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When the brain goes diving: Biochemical mechanisms conveying hypoxia tolerance to brain neurons of diving animals

Fachliche Zuordnung Biochemie und Physiologie der Tiere
Förderung Förderung von 2008 bis 2013
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 90805877
 
Erstellungsjahr 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Gehirn tauchender Säuger ist unter Wasser regelmäßig Sauerstoffmangel (Hypoxie) ausgesetzt. Die Neurone des Gehirns der tief tauchenden Klappmützenrobbe sind gegenüber hypoxischen Bedingungen toleranter als die Gehirnneurone der Maus. Wir konnten zeigen, dass diese Toleranz des Robbenhirns mit einer Verlagerung des oxidativen Stoffwechsels in die Astrozyten verbunden ist, wohingegen im Gehirn terrestrischer Tiere der aerobe Stoffwechsel hauptsächlich in Neuronen stattfindet. Diese Umverteilung ist allerdings nicht im Gehirn der nur kurz tauchenden Ringelrobbe zu finden. Ähnlich verhält es sich im Gehirn der Wale, die eine ähnliche Verteilung von Neuroglobin und Cytochrom c zeigen wie ihre terrestrischen Verwandten. Allerdings besitzen sie im Gehirn wesentlich mehr Neuroglobin als z.B. Kühe. Elektrophysiologische Studien zeigten, dass die Gehirnneurone der Klappmützenrobbe außerordentlich tolerant gegenüber geringen Glucose oder hohen Laktatkonzentrationen sind. Dies ist möglicherweise auf die hohe Glykogenkonzentration im Gehirn zurückzuführen. Vergleichende Analysen der Enzyme des aeroben und anaeroben Stoffwechsels mittels quantitativer real-time R-PCR, Protein- und Aktivitätsmessungen zeigten ein ähnliches Muster in den Gehirnen der Klappmützenrobbe, Frettchen und Maus. Eine Ausnahme bildete lediglich Pyruvatedehydrogenase, die in der Klappmützenrobbe eine wesentlich höhere Konzentration zeigte. Transkriptomanalysen von Gehirnschnitten der Klappmützenrobbe bei Normoxie, Hypoxie und nach Reoxygenierung erlaubten die Identifizierung einer Reihe differentiell regulierter Gene. Weiterhin wurde in den Gehirnen von Robben und Walen, sowie deren terrestrische Verwandten, das Expressionsniveau verschiedener Enzyme analysiert, die an der Entgiftung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) beteiligt sind. Während sich Wale dabei nur geringfügig von Kühen unterscheiden, besitzen Robben im Vergleich zu Frettchen im Gehirn deutlich mehr Superoxiddismutase 2. Dies deutet auf eine höhere antioxidante Kapazität des Robbenhirns hin. Zusammengefasst sind die erzielten Ergebnisse geeignet, um teilweise die hohe Hypoxietoleranz des Robbengehirns zu erklären.

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