TY - THES A1 - Schell, Mareike T1 - Investigating the effect of Lactobacillus rhamnosus GG on emotional behavior in diet-induced obese C57BL/6N mice T1 - Untersuchung der Wirkung von Lactobacillus rhamnosus GG bei Störungen des emotionalen Verhaltens in einem Mausmodell Diät-induzierter Adipositas N2 - The prevalence of depression and anxiety is increased in obese patients compared to healthy humans, which is partially due to a shared pathogenesis, including insulin resistance and inflammation. These factors are also linked to intestinal dysbiosis. Additionally, the chronic consumption of diets rich in saturated fats results in body weight gain, hormonal resistances and unfavorable changes in the microbiome composition. The intake of Lactobacilli has already been shown to improve dysbiosis along with metabolism and mood. Yet, the beneficial role and the underlying mechanism of Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) to improve emotional behavior in established diet-induced obese conditions are, so far, unknown. To characterize the role of LGG in diet-induced obesity, female and male C57BL/6N mice were fed a semi-synthetic low-fat diet (LFD, 10 % kcal from fat) or a conventional high-fat diet (HFD, 45 % kcal from fat) for initial 6 weeks, which was followed by daily oral gavage of vehicle or 1x10^8 CFU of LGG until the end of the experiment. Mice were subjected to basic metabolic and extensive behavioral phenotyping, with a focus on emotional behavior. Moreover, composition of cecal gut microbiome, metabolomic profile in plasma and cerebrospinal fluid was investigated and followed by molecular analyses. Both HFD-feeding and LGG application resulted in sex-specific differences. While LGG prevented the increase of plasma insulin, adrenal gland weight and hyperactivity in diet-induced obese female mice, there was no regulation of anxiodepressive-like behavior. In contrast, metabolism of male mice did not benefit from LGG application, but strikingly, LGG decreased specifically depressive-like behavior in the Mousetail Suspension Test which was confirmed by the Splash Test characterizing motivation for ’self-care’. The microbiome analysis in male mice revealed that HFD-feeding, but not LGG application, altered cecal microbiome composition, indicating a direct effect of LGG on behavioral regulation. However, in female mice, both HFD-feeding and LGG application resulted in changes of microbiome composition, which presumably affected metabolism. Moreover, as diet-induced obese female mice unexpectedly did not exhibit anxiodepressive-like behavior, follow-up analyses were conducted in male mice. Here, HFD-feeding significantly altered abundance of plasma lipids whereas LGG decreased branched chain amino acids which associated with improved emotional behavior. In nucleus accumbens (NAcc) and VTA/SN, which belong to the dopaminergic system, LGG restored HFD-induced decrease of tyrosine hydroxylase, the rate-limiting enzyme in dopamine synthesis, on gene expression level. Lastly, transcriptome analysis in the NAcc identified gene expression of cholecystokinin as a potential mediator of the effect of LGG on HFD-induced emotional alterations. In summary, this thesis revealed the beneficial effects of LGG application on emotional alterations in established diet-induced obesity. Furthermore, both HFD-feeding and LGG treatment exhibited sex-specific effects, resulting in metabolic improvements in female mice while LGG application mitigated depressive-like behavior in obese male mice along with a molecular signature of restored dopamine synthesis and neuropeptide signaling. N2 - n adipösen Patienten liegt eine erhöhte Prävalenz von Depressionen und Angsterkrankungen vor. Dies liegt unter anderem an einer gemeinsamen Pathogenese, der eine Insulinresistenz sowie ein chronischer Entzündungszustand zugrunde liegen. Diese Faktoren sind mit einer intestinalen Dysbiose assoziiert, die auch durch eine Fehlernährung, beispielsweise mit einer fettreichen Diät, hervorgerufen werden kann. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die Aufnahme von Laktobazillen nicht nur eine Dysbiose und den Stoffwechsel verbessert, sondern sich auch positiv auf das Gemüt auswirken kann. Ob jedoch Lactobacillus rhamnosus GG in der Lage ist, in einem Zustand der etablierten ernährungsbedingten Fettleibigkeit das emotionale Verhalten zu verbessern und welche Mechanismen zugrunde liegen, ist noch ungeklärt. Um die Rolle von LGG bei ernährungsbedingter Fettleibigkeit zu charakterisieren, wurden weibliche und männliche C57BL/6N Mäuse mit einer semi-synthetischen Niedrigfettdiät (LFD, 10 % kcal aus Fett) oder einer konventionellen Hochfettdiät (HFD, 45 % kcal aus Fett) für die ersten 6 Wochen gefüttert, um den Zustand einer Adipositas zu etablieren. Anschließend haben die Mäuse eine tägliche perorale Applikation eines Vehikels oder 1x10^8 KBE LGG bis zum Versuchsende erhalten. Die Mäuse wurden einer allgemeinen metabolischen Charakterisierung und einer umfassenden Verhaltensphänotypisierung unterzogen, die Aufschlüsse über das emotionale Verhalten liefern sollen. Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung des Darmmikrobioms bestimmt, im Plasma und in der Zerebrospinalflüssigkeit das Metabolitprofil untersucht und durch molekulare Analysen ergänzt. Sowohl die HFD-Fütterung als auch die LGG-Applikation führten zu geschlechtsspezifischen Unterschieden. Während LGG den diätinduzierten Anstieg von Plasmainsulin, ein erhöhtes Nebennierengewicht und Hyperaktivität in weiblichen Mäusen verhinderte, wurde das emotionale Verhalten nicht reguliert. Im Gegensatz dazu profitierte der Stoffwechsel männlicher Mäuse nicht von der LGG-Anwendung, jedoch war LGG in der Lage, spezifisch das depressiv-ähnliches Verhalten zu verbessern, was durch eine Analyse des zielgerichteten Verhaltens bestätigt wurde. Die Mikrobiomanalyse ergab, dass die Diät, jedoch nicht LGG, die Zusammensetzung des Darmmikrobioms in männlichen Mäusen verändert, was auf eine direkte Rolle von LGG in der Verhaltensregulation hindeutet. Im Vergleich dazu war das Darmmikrobiom in weiblichen Mäusen durch die Diät als auch durch LGG verändert, was zu den positiven Veränderungen der Stoffwechselparameter geführt haben könnte. Da weibliche Mäuse weder durch die HFD-Fütterung noch durch die LGG-Gabe einen Effekt auf emotionales Verhalten aufwiesen, wurden die Folgeanalysen bei männlichen Mäusen durchgeführt. Während die HFD-Fütterung das Vorkommen von Plasmalipiden veränderte, lagen aufgrund der LGG-Gabe verzweigtkettige Aminosäuren verringert vor, was mit einem verbessertem emotionalen Verhalten assoziierte. In den dopaminergen Gehirnregionen Nucleus Accumbens (NAcc) und VTA/SN revertierte LGG die HFD-induzierte Reduktion der Tyrosinhydroxylase Genexpression, des geschwindigkeitsbegrenzenden Enzyms in der Dopaminsynthese. Abschließend wurde eine Transkriptomanalyse mittels RNA Sequencing durchgeführt, welche die Genexpression von Cholezystokinin im NAcc als potenzieller Mediator in der Wirkung von LGG bei HFD-induzierten emotionalen Veränderungen identifizierte. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit die positiven Auswirkungen der LGG-Gabe auf emotionales Verhalten bei etablierter ernährungsbedingter Fettleibigkeit gezeigt werden.. Sowohl die HFD-Fütterung als auch die LGG-Gabe führten zu geschlechtsspezifischen Effekten, was zu Stoffwechselverbesserungen bei weiblichen Mäusen führte, während die LGG-Gabe das depressiv-ähnliche Verhalten bei männlichen Mäusen abschwächte. Zudem wurden auf Genexpressionsebene Tyrosinhydroxylase und Cholezystokinin identifiziert, die potentiell den Effekt von LGG auf das emotionale Verhalten in einem Modell etablierter ernährungsbedingter Fettleibigkeit vermitteln. KW - obesity KW - insulin resistance KW - probiotics KW - lactobacillus KW - depression KW - emotionality Y1 - 2022 ER - 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 - Mancini, Carola T1 - Analysis of the effects of age-related changes of metabolic flux on brown adipocyte formation and function N2 - Brown adipose tissue (BAT) is responsible for non-shivering thermogenesis, thereby allowing mammals to maintain a constant body temperature in a cold environment. Thermogenic capacity of this tissue is due to a high mitochondrial density and expression of uncoupling protein 1 (UCP1), a unique brown adipocyte marker which dissipates the mitochondrial proton gradient to produce heat instead of ATP. BAT is actively involved in whole-body metabolic homeostasis and during aging there is a loss of classical brown adipose tissue with concomitantly reduced browning capacity of white adipose tissue. Therefore, an age-dependent decrease of BAT-related energy expenditure capacity may exacerbate the development of metabolic diseases, including obesity and type 2 diabetes mellitus. Given that direct effects of age-related changes of BAT-metabolic flux have yet to be unraveled, the aim of the current thesis is to investigate potential metabolic mechanisms involved in BAT-dysfunction during aging and to identify suitable metabolic candidates as functional biomarkers of BAT-aging. To this aim, integration of transcriptomic, metabolomic and proteomic data analyses of BAT from young and aged mice was performed, and a group of candidates with age-related changes was revealed. Metabolomic analysis showed age-dependent alterations of metabolic intermediates involved in energy, nucleotide and vitamin metabolism, with major alterations regarding the purine nucleotide pool. These data suggest a potential role of nucleotide intermediates in age-related BAT defects. In addition, the screening of transcriptomic and proteomic data sets from BAT of young and aged mice allowed identification of a 60-kDa lysophospholipase, also known as L-asparaginase (Aspg), whose expression declines during BAT-aging. Involvement of Aspg in brown adipocyte thermogenic function was subsequently analyzed at the molecular level using in vitro approaches and animal models. The findings revealed sensitivity of Aspg expression to