Faktoren und Mechanismen der individuellen Torporausprägung beim Dsungarischen Zwerghamster (Phodopus sungorus)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Säugetiere der gemäßigten und arktischen Breiten sind mit beträchtlichen saisonalen Schwankungen von Temperatur und Futterverfügbarkeit konfrontiert. Besonders die niedrigen Umgebungstemperaturen des Winters erhöhen ihren Energiebedarf. Diese energetische Herausforderung führte zur Entwicklung einer großen Vielfalt an saisonalen Anpassungen, welche vornehmlich dazu beitragen, den Energieverbrauch zu reduzieren. Eine wichtige Form der Anpassung stellt die zeitlich begrenzte, kontrollierte Absenkung von Stoffwechsel und Körpertemperatur dar, welche in zwei grundsätzlichen Ausprägungen auftritt, als täglicher Torpor und als Winterschlaf. Täglicher Torpor ist durch eine eher moderate Reduktion von Stoffwechselrate und Körpertemperatur charakterisiert, die für einige Stunden anhält und für gewöhnlich auf die Ruhephase der Tiere beschränkt ist. Der Dsungarische Zwerghamster (Phodopus sungorus) wird seit langem als Modellorganismus verwendet, um saisonale Anpassungen und täglichen Torpor zu untersuchen. Interessanterweise zeigt diese Säugerart einerseits saisonalen spontanen, täglichen Torpor (SDT), welcher durch eine winterliche kurze Photoperiode induziert werden kann, andererseits aber auch fasten-induzierten Torpor (FIT) als Folge von Futterrestriktion. Während FIT als akute Antwort auf eine energetische Herausforderung gilt, tritt SDT auch bei uneingeschränkter Futterverfügbarkeit auf. In dieser Studie wurde unter Verwendung Ganztier-physiologischer Methodik eine Einschätzung von SDT in seiner Rolle als Energiesparmechanismus vorgenommen. Die Einschätzung basiert a) auf dem Vergleich zu FIT und b) der Untersuchung verschiedener Umweltfaktoren, welche die Energiebilanz der Hamster beeinflussen. Die Ergebnisse dieser vergleichenden Studie in Kombination mit einer umfassen Literaturübersicht belegen, dass Hamster, die SDT zeigen, auch unter energetischer Belastung eine ausgeglichene Energiebilanz aufweisen. Im Gegensatz dazu tritt FIT unabhängig von etwaigen Energiesparmaßen durch saisonale Anpassungen auf und scheint ein letzter Ausweg zu sein, wenn die Körperfettreserven der Hamster nahezu erschöpft sind. Diese Befunde erlauben die Unterscheidung zwischen SDT als Teil eines saisonalen „Langzeit-Energieplans“ und FIT als akuter „Notabschaltung“. Da nicht nur Futterquantität, sondern auch -qualität die Ausprägung von SDT beeinflusst, wurde der Effekt von ungesättigten Fettsäuren auf SDT untersucht. Die Aufnahme dieser Fettsäuren führt im Allgemeinen zu einer erhöhten Energiespareffizienz während des Winterschlafs, was hauptsächlich auf den positiven Einfluss dieser Fettsäuren auf die Funktionalität von Membranen und Geweben bei geringer Temperatur zurückzuführen ist. Im Gegensatz zu früheren Studien an Winterschläfern konnte beim Dsungarischen Zwerghamster weder ein hohes Verhältnis zwischen mehrfach-und einfach-ungesättigten Fettsäuren, noch ein hohes Verhältnis zwischen Ω-6- und Ω-3-Fettsäuren die Ausprägung und Energiespareffizienz von SDT positiv beeinflussen. Obwohl eine konstant geringe Umgebungstemperatur die SDT-Ausprägung verstärkt, tritt dieser Effekt bei einem täglichen, semi-natürlichen Temperaturzyklus mit kalten Nächten und wärmeren Tagen bei adulten Hamstern nicht auf. Juvenile Hamster zeigten sogar eine verringerte SDT-Ausprägung als Antwort auf diese Umweltbedingungen. Da bei den Jungtieren der Anteil an unerwartet kurzen SDT Episoden sehr hoch war, nehmen wir an, dass der tägliche Anstieg in der Umgebungstemperatur die Torporepisoden unterbrochen hat. Adulte Hamster schienen gegenüber diesem Störfaktor sehr viel unempfindlicher zu sein. Ein höchst interessantes Ergebnis erzielten wir durch die Behandlung der Hamster mit Somatostatin-Agonisten, was auf einen Einfluss der Wachstumsachse auf Torpor schließen lässt. Insbesondere Pasireotide erhöhte die Torporexpression bezüglich Tiefe und Dauer erheblich und eröffnet so einen neuen Ansatz, um die dem Phänomen Torpor und Winterschlaf zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen. Wir konnten in allen Experimenten die bekannt hohe individuelle Variabilität der SDT-Nutzung innerhalb der verschiedenen Versuchsgruppen beobachten. Energetische Herausforderungen verstärken grundsätzlich die SDT-Ausprägung, jedoch finden sich dramatische Unterschiede im individuellen, relativen Beitrag von SDT zum gesamten Energiesparpotential saisonaler Anpassung. Alle Ergebnisse unterstreichen die Theorie einer endogenen SDT-Neigung. Obwohl die Gründe für die hohe Variabilität der SDT-Nutzung beim Dsungarischen Zwerghamster unbekannt bleiben, können wir dennoch resümieren, dass dieses Rätsel nur zu lösen sein wird, wenn SDT lediglich als eine – wenn auch sehr wichtige – Facette saisonaler Anpassung eingeordnet wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012) Spontaneous daily torpor versus fasting-induced torpor in the Djungarian hamster (Phodopus sungorus): two sides of a medal or distinct phenomena? In: Ruf T, Bieber C, Arnold W, Millesi E (eds). Living in a seasonal world: thermoregulatory and metabolic adaptations. Springer, Berlin, Heidelberg, pp 231-242
Diedrich V and Steinlechner S
- (2014) Effects of unsaturated fatty acids on torpor frequency and diet selection in Djungarian hamsters (Phodopus sungorus). J Exp Biol 10/2014
Diedrich V, Steinlechner S, Scherbarth F
(Siehe online unter https://doi.org/10.1242/jeb.113217) - (2014) Spontaneous daily torpor and fastinginduced torpor in Djungarian hamsters are characterized by distinct patterns of metabolic rate. J Comp Physiol B
Diedrich V, Kumstel S, Steinlechner S
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00360-014-0882-4) - (2015) Daily torpor in the Djungarian hamster (Phodopus sungorus): energetics and environmental challenges. Doctoral-Thesis, University of Veterinary Medicine Hannover, Germany
Diedrich V
- (2015) Somatostatin agonist pasireotide promotes a physiological state resembling short‐day acclimation in the photoperiodic male Siberian hamster (Phodopus sungorus). J Neuroendocrinol
Dumbell RA, Scherbarth F, Diedrich V, Schmid HA, Steinlechner S, Barrett P
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/jne.12289) - (2015) Somatostatin receptor activation is involved in the control of daily torpor in a seasonal mammal. Am J Physiol – Regul Integr Comp
Scherbarth F, Diedrich V, Dumbell RA, Schmid HA, Steinlechner S, Barrett P
(Siehe online unter https://doi.org/10.1152/ajpregu.00191.2015)
