When the brain goes diving: Biochemical mechanisms conveying hypoxia tolerance to brain neurons of diving animals
Final Report Abstract
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.
Publications
- (2009) When the brain goes diving: Glial oxidative metabolism may confer hypoxia tolerance to the seal brain. Neuroscience 163, 552-560
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- (2010) Globins underground: Neuroglobin, cytoglobin and myoglobin may contribute to the hypoxia tolerance of the subterranean mole rat Spalax ehrenbergi. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 21570-21575
Avivi, A., Gerlach, F., Joel, A., Reuss, S., Burmester, T., Nevo, E., and Hankeln, T.
- (2012) Neuroglobin of seals and whales: evidence for a divergent role in the diving brain. Neuroscience 223, 35-44
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2012.07.052) - (2014) The role of glycogen, glucose and lactate in neuronal activity during hypoxia in the hooded seal (Cystophora cristata) brain. Neuroscience 275, 374–383
Czech-Damal, N., Geiseler, S.J., Hoff, M. L.M., Schliep, R., Ramirez, J. M., Folkow, L. P. and Burmester, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2014.06.024)