β3-adrenergic activation via different metabolic cues, including cold exposure and treatment with β3-adrenergic agonist CL. To further examine ASPG function in BAT, an over-expression model of Aspg in a brown adipocyte cell line was established and showed that these cells were metabolically more active compared to controls, revealing increased expression of the main brown-adipocyte specific marker UCP1, as well as higher lipolysis rates. An in vitro loss-of-function model of Aspg was also functionally analyzed, revealing reduced brown adipogenic characteristics and an impaired lipolysis, thus confirming physiological relevance of Aspg in brown adipocyte function. Characterization of a transgenic mouse model with whole-body inactivation of the Aspg gene (Aspg-KO) allowed investigation of the role of ASPG under in vivo conditions, indicating a mild obesogenic phenotype, hypertrophic white adipocytes, impairment of the early thermogenic response upon cold-stimulation and dysfunctional insulin sensitivity. Taken together, these data show that ASPG may represent a new functional biomarker of BAT-aging that regulates thermogenesis and therefore a potential target for the treatment of age-related metabolic disease. KW - adipose tissue KW - aging KW - nutrients KW - metabolism KW - Fettgewebe KW - Alterung KW - Stoffwechsel KW - Nährstoffe Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.25932/publishup-51266 ER - TY - THES A1 - Rinne, Theresa Charlotte T1 - The effects of nutrients on bone stem cell function and regeneration N2 - Aging is associated with bone loss, which can lead to osteoporosis and high fracture risk. This coincides with the enhanced formation of bone marrow adipose tissue (BMAT), suggesting a negative effect of bone marrow adipocytes on skeletal health. Increased BMAT formation is also observed in pathologies such as obesity, type 2 diabetes and osteoporosis. However, a subset of bone marrow adipocytes forming the constitutive BMAT (cBMAT), arise early in life in the distal skeleton, contain high levels of unsaturated fatty acids and are thought to provide a physiological function. Regulated BMAT (rBMAT) forms during aging and obesity in proximal regions of the bone and contain a large proportion of saturated fatty acids. Paradoxically, BMAT accumulation is also enhanced during caloric restriction (CR), a life-span extending dietary intervention. This indicates, that different types of BMAT can form in response to opposing nutritional stimuli with potentially different functions. To this end, two types of nutritional interventions, CR and high fat diet (HFD), that are both described to induce BMAT accumulation were carried out. CR markedly increased BMAT formation in the proximal tibia and led to a higher proportion of unsaturated fatty acids, making it similar to the physiological cBMAT. Additionally, proximal and diaphyseal tibia regions displayed higher adiponectin expression. In aged mice, CR was associated with an improved trabecular bone structure. Taken together, these findings demonstrate, that the type of BMAT that forms during CR might provide beneficial effects for local bone stem/progenitor cells and metabolic health. The HFD intervention performed in this thesis showed no effect on BMAT accumulation and bone microstructure. RNA Seq analysis revealed alterations in the composition of the collagen-containing extracellular matrix (ECM). In order to investigate the effects of glucose homeostasis on osteogenesis, differentiation capacity of immortalized multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) and osteochondrogenic progenitor cells (OPCs) was analyzed. Insulin improved differentiation in both cell types, however, combination of with a high glucose concentration led to an impaired mineralization of the ECM. In the MSCs, this was accompanied by the formation of adipocytes, indicating negative effects of the adipocytes formed during hyperglycemic conditions on mineralization processes. However, the altered mineralization pattern and structure of the ECM was also observed in OPCs, which did not form any adipocytes, suggesting further negative effects of a hyperglycemic environment on osteogenic differentiation. In summary, the work provided in this thesis demonstrated that differentiation commitment of bone-resident stem cells can be altered through nutrient availability, specifically glucose. Surprisingly, both high nutrient supply, e.g. the hyperglycemic cell culture conditions, and low nutrient supply, e.g. CR, can induce adipogenic differentiation. However, while CR-induced adipocyte formation was associated with improved trabecular bone structure, adipocyte formation in a hyperglycemic cell-culture environment hampered mineralization. This thesis provides further evidence for the existence of different types of BMAT with specific functions. Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Alfine, Eugenia T1 - Investigation of Sirtuin 3 overexpression as a genetic model of fasting in hypothalamic neurons Y1 - 2021 ER -