomenon. High-throughput sequencing (HTS) proved to be a key technology to investigate NMI phenomena by assembling and/or resequencing entire genomes. However, generation, analysis and interpretation of such datasets remain challenging by the multi-layered biological complexity. To advance our knowledge in the field of NMI, I conducted three studies involving different HTS technologies and implemented two new algorithms to analyze them. In the first study I implemented a novel post-assembly pipeline, called Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC), which visualizes non-graph-based assemblies as graphs, identifies recombinogenic repeat pairs (RRPs), and reconstructs plant mitochondrial genomes (PMG) in a semiautomated workflow. We applied this pipeline to assemblies of three Oenothera species resulting in a spatially folded and circularized model. This model was confirmed by PCR and Southern blot analyses and was used to predict a defined set of 70 PMG isoforms. With Illumina Mate Pair and PacBio RSII data, the stoichiometry of the RRPs was determined quantitatively differing up to three-fold. In the second study I developed a post-multiple sequence alignment algorithm, called correlation mapping (CM), which correlates segment-wise numbers of nucleotide changes to a numeric ascertainable phenotype. We applied this algorithm to 14 wild type and 18 mutagenized plastome assemblies within the Oenothera genus and identified two genes, accD and ycf2 that may cause the competitive behavior of plastid genotypes as plastids can be biparental inherited in Oenothera. Moreover, lipid composition of the plastid envelope membrane is affected by polymorphisms within these two genes. For the third study, I programmed a pipeline to investigate a NMI phenomenon, known as paramutation, in tomato by analyzing DNA and bisulfite sequencing data as well as microarray data. We identified the responsible gene (Solyc02g0005200) and were able to fully repress its caused phenotype by heterologous complementation with a paramutation insensitive transgene of the Arabidopsis thaliana orthologue. Additionally, a suppressor mutant shows a globally altered DNA methylation pattern and carries a large deletion leading to a gene fusion involving a histone deacetylase. In conclusion, my developed and implemented algorithms and data analysis pipelines are suitable to investigate NMI and led to novel insights about such phenomena by reconstructing PMGs (SAGBAC) as a requirement to study mitochondria-associated phenotypes, by identifying genes (CM) causing interplastidial competition as well by applying a DNA/Bisulfite-seq analysis pipeline to shed light in a transgenerational epigenetic inheritance phenomenon. N2 - Vor mehr als einem Jahrhundert wurde über das Phänomen der Nicht-Mendelschen Vererbung (NMI), welche als jede Art von Vererbungsmuster definiert wird, in denen Eigenschaften nicht nach dem Mendelschen Gesetzen segregieren, zum ersten Mal berichtet. Im Pflanzenkönigreich können drei Zellkompartimente mit ihrem eigenen Erbgut, Nukleus, Chloroplast, und Mitochondrium, an einem solchen Phänomen beteiligt sein. Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (HTS) stellen nachweislich eine Schlüsseltechnologie dar, um NMI Phänomene durch die Assemblierung und/oder Resequenzierung von ganzen Genomen zu untersuchen. Jedoch bleibt die Generierung, Analyse sowie die Interpretation solcher Datensätze durch die vielschichtige biologische Komplexität weiterhin eine Herausforderung. Um unser Wissen über NMI zu erweitern habe ich drei Studien durchgeführt in denen unterschiedliche HTS Technologien involviert waren und zwei neue Algorithmen implementiert um sie zu analysieren. In der ersten Studie habe ich eine neue Postassemblierungspipeline mit dem Namen Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC) entwickelt, welche nicht Graphen-basierte Genomassemblierungen als Graphen visualisiert, rekombinierende Repeatpaare (RRP) identifiziert, und pflanzliche mitochondrielle Genome (PMG) in einem halb-automatisierten Prozess rekonstruiert. Wir haben diese Pipeline auf Assemblierungen von drei Oenothera Spezies angewandt, was in gefalteten zirkularisierten Modellen resultierte. Dieses Modell wurde durch PCR und Southern Blot Analysen bestätigt, sowie verwendet, um einen definierten Satz von 70 PMG Isoformen vorherzusagen. Mit Illumina Mate Pair und PacBio RSII Daten wurde die Stöchiometrie der RRPs quantitativ bestimmt, die sich bis zu dreifach unterscheiden. In der zweiten Studie habe ich einen post-Multiples Sequenzalignment Algorithmus mit dem Namen Correlation Mapping (CM) entwickelt, der eine segmentweise Anzahl von Nukleotidaustauschen mit numerisch erfassbaren Phänotypen korreliert. Wir haben diesen Algorithmus auf 14 Wildtypen und 18 mutagenisierte Plastomassemblierungen aus der Gattung Oenothera angewandt und konnten zwei Gene, accD und ycf2 identifizieren, welche für das kompetitive Verhalten von Plastid Genotypen verantwortlich ist. Weiterhin wird die Lipidkomposition der Plastid-Hüllmembranen durch Polymorphismen in den beiden Genen beeinflusst. Für die dritte Studie habe ich eine Pipeline programmiert, um ein NMI Phänomen, bekannt als Paramutation, in der Tomate mit Hilfe von DNA- und Bisulfitsequenzierungsdaten sowie Microarray Daten zu analysieren. Wir haben das verantwortliche Gen (Solyc02g005200) identifiziert und waren in der Lage den verursachenden Phänotyp durch eine heterologe Komplementation eines paramutationsinsensitiven Transgens des Orthologs aus Arabidopsis thaliana vollständig zu unterdrücken. Weiterhin konnten wir zeigen, dass eine Suppressormutante ein global verändertes DNA-Methylierungsmuster aufweist und es durch eine große Deletion zu einer Genfusion gekommen ist, an der eine Histon-Deacetylase beteiligt ist. Zusammenfassend sind meine entwickelten und implementierten Algorithmen und Datenanalysen geeignet, um NMI zu untersuchen und haben wie folgt zu neuen Einsichten über solche Phänomene verholfen: (a) durch die Rekonstruktion von PMGs (SAGBAC) als Voraussetzung um Mitochondrien-assoziierte Phänotypen zu studieren, (b) durch die Identifizierung von Genen (CM), welche interplastidäre Kompetition auslösen sowie (c) durch Anwendung einer DNA-/Bisulfit-seq Analysepipeline zur Beantwortung der Ursache eines transgenerational epigenetischen Vererbungsphänomens. KW - non-Mendelian inheritance KW - de novo assembly KW - mitochondria KW - chloroplasts KW - paramutation KW - next generation sequencing KW - bisulfite sequencing KW - plant research KW - Bisulfit Sequenzierung KW - Chloroplasten KW - De novo Assemblierung KW - Mitochondrien KW - Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation KW - nicht-Mendelsche Vererbung KW - Paramutation KW - Pflanzenforschung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549001 ER - TY - THES A1 - Igual Gil, Carla T1 - Role of the GDF15-GFRAL pathway under skeletal muscle mitochondrial stress T1 - Funktion des GDF15-GFRAL Signaltransduktionsweges bei mitochondrialem Stress im Skelettmuskel N2 - Growth differentiation factor 15 (GDF15) is a stress-induced cytokine secreted into the circulation by a number of tissues under different pathological conditions such as cardiovascular disease, cancer or mitochondrial dysfunction, among others. While GDF15 signaling through its recently identified hindbrain-specific receptor GDNF family receptor alpha-like (GFRAL) has been proposed to be involved in the metabolic stress response, its endocrine role under chronic stress conditions is still poorly understood. Mitochondrial dysfunction is characterized by the impairment of oxidative phosphorylation (OXPHOS), leading to inefficient functioning of mitochondria and consequently, to mitochondrial stress. Importantly, mitochondrial dysfunction is among the pathologies to most robustly induce GDF15 as a cytokine in the circulation. The overall aim of this thesis was to elucidate the role of the GDF15-GFRAL pathway under mitochondrial stress conditions. For this purpose, a mouse model of skeletal muscle-specific mitochondrial stress achieved by ectopic expression of uncoupling protein 1 (UCP1), the HSA-Ucp1-transgenic (TG) mouse, was employed. As a consequence of mitochondrial stress, TG mice display a metabolic remodeling consisting of a lean phenotype, an improved glucose metabolism, an increased metabolic flexibility and a metabolic activation of white adipose tissue. Making use of TG mice crossed with whole body Gdf15-knockout (GdKO) and Gfral-knockout (GfKO) mouse models, this thesis demonstrates that skeletal muscle mitochondrial stress induces the integrated stress response (ISR) and GDF15 in skeletal muscle, which is released into the circulation as a myokine (muscle-induced cytokine) in a circadian manner. Further, this work identifies GDF15-GFRAL signaling to be responsible for the systemic metabolic remodeling elicited by mitochondrial stress in TG mice. Moreover, this study reveals a daytime-restricted anorexia induced by the GDF15-GFRAL axis under muscle mitochondrial stress, which is, mechanistically, mediated through the induction of hypothalamic corticotropin releasing hormone (CRH). Finally, this work elucidates a so far unknown physiological outcome of the GDF15-GFRAL pathway: the induction of anxiety-like behavior. In conclusion, this study uncovers a muscle-brain crosstalk under skeletal muscle mitochondrial stress conditions through the induction of GDF15 as a myokine that signals through the hindbrain-specific GFRAL receptor to elicit a stress response leading to metabolic remodeling and modulation of ingestive- and anxiety-like behavior. N2 - Der Wachstum- und Differenzierungsfaktor 15 (GDF15) ist ein stressinduziertes Zytokin, dass bei u.a. Krebs, kardiovaskulären oder mitochondrialer Erkrankungen in den betroffenen Geweben stark induziert und ins Blut sekretiert werden kann. Die endokrine Funktion von GDF15 sowie die Bedeutung des kürzlich identifizierten und spezifisch im Hirnstamm exprimierten GDF15-Rezeptors GFRAL (GDNF family receptor alpha-like) unter chronischen Stressbedingungen ist jedoch noch unzureichend verstanden. Mitochondrialer Stress ist durch eine Fehlfunktion der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) charakterisiert, was eine ineffiziente ATP-Synthese und eine gestörte zelluläre Energiehomöostase zur Folge hat. Ziel der Doktorarbeit war es, die biologische Funktion des GDF15-GFRAL-Signalwegs unter mitochondrialen Stressbedingungen aufzuklären. Zu diesem Zweck wurde das etablierte transgene HSA-Ucp1-Mausmodel (TG) untersucht, welches durch eine chronisch verringerte OXPHOS-Effizienz spezifisch im Skelettmuskel sowie eine systemische Anpassung des Energiestoffwechsels charakterisiert ist. Dabei konnte in dieser Arbeit zunächst zeigt werden, dass mitochondrialer Stress im Skelettmuskel zell-autonom eine integrierte Stressantwort (ISR) induziert, wodurch die Expression und Sekretion von GDF15 in den Blutkreislauf als Myokin (muskelinduziertes Zytokin) stark erhöht wird. Zudem konnte erstmalig eine tageszeitliche Schwankung der muskulären Gdf15 Genexpression und der im Blut zirkulierenden GDF15-Level bei TG Mäusen identifiziert werden. Durch weiterführende Zuchtkreuzungen der TG-Mäuse mit konstitutiven Knockout-Mäusen (KO) zur Inaktivierung der Gene Gdf15 (GdKO) oder Gfral (GfKO), konnte zudem gezeigt werden, dass sowohl durch das zirkulierende GDF15 als auch die Aktivierung der GFRAL-Signalachse eine Tageszeit-abhängige Anorexie sowie die systemische Anpassung des Energiestoffwechsels im TG Mausmodell vermittelt werden. Mechanistisch konnte dabei erstmalig eine GFRAL-abhängige Induktion von Corticotropin-releasing Hormone (CRH) im Hypothalamus sowie ein erhöhtes, GFRAL-abhängiges Angstverhalten in TG Mäuse beschrieben werden. Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse die systemische Rolle von GDF15 als Myokin und die Bedeutung der endokrinen Kommunikation zwischen Skelettmuskel und Gehirn, vermittelt durch GDF15-GFRAL Signalachse, für die Energiehomöostase bei mitochondrialer Fehlfunktion. Die gewonnen Erkenntnisse dieser Doktorarbeit können somit zur Entwicklung neuer Therapieansätze für Patienten mit einer mitochondrialen bzw. Stoffwechselerkrankung beitragen. KW - GDF15 KW - mitochondria KW - physiology KW - metabolism KW - GDF15 KW - Stoffwechsel KW - Mitochondrien KW - Physiologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-554693 ER -